DE102022003498A1

DE102022003498A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102022003498A1
Application number: DE102022003498.0A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-09-22
Filing date: 2022-09-22
Publication date: 2024-03-28
Also published as: WO2024062048A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie (200) eines Kraftfahrzeugs, wenigstens umfassend Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses (210) mit wenigstens einem Drucksensor (10); Erfassen einer Beschleunigung der Batterie (200) mit wenigstens einem Beschleunigungssensor (20); Verarbeiten von Druckmesswerten (86) des wenigstens einen Drucksensors (10) und von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) in einer Recheneinheit (30); Setzen eines Detektionssignals (90) für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie (200) in Abhängigkeit von Druckmesswerten (86) des wenigstens einen Drucksensors (10). Dabei wird wenigstens ein angepasster Druckschwellwert (83, 85) zum Setzen des Detektionssignals (90) verwendet, welcher abhängig von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) aus wenigstens einem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) bestimmt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (100) zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie (200) eines Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs sowie eine Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Batteriesteuergerät.
Bei einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs kann ein thermisches Durchgehen der Batterie nach einem Öffnen des Zellgehäuses von Batteriezellen bei einem thermischen Ereignis, das sogenannte Venting der Batteriezellen, über einen Druckanstieg in der Batterie detektiert werden. Im Allgemeinen erfolgt der Druckanstieg langsam, da üblicherweise im Batteriegehäuse ein Druckausgleichselement vorhanden ist.
Die DE 10 2014 208 627 A1 offenbart eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse, welches einen Zellraum zum Aufnehmen einer elektrochemischen Zelleinheit begrenzt. Die in dem Zellgehäuse angeordnete Zelleinheit ist als Zellstapel ausgestaltet. Dabei ist im Inneren des Zellstapels eine Steuereinheit vorgesehen, die eine Detektionseinheit zum Detektieren von Zustandsgrößen der Batteriezelle und eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der detektierten Zustandsgrößen aufweist.
Die DE 10 2021 000 691 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung einer elektrischen Batterie für ein Fahrzeug, welche einen Drucksensor zur Erfassung eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses und einen Beschleunigungssensor zur Sensierung einer Beschleunigung der Batterie umfasst. Der Drucksensor und der Beschleunigungssensor sind als ein gemeinsames Sensorbauteil ausgebildet. Weiter umfasst das Sensorbauteil eine Druckerfassungseinheit zur Erfassung einer Druckänderung und eine Auswerteeinheit, welche ausgebildet ist, aus dem erfassten Druck zu ermitteln, ob ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle vorliegt, und aus der Druckänderung eine Beschleunigung der Batterie und aus der Beschleunigung der Batterie eine Kollisionsschwere zu ermitteln.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Batteriesteuergerät zu schaffen.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wenigstens umfassend Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses mit wenigstens einem Drucksensor; Erfassen einer Beschleunigung der Batterie mit wenigstens einem Beschleunigungssensor; Verarbeiten von Druckmesswerten des wenigstens einen Drucksensors und von Beschleunigungsmesswerten des wenigstens einen Beschleunigungssensors in einer Recheneinheit; Setzen eines Detektionssignals für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie in Abhängigkeit von Druckmesswerten des wenigstens einen Drucksensors. Dabei wird wenigstens ein angepasster Druckschwellwert zum Setzen des Detektionssignals verwendet, welcher abhängig von Beschleunigungsmesswerten des wenigstens einen Beschleunigungssensors aus wenigstens einem vorhergehenden Druckschwellwert bestimmt wird.
Das vorgeschlagene Verfahren dient dazu, ein thermisches Durchgehen einer Batterie in einem Kraftfahrzeug frühzeitig zu detektieren. Zum Erkennen des thermischen Durchgehens werden Druckmesswerte verwendet, welche mit vorgegebenen Druckschwellwerten verglichen werden. Vorteilhaft werden bei dem Verfahren diese Druckschwellwerte basierend auf aktuellen Beschleunigungswerten der Batterie angepasst. So können Fehldetektionen bei der Druckmessung vermieden werden.
Der Drucksensor wird dazu mit einem Beschleunigungssensor kombiniert. Dadurch ist es möglich, die Verformung des Batteriegehäuses durch die Einwirkung von Beschleunigung, oder durch Vibrationen zu erkennen und basierend auf den Beschleunigungswerten den Schwellwert für die Detektion des thermischen Durchgehens basierend auf dem Druck anzupassen.
Der Druckschwellwert stellt eine vorgegebene Vergleichsgröße dar, um ein thermisches Durchgehen der Batteriezellen zu detektieren. Das Oberteil des Batteriegehäuses kann beispielsweise ein dünnes Blech sein, welches über einen recht großen flächigen Behälter, das Gehäuseunterteil, gelegt und verklebt ist. Wird die Batterie nun mit einem Stoß beaufschlagt oder kommt es zu Vibrationen, schwingt dieses Blech mit und komprimiert dabei auch das Gasvolumen im Batteriegehäuse. Dadurch steigt der Druck im Batteriegehäuse, ohne dass es zu einem Venting einer Batteriezelle gekommen ist.
