DE102021125062B4 - Batterie und Batteriesteuerungsverfahren - Google Patents

Batterie und Batteriesteuerungsverfahren Download PDF

Info

Publication number
DE102021125062B4
DE102021125062B4 DE102021125062.5A DE102021125062A DE102021125062B4 DE 102021125062 B4 DE102021125062 B4 DE 102021125062B4 DE 102021125062 A DE102021125062 A DE 102021125062A DE 102021125062 B4 DE102021125062 B4 DE 102021125062B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
battery
cell
data
control unit
main control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102021125062.5A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102021125062A1 (de
Inventor
Julian Nowroth
Samantha Zimnik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Webasto SE
Original Assignee
Webasto SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Webasto SE filed Critical Webasto SE
Priority to DE102021125062.5A priority Critical patent/DE102021125062B4/de
Priority to PCT/EP2022/076935 priority patent/WO2023052398A2/de
Publication of DE102021125062A1 publication Critical patent/DE102021125062A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102021125062B4 publication Critical patent/DE102021125062B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/486Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for measuring temperature
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/425Structural combination with electronic components, e.g. electronic circuits integrated to the outside of the casing
    • H01M2010/4271Battery management systems including electronic circuits, e.g. control of current or voltage to keep battery in healthy state, cell balancing
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2220/00Batteries for particular applications
    • H01M2220/20Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Batterie (1), welche mit einem Verbraucher (3) und einer zentralen Steuer- und Überwachungseinheit (2) des Verbrauchers (3) verbunden ist, wobei die Batterie (1) ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit einer eine Hauptplatine (11) umfassenden Hauptsteuerungseinheit (10) aufweist, sowie mindestens eine Zellpackung (31.1 ... 31.n) mit einem einen Mikrocontroller (5.4) umfassenden Zellmessboard (32.2 ... 32.n), wobei in regelmäßigen Messperioden eine Überprüfung hinsichtlich Zustandsdaten durchgeführt wird, wobei die Überprüfung relevanter Zustände und Grenzwerte in einem Ruhebetrieb (100) der Batterie durch die Hauptsteuerungseinheit (10) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhebetrieb (100) zur regelmäßigen Überprüfung nach einer definierten Ruhedauer eine Weckfunktion für die Hauptsteuerungseinheit (10) durchgeführt wird und anschließend eine definierte, nachfolgende Ruhedauer bestimmt wird, wobei für die Festlegung der nachfolgenden Ruhedauer für eine nachfolgende Überprüfung mindestens ein Teil der Zustandsdaten vor der Festlegung der nachfolgenden Ruhedauer verwertet werden, wobei die Zustandsdaten eine Ausfall- oder eine Fehlerhäufigkeit oder eine laufende oder eine vorherige Dauer des Ruhebetriebes der Batterie (1) umfassen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Batterie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
  • Batterien, insbesondere HV-Batterien, die eine Vielzahl von Zellpackungen aufweisen, werden hinsichtlich elektrischer und physikalischer Zustände überwacht. Hierzu gehört unteranderem auch die Überwachung von thermischen Zuständen, insbesondere die Detektion von sogenannten thermischen Durchbrüchen (Thermal Runaway). Zur Detektion eines thermischen Events wird in einer oder mehreren Zellen einer Batterie oder eines Batteriesystems Zustandsgrößen, wie die Zellspannung, die Temperatur, der Druck und/oder deren Verläufe ausgewertet, die im Innenraum einer Batterie vorliegen. Diese Druckmessung wird beispielsweise mittels eines Drucksensors vorgenommen, der beispielsweise als Teil des Batterie Management Systems (BMS) auf der Hauptplatine angeordnet sein kann. Ein solches „Thermisches Event“ (Thermal Runaway) ist ein Zustand, bei welchem durch chemische Prozesse die Erwärmung ohne weiteren Einfluss von außen, wie bspw. die Strombelastung, sich selbstständig erhöht, und wobei der chemische Prozess parallel beschleunigt wird.
  • Eine solche Überwachungsanordnung zeigt beispielsweise die DE 10 2018 210 975 B4 , bei der Zustandsdaten mittels eines Drucksensors erfasst werden, der auf einer Hauptplatine der Batteriesteuereinheit angeordnet ist.
  • Aus der DE 10 2020 132 584 A1 ist ein zweistufiges Verfahren zur Erkennung thermischer Ausreißer bekannt.
  • Aus der CN 109435761 A sind ein Verfahren zur Überwachung der Batteriespannung ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug bekannt.
  • Alternativ ist zur Überwachung eines Thermal Runaway bekannt, ausgasendes CO2 zu detektieren, das aus dem Elektrolyten der Zelle entweicht, als Folge der starken Erwärmung einer Zelle. Nachteilig an dieser Lösung ist der zeitliche Versatz zwischen der Erhitzung der Zelle und der Erkennung des CO2 an einem bestimmten Punkt im Innenraum oder außerhalb von der Batterie mittels eines geeigneten Sensors.
  • Während des Ruhebetriebes (Sleep Mode) des Systems ist keine Zustandsüberwachung möglich. Das System wird nur über den TLF-Wakeup oder CAN-Wakeup aufgeweckt und weckt das Gesamtsystem auf. Diese beiden Technologien werden genutzt, um ein koordiniertes Aufwecken einer definierten/wählbaren/beliebigen Anzahl von Zellenpacks zu ermöglichen.
  • Das hierzu eingesetzte Batterie-Steuergerät benötigt eine Energieversorgung über das Niedervolt-Spannungsnetz (LV) des Verbrauchers, in der Regel des Fahrzeugs. Zur Minimierung des Verbrauchs wird das Steuergerät im Ruhebetrieb des Fahrzeugs und der Batterie, also beispielsweise beim Parken abgeschaltet. Somit erfolgt während des Parkens keine Überwachung der Zustandsdaten, insbesondere auch nicht bezüglich eines begonnenen oder nahenden thermischen Events.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte und insbesondere schnellere Erfassung von Zustandsdaten, insbesondere auch eines Thermal Runaways vorzuschlagen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und eine Batterie nach den Merkmalen des Anspruches 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
  • Danach wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Batterie, die mit einem Verbraucher und einer zentralen Steuer- und Überwachungseinheit eben dieses Verbrauchers verbunden ist. Der Verbraucher kann insbesondere ein motorgetriebenes Fahrzeug sein mit zugehöriger Steuerung (Steuer- und Überwachungseinheit). Die Batterie weist ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit einer eine Hauptplatine umfassenden Hauptsteuerungseinheit auf, sowie mindestens eine Zellpackung mit einem Zellmessboard, insbesondere eine Mehrzahl von Zellpackungen mit zugehörigen Zellmessboards, wobei mindestens auf einem Zellmessboard ein Mikrocontroller angeordnet sein kann. Bei dem Verfahren wird die Überprüfung relevanter Zustände und Grenzwerte hinsichtlich Zustandsdaten, insbesondere kritischer Zustandsdaten im Ruhebetrieb der Batterie durch die Hauptsteuerungseinheit vorgenommen, wobei für den Ruhebetrieb zur regelmäßigen Überprüfung nach einer definierten Ruhedauer eine Weckfunktion für die Hauptsteuerungseinheit durchgeführt wird und anschließend eine definierte, nachfolgende Ruhedauer bestimmt wird.
  • Hierbei sind die Zustandsdaten insbesondere solche, die zur Bewertung und/oder Überwachung eines thermischen Events (Thermal Runaway) geeignet sind.
  • Hierbei meint „Ruhebetrieb“ der Batterie, dass der Verbraucher abgeschaltet ist und die Batterie hierfür nicht als Spannungsquelle dient. Insbesondere wird im Ruhebetrieb die Batterie nicht von einem Verbraucher zu dessen Antrieb genutzt (Arbeitsbetrieb), auch nicht in einem kurzfristigen Generatorbetrieb. Weiterhin meint „Ruhebetrieb“ auch nicht den „Ladebetrieb“, bei welchem die Batterie an einer stationären Ladestation aufgeladen wird. Weiterhin meint „Überprüfung“ oder „Überprüfungsschritt“ alle Messungen, Erfassungen und Datenauswertungen, die auch im Zusammenhang und zum Zwecke der Detektion eines thermischen Events (Thermal Runaways) stehen kann.
  • Erfindungsgemäß werden für die Festlegung der jeweiligen nachfolgenden Ruhedauer für die (jeweilige) nachfolgende Überprüfung mindestens ein Teil der Zustandsdaten vor der Festlegung der nachfolgenden Ruhedauer verwertet, wobei die Zustandsdaten Primärdaten oder Sekundärdaten sein können.
  • Erfindungsgemäß umfassen die Zustandsdaten: eine Ausfall- oder Fehlerhäufigkeit oder eine laufende oder eine vorherige Dauer des Ruhebetriebes der Batterie.
  • Hierbei sind Primärdaten Daten und Informationen, die den Zustand der Batterie oder von Bauteilen der Batterie beschreiben, das heißt, sich sehr unmittelbar auf die Batterie beziehen. Diese Zustandsdaten können darüber hinaus Hinweise auf eine statistisch erhöhte Wahrscheinlichkeit eines thermischen Events liefern. Hingegen sind Sekundärdaten solche Daten und Informationen, die weitgehend außerhalb und/oder unabhängig von der Batterie sind.
  • Dabei umfassen die Primärdaten mindestens einen der folgenden Zustandsdaten, die sich insbesondere direkt auf die Batterie beziehen und/oder deren Betriebsdaten darstellen wie: eine Zell(Pack-)-Spannung, eine BatterieTemperatur, eine Zell(Pack-)-Temperatur, ein Druck und/oder eine CO2-Konzentration in einem Batteriegehäuse, Umfang eines vorherigen Ladevorgangs, zeitlicher Abstand zu einem vorherigen Ladvorgang, Betriebsdaten aus einem vorherigen Ladevorgang sowie die jeweiligen Verläufe, insbesondere aus vorherigen Überprüfungen/-schritten.
