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Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs zum Detektieren eines Fehlers zumindest einer Energiespeicherzelle einer Verschaltung aus Energiespeicherzellen des Energiespeichers. Die Detektionsvorrichtung weist eine Stromsensoreinrichtung zum Erfassen von Stromwerten der Verschaltung und eine Spannungssensoreinrichtung zum Erfassen von Zellspannungswerten der Energiespeicherzellen auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers einer Energiespeicherzelle, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher, welche beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge eingesetzt werden können. Solche elektrischen Energiespeicher weisen üblicherweise zumindest eine Verschaltung aus Energiespeicherzellen auf, welche in einem Innenraum eines Speichergehäuses des elektrischen Energiespeichers angeordnet ist. Im Falle eines Fehlers einer Energiespeicherzelle, beispielsweise eines zellinternen Kurzschlusses, kann es zu einer Entgasung der Energiespeicherzelle kommen, durch welche Hitze und Partikel in den Innenraum des Speichergehäuses transportiert werden. Dadurch können weitere Speicherkomponenten, beispielsweise weitere Energiespeicherzellen, geschädigt werden. Daher ist es wünschenswert, solche Fehler bzw. Zelldefekte erkennen zu können.
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Hierfür wird der Energiespeicher üblicherweise mit einer Detektionsvorrichtung zum Überwachen der Energiespeicherzellen ausgestattet, welche Sensoreinrichtungen zum Erfassen von Kenngrößen des elektrischen Energiespeichers aufweist. Solche Sensoreinrichtungen sind beispielsweise Stromsensoreinrichtungen zum Erfassen von Stromwerten der Energiespeicherzellen und Zellspannungssensoren zum Erfassen von Zellspannungswerten der Energiespeicherzellen. Beispielsweise kann durch Vergleich der erfassten Zellspannungswerten mit einem vorbestimmten Spannungssollwert eine defekte Energiespeicherzelle erkannt werden. Insbesondere in einer Parallelverschaltung von Energiespeicherzellen wird jedoch im unbelasteten Zustand das Spannungsverhalten einer defekten Energiespeicherzelle durch die anderen Energiespeicherzellen ausgeglichen. Somit kann anhand des Vergleiches ein Fehler nicht oder nicht immer erkannt werden. Außerdem kann es vorkommen, dass sich das Spannungsverhalten der Energiespeicherzellen alterungsbedingt ändert, sodass der Spannungssollwert zum Verhindern einer Falschdiagnose über die Zeit angepasst werden muss.
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Daher sind üblicherweise weitere Sensoreinrichtungen, beispielsweise Temperatursensoreinrichtungen zum Erfassen einer Temperatur in dem Innenraum des Speichergehäuses und/oder der Energiespeicherzellen, Drucksensoreinrichtungen zum Erfassen eines Drucks in den Innenraum des Speichergehäuses, Lichtsensoreinrichtungen zum Erfassen von Flammen in dem Innenraum des Speichergehäuses, etc., vorgesehen, welche primär zur Beobachtung von Fehlermerkmalen dienen, die auf einen offensichtlichen Defekt einer Energiespeicherzelle hinweisen. Solche zusätzlichen Sensoreinrichtungen erhöhen jedoch die Kosten und das Gewicht des elektrischen Energiespeichers.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Lösung zur Erkennung eines Fehlers einer Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Detektionsvorrichtung, ein Verfahren, einen elektrischen Energiespeicher 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.
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Eine erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs dient zum Detektieren eines Fehlers zumindest einer Energiespeicherzelle einer Verschaltung aus Energiespeicherzellen des Energiespeichers. Die Detektionsvorrichtung weist eine Stromsensoreinrichtung zum Erfassen von Stromwerten der Verschaltung und eine Spannungssensoreinrichtung zum Erfassen von Zellspannungswerten der Energiespeicherzellen auf. Ferner weist die Detektionsvorrichtung eine Speicher- und Auswerteeinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, die Stromwerte und die Zellspannungswerte zu empfangen und über eine vorbestimmte Zeitspanne zwischenzuspeichern, eine jeweilige Dynamik von aus den zwischengespeicherten Zellspannungswerten einer Zeitspanne erhaltenen Zellspannungsverläufen mit einer Dynamik des aus den zwischengespeicherten Stromwerten der Zeitspanne erhaltenen Stromverlaufs zu vergleichen und anhand des Vergleiches einen Fehler zumindest einer Energiespeicherzelle zu erkennen.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers zumindest einer Energiespeicherzelle einer Verschaltung aus Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers. Bei dem Verfahren werden Stromwerte der Verschaltung und Zellspannungswerte der Energiespeicherzellen erfasst. Diese Stromwerte und Zellspannungswerte werden empfangen und über eine vorbestimmte Zeitspanne zwischengespeichert. Dann wird eine jeweilige Dynamik von aus den zwischengespeicherten Zellspannungswerten einer Zeitspanne erhaltenen Zellspannungsverläufen mit einer Dynamik des aus den zwischengespeicherten Stromwerten der Zeitspanne erhaltenen Stromverlaufs verglichen und ein Fehler der zumindest einer Energiespeicherzelle anhand des Vergleiches erkannt.
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Ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher umfasst eine Verschaltung aus elektrischen Energiespeicherzellen und eine erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung. Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und dient als wiederaufladbare Traktionsbatterie für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher weist eine Vielzahl von Energiespeicherzellen bzw. Batteriezellen, beispielsweise prismatische Zellen, Rundzellen oder Pouchzellen, auf, welche miteinander verschaltet sind und in einem Innenraum eines Speichergehäuses des elektrischen Energiespeichers angeordnet sind. Vorzugsweise weist die Verschaltung aus Energiespeicherzellen zumindest eine Parallelschaltung bzw. einen Parallelverbund aus zumindest zwei Energiespeicherzellen auf.
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Zur Überwachung der Energiespeicherzellen weist der elektrische Energiespeicher die Detektionsvorrichtung auf. Die Detektionsvorrichtung ist dazu ausgelegt, anhand der gemessenen Stromwerte der Energiespeicherzellen und der gemessenen Zellspannungswerte der Energiespeicherzellen einen Fehler zumindest einer Energiespeicherzelle, also einen Zelldefekt, zu erkennen. Insbesondere ist die Detektionsvorrichtung dazu ausgelegt, nur anhand der gemessenen Stromwerte und der gemessenen Zellspannungswerte, ohne die Verwendung von Sensordaten anderer Sensoreinrichtungen und ohne einen Vergleich der gemessenen Werte mit vorbestimmten Sollwerten, den Fehler zu erkennen. Dazu weist die Detektionsvorrichtung die Spannungssensoreinrichtung, welche pro Energiespeicherzelle insbesondere einen Spannungssensor zum Messen von zellspezifischen Zellspannungswerten aufweist, und die Stromsensoreinrichtung, welche pro Verschaltung insbesondere zumindest einen Stromsensor zum Messen eines durch die Verschaltung hindurchfließenden Stromes aufweist, auf. Der durch die Verschaltung fließende Strom korrespondiert dabei mit einem durch die einzelnen Energiespeicherzellen korrespondierenden Strom.
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Die von der Stromsensoreinrichtung und den Spannungssensoreinrichtungen erfassten Stromwerte und Zellspannungswerte werden der Speicher- und Auswerteeinrichtung der Detektionsvorrichtung übermittelt und dort für eine vorbestimmte Zeitspanne, beispielsweise für höchstens einige Sekunden, zwischengespeichert bzw. gebuffert. Die Speicher- und Auswerteeinrichtung kann beispielsweise in ein energiespeicherinternes Steuergerät integriert sein und kommunikationstechnisch, beispielsweise leitungsgebunden, mit der Stromsensoreinrichtung und der Spannungssensoreinrichtung verbunden sein. Die Speicher- und Auswerteeinrichtung weist insbesondere einen Puffer bzw. einen Zwischenspeicher zum temporären Speichern der Stromwerte und Zellspannungswerte auf, welcher dazu ausgelegt ist, die Stromwerte und Zellspannungswerte kontinuierlich fortlaufend über die vorbestimmte Zeitspanne zu speichern. Es werden also kontinuierlich Strom- und Zellspannungswerte über die vorbestimmte Zeitspanne in dem Puffer zwischengespeichert, wobei für jeden neu eintreffenden, aktuellen Wert der älteste Wert wieder gelöscht werden kann. Der Puffer weist somit insbesondere eine fixe Fensterbreite auf, wobei die Fensterbreite der Zeitspanne entspricht. Der Puffer weist also die aktuellen Strom- und Zellspannungswerte sowie eine vorbestimmte Anzahl an zurückliegenden, in der Vergangenheit erfassten Strom- und Zellspannungswerten auf.
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Anhand der über die Zeitspanne zwischengespeicherten Stromwerte und Zellspannungswerte können ein Stromverlauf bzw. Stromsignal und Zellspannungsverläufe bzw. Zellspannungssignale bestimmt werden. Die Zellspannungsverläufe werden nun mit dem Stromverlauf abgeglichen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Dynamik der Zellspannungsverläufe bei fehlerlosen Energiespeicherzellen der Dynamik des Stromverlaufs folgen sollte. Weicht die Dynamik eines Zellspannungsverlaufs von der Dynamik des Stromverlaufs ab, so deutet dies auf einen Defekt der zugehörigen Energiespeicherzelle hin. Zur Zellüberwachung wird also die Dynamik der Zellspannungsverläufe anhand der Dynamik des Stromverlaufes plausibilisiert.
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Beispielsweise ist die Speicher- und Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, zum Bestimmen und Vergleichen der Dynamiken Gradienten der Zellspannungsverläufe und des Stromverlaufes zu bestimmen und den Fehler zumindest einer Energiespeicherzelle zu erkennen, falls der Gradient des zugehörigen Zellspannungsverlaufes zumindest abschnittsweise entgegengesetzt zu dem Gradienten des Stromverlaufes gerichtet ist. Einem positiven Gradienten des Stromsignals, welcher aus ansteigenden Stromwerten resultiert, sollte also im fehlerlosen Fall ein positiver Gradient des Zellspannungssignals, welcher aus ansteigenden Zellspannungswerten resultiert, folgen. Umgekehrt sollte einem negativen Gradienten des Stromsignals, welcher aus sinkenden Stromwerten resultiert, im fehlerlosen Fall ein negativer Gradient des Zellspannungssignals, welcher aus sinkenden Zellspannungswerten resultiert, folgen. Weicht der Gradient eines Zellspannungssignals zumindest abschnittsweise vorzeichenmäßig von dem Gradienten des Stromsignals ab, so wird der Fehler der zugehörigen Energiespeicherzelle erkannt.
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Das mittels der Detektionsvorrichtung durchgeführte Verfahren, bei welchem zur Fehlerdetektion lediglich die Dynamiken des Stromverlaufs und der Zellspannungsverläufe zueinander plausibilisiert werden, ist besonders vorteilhaft, da es unabhängig von alterungsbedingten Änderungen des Spannungsverhaltens der Energiespeicherzellen ist. Es müssen also keine Sollwerte bereitgestellt und fortlaufend kalibriert werden. Außerdem werden mittels des Verfahrens auch Defekte erkannt, welche aufgrund des defektausgleichenden Parallelverbunds der Energiespeicherzellen anhand des bloßen Spannungsverhaltens nicht erkannt werden könnten.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Das Kraftfahrzeug ist ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug und weist den elektrischen Energiespeicher als Traktionsbatterie auf.
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Die mit Bezug auf die Detektionsvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren, für den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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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.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Energiespeichers eines Kraftfahrzeugs,
- 2a-2c Strom- und Zellspannungsverläufe von fehlerlosen Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichers; und
- 3 Strom- und Zellspannungsverläufe von einer fehlerlosen und einer fehlerbehafteten Energiespeicherzelle.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1 für ein Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher 1 weist ein Speichergehäuse 2 auf, in dessen Innenraum 3 zumindest eine Verschaltung 4 aus Energiespeicherzellen 5 angeordnet ist. Zur Erkennung eines Fehlers 6 bzw. Zelldefekts einer Energiespeicherzelle 5 der Verschaltung 4, beispielsweise einer bevorstehenden Zellentgasung aufgrund eines zellinternen Kurzschlusses, weist der elektrische Energiespeicher 1 außerdem eine Detektionsvorrichtung 7 auf, welche eine Spannungssensoreinrichtung 8 und eine Stromsensoreinrichtung 9 aufweist. Die Spannungssensoreinrichtung 8 weist hier für jede Energiespeicherzelle 5 einen Spannungssensor 10 zum Messen von Zellspannungswerten der jeweiligen Energiespeicherzelle 5 auf. Die Stromsensoreinrichtung 9 weist hier pro Verschaltung 4 einen Stromsensor 11 zum Messen von Stromwerten der Verschaltung 4 auf. Die Detektionsvorrichtung 7 weist außerdem eine Speicher- und Auswerteeinrichtung 12 auf, welche mit der Spannungssensoreinrichtung 8 und der Stromsensoreinrichtung 9 gekoppelt ist und welcher die erfassten Zellspannungswerte und Stromwerte übermittelt werden. Die übermittelten Zellspannungswerte und Stromwerte werden von der Speicher- und Auswerteeinrichtung 12 über eine vorbestimmte Zeitspanne Δt1, Δt2, Δt3 zwischengespeichert.
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2a, 2b und 2c zeigen einen mit dem aktuellen Zeitpunkt t1*, t2*, t3* fortschreitenden Stromverlauf I der Verschaltung 4 und zwei mit dem aktuellen Zeitpunkt t1*, t2*, t3 fortschreitende Zellspannungsverläufe U1, U2 zweier fehlerloser Energiespeicherzellen 5 über die Zeit t. Außerdem ist ein mit dem aktuellen Zeitpunkt t1*, t2*, t3* fortlaufendes Pufferfenster Pt1, Pt2, Pt3 der Breite B gezeigt, wobei die Breite B des Pufferfensters Pt1, Pt2, Pt3 der jeweiligen Zeitspanne Δt1, Δt2, Δt3 entspricht, innerhalb welcher die von den Sensoreinrichtungen 8, 9 gemessenen Werte in der Speicher- und Auswerteeinrichtung 12 zwischengespeichert und analysiert werden. Zur Fehlererkennung wird das aktuelle Pufferfenster Pt1, Pt2, Pt3, welches die Strom- und Zellspannungswerte des aktuellen Zeitpunktes t1*, t2*, t3* und die in der aktuellen Zeitspanne Δt1, Δt2, Δt3 zurückliegenden Strom- und Zellspannungswerte umfasst, betrachtet. Anders ausgedrückt wird eine „Vergangenheit“ der Stromwerte und Zellspannungswerte, welche einen vorbestimmten Zeitraum abdeckt, kontinuierlich bewertet.
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Pro Pufferfenster Pt1, Pt2, Pt3 werden die Dynamiken der Zellspannