DE102022117271A1

DE102022117271A1 - Verfahren zum Überwachen einer Traktionsbatterie eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs während einer Stillstandphase des Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102022117271A1
Application number: DE102022117271.6A
Authority: DE
Inventors: Andreas Maerkl; Sascha Zimmermann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2024-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Traktionsbatterie eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs während einer Stillstandphase (R) des Kraftfahrzeugs mit den Schritten:- Belastung (S1) der Traktionsbatterie durch Beaufschlagung zumindest eines mit der Traktionsbatterie elektrisch verbundenen Verbrauchers des Kraftfahrzeugs mit einem ersten Blindleistungsbelastungsmuster (M1) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) während der Stillstandphase (R) des Kraftfahrzeugs,- Erfassen (S2) einer von dem ersten Blindleistungsbelastungsmuster (M1) abhängigen, ersten Signalantwort (A1) zumindest einer Batteriezelle der Traktionsbatterie,- erneute Belastung (S3) der Traktionsbatterie durch Beaufschlagung des zumindest einen Verbrauchers mit einem zweiten Blindleistungsbelastungsmuster (M2) zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) während der Stillstandphase (R) des Kraftfahrzeugs,- Erfassen (S4) einer von dem zweiten Blindleistungsbelastungsmuster (M2) abhängigen zweiten Signalantwort (A2) der zumindest einen Batteriezelle,- Vergleichen (S5) der ersten und der zweiten Signalantwort (A1, A2), und- Erkennen eines Defekts der zumindest einen Batteriezelle anhand des Vergleiches.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Traktionsbatterie eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs während einer Stillstandphase des Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem eine Steuereinrichtung, ein Hochvoltbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, welche elektrische Energie für Verbraucher, beispielsweise eine elektrische Antriebsmaschine, des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Die Traktionsbatterien weisen üblicherweise eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen sowie eine Überwachungssensorik auf, welche zum Erkennen eines Defekts der Batteriezellen ausgelegt ist. Die Überwachungssensorik kann zellspezifische Sensoren, beispielsweise Spannungssensoren, Temperatursensoren und Stromsensoren, sowie übergeordnete Sensoren, beispielsweise Drucksensoren und/oder Lichtsensoren aufweisen. Diese übergeordneten Sensoren sind gemeinsam mit den Batteriezellen in einem Batteriegehäuse der Traktionsbatterie angeordnet und dienen primär zur Beobachtung von Defektmerkmalen, welche auf einen offensichtlichen Defekt der Batteriezellen hinweisen, welcher sich jedoch nicht mit einfachem Zellspannungsverhalten und damit nicht mit den zellspezifischen Sensoren erkennen lässt. Mehrfache Parallelverschaltungen von Batteriezellen erschweren dieses Erkennungsproblem, da ein Parallelverbund von Batteriezellen im unbelasteten Zustand der Traktionsbatterie, beispielsweise während einer Stillstandphase des Kraftfahrzeugs, das Spannungsverhalten eines Einzelzelldefektes wieder ausgleichen kann. Außerdem ist es besonders aufwändig und mit einem hohen Energiebedarf verbunden, die komplette Überwachungssensorik der Traktionsbatterie in der Stillstandphase des Kraftfahrzeugs aktiv zu halten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache, energieschonende Lösung zum Überwachen einer Traktionsbatterie eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs während einer Stillstandphase des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, eine Steuereinrichtung, ein Hochvoltbordnetz sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Überwachen einer Traktionsbatterie eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs während einer Stillstandphase des Kraftfahrzeugs. Bei dem Verfahren wird die Traktionsbatterie belastet, indem zumindest ein mit der Traktionsbatterie elektrisch verbundener Verbraucher des Kraftfahrzeugs mit einem ersten Blindleistungsbelastungsmuster zu einem ersten Zeitpunkt während der Sillstandphase des Kraftfahrzeugs beaufschlagt wird. Anschließend wird eine von dem ersten Blindleistungsbelastungsmuster abhängige erste Signalantwort zumindest einer Batteriezelle der Traktionsbatterie erfasst. Dann wird die Traktionsbatterie erneut belastet, indem der zumindest eine Verbraucher mit einem zweiten Blindleistungsbelastungsmuster zu einem zweiten Zeitpunkt während der Stillstandphase des Kraftfahrzeugs beaufschlagt wird. Anschließend wird eine von dem zweiten Blindleistungsbelastungsmuster abhängige zweite Signalantwort der zumindest einen Batteriezelle erfasst. Die erste und die zweite Signalantwort werden verglichen und ein Defekt der zumindest einen Batteriezelle wird anhand des Vergleiches erkannt.