  • Ergänzend hierzu umfassen die Sekundärdaten mindestens einen der folgenden Einflussgrößen und Zustandsdaten, die insbesondere außerhalb der eigentlichen Batterie liegen: Dauer des Ruhebetriebes des Verbrauchers, Betriebsdaten des Verbrauchers sowie die jeweiligen Verläufe, Außentemperatur, Tageszeit, Feuchte, Breitengrad sowie die jeweiligen Verläufe.
  • Solche Zustandsdaten können grundsätzlich alle Einflussgrößen sein, die sich auf die Funktion und Sicherheit einer Batterie einwirken. Exemplarisch sind nachstehend einige erwähnt, die sich als besonders einflussreiche Faktoren erwiesen haben, um eine Ruhedauer bis zur nachfolgenden Überprüfung festzulegen.
    • • Temperatur der Batterie, insbesondere in und vor der jeweiligen Messperiode, weil eine ggf. überhitzte Batterie anfänglich viel häufiger überprüft werden sollte, als eine kalte Batterie, bei der kritische thermische Ereignisse viel unwahrscheinlich sind.
    • • Zeitlicher Abstand zum Arbeitsbetrieb der Batterie oder zeitlicher Abstand zum Ladebetrieb der Batterie, weil mit fortschreitender Ruhebetrieb einer Batterie, auch nach einem Ladebetrieb, kritische thermische Ereignisse immer unwahrscheinlicher werden.
    • • Temperaturverlauf der Batterie im Arbeitsbetrieb des Verbrauchers vor der jeweiligen Messperiode, insbesondere in einer definierten Vorlaufperiode, weil aus der Historie einer sich ggf. häufig stark erwärmenden Batterie auf eine viel größere Wahrscheinlichkeit eines thermischen Ereignisses geschlossen werden kann, als bei einer vollständig unauffälligen Nutzungshistorie.
    • • Temperatur im Außenbereich, insbesondere auch erwarteter Temperatureinfluss aufgrund lokaler Gegebenheiten, weil bei einem Ruhebetrieb im Winter in nördlichen Breitengraden am Abend vollständig andere thermische Wirkungen und Belastungen auf die Batterie zu erwarten sind, als nach Start des Ruhebetriebes der Batterie am Mittag im Hochsommer einer grundsätzlich heißen Region.
  • Der besondere Vorteil besteht nun darin, dass auf diese Weise eine eigengesteuerte bzw. bedarfsgerechte Zustandsüberwachung des Batteriesystems erfolgt, beispielsweise für langwieriges Balancing der Zellen, regelmäßige Überwachung der Lagertemperaturen (Warranty Data) etc. Weiterhin wird Energie der versorgenden LV-Versorgung eingespart, wenn in unkritischen Zuständen eine entsprechend verlängerte Überwachungsfrequenz gewählt wird.
  • Einer Verbesserung besteht darin, dass die Weckfunktion von der Hauptsteuerungseinheit auf mindestens einen Mikrocontroller ausgelagert wird, der nicht auf der Hauptsteuerungseinheit oder der Hauptplatine angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass diese einfache Weckfunktion jeder nachgeordnete Mikrocontroller ausführen kann, so dass idealerweise derjenige Mikrocontroller der Batterie gewählt werden sollte, dessen Betrieb die geringste Energie erfordert.
  • Somit ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Mikrocontroller insbesondere auf einem der Zellboards oder in der Schaltbox angeordnet ist. Zur Durchführung der eigentlichen Überwachung weckt der jeweilige Mikrocontroller die Hauptsteuerungseinheit auf, die nachfolgend aktiv wird. Hierbei meint Mikrocontroller jegliches mikroelektronisches Bauteil, das funktional eine zeitlich bestimmte, zeitlich veränderliche Weckfunktion ausführen kann.
  • Um nachgeordnete Mikrocontroller baulich einfach ausführen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Berechnungen einer nachfolgenden (optimalen) Ruhedauer für die Weckfunktion von der zentralen Hauptsteuerungseinheit durchgeführt werden und die nachfolgende, absolute Ruhedauer an den ausgelagerten Mikrocontroller und/oder einen mit diesem verbundenen Datenspeicher übermittelt wird.
  • Alternativ kann auch eine zentrale Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers Teilberechnungen für die optimale Ruhedauer ermitteln, insbesondere Sekundärdaten oder Ableitungen aus Sekundärdaten der Hauptauswerteeinheit zur Verfügung stellen.
  • Eine Verbesserung sieht vor, dass bei der Unterschreitung aller definierten Grenzwerte die jeweilige Messperiode abgeschlossen wird und der Ruhebetrieb der Batterie wiederhergestellt oder fortgesetzt wird. Hierbei erfolgt kein unmittelbarer Datenaustausch mit der zentralen Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers.
  • Bei einer Verfahrensvariante wird bei der Erreichung und/oder Überschreitung mindestens eines definierten Grenzwertes entweder eine neue, verkürzte Ruhedauer bestimmt und/oder ein Weckbefehl an die Steuer- und Überwachungseinheit des Verbrauchers gesendet, wobei die Steuer- und Überwachungseinheit nach dem Weckschritt bedarfsweise einen Überwachungs- und Validierungsschritt und/oder einen Warn- und Notfallschritt durchführt.
  • Ob das Erreichen eines Grenzwertes „nur“ zur Festlegung eines neuen Grenzwertes oder zum Wecken der Steuer- und Überwachungseinheit führt, ist abhängig von den Zustandswerten. So kann beispielsweise ein starker Anstieg der Außentemperatur zu einem starken Temperaturanstieg der Batterie führen, woraus nur eine neue, verkürzte Ruhedauer resultiert.
  • Vorteilhafterweise werden im Zusammenhang mit der Übermittlung eines Weckbefehls für die Steuer- und Überwachungseinheit auch die relevanten Daten der bereits erfolgten Erfassung und Auswertung an die Steuer- und Überwachungseinheit übermittelt. Dies hat den Vorteil, dass diese Daten zur Gesamtanalyse der Steuer- und Überwachungseinheit unmittelbar zur Verfügung stehen.
  • Bei einer vorteilhaften Verfahrensvariante beträgt die Messperiode im Ruhebetrieb der Batterie, in welchem kein Fahrzeug angetrieben und kein Ladevorgang durchgeführt wird, mehr als 1s, vorteilhafterweise über 2s und idealerweise im Bereich von über 5s.
  • Diese Ausführungsvariante kann weiter verbessert werden, indem selektiv die Art und/oder Anzahl der konkret zu erfassenden der Zustandsdaten festgelegt werden. So könnte es vorteilhaft sein, nach einem langen Ruhebetrieb ohne Auffälligkeiten, nur noch einen einzigen Wert zu erheben, wie beispielsweise die Batterietemperatur, als Primärdaten oder eine Kombination aus Batterietemperatur und Außentemperatur. Hierdurch kann zusätzlich Energie bei dem LV-Versorger eingespart werden.
  • Unter einem (Überhitzungs-)Warnhinweis ist hierbei jedes Warn- und/oder Steuersignal zu verstehen, das einen Nutzer der Batterie, wie zum Beispiel den Fahrer eines Fahrzeuges während der Nutzung warnt, insbesondere akustisch oder optisch, sowie eine mindestens teilweise Abschaltung der Batterie oder sonstige Schritte veranlasst, um den sicheren Betrieb und/oder Abschaltung der Batterie oder des Verbrauchers zu veranlassen.
  • Insbesondere besteht eine Verbesserung darin, dass Korrelation aus Primär- und Sekundärdaten gewonnen werden. Somit ist bei bekannten Batterie- und Außentemperaturen im Ruhebetrieb ein SOLL-Abkühlverhalten der Batterie bestimmbar. Ebenfalls ist nach einem Ladevorgang ein gewisses Balancing zwischen den Zellenpacks bekannt, so dass bei signifikanten Abweichungen von dem jeweiligen Erwartungswert eine verkürzte Ruhedauer bis zur nächsten Überwachung vorgesehen wird. In analoger Weise wird die Ruhedauer verlängert, wenn die Erwartungswerte erreicht oder sogar unterschritten werden.
  • Von der Erfindung ist auch eine Batterie für einen eine Steuer- und Überwachungseinheit umfassenden Verbraucher umfasst. Die Batterie ist insbesondere als eine Hochvoltbatterie (HV-Batterie) ausgebildet und umfasst mindestens die folgenden Batterieelemente:
    • - ein Zellenkompartiment mit mindestens einer, insbesondere mit mehreren Zellpackungen, zugehörigen Zellenboards und zugehörige (Batterie-)Zellen,
    • - eine Hauptsteuerungseinheit mit einer Hauptplatine, einem Hauptprozessor und einer Mehrzahl von elektronischen Elementen, wobei das Zellmessboard und/oder ein dort angebrachter Mikrocontroller dazu ausgelegt sind, das vorgenannte Verfahren nach einer der Ausführungsvarianten auszuführen, womit auch verstanden wird, dass die entsprechende Software umfasst, in geeigneter Weise gespeichert und genutzt wird.
  • Vorliegend wird nicht zwischen (analogen) Messwerten und/oder und hieraus direkt oder mittelbar generieten Daten unterschieden, die softwareseitig nutzbar sind. Messwerte und (Mess-)Daten sind somit weitegehend synonym zu verstehen, wenn nicht ausdrücklich etwas Gegenteiliges genannt wird. Vom Fachmann sind also ggf. erforderliche Analog Digital Converter (ADC) und sonstige hard- und softwareseiten Elemente für die Bearbeitung und Weiterleitung in bekannter Weise vorzusehen.
  • Bei einer Ausführungsform der Batterie umfasst diese einen Temperatursensor und/oder ist mit einem solchen datenleitend verbunden, welcher insbesondere an oder auf mindestens einer Zellpackung angeordnet ist. Der Temperatursensor ist insbesondere datenleitend mit dem Mikroprozessor und/oder der Hauptsteuerungseinheit verbunden. Vorteilhafterweise ist der Temperatursensor im Inneren der Batterie, einem Batteriegehäuse, angeordnet. Es kann aber auch oder zusätzlich ein Außensensor sein.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Batterie umfasst diese mindestens einen Drucksensor, insbesondere einen Drucksensor auf oder an der Hauptplatine oder in einer Schaltbox, wobei der Drucksensor datenleitend direkt oder mittelbar mit dem Mikroprozessor und/oder der Hauptsteuerungseinheit verbunden ist.
  • Hierbei ist „verbunden sein“ oder „in Verbindung stehen“ nicht einschränkend zu verstehen und meint sowohl eine oder mehrere Verbindungen zur Spannungs- und Stromversorgung als auch zur datenleitenden Kommunikation. Die Kommunikation kann insbesondere als eine der üblichen Bustechnologien oder seriellen Schnittstellen ausgebildet sein, durch separate Einzelkabel oder moduliert auf ein oder mehrere stromführende Einzelkabel.
  • Der große Vorteil besteht bei dieser Lösung darin, dass bei einem abgeschalteten Verbraucher und im Ruhebetrieb der Batterie, sehr energiesparend und in logischer Abhängigkeit von den vorherigen Zuständen überwacht wird, insbesondere auch bezüglich eines thermischen Events.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
    • 1 Eine Hochvoltbatterie im Überblick und
    • 2 ein Blockfließdiagramm für übliche Verfahrensschritte bei einem thermischen Event (Thermal Runaway).
  • 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer HV-Batterie 1, die als wesentliche Komponenten ein Batteriegehäuse 15 aufweist, innerhalb welchem eine Hauptsteuereinheit 10, eine Schaltbox 20 und ein Zellenkompartiment 30. Das Zellenkompartiment 30 ist in eine Mehrzahl von Zellpackungen 31.1... 31.n unterteilt, was durch eine gestrichelte, querlaufende Linie angedeutet wurde.
  • Jedes Zellpackung 31.1 ... 31.n weist eine zugehörige Zellmessplatine 32.1 ... 32.n auf. Die Hauptsteuereinheit 10 und deren Hauptplatine 11 ist über die LV-Leitung mit einer zentralen Steuer- und Versorgungseinheit 2 daten- und stromleitend verbunden. Über HV-Leitungen ist die Batterie 1 mit einem oder mehreren Verbrauchern 3 verbunden, wie sehr schematisch angedeutet ist.
  • Die HV+-Leitung ist in die Schaltbox 20 und zu dem dortigen Schütz 8 und die HV--Leitung zu dem Schütz 9 geführt. Weiterhin ist in der Schaltbox 20 an der HV+ - Leitung ein Nebenstrompfad vorgesehen, zum Betrieb des Schütz 12, der als Vorladeschütz fungiert. Weiterhin ist in der Schaltbox 20 ein Stromsensor 24 vorgesehen, sonstige Sicherungen, Widerstände oder weitere Komponenten sind nicht dargestellt. Die Hauptplatine 11 ist mit der Schaltbox 20 bzw. einzelnen Komponenten und Bauteilen in der Schaltbox 20 verbunden, was vorliegend nicht im Detail unterschieden wurde. Die Hauptplatine 11 umfasst eine Mehrzahl von mikro-/elektronischen Elementen 5.1, 5.2, 5.3 und einen Hauptmikroprozessor 4. Vorliegend ist ein gesonderter Mikroprozessor 5 vorgesehen, wobei dieser, der im Wesentlichen die Aufgabe hat, thermische Events zu erkennen und geeignete Warn- und Steuersignale zu senden.
  • In der 1 sind mehrere Anbringungsorte für die ergänzende Anordnung mindestens eines Drucksensors 6.1, 6.2 dargestellt, nämlich auf der Hauptplatine 11 der Hauptsteuereinheit 10 und/oder in der Schaltbox 20. Ebenso sind zwei vorteilhafte Anbringungsorte für optionale Temperatursensoren 7.1, 7.2 dargestellt, nämlich auf einer der Zellplatinen 32.2 und/oder im Innenraum des Zellkompartiments 30. Ein zusätzlicher, optionaler CO2-Sensor sollte an vergleichbaren Stellen angeordnet werden.
  • In der 2 ist ein Verfahrensverlauf als Blockfließbild dargestellt, bei dem schlussendlich die Steuer- und Überwachungseinheit 2 des Verbrauchers 3 geweckt wird und Warnhinweise und/oder Sicherheitsteuerungen veranlasst.