Um nicht durch Druckschwankungen, die z.B. durch das Überfahren eines Pollers und der daraus resultierenden Bewegung des Gehäuseoberteils der Batterie erzeugt werden, eine Fehlauslösung des Alarms eines thermischen Durchgehens zu provozieren, kann dieser Druckschwellwert in Abhängigkeit der gemessenen Beschleunigung beispielsweise erhöht werden.
Vorteilhaft wird so eine höhere Robustheit der Detektion erreicht und die Druckschwellen können enger gewählt werden, d.h. eine Detektion eines thermischen Durchgehens der Batterie kann früher erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Setzen des Detektionssignals über eine Druckauswertelogik aus dem Druckmesswert und wenigstens einem angepassten Druckschwellwert bestimmt werden. Druckschwellwerte können dabei sowohl Absolutdruckwerte als auch Schwellwerte für eine zeitliche Änderung des Druckmesswerts sein. Günstigerweise können so die Druckmesswerte mit den über die Beschleunigungsmesswerte angepassten Druckschwellwerten verglichen werden und aus dem Vergleich das Eintreten eines thermischen Durchgehens abgeleitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Detektionssignal gesetzt werden, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann das Detektionssignal gesetzt werden, wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts überschreitet. Günstigerweise können so Absolutwerte oder Differenzwerte der Druckmesswerte mit den über die Beschleunigungsmesswerte angepassten Druckschwellwerten verglichen werden und aus dem Vergleich das Eintreten eines thermischen Durchgehens abgeleitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der angepasste Druckschwellwert über eine Funktion aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und dem Beschleunigungsmesswert bestimmt werden. Die Funktion passt den Druckschwellwert den Randbedingungen an. Da nach einem Stoß das Gehäuseoberteil noch etwas nachschwingen könnte, kann diese Funktion nicht nur etwa über einen Proportionalfaktor den Schwellwert erhöhen, sondern auch noch einen gewissen Nachlauf realisieren. Dies könnte über eine konstante Haltedauer eines erhöhten Schwellwertes einfach umgesetzt werden. Denkbar ist aber auch, dass der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert linear oder in Form einer Exponentialfunktion mit der Zeit wieder auf den vorherigen Wert verringert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Funktion als diskrete Funktion oder als kontinuierliche Funktion implementiert sein. Der Druckschwellwert kann diskret über eine Stufenfunktion gemäß den gemessenen Beschleunigungswerten angepasst werden. Alternativ kann die Funktion auch über einen Proportionalfaktor den Schwellwert erhöhen. Denkbar ist aber auch, dass der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert linear oder in Form einer Exponentialfunktion mit der Zeit geändert und/oder wieder auf den vorherigen Wert verringert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der angepasste Druckschwellwert gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert gesetzt werden, wenn der Beschleunigungsmesswert einen Beschleunigungsschwellwert unterschreitet. Falls dies nicht vorliegt, kann der angepasste Druckschwellwert auf einen vorgegebenen konstanten Wert gesetzt werden. So kann der Druckschwellwert auf seinem bisherigen Wert bleiben, wenn die von der Batterie erfahrene Beschleunigung unter einem Beschleunigungsschwellwert bleibt. Ist über den Beschleunigungsmesswert eine Störung auf Grund einer vorübergehenden Randbedingung, wie beispielsweise der Anregung von Batterieschwingungen durch Fahrbahnunebenheiten, erkannt worden, kann die Erkennung des Drucks durch Eingabe eines sehr hohen oder sehr niedrigen Wertes für eine kurze Zeit praktisch ausgeschaltet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der angepasste Druckschwellwert über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und dem Beschleunigungsmesswert bestimmt werden. Insbesondere kann dabei der angepasste Druckschwellwert als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und einem Produkt aus einem Koeffizienten und dem Beschleunigungsmesswerts bestimmt werden. So kann der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert beispielsweise linear mit der Zeit geändert und/oder wieder auf den vorherigen Wert verringert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der Beschleunigungsmesswert über ein vorgegebenes Zeitintervall auf einem vorhergehenden Maximalwert gehalten werden. So kann scheinbar ein gewisser Nachlauf in der Beschleunigung der Batterie vorgegeben werden.
Vorteilhaft kann die Beschleunigung mit einer Abtastrate von mindestens 1 kHz erfasst werden, während der Druck mit einer Abtastrate von mindestens 100 Hz in einem aktiven Messmodus und von mindestens 20 Hz in einem Ruhemodus erfasst werden kann. Um ein Öffnen des Zellgehäuses von Batteriezellen bei einem thermischen Ereignis, ein sogenanntes Venting der Batteriezellen, sicher bewerten und identifizieren zu können, ist es günstig, die Druckmesswerte in dem aktiven Messmodus mit einer Abtastrate von mindestens mit 100 Hz aufzunehmen. In einem Ruhemodus des Drucksensors kann dagegen eine Abtastrate von mindestens 20 Hz ausreichend sein.
Die verarbeiteten Messwerte des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors können dabei von der Recheneinheit der Vorrichtung günstigerweise über die Kommunikationsschnittstelle mit einer Datenrate von mindestens 10 Hz bereitgestellt werden. Damit kann das Batteriesteuergerät eventuelle Fehlerreaktionen im Fall einer Fahrzeugkollision und/oder bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle genügend schnell einleiten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die verarbeiteten Messwerte des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors von der Recheneinheit über die Kommunikationsschnittstelle bei Überschreiten wenigstens eines angepassten Druckschwellwerts und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts bereitgestellt werden. Damit kann das Batteriesteuergerät im Normalzustand einen Park-/Ruhemodus mit niedrigem Stromverbrauch einhalten und dennoch im Fall einer Fahrzeugkollision und/oder bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle eventuelle Fehlerreaktionen genügend schnell einleiten.
Konfigurationsparameter, insbesondere zur Verarbeitung von Messwerten des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors und/oder von Schwellwerten, können vorteilhaft von der Recheneinheit über die Kommunikationsschnittstelle empfangen werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Batteriesteuergerät, vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses, wenigstens einen Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung der Batterie, eine Recheneinheit, und eine Kommunikationsschnittstelle. Dabei ist die Recheneinheit ausgebildet, Druckmesswerte des wenigstens einen Drucksensors und Beschleunigungsmesswerte des wenigstens einen Beschleunigungssensors zu verarbeiten, ein Detektionssignal für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie zu setzen und mittels der Kommunikationsschnittstelle mit dem wenigstens einen vorrichtungsexternen Batteriesteuergerät zu kommunizieren.
Vorteilhaft kann so ein thermisches Durchgehen einer Batterie in einem Kraftfahrzeug frühzeitig detektiert werden. Zum Erkennen des thermischen Durchgehens werden Druckmesswerte verwendet, welche mit vorgegebenen Druckschwellwerten verglichen werden. Vorteilhaft werden bei dem Verfahren diese Druckschwellwerte basierend auf aktuellen Beschleunigungswerten der Batterie angepasst. So können Fehldetektionen bei der Druckmessung vermieden werden.
Der Drucksensor wird dazu mit einem Beschleunigungssensor kombiniert. Dadurch ist es möglich, die Verformung des Batteriegehäuses durch die Einwirkung von Beschleunigung, oder durch Vibrationen zu erkennen und basierend auf den Beschleunigungswerten den Schwellwert für die Detektion des thermischen Durchgehens basierend auf dem Druck anzupassen.
Der Druckschwellwert stellt eine vorgegebene Vergleichsgröße dar, um ein thermisches Durchgehen der Batteriezellen zu detektieren. Um nicht durch Druckschwankungen, die z.B. durch das Überfahren eines Pollers und der daraus resultierenden Bewegung des Gehäuseoberteils der Batterie erzeugt werden, eine Fehlauslösung des Alarms eines thermischen Durchgehens zu provozieren, kann dieser Druckschwellwert in Abhängigkeit der gemessenen Beschleunigung beispielsweise erhöht werden.
Vorteilhaft wird so eine höhere Robustheit der Detektion erreicht und die Druckschwellen können enger gewählt werden, d.h. eine Detektion eines thermischen Durchgehens der Batterie kann früher erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Beschleunigungssensor zum Erfassen der Beschleunigung der Batterie in drei orthogonalen Raumrichtungen ausgebildet sein. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass realistische Beschleunigungswerte registriert werden können.
Vorteilhaft kann dabei der Beschleunigungssensor zum Erfassen von Beschleunigungswerten mit einer Abtastrate von mindestens 1 kHz ausgebildet sein.
Der Drucksensor zum Erfassen des Drucks innerhalb des Batteriegehäuses kann günstigerweise mit einer Abtastrate von mindestens 100 Hz in einem aktiven Messmodus und von mindestens 20 Hz in einem Ruhemodus ausgebildet sein. Um ein Öffnen des Zellgehäuses von Batteriezellen bei einem thermischen Ereignis, ein sogenanntes Venting der Batteriezellen, sicher bewerten und identifizieren zu können, ist es günstig, die Druckmesswerte in dem aktiven Messmodus mit einer Abtastrate von mindestens mit 100 Hz aufzunehmen. In einem Ruhemodus des Drucksensors kann dagegen eine Abtastrate von mindestens 20 Hz ausreichend sein.
Die Recheneinheit zum Bereitstellen von verarbeiteten Messdaten des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors über die Kommunikationsschnittstelle kann vorteilhaft mit einer Datenrate von mindestens 10 Hz ausgebildet sein. Damit kann das Batteriesteuergerät eventuelle Fehlerreaktionen im Fall einer Fahrzeugkollision und/oder bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle genügend schnell einleiten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Recheneinheit wenigstens eine Funktion zur Bestimmung wenigstens eines angepassten Druckschwellwerts abhängig von Beschleunigungsmesswerten des wenigstens einen Beschleunigungssensors aus einem vorhergehenden Druckschwellwert und eine Druckauswertelogik zum Setzen des Detektionssignals in Abhängigkeit von Druckmesswerten des Drucksensors umfassen.
Die Funktion kann den Druckschwellwert den Randbedingungen anpassen. Da nach einem Stoß das Gehäuseoberteil noch etwas nachschwingen könnte, kann diese Funktion nicht nur etwa über einen Proportionalfaktor den Schwellwert erhöhen, sondern auch noch einen gewissen Nachlauf realisieren. Dies könnte über eine konstante Haltedauer eines erhöhten Schwellwertes einfach umgesetzt werden. Denkbar ist aber auch, dass der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert linear oder in Form einer Exponentialfunktion mit der Zeit wieder auf den vorherigen Wert verringert wird.
Druckschwellwerte können dabei sowohl Absolutdruckwerte als auch Schwellwerte für eine zeitliche Änderung des Druckmesswerts sein. Günstigerweise können so in der Druckauswertelogik die Druckmesswerte mit den über die Beschleunigungsmesswerte angepassten Druckschwellwerten verglichen werden und aus dem Vergleich das Eintreten eines thermischen Durchgehens abgeleitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Funktion ausgebildet sein, den angepassten Druckschwellwert gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert zu setzen, wenn der Beschleunigungsmesswert einen Beschleunigungsschwellwert unterschreitet, und, falls dies nicht vorliegt, den angepassten Druckschwellwert auf einen vorgegebenen konstanten Wert zu setzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Funktion ausgebildet sein, den angepassten Druckschwellwert über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und dem Beschleunigungsmesswert zu bestimmen. Insbesondere kann die Funktion ausgebildet sein, den angepassten Druckschwellwert als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und einem Produkt aus einem Koeffizienten und dem Beschleunigungsmesswert zu bestimmen.
So kann der Druckschwellwert auf seinem bisherigen Wert bleiben, wenn die von der Batterie erfahrene Beschleunigung unter einem Beschleunigungsschwellwert bleibt. Ist über den Beschleunigungsmesswert eine Störung auf Grund einer vorübergehenden Randbedingung, wie beispielsweise der Anregung von Batterieschwingungen durch Fahrbahnunebenheiten, erkannt worden, kann die Erkennung des Drucks durch Eingabe eines sehr hohen oder sehr niedrigen Wert für eine kurze Zeit praktisch ausgeschaltet werden. Der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert kann beispielsweise linear mit der Zeit geändert und/oder wieder auf den vorherigen Wert verringert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Druckauswertelogik ausgebildet sein, das Detektionssignal zu setzen, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts überschreitet und/oder wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts überschreitet. Günstigerweise können so Absolutwerte oder Differenzwerte der Druckmesswerte mit den über die Beschleunigungsmesswerte angepassten Druckschwellwerten verglichen werden und aus dem Vergleich das Eintreten eines thermischen Durchgehens abgeleitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Recheneinheit zum Bereitstellen von verarbeiteten Messdaten des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors über die Kommunikationsschnittstelle ereignisgesteuert, insbesondere bei Überschreiten wenigstens eines Druckschwellwerts und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts ausgebildet sein. Damit kann das Batteriesteuergerät im Normalzustand einen Park-/Ruhemodus mit niedrigem Stromverbrauch einhalten und dennoch im Fall einer Fahrzeugkollision und/oder bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle eventuelle Fehlerreaktionen genügend schnell einleiten.
