DE102022001527B4

DE102022001527B4 - Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102022001527B4
Application number: DE102022001527.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt; Philipp Komhard
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-05-02
Filing date: 2022-05-02
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2042-05-03
Also published as: DE102022001527A1; WO2023213688A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, welche in einem Gehäuse angeordnete Batteriezellen aufweist, bei welchem mittels wenigsten eines Drucksensors kontinuierlich einen Druck in dem Gehäuse ermittelt wird und daraus resultierende Druckdaten (DD) einer Steuerungseinrichtung bereitstellt werden, von welcher aus den Druckdaten (DD) eine Varianz (V) des Drucks ermittelt wird und in Abhängigkeit von einem Wert (W) der Varianz (V) ein Ereignissignal (S) bereitstellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Patentanspruch 1.
Eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs ist in der Regel aus vielen zusammengeschalteten Batteriezellen gebildet, welche häufig als Lithium-Ionen-Batteriezellen ausgebildet sind. Bei diesen besteht die Gefahr eines thermischen Durgehens. Das thermische Durchgehen wird in der Regel bestimmt von einer chemischen Reaktion innerhalb einer der Batteriezellen. Die Reaktion setzt Wärmeenergie frei, da diese exotherm verläuft und ist in der Regel eine Zersetzungsreaktion eines Kathoden- und/oder eines Anoden Materials der jeweiligen Batteriezelle. Dies ist eine große Gefahr da in der Regel eine Kettenreaktion herbeigeführt wird, bei welcher benachbarte Batteriezellen ebenfalls über einer Temperaturschwelle durchgehen, wodurch sich die ganze Traktionsbatterie entzünden kann. Das Entzünden wird erleichtert, wenn beispielsweise ein Gehäuse der Traktionsbatterie beschädigt ist und so beispielsweise ein Gasaustausch mit der Umgebung möglich ist. Dadurch kann es beispielsweise zu einem thermischen Ereignis kommen.
Daher ist eine Batterieüberwachung wünschenswert, welche frühzeitig einen Hinweis auf ein Durchgehen der Batterie liefern kann. Dabei ist bekannt, dass das Durchgehen beziehungsweise das thermische Ereignis nicht nur von der Temperatur abhängt, sondern beispielsweise auch vom Ladezustand und/oder einer Alterung der Batteriezellen.
Die CN 111 007 461 A zeigt ein Verfahren zur Lokalisierung des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien auf der Grundlage von akustischen Signalen.
Ferner zeigt die CN 110 350 258 A ein Schutzsystem sowie ein Verfahren zur Warnung vor thermischem Durchgehen einer Lithium-Batterie.
Die DE 10 2020 005 167 A1 zeigt ein Verfahren zur Überwachung einer Temperaturüberschreitung eines Batteriemoduls mit zwei Metalloxid-Gassensoren.
Die DE 10 2019 206 784 A1 zeigt ein Verfahren und eine Anordnung zur Zustandsbestimmung einer Batterievorrichtung mit einer Anzahl von im Inneren eines Batteriegehäuses angeordneten Batteriezellen. Mittels von zwei zueinander redundanten Druckerfassungseinheiten wird anhand von Schwellwertvergleichen das Auftreten eines kritischen Zustands überwacht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem eine Überwachung einer Traktionsbatterie ermöglicht wird, insbesondere im Hinblick auf thermisches Durchgehen und welches auch dann zuverlässig funktioniert, wenn beispielsweise bereits eine Gehäuseschädigung eines Gehäuses der Traktionsbatterie vorhanden ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildet und zumindest teilweise elektronisch antreibbar.
Die Traktionsbatterie weist in einem Gehäuse angeordnete Batteriezellen auf, welche insbesondere miteinander verschaltet sein können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung der Traktionsbatterie erfolgt die Überwachung mittels wenigstens eines Drucksensors, welcher kontinuierlich einen Druck in dem Gehäuse ermittelt und daraus resultierende Druckdaten einer Steuerungseinrichtung bereitstellt, welche aus den Druckdaten eine Varianz des Drucks ermittelt und in Abhängigkeit von einem Wert der Varianz ein Ereignissignal bereitstellt.
Mit anderen Worten wird durch wenigstens eines Drucksensors insbesondere durchgehend ein Druck in dem Gehäuse ermittelt und daraus resultierende Druckdaten werden einer Steuerungseinrichtung bereitgestellt. Durch die Steuerungseinrichtung wird aus den Druckdaten eine Varianz des Drucks ermittelt und in Abhängigkeit von einem Wert der Varianz wird ein Ereignissignal bereitgestellt.
Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Detektion eines thermischen Durchgehens einer Batterie, wie der Traktionsbatterie, über eine Messung eines Drucks in der Batterie erfolgen kann. Dabei ist der Verlauf des Drucks während eines thermischen Ereignisses jedoch nicht immer gleich und hängt von mehreren Faktoren, wie beispielsweise einer Temperatur, einem Ladezustand und/oder einer Alterung und beispielsweise auch von dem Auslöser des thermischen Durchgehens, ab. Ebenso kann eine bereits undichte Berstmembran in dem Gehäuse und/oder eine Druckausgleichseinheit dazu führen, dass beispielsweise ein beabsichtigter Maximaldruck in der Batterie nicht mehr erreicht wird.
Trotz dieser Umstände sind im Stand der Technik Verfahren bekannt, bei welchen ein bestimmter Referenzdruck als Kriterium für ein thermischen Durchgehen herangezogen wird. Jedoch können, wie bereits erwähnt, Umgebungsparameter, wie die Temperatur und/oder der Ladezustand, als auch ein Alterungszustand ein Entlüftungsverhalten und damit den Druckaufbau der Traktionsbatterie beeinflussen. Gleicher gilt für einer defekte Berstmembran, mit welcher ein vorgegebener Maximaldruck nicht erreicht werden kann. Somit wird ein Erkennen des thermischen Durchgehens aufgrund des Drucks nach den Methoden des Stands der Technik unmöglich.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch mittels eines Drucksensors auf das thermische Durchgehen einer Traktionsbatterie geschlossen werden, da erfindungsgemäß eine Varianz aus einem Drucksignal beziehungsweise den Druckdaten bestimmt wird. So wird, anstelle eines Vergleichs des Druckwerts mit einem Schwellenwert und/oder einer vorgegebenen Trajektorie, die Varianz oder zumindest ein varianzähnlicher Wert aus dem Drucksignal bestimmt. Auf Basis dessen kann über das Vorliegen eines thermischen Durchgehens entschieden werden. Dabei kann ein Wert der Varianz, der Varianzwert, beispielsweise mit einem Schwellenwert verglichen werden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Detektion des thermischen Durchgehens in seiner Robustheit erhöht und zusätzlich und/oder darüber hinaus auch für Batterien in unterschiedlichen Zustände stattfinden kann. Dabei ist ein besonderer Vorteil des Verfahrens, dass mit diesem das thermisches Durchgehen auch für vorgeschädigte Traktionsbatterien, deren Gehäuse beispielsweise nicht mehr eine notwendige Dichtheit aufweist, durchgeführt werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung charakterisiert der Wert der Varianz, bei welchem das Ereignissignal bereitgestellt wird, ein thermisches Durchgehen wenigstens einer der Batteriezellen der Traktionsbatterie.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Wert mittels der Varianz mit einem Schwellenwert abgeglichen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck ermittelt, wenn das Gehäuse eine Anomalie aufweist. Dabei ist eine Anomalie des Gehäuses beispielsweise eine undichte Stelle, wie beispielsweise ein undichte beziehungsweise kaputte Berstmembran. Mit anderen Worten beschreibt die Anomalie eine Abweichung von dem Sollzustand der Traktionsbatterie beziehungsweise des Gehäuses.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird durch das Ereignissignal ein Kühlsystem und/oder ein Notausschalter und/oder ein Löschsystem der Traktionsbatterie aktiviert und/oder eine Benachrichtigung der Fahrzeuginsassen oder Dritter durchgeführt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Es zeigt:

1 Einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs;
2 Ein Diagramm eines durch einen Drucksensor ermittelten Drucks sowie ein Diagramm einer daraus durch das Verfahren bestimmten Varianz.

Um ein thermisches Durchgehen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs vorteilhaft bestimmen zu können wird ein Verfahren zur Überwachung der Traktionsbatterie vorgeschlagen. Die Traktionsbatterie weist in einem Gehäuse angeordnete Batteriezellen auf. Aufgrund beispielsweise chemischer und/oder physikalischer Prozesse kann es bei einer der Batteriezellen zu einem thermischen Ereignis beziehungsweise thermischen Durchgehen kommen, sodass die gesamte Traktionsbatterie Schaden nehmen kann. Solch ein thermisches Ereignis kann von mehreren Faktoren, wie beispielsweise einer Temperatur, Spannung und/oder Alterungszustand der jeweiligen Batteriezelle abhängen. Darüber hinaus kann beispielsweise auch ein Druck in dem Gehäuse einen Hinweis auf das thermische Durchgehen liefern.
Bei dem Verfahren zur Überwachung der Traktionsbatterie wird mittels wenigstens eines Drucksensors kontinuierlich ein Druck in dem Gehäuse ermittelt und daraus resultierend Druckdaten DD werden einer Steuerungseinrichtung bereitgestellt. Von der Steuerungseinrichtung wird aus den Druckdaten DD eine zeitlich veränderliche Varianz V des Drucks ermittelt und in Abhängigkeit von einem Wert W, also insbesondere der Größe, der Varianz V ein Ereignissignal S bereitgestellt.
So zeigt 1 einen schematischen Ablauf des Verfahrens, insbesondere durchgeführt durch die Steuereinrichtung. So werden die Druckdaten DD bereitgestellt, aus welchen die Varianz V gebildet wird, anschließend kann zusätzlich, vorteilhafterweise ein Tiefpassfilter TP auf die Varianz V angewendet werden. Anschließend kann der Wert W vorteilhafterweise mit einem Schwellenwert SW abgeglichen werden. Ist und ist der Wert W größer als der Schwellenwert SW, wird das Ereignissignal S bereitgestellt.
Dabei werden vorteilhafterweise durch das Verfahren, aufgrund des Bereitstellen des Ereignissignals S, ein Kühlsystem und/oder ein Notausschalter und/oder ein Löschsystem der Traktionsbatterie aktiviert und/oder eine Benachrichtigung der Fahrzeuginsassen oder Dritter durchgeführt.
Der Wert W der Varianz V, bei welchem das Ereignissignal S bereitgestellt wird, charakterisiert insbesondere das thermische Durchgehen wenigstens einer der Batteriezellen der Traktionsbatterie.
Insbesondere dient das Verfahren dazu den Druck zu ermitteln, wenn das Gehäuse der Traktionsbatterie eine Anomalie aufweist, beispielsweise, weil es nicht mehr Druckdicht ist, da eine undichte Berstmembran in dem Gehäuse angeordnet ist. Durch solch eine Berstmembran kann beispielsweise ein gewünschter Maximaldruck nicht mehr erreicht werden, sodass aufgrund einer Ermittlung des Drucks alleine, nicht auf ein thermisches Durchgehen der Batterie geschlossen werden kann. Durch das gezeigte Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass dies aufgrund der Varianzbildung jedoch trotzdem ermöglicht wird.
2 zeigt ein mögliches Messsignal des Drucksensors, so zeigt die obere Hälfte des Diagramms der 2 den Druck in Form der Druckdaten DD und die untere Hälfte des Diagramms die aus den Druckdaten DD abgeleitete Varianz V.
Dabei ist zu erkennen, dass aufgrund einer relativen Größe der Varianz V, beziehungsweiseihres Wertes W bei bereits kleinen Druckschwankungen, ein vorgegebener Schwellenwert SW, welcher von dem in den Druckdaten DD hinterlegten Druck nicht überschritten wird, von der Varianz V überschritten werden kann. So eignet sich das Verfahren besonders vorteilhaft zur Überwachung der Traktionsbatterie im Hinblick auf thermische Ereignisse. Somit dient das vorgestellte Verfahren zur besonders vorteilhaften Detektion eines thermischen Durchgehens einer Batterie in einem Kraftfahrzeug.
Bezugszeichenliste

DD: Druckdaten
V: Varianz
TP: Tiefpassfilter
W: Wert
S: Ereignissignal
SW: Schwellenwert

Claims

Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, welche in einem Gehäuse angeordnete Batteriezellen aufweist, bei welchem mittels wenigsten eines Drucksensors kontinuierlich einen Druck in dem Gehäuse ermittelt wird und daraus resultierende Druckdaten (DD) einer Steuerungseinrichtung bereitstellt werden, von welcher aus den Druckdaten (DD) eine Varianz (V) des Drucks ermittelt wird und in Abhängigkeit von einem Wert (W) der Varianz (V) ein Ereignissignal (S) bereitstellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (W) der Varianz (V), bei welchem das Ereignissignal (S) bereitgestellt wird, ein thermisches Durchgehen wenigstens einer der Batteriezellen charakterisiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (W) der ermittelten Varianz (V) mit einem Schwellenwert (SW) abgeglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck ermittelt wird, wenn das Gehäuse eine Anomalie aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Ereignissignal (S) ein Kühlsystem und/oder ein Notausschalter und/oder ein Löschsystem der Traktionsbatterie aktiviert und/oder eine Benachrichtigung der Fahrzeuginsassen oder Dritter durchgeführt wird.