  • Hierbei erfolgt eine Systemabschaltung 50, indem beispielsweise der Fahrzeugschlüssel des Fahrzeuges gezogen oder entsprechend geschaltet wird. Parallel werden von der Steuer- und Überwachungseinheit 2 an die Hauptsteuerungseinheit 10 der Batterie 1 Sekundärdaten übermittelt. Mittels eines hinterlegten Algorithmus wird in einem Bestimmungsschritt 122 die nächste Ruhedauer festgelegt. Nachfolgend befindet sich auf dem skizzierten Zellmessboard 32.1 ein Mikrocontroller 5.4 mit zugehöriger Speichereinheit, die die zugewiesene Ruhedauer verarbeitet und den anstehenden Weckschritt 110 steuert. Die Hauptsteuerungseinheit 10 sowie die gesamte Batterie 1 befinden sich nun im Ruhebetrieb 100. Nach einer Ruhedauer mit einer definierten Zeitdauer, wird der nicht dargestellte Mikrocontroller 5.4 aktiviert (Weckschritt 110) und veranlasst einen Weckschritt 120 auf der Hauptsteuerungseinheit 10. Diese führt einen Überprüfungsschritt 121 durch, bei welchem im gezeigten Beispiel mindestens ein relevanter Grenzwert überschritten wurde. Hierbei wird beispielsweise der auf dem Zellboard 32.1 angeordnete Temperatursensor 7.1 und/oder der zentral angeordnete Temperatursensor 7.1 abgefragt und ausgewertet.
  • Vorliegend ist der definierte Grenzwert für mindestens eine der Temperaturen überschritten. Somit erfolgt an dem Gate I die Signalweiterleitung an die Steuer- und Überwachungseinheit 2 des Verbrauchers 3, der Weckschritt 130. Durch die Signalweiterleitung am Gate I führt die zentrale Steuer- und Überwachungseinheit 2 nachfolgend einen eigenen Überwachungs- und Validierungsschritt 131 durch, indem beispielsweise alle verfügbaren Sensoren und Zellboards abgefragt werden. Nachfolgend wird, aufgrund der Validierung eines thermischen Events in dem Zellpack 31.1, in einem Warn- und Notfallschritt 200 (Überhitzungs-)Warnhinweise an den Nutzer veranlasst und/oder sonstige Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet. Alternativ könnte ein der Überwachungs- und Validierungsschritt 131 übersprungen werden, wenn bereits die vom vorherigen Überprüfungsschritt 121 stammenden Daten hinreichend aussagekräftig und/oder schwerwiegend sind.
  • Wie mit den gestrichelten Pfeilen angedeutet, wäre bei einem unkritischen Betriebszustand, also der Unterschreitung der Grenzwerte oder bei negativer Validierung, am Gate I eine Wiederherstellung des Ruhebetriebes 100 veranlasst worden, wobei vorher eine Neufestlegung der Ruhedauer in dem erneuten Bestimmungsschritt 122 erfolgt wäre. Vorteilhafterweise wäre dann die Ruhedauer für den aktuellen (neuen) Weckschritt 110 beziehungsweise den Weckschritt 120 verlängert worden.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Batterie
    2
    Steuer- und Überwachungseinheit
    3
    Verbraucher
    4
    Hauptmikroprozessor
    5
    Mikroprozessor
    5.1, 5.2, 5.3
    Element, (mikro-)elektronisch
    5.4
    Mikrocontroller
    6.1, 6.2
    Drucksensor
    7
    Temperatursensor
    8
    Schütz
    9
    Schütz
    10
    Hauptsteuerungseinheit
    11
    Hauptplatine
    12
    Schütz
    13
    Spannungsverlauf der Zellspannung [V]
    14
    Spannungsverlauf der (Zell-)Packungsspannung [V]
    15
    Verlauf der Konzentration an CO2 [1000 ppm]
    15
    Batteriegehäuse
    20
    Schaltbox
    24
    Stromsensor
    30
    Zellenkompartiment
    31
    Zellpackung (31.1 ... 31.n)
    32
    Zellmessplatine (32.1 ... 32.n)
    50
    Systemabschaltung
    100
    Ruhebetrieb
    101
    Empfang der Ruhedauer
    110
    Weckschritt für die Hauptsteuerungseinheit
    120
    Weckschritt auf Hauptsteuerungseinheit
    121
    Überwachungs- und Validierungsschritt
    122
    Bestimmungsschritt für nächste Ruhedauer
    130
    Weckschritt für die Steuer- und Überwachungseinheit
    131
    Überwachungs- und Validierungschritt
    200
    Warn- und Notfallschritt
    I
    Gate (Entscheidungsinstanzen)

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Batterie (1), welche mit einem Verbraucher (3) und einer zentralen Steuer- und Überwachungseinheit (2) des Verbrauchers (3) verbunden ist, wobei die Batterie (1) ein Batteriemanagementsystem (BMS) mit einer eine Hauptplatine (11) umfassenden Hauptsteuerungseinheit (10) aufweist, sowie mindestens eine Zellpackung (31.1 ... 31.n) mit einem einen Mikrocontroller (5.4) umfassenden Zellmessboard (32.2 ... 32.n), wobei in regelmäßigen Messperioden eine Überprüfung hinsichtlich Zustandsdaten durchgeführt wird, wobei die Überprüfung relevanter Zustände und Grenzwerte in einem Ruhebetrieb (100) der Batterie durch die Hauptsteuerungseinheit (10) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass im Ruhebetrieb (100) zur regelmäßigen Überprüfung nach einer definierten Ruhedauer eine Weckfunktion für die Hauptsteuerungseinheit (10) durchgeführt wird und anschließend eine definierte, nachfolgende Ruhedauer bestimmt wird, wobei für die Festlegung der nachfolgenden Ruhedauer für eine nachfolgende Überprüfung mindestens ein Teil der Zustandsdaten vor der Festlegung der nachfolgenden Ruhedauer verwertet werden, wobei die Zustandsdaten eine Ausfall- oder eine Fehlerhäufigkeit oder eine laufende oder eine vorherige Dauer des Ruhebetriebes der Batterie (1) umfassen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsdaten a) Primärdaten sind, die den Zustand der Batterie oder Bauteile der Batterie beschreiben und/oder b) Sekundärdaten sind, die außerhalb und/oder unabhängig von der Batterie sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärdaten mindestens einen der folgenden Zustandsdaten umfassen: eine Zell-Spannung, eine BatterieTemperatur, eine Zell-Temperatur, ein Druck und/oder eine CO2-Konzentration in einem Batteriegehäuse, Umfang eines vorherigen Ladevorgangs, Betriebsdaten aus einem vorherigen Ladevorgang sowie die jeweiligen Verläufe.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Verläufe aus vorherigen Überprüfungen/-schritten sind.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärdaten mindestens einen der folgenden Einflussgrößen und Zustandsdaten umfassen: Dauer des Ruhebetriebes des Verbrauchers, Betriebsdaten des Verbrauchers sowie die jeweiligen Verläufe, Außentemperatur, Tageszeit, Breitengrad sowie die jeweiligen Verläufe.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weckfunktion von der Hauptsteuerungseinheit (10) auf mindestens einen Mikrocontroller (5.4) ausgelagert wird, der nicht auf der Hauptsteuerungseinheit (10) oder der Hauptplatine (11) angeordnet ist, wobei der die Weckfunktion durchführende mindestens eine Mikrocontroller (5.4) zur Durchführung der Überwachung die Hauptsteuerungseinheit (10) aufweckt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mikrocontroller (5.4) auf einem der Zellboards (32.1 ... 32.n) oder einer Schaltbox (20) angeordnet ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung einer nachfolgenden (optimalen) Ruhedauer für die Weckfunktion von der Hauptsteuerungseinheit (10) erfolgt und die nachfolgende Ruhedauer an den ausgelagerten Mikrocontroller (5.4) und/oder einen mit diesem verbundenen Datenspeicher übermittelt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Unterschreitung aller definierten Grenzwerte die jeweilige Messperiode abgeschlossen wird und der Ruhebetrieb der Batterie (1) wiederhergestellt oder fortgesetzt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erreichung und/oder Überschreitung mindestens eines definierten Grenzwertes ein Weckbefehl an die Steuer- und Überwachungseinheit (2) des Verbrauchers (3) gesendet wird, wobei die Steuer- und Überwachungseinheit (2) nach dem Weckschritt (130) einen Überwachungs- und Validierungsschritt (131) und/oder einen Warn- und Notfallschritt (200) durchführt.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Zusammenhang mit der Übermittlung eines Weckbefehls für die Steuer- und Überwachungseinheit (2) auch die relevanten Daten der Erfassung und Auswertung an die Steuer- und Überwachungseinheit (2) übermittelt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messperiode im Ruhebetrieb der Batterie, in welchem kein Fahrzeug angetrieben wird und kein Ladevorgang durchgeführt wird, im Bereich von über 1s liegt oder im Bereich von über 2s oder im Bereich von über 5s.
  13. Batterie (1) für einen eine Steuer- und Überwachungseinheit (2) umfassenden Verbraucher (3), ausgebildet als eine Hochvoltbatterie (HV-Batterie) umfassend mindestens die folgenden Batterieelemente: - ein Zellenkompartiment (30) mit mindestens einer oder mehreren Zellpackungen (31.1 .. 31.n), zugehörigen Zellenboards (32.1 ... 32.n) und zugehörigen Zellen, - eine Hauptsteuerungseinheit (10) mit einer Hauptplatine (11), einem Hauptprozessor (4) und einer Mehrzahl von elektronischen Elementen (5.1, 5.2, 5.3), dadurch gekennzeichnet, dass - das Zellmessboard (32.1 ... 32.n) und/oder ein dort angebrachter Mikrocontroller (5.4) dazu ausgelegt ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auszuführen.