Vorteilhaft kann die Recheneinheit zum Empfangen von Konfigurationsparametern, insbesondere zur Verarbeitung von Messdaten des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors und/oder von Schwellwerten, über die Kommunikationsschnittstelle ausgebildet sein. So wird die Recheneinheit in die Lage versetzt, den Drucksensor und den Beschleunigungssensor geeignet anzusteuern und insbesondere die Verarbeitung und Bewertung der Messdaten auf vorgebbare Weise vorzunehmen. Konfigurationsparameter können beispielsweise zyklisch oder auf Aufforderung durch die Recheneinheit an die Vorrichtung gesendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Vorrichtung weiter ein Vorrichtungsgehäuse umfassen, wobei der wenigstens eine Drucksensor, der wenigstens eine Beschleunigungssensor, die Recheneinheit, die Kommunikationsschnittstelle in dem Vorrichtungsgehäuse angeordnet sind. Das Vorrichtungsgehäuse kann dabei dazu ausgebildet sein, an oder in der Batterie angeordnet zu sein. Dabei kann das Vorrichtungsgehäuse dazu ausgebildet sein, an oder in der Batterie angeordnet zu sein. Das Vorrichtungsgehäuse kann insbesondere steif an das Batteriegehäuse angebunden sein, um repräsentative Beschleunigungen für die Batterie aufzunehmen. Zum Erfassen von Druckwerten in der Batterie kann das Vorrichtungsgehäuse in der Batterie angeordnet sein oder zumindest über eine Öffnung mit dem Batteriegehäuse fluidisch verbunden sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Vorrichtungsgehäuse eine fluidische Schnittstelle zum Erfassen des Drucks in der Batterie aufweisen. Insbesondere kann dabei das Vorrichtungsgehäuse eine Öffnung zum fluidischen Verbinden mit einem Batteriegehäuse der Batterie aufweisen. Günstigerweise kann so der Drucksensor über das in der Batterie angeordnete Vorrichtungsgehäuse, welches eine Öffnung aufweist, den Druck in der Batterie erfassen. Bei einem an dem Batteriegehäuse angeordneten Vorrichtungsgehäuse kann eine geeignete Öffnung sowohl im Batteriegehäuse als auch im Vorrichtungsgehäuse eine nötige fluidische Verbindung des Drucksensors zum Innenraum der Batterie herstellen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:

1 eine Systemübersicht einer Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
5 ein Ablaufdiagramm einer Druckauswertelogik des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt eine Systemübersicht einer Vorrichtung 100 zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie 200 eines Kraftfahrzeugs, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Vorrichtung 100 umfasst einen Drucksensor 10 zum Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses 210, einen Beschleunigungssensor 20 zum Erfassen einer Beschleunigung der Batterie 200, eine Recheneinheit 30, sowie eine Kommunikationsschnittstelle 40, welche über eine CAN-Leitung 60 und eine Spannungsversorgung 62 mit einem Batteriesteuergerät 50 elektrisch gekoppelt ist. Die Spannungsversorgung der Vorrichtung 100 könnte auch über die Batterie 200 erfolgen.
Die Recheneinheit 30 ist ausgebildet, Druckmesswerte 86 des Drucksensors 10 und Beschleunigungsmesswerte 88 des Beschleunigungssensors 20 zu verarbeiten, ein Detektionssignal 90 für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie 200 zu setzen und mittels der Kommunikationsschnittstelle 40 mit dem vorrichtungsexternen Batteriesteuergerät 50 zu kommunizieren.
Der Beschleunigungssensor 20 kann günstigerweise zum Erfassen der Beschleunigung der Batterie 200 in drei orthogonalen Raumrichtungen ausgebildet sein und kann Beschleunigungswerte mit einer Abtastrate von mindestens 1 kHz erfassen. Der Drucksensor 10 kann beispielsweise zum Erfassen des Drucks innerhalb des Batteriegehäuses mit einer Abtastrate von mindestens 100 Hz in einem aktiven Messmodus und von mindestens 20 Hz in einem Ruhemodus ausgebildet sein. Die Recheneinheit 30 kann günstigerweise zum Bereitstellen von verarbeiteten Messdaten des Drucksensors 10 und/oder des Beschleunigungssensors 20 über die Kommunikationsschnittstelle 40 mit einer Datenrate von mindestens 10 Hz ausgebildet sein.
Die Recheneinheit 30 kann vorteilhaft verarbeitete Messdaten des Drucksensors 10 und/oder des Beschleunigungssensors 20 über die Kommunikationsschnittstelle 40 ereignisgesteuert, insbesondere bei Überschreiten wenigstens eines Druckschwellwerts 82, 84; 83, 85 und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts 89 bereitstellen. Weiter ist die Recheneinheit 30 zum Empfangen von Konfigurationsparametern, insbesondere zur Verarbeitung von Messdaten des Drucksensors 10 und/oder des Beschleunigungssensors 20 und/oder von Schwellwerten, über die Kommunikationsschnittstelle 40 ausgebildet, um den Drucksensor 10 und den Beschleunigungssensor 20 geeignet anzusteuern.
Drucksensor 10, Beschleunigungssensor 20, Recheneinheit 30, und Kommunikationsschnittstelle 40 sind in einem Vorrichtungsgehäuse angeordnet. Das Vorrichtungsgehäuse ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Batterie 200 angeordnet. Alternativ könnte die Vorrichtung 100 auch außen am Batteriegehäuse 210 angeordnet sein.