Zur Erfindung gehört außerdem eine Steuereinrichtung für ein Hochvoltbordnetz eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Ein erfindungsgemäßes Hochvoltbordnetz umfasst eine Traktionsbatterie mit mehreren Batteriezellen, zumindest einen Verbraucher sowie eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung. Der zumindest eine Verbraucher ist insbesondere als eine elektrische Antriebsmaschine ausgebildet. Die Traktionsbatterie ist vorzugsweise ein Hochvoltenergiespeicher. Die Traktionsbatterie soll überwacht werden, um einen Fehler bzw. Defekt zumindest einer Batteriezelle erkennen zu können. Ein solcher Defekt ist insbesondere eine erhöhte Selbstentladung und/oder eine Kaltentgasung (cold venting) zumindest einer Batteriezelle. Insbesondere während einer, insbesondere mehrstündigen, Stillstandphase des Kraftfahrzeugs, soll die Traktionsbatterie überwacht werden. In dieser Stillstandphase ist die Traktionsbatterie insbesondere in einem wirkleistungsfreien Betrieb, in welchem die Traktionsbatterie keine Hochvoltverbraucher versorgt und auch nicht geladen wird.
Zur Überwachung wird die Traktionsbatterie zu mehreren Zeitpunkten während der Stillstandphase, beispielsweise zu dem ersten Zeitpunkt zu Beginn der Stillstandphase nach einem Fahrtende und Abstellen des Fahrzeugs und zu einem zweiten Zeitpunkt am Ende der Stillstandphase vor Fahrbeginn bzw. Fahrtantritt, belastet. Zu diesen Zeitpunkten werden Belastungsphasen für die Traktionsbatterie bereitgestellt, in welchen der mit der Traktionsbatterie elektrisch verbundene Verbraucher mit dem jeweiligen Blindleistungsbelastungsmuster beaufschlagt wird. Beispielsweise kann die erste Belastungsphase durch Abschließen des Kraftfahrzeugs nach Fahrtende des Kraftfahrzeugs getriggert bzw. initiiert werden und die zweite Belastungsphase kann durch Öffnen bzw. Entsperren des Kraftfahrzeugs vor Fahrtbeginn getriggert werden. Eine Zeitdauer bzw. ein Zeitraum zwischen den zwei Zeitpunkten und damit zwischen den zwei Belastungsphasen beträgt insbesondere mehrere Stunden. Es können auch während der Stillstandphase mehr als zwei Belastungsphasen vorgegeben werden.
Durch das jeweilige Blindleistungsbelastungsmuster fällt an dem zumindest einen Verbraucher nur eine Blindleistung ab, welche von dem Fahrzeugführer nicht wahrnehmbar ist. Beispielsweise werden Statorphasen und/oder eine Erregerwicklung der elektrischen Antriebsmaschine über eine Leistungselektronik bzw. einen Inverter des Hochvoltbordnetzes so bestromt, dass die Antriebsmaschine kein Drehmoment abgibt. Durch die Blindleistungsbelastungsmuster wird die Traktionsbatterie somit gezielt entladen, ohne dass an dem Verbraucher eine wahrnehmbare Wirkleistung umgesetzt wird.
Während jeder der Belastungsphasen wird die Signalantwort zumindest einer Batteriezelle, insbesondere aller Batteriezellen, der Traktionsbatterie auf das jeweilige Blindleistungsbelastungsmuster erfasst. Beispielsweise werden als die Signalantworten Spannungssignale bzw. Zellspannungen der Batteriezelle(n) erfasst. Auch können weitere Zellparameter der Batteriezellen während der Belastungsphasen erfasst werden. Insbesondere sind das erste Blindleistungsbelastungsmuster der ersten Belastungsphase und das zweite Blindleistungsbelastungsmuster der zweiten Belastungsphase gleich oder weisen eine bekannte Abweichung, beispielsweise einen vorbestimmten Offset oder Skalierungsfaktor, zueinander auf. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in der Stillstandphase des Kraftfahrzeugs die Traktionsbatterie nicht wirkleistungsbelastet ist und somit keine nennenswerte, über die nichtdefektbedingte Selbstentladung hinausgehende Entladung der Batteriezellen stattfinden sollte. Dies bedeutet, dass die Batteriezellen in beiden Belastungsphasen bei gleichen Blindleistungsbelastungsmustern in etwa die gleichen Signalantworten bzw. bei voneinander abweichenden Blindleistungsbelastungsmustern eine definierte Änderung der Signalantworten aufweisen sollten. Falls jedoch eine Abweichung der Signalantworten zueinander einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, so deutet dies auf einen Defekt, beispielsweise eine defektbedingte erhöhte Selbstentladung, der zumindest einen Batteriezelle hin. So kann anhand der Abweichung der Signalantworten zueinander ein Defekt der zumindest einen Batteriezelle auf einfache Weise, ohne dass es der Fahrer des Kraftfahrzeugs bemerkt, erfasst werden. Falls ein Defekt erfasst wird, kann ein Hinweissignal an den Fahrer ausgegeben werden und/oder eine Weiterfahrt des Kraftahrzeugs verhindert werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Zeitdauer zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt erfasst und beim Vergleichen der zwei Signalantworten berücksichtigt wird. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass jede Batteriezelle eine gewisse, nichtdefektbedingte Selbstentladung aufweist, sodass ein Ladezustand der zumindest einen Batteriezelle am Ende der Stillstandphase mit der Dauer der Stillstandphase und damit mit der Zeitdauer zwischen den zwei Zeitpunkten steigt. Um zu verhindern, dass eine nichtdefekte Selbstentladung aufgrund einer sehr langen Stillstandphase, beispielsweise während eines Urlaubs des Fahrzeughalters, als ein Defekt erkannt wird, wird die Zeitdauer zwischen den zwei Zeitpunkten berücksichtigt, indem beispielweise der am Ende der Zeitdauer zu erwartende Ladezustand der Batteriezellen und damit die am Ende der Zeitdauer zu erwartende Abweichung der Signalantworten ermittelt wird.
Auch kann zumindest eine, während der Zeitdauer zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt auftretende Umweltbedingung erfasst und beim Vergleichen der Signalantworten berücksichtigt werden. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass auch Umweltbedingungen, beispielsweise Umgebungstemperaturen, einen Zustand der Batteriezellen verändern können. Insbesondere wenn sich die Umweltbedingungen während der Stillstandphase geändert haben, wird diese Änderung bei Auswertung der Signalantworten berücksichtigt.
Die Erfindung betrifft außerdem ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug, also ein Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Hochvoltbordnetz. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Personenkraftwagen ausgebildet.
Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung, für das erfindungsgemäße Hochvoltbordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 ein Ablaufdiagramm zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs;
2 ein Stromverlauf der Traktionsbatterie über die Zeit; und
3 Signalantworten zumindest einer Batteriezelle der Traktionsbatterie über die Zeit.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Ablaufdiagramm mit Schritten S1 bis S5 zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs. 2 zeigt einen Stromverlauf I der Traktionsbatterie über die Zeit t. Die durch das Ablaufdiagramm vorgestellte Überwachung wird dabei während einer Stillstandphase R des Kraftfahrzeugs durchgeführt. Ein Abschnitt I1 des Stromverlaufes I vor der Stillstandphase R zeigt eine Belastung der Traktionsbatterie während einer Fahrt F des Kraftfahrzeugs, bei welcher die Traktionsbatterie zur Versorgung diverser Verbraucher des Kraftfahrzeugs, beispielsweise einer elektrischen Antriebsmaschine, wirkleistungsbelastet ist. Ein Abschnitt I2 des Stromverlaufes I zeigt eine Vorbereitungsphase V des Kraftfahrzeugs auf die Stillstandphase R. In der Stillstandphase R, welche insbesondere mehrere Stunden, beispielsweise über Nacht, andauert, ist die Traktionsbatterie insbesondere nicht wirkleistungsbelastet und wird nicht geladen. Durch die Überwachung soll ein Defekt zumindest einer Batteriezelle der Traktionsbatterie, beispielsweise eine übermäßige, defektbedingte Selbstentladung, erkannt werden, und gegebenenfalls eine erneute Fahrt des Kraftfahrzeugs verhindert werden.
Zu Überwachung der Traktionsbatterie wird in einem ersten Schritt S1 zu einem ersten Zeitpunkt t1 während der Stillstandphase R, beispielsweise zu Beginn der Stillstandphase R, ein erstes Blindleistungsbelastungsmuster M1 vorgegeben, mit welchem ein Verbraucher des Kraftfahrzeugs beaufschlagt wird und durch welches der Stromverlauf I einen dritten Abschnitt I3 aufweist. Das Blindleistungsbelastungsmuster M1 wird insbesondere von einer Steuereinrichtung des Kraftfahrzeugs vorgegeben und dem Verbraucher bereitgestellt. Beispielsweise kann der Verbraucher die elektrische Antriebsmaschine sein und die Steuereinrichtung kann eine Steuerung eines Inverters der Antriebsmaschine sein. Durch das Blindleistungsbelastungsmuster M1 fällt lediglich Blindleistung an dem Verbraucher ab, welche für Personen, beispielsweise den Fahrzeughalter, nicht wahrnehmbar ist.
In einem zweiten Schritt S2 wird eine erste Signalantwort A1 zumindest einer Batteriezelle auf das erste Blindleistungsbelastungsmuster M1 erfasst. Die erste Signalantwort A1 ist ein erstes Spannungssignal U1 an der zumindest einen Batteriezelle, welches in einem Spannungs-Zeit-(U-t-) Diagramm in 3 gezeigt ist. Das Spannungssignal U1 kann beispielsweise von einem Zellspannungssensor der zumindest einen Batteriezelle erfasst und an die Steuereinrichtung übermittelt werden. Diese speichert die erste Signalantwort U1 ab.