DE102021125062.5A 2021-09-28 2021-09-28 Batterie und Batteriesteuerungsverfahren Active DE102021125062B4 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021125062.5A DE102021125062B4 (de) 2021-09-28 2021-09-28 Batterie und Batteriesteuerungsverfahren
PCT/EP2022/076935 WO2023052398A2 (de) 2021-09-28 2022-09-28 Batterie und batteriesteuerungsverfahren

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021125062.5A DE102021125062B4 (de) 2021-09-28 2021-09-28 Batterie und Batteriesteuerungsverfahren

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102021125062A1 DE102021125062A1 (de) 2023-03-30
DE102021125062B4 true DE102021125062B4 (de) 2024-01-11

Family

ID=83691275

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021125062.5A Active DE102021125062B4 (de) 2021-09-28 2021-09-28 Batterie und Batteriesteuerungsverfahren

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102021125062B4 (de)
WO (1) WO2023052398A2 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109435761A (zh) 2018-10-17 2019-03-08 北京经纬恒润科技有限公司 一种蓄电池电压监控方法及整车控制器
DE102018210975B4 (de) 2018-07-04 2021-02-04 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Batteriemanagementsystem für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, Hochvoltbatterie sowie Kraftfahrzeug
DE102020132584A1 (de) 2020-01-27 2021-07-29 GM Global Technology Operations LLC Zweistufiges verfahren zur erkennung thermischer ausreisser

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112928348B (zh) * 2019-04-30 2022-04-26 宁德时代新能源科技股份有限公司 电池热失控的检测方法、装置、系统和电池管理单元
DE102019215812A1 (de) * 2019-10-15 2019-11-28 Vitesco Technologies GmbH Batteriemanagementvorrichtung für ein Batteriesystem, Batteriesystem, Verfahren zum Betreiben einer Batteriemanagementvorrichtung
KR20210087816A (ko) * 2020-01-03 2021-07-13 주식회사 엘지에너지솔루션 배터리 관리 장치
CN112731169B (zh) * 2020-12-22 2022-08-23 上汽大众汽车有限公司 一种动力电池热失控全天候监测系统及方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018210975B4 (de) 2018-07-04 2021-02-04 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Batteriemanagementsystem für eine Hochvoltbatterie eines Kraftfahrzeugs, Hochvoltbatterie sowie Kraftfahrzeug
CN109435761A (zh) 2018-10-17 2019-03-08 北京经纬恒润科技有限公司 一种蓄电池电压监控方法及整车控制器
DE102020132584A1 (de) 2020-01-27 2021-07-29 GM Global Technology Operations LLC Zweistufiges verfahren zur erkennung thermischer ausreisser

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023052398A3 (de) 2024-01-04
DE102021125062A1 (de) 2023-03-30
WO2023052398A2 (de) 2023-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3637580B1 (de) Energieversorgungssystem für eine verbrauchseinheit und verfahren zur energieversorgung einer verbrauchseinheit
DE102019215812A1 (de) Batteriemanagementvorrichtung für ein Batteriesystem, Batteriesystem, Verfahren zum Betreiben einer Batteriemanagementvorrichtung
EP2517922A2 (de) Flurförderzeug mit mindestens einer Lithium-Ionen-Batterie
DE102020213357A1 (de) Verfahren zum Überprüfen des Verhaltens mindestens einer Gruppe von Verbrauchern in einem Kraftfahrzeug
DE102017122778B4 (de) Bordnetz sowie verfahren zur steuerung eines bordnetzesfür ein fahrzeug
DE102020124378A1 (de) Verfahren zum überwachen und steuern eines bordsystems und eines überwachungs- und steuerungssystems
DE102016221249A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Bordnetzes
DE102015206878B4 (de) Verfahren zum Betrieb einer Batterie
DE102018123552B4 (de) Vorrichtung und verfahren zum aufwecken einer fahrzeugbatterie
DE102021125062B4 (de) Batterie und Batteriesteuerungsverfahren
EP1603773B1 (de) Verfahren und system zur früherkennung eines ausfalles eines elektrisch gesteuerten bremssystems
DE112020003460T5 (de) Entladesteuerschaltung und leistungsumsetzungsvorrichtung
DE102020214875A1 (de) Batterieentladesteuersystem und Verfahren für motorbetriebenes Fahrzeug
WO2014166698A2 (de) Überwachungsvorrichtung für ein fahrzeug und verfahren zur überwachung eines fahrzeugs
DE102021125063B4 (de) Batterie und Batteriesteuerungsverfahren
DE102017203211A1 (de) Vorrichtung zur Überwachung eines Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs
DE102013002653B4 (de) Verfahren zur Aktivierung der Klimatisierung eines Fahrzeugs und Klimaanlage zur Durchführung des Verfahrens
DE102018216316A1 (de) Elektrochemisches Batteriesystem
DE102010001374A1 (de) Vorrichtung zur Energiespeicherung
DE102021001217A1 (de) Verfahren zur Überwachung eines Batteriesystems
DE102020205611A1 (de) Verfahren zum Überwachen der Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs
DE10126401B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines elektrischen Bordnetzes
DE102016000721B4 (de) Kraftfahrzeug mit Start-Stopp-Funktion und mehreren Energiespeichern
WO2023025753A2 (de) Batterie und batteriesteuerungsverfahren
DE102019135399A1 (de) Fahrzeug mit einer durch eine Überwachungseinrichtung überwachten Traktionsbatterie und Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: DF-MP DOERRIES FRANK-MOLNIA & POHLMAN PATENTAN, DE

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division