Das Vorrichtungsgehäuse 110 weist eine fluidische Schnittstelle zum Erfassen des Drucks in der Batterie 200 auf. Diese fluidische Schnittstelle kann beispielsweise eine Öffnung zum fluidischen Verbinden mit dem Inneren des Batteriegehäuses 210 sein. Alternativ ist auch eine Schlauchverbindung von dem Drucksensor 10 zum Inneren des Batteriegehäuses 210 möglich.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren kann ein thermisches Durchgehen der Batterie 200 erkannt werden, indem ein Druck innerhalb des Batteriegehäuses 210 mit dem Drucksensor 10 sowie eine Beschleunigung der Batterie 200 mit dem Beschleunigungssensor 20 erfasst werden. Die Druckmesswerte 86 des Drucksensors 10 und die Beschleunigungsmesswerte 88 des Beschleunigungssensors 20 werden in der Recheneinheit 30 verarbeitet. Ein Detektionssignal 90 für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der Batterie 200 kann dann in Abhängigkeit von Druckmesswerten 86 des Drucksensors 10 gesetzt werden. Dabei wird wenigstens ein angepasster Druckschwellwert 83, 85 zum Setzen des Detektionssignals 90 verwendet, welcher abhängig von den Beschleunigungsmesswerten 88 des Beschleunigungssensors 20 aus wenigstens einem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 bestimmt wird.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens. Zum Setzen des Detektionssignals 90 für ein thermisches Durchgehen der Batterie 200 werden Druckmesswerte 86, Beschleunigungsmesswerte 88 sowie vorgegebene positive und negative Druckschwellwerte 82, 84 verwendet.
Druckschwellwerte 82, 84 können Absolutdruckwerte bzw. Relativdruckwerte sein, die mit Absolutdruckmesswerten bzw. Relativdruckmesswerten verglichen werden. Alternativ können die Druckschwellwerte 82, 84 auch Druckänderungsschwellwerte sein, die mit einer zeitlichen Änderungsrate des Drucks, also einem Druckgradienten, verglichen werden.
Das Setzen des Detektionssignals 90 selbst wird über eine Druckauswertelogik 70 aus dem Druckmesswert 86 und wenigstens einem angepassten positiven und/oder negativen Druckschwellwert 83, 85 bestimmt.
Der angepasste Druckschwellwert 83, 85 wiederum wird über eine Funktion 80 aus dem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 und dem Beschleunigungsmesswert 88 bestimmt. Die Funktion 80 kann dazu als diskrete Funktion oder als kontinuierliche Funktion implementiert sein.
Der angepasste Druckschwellwert 83, 85 kann beispielsweise gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 gesetzt werden, wenn der Beschleunigungsmesswert 88 einen Beschleunigungsschwellwert 89 unterschreitet. Falls dies nicht vorliegt, kann der angepasste Druckschwellwert 83, 85 alternativ auf einen vorgegebenen konstanten Wert gesetzt werden.
Der angepasste neue Druckschwellwert 83, 85 wird auf einen betragsmäßig höheren Wert gesetzt, und zwar für den Fall des Vergleichs mit einem Absolutdruck auf einen sehr hohen positiven Wert. Dieser ist in Abhängigkeit der physikalischen Gegebenheiten zu wählen. Das Beispiel einer diskreten Schwellwertwahl stellt eine vereinfachte Möglichkeit dar, dass der Schwellwert für die kurze Zeit der Störung über die Beschleunigung so hoch gewählt wird, dass die Erkennung des Drucks de-facto ausgeschaltet ist. Werden die Schwellwerte der Druckgradienten betrachtet, so ist dann beim negativen Druckgradienten ein besonders negativer Wert zu wählen.
Das Detektionssignal 90 kann beispielsweise gesetzt werden, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts 86 einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts 83, 85 überschreitet und/oder wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts 77, 78 den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts 83, 85 überschreitet, wie bei dem Ausführungsbeispiel in 5 näher erläutert ist.
Die Druckauswertelogik 70 sowie die Funktion 80 können vorteilhaft in Form eines Hardware-Bausteins und/oder eines Software-Bausteins in der Recheneinheit 30 implementiert sein.
3 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel, bei dem der Beschleunigungsschwellwert 89 als zusätzliche Eingabe in die Funktion 80 geführt ist.
Weiter kann der angepasste Druckschwellwert 83, 85 über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 und dem Beschleunigungsmesswert 88 bestimmt werden. Insbesondere kann dabei der angepasste Druckschwellwert 83, 85 als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 und einem Produkt aus einem Koeffizienten 81 und dem Beschleunigungsmesswert 88 bestimmt werden.
Ein solches Ausführungsbeispiel zeigt 4, bei dem der Koeffizient 81 als zusätzliche Eingabe in die Funktion 80 geführt ist.
Vorteilhaft kann auch sein, den Beschleunigungsmesswert 88 über ein vorgegebenes Zeitintervall auf einem vorhergehenden Maximalwert zu halten.
In 5 ist ein Ablaufdiagramm einer Druckauswertelogik 70 des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die Druckauswertelogik 70 weist zwei Änderungsraten-Begrenzer 71, 72, welche beide den gemessenen Druckwert 86 als Eingabe erhalten. Durch die Änderungsraten-Begrenzer 71, 72 wird die maximale Änderungsrate des Druckmesswerts 86 limitiert. Die Ausgänge der beiden Änderungsraten-Begrenzer 71, 72 werden zusammen mit dem ursprünglichen Druckmesswert 86 auf zwei Addierer 73, 74 geführt, in denen die Differenz aus dem änderungsratenlimitierten Druckmesswert (Eingang -)und dem Druckmesswert 86 (Eingang +) selbst gebildet wird. Diese Differenz ist nur dann ungleich Null, wenn die Änderungsrate höher als die Vorgabe durch den Änderungsraten-Begrenzer 71, 72 ist. Ausgangswerte sind dabei positive und negative Druckänderungswerte 77, 78. Vorteilhaft kann so eine Gradientenberechnung bzw. Differenzierung des Druckmesswerts 86 vermieden werden, was zu einer Verstärkung des Signalrauschens führen würde.
Die positiven und negativen Druckänderungswerte 77, 78 (Eingänge in) werden in zwei Vergleichern 75, 76 mit angepassten Druckschwellwerten 83, 85 (Eingänge th der Vergleicher 75, 76) verglichen. Der Vergleicher 75 ist ein Größer-Vergleicher, im Pfad für die Unterschreitung eines negativen Druckgradienten ist der Vergleicher 76 dann sinngemäß ein Kleiner-Vergleicher.
In diesem Ausführungsbeispiel wird also nicht auf das Überschreiten eines Absolutdrucks reagiert, sondern auf einen Druckgradienten, der größer ist als dies der Änderungsraten-Begrenzer 71, 72 erlauben würde. Der Druckschwellwert 83, 85 ist in diesem Fall ein Druckänderungsschwellwert.
Der Vergleich mit einem negativen Druckgradienten ist deswegen von Bedeutung, da nach erfolgtem Venting der Batteriezellen, wenn also der Druck stark ansteigt, ein ebenso starker, abhängig von der Situation auch noch stärkerer, Druckabfall durch das Öffnen einer Berstmembran an der Batterie erfolgen kann.
Ausgänge der Vergleicher 75, 76 stellen Detektionssignale 92, 94 für eine positive bzw. negative Druckänderung dar. Die beiden Detektionssignale 92, 94 können dann innerhalb der Druckauswertelogik 70 zu einem Detektionssignal 90 für das thermische Durchgehen weiter verknüpft werden.
Bezugszeichenliste

10: Drucksensor
20: Beschleunigungssensor
30: Recheneinheit
40: Kommunikationsschnittstelle
50: Batteriesteuergerät
60: CAN-Leitung
62: Spannungsversorgung
70: Druckauswertelogik
71: Änderungsraten-Begrenzer
72: Änderungsraten-Begrenzer
73: Addierer
74: Addierer
75: Vergleicher
76: Vergleicher
77: pos. Druckänderungswert
78: neg. Druckänderungswert
80: Funktion
81: Koeffizient
82: pos. Druckschwellwert
83: angepasster pos. Druckschwellwert
84: neg. Druckschwellwert
85: angepasster neg. Druckschwellwert
86: Druckmesswert
88: Beschleunigungsmesswert
89: Beschleunigungsschwellwert
90: Detektionssignal thermisches Durchgehen
92: Detektionssignal positive Druckänderung
94: Detektionssignal negative Druckänderung
100: Vorrichtung
110: Vorrichtungsgehäuse
200: Batterie
210: Batteriegehäuse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014208627 A1 [0003]
DE 102021000691 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie (200) eines Kraftfahrzeugs, wenigstens umfassend - Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses (210) mit wenigstens einem Drucksensor (10); - Erfassen einer Beschleunigung der Batterie (200) mit wenigstens einem Beschleunigungssensor (20); - Verarbeiten von Druckmesswerten (86) des wenigstens einen Drucksensors (10) und von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) in einer Recheneinheit (30); - Setzen eines Detektionssignals (90) für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie (200) in Abhängigkeit von Druckmesswerten (86) des wenigstens einen Drucksensors (10), wobei wenigstens ein angepasster Druckschwellwert (83, 85) zum Setzen des Detektionssignals (90) verwendet wird, welcher abhängig von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) aus wenigstens einem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Setzen des Detektionssignals (90) über eine Druckauswertelogik (70) aus dem Druckmesswert (86) und wenigstens einem angepassten Druckschwellwert (83, 85) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Detektionssignal (90) gesetzt wird, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts (86) einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts (83, 85) überschreitet und/oder wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts (77, 78) den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts (83, 85) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der angepasste Druckschwellwert (83, 85) über eine Funktion (80) aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und dem Beschleunigungsmesswert (88) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Funktion (80) als diskrete Funktion oder als kontinuierliche Funktion implementiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der angepasste Druckschwellwert (83, 85) gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) gesetzt wird, wenn der Beschleunigungsmesswert (88) einen Beschleunigungsschwellwert (89) unterschreitet, und wobei, falls dies nicht vorliegt, der angepasste Druckschwellwert (83, 85) auf einen vorgegebenen konstanten Wert gesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der angepasste Druckschwellwert (83, 85) über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und dem Beschleunigungsmesswert (88) bestimmt wird, insbesondere wobei der angepasste Druckschwellwert (83, 85) als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und einem Produkt aus einem Koeffizienten (81) und dem Beschleunigungsmesswert (88) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschleunigungsmesswert (88) über ein vorgegebenes Zeitintervall auf einem vorhergehenden Maximalwert gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die verarbeiteten Messwerte des Drucksensors (10) und/oder des Beschleunigungssensors (20) von der Recheneinheit (30) über die Kommunikationsschnittstelle (40) bei Überschreiten wenigstens eines angepassten Druckschwellwerts (83, 85) und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts (89) bereitgestellt werden.
Vorrichtung (100) zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie (200) eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Batteriesteuergerät (50), umfassend - wenigstens einen Drucksensor (10) zum Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses (210), - wenigstens einen Beschleunigungssensor (20) zum Erfassen einer Beschleunigung der Batterie (200), - eine Recheneinheit (30), - eine Kommunikationsschnittstelle (40), wobei die Recheneinheit (30) ausgebildet ist, Druckmesswerte (86) des wenigstens einen Drucksensors (10) und Beschleunigungsmesswerte (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) zu verarbeiten, ein Detektionssignal (90) für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie (200) zu setzen und mittels der Kommunikationsschnittstelle (40) mit dem wenigstens einen vorrichtungsexternen Batteriesteuergerät (50) zu kommunizieren.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Beschleunigungssensor (20) zum Erfassen der Beschleunigung der Batterie (200) in drei orthogonalen Raumrichtungen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Recheneinheit (30) wenigstens eine Funktion (80) zur Bestimmung wenigstens eines angepassten Druckschwellwerts (83, 85) abhängig von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) aus einem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und eine Druckauswertelogik (70) zum Setzen des Detektionssignals (90) in Abhängigkeit von Druckmesswerten (86) des Drucksensors (10) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Funktion (80) ausgebildet ist, den angepassten Druckschwellwert (83, 85) gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) zu setzen, wenn der Beschleunigungsmesswert (88) einen Beschleunigungsschwellwert (89) unterschreitet, und, falls dies nicht vorliegt, den angepassten Druckschwellwert (83, 85) auf einen vorgegebenen konstanten Wert zu setzen und/oder wobei die Funktion (80) ausgebildet ist, den angepassten Druckschwellwert (83, 85) über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und dem Beschleunigungsmesswert (88) zu bestimmen, insbesondere den angepassten Druckschwellwert (83, 85) als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und einem Produkt aus einem Koeffizienten (81) und dem Beschleunigungsmesswert (88) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Druckauswertelogik (70) ausgebildet ist, das Detektionssignal (90) zu setzen, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts (86) einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts (83, 85) überschreitet und/oder wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts (77, 78) den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts (83, 85) überschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Recheneinheit (30) zum Bereitstellen von verarbeiteten Messdaten des Drucksensors (10) und/oder des Beschleunigungssensors (20) über die Kommunikationsschnittstelle (40) ereignisgesteuert, insbesondere bei Überschreiten wenigstens eines Druckschwellwerts (82, 84; 83, 85) und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts (89) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, weiter umfassend ein Vorrichtungsgehäuse (110), wobei der wenigstens eine Drucksensor (10), der wenigstens eine Beschleunigungssensor (20), die Recheneinheit (30), die Kommunikationsschnittstelle (40) in dem Vorrichtungsgehäuse angeordnet sind, wobei das Vorrichtungsgehäuse dazu ausgebildet ist, an oder in der Batterie (200) angeordnet zu sein.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Vorrichtungsgehäuse (110) eine fluidische Schnittstelle zum Erfassen des Drucks in der Batterie (200) aufweist, insbesondere wobei das Vorrichtungsgehäuse eine Öffnung zum fluidischen Verbinden mit einem Batteriegehäuse (210) der Batterie (200) aufweist.