In einem dritten Schritt S3 wird zu einem zweiten Zeitpunkt t2 während der Stillstandphase R, beispielsweise am Ende der Stillstandphase R, ein zweites Blindleistungsbelastungsmuster M2 vorgegeben, mit welchem der Verbraucher des Kraftfahrzeugs erneut beaufschlagt wird und durch welches der Stromverlauf I einen vierten Abschnitt I4 aufweist. Das erste Blindleistungsbelastungsmuster M1 und das zweite Blindleistungsbelastungsmuster M2 weisen einen bekannten Zusammenhang auf. Insbesondere sind die zwei Blindleistungsbelastungsmuster M1, M2 identisch.
In einem vierten Schritt S4 wird eine zweite Signalantwort A2 der zumindest einen Batteriezelle auf das zweite Blindleistungsbelastungsmuster M2 erfasst. Die zweite Signalantwort A2 ist ein zweites Spannungssignal U2 an der zumindest einen Batteriezelle. Auch das zweite Spannungssignal U2 kann von dem Zellspannungssensor erfasst, an die Steuereinrichtung übermittelt und dort abgespeichert werden.
In einem fünften Schritt S5 werden die beiden abgespeicherten Signalantworten A1, A2 miteinander verglichen. Bei dem Vergleich können weitere Zellparameter der zumindest einen Batteriezelle, Umgebungsbedingungen und eine Zeitdauer Δt zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem zweiten Zeitpunkt t2 berücksichtigt werden. Anhand des Vergleiches kann erkannt werden, ob die zumindest eine Batteriezelle defekt ist. Beispielsweise kann die erhöhte Selbstentladung erkannt werden, wenn die erste Signalantwort A1 und die zweite Signalantwort A2 um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert voneinander abweichen.

Claims

Verfahren zum Überwachen einer Traktionsbatterie eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs während einer Stillstandphase (R) des Kraftfahrzeugs mit den Schritten: - Belastung (S1) der Traktionsbatterie durch Beaufschlagung zumindest eines mit der Traktionsbatterie elektrisch verbundenen Verbrauchers des Kraftfahrzeugs mit einem ersten Blindleistungsbelastungsmuster (M1) zu einem ersten Zeitpunkt (t1) während der Stillstandphase (R) des Kraftfahrzeugs, - Erfassen (S2) einer von dem ersten Blindleistungsbelastungsmuster (M1) abhängigen, ersten Signalantwort (A1) zumindest einer Batteriezelle der Traktionsbatterie, - erneute Belastung (S3) der Traktionsbatterie durch Beaufschlagung des zumindest einen Verbrauchers mit einem zweiten Blindleistungsbelastungsmuster (M2) zu einem zweiten Zeitpunkt (t2) während der Stillstandphase (R) des Kraftfahrzeugs, - Erfassen (S4) einer von dem zweiten Blindleistungsbelastungsmuster (M2) abhängigen zweiten Signalantwort (A2) der zumindest einen Batteriezelle, - Vergleichen (S5) der ersten und der zweiten Signalantwort (A1, A2), und - Erkennen eines Defekts der zumindest einen Batteriezelle anhand des Vergleiches.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Blindleistungsbelastungsmuster (M1) und das zweite Blindleistungsbelastungsmuster (M2) gleich sind, wobei der Defekt erkannt wird, wenn die erste und die zweite Signalantwort (A1, A2) um mehr als einen vorbestimmten Schwellwert voneinander abweichen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als die Signalantworten (A1, A2) Spannungssignale (U1, U2) an der zumindest einen Batteriezelle erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der Defekt eine erhöhte Selbstentladung und/oder eine Kaltentgasung der zumindest einen Batteriezelle erkannt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der zumindest eine Verbraucher eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs mit den Blindleistungsbelastungsmustern (M1, M2) beaufschlagt wird, durch welche die elektrische Antriebsmaschine kein Drehmoment abgibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitdauer (Δt) zwischen dem ersten Zeitpunkt (t1) und dem zweiten Zeitpunkt (t2) erfasst und beim Vergleichen der zwei Signalantworten (A1, A2) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine, während einer Zeitdauer (Δt) zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt (t1, t2) auftretende Umweltbedingung erfasst und beim Vergleichen der Signalantworten (A1, A2) berücksichtigt wird.
Steuereinrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche dazu ausgelegt ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Hochvoltbordnetz für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Traktionsbatterie mit mehreren Batteriezellen, zumindest einen Verbraucher und eine Steuereinrichtung nach Anspruch 8.
Kraftfahrzeug mit einem Hochvoltbordnetz nach Anspruch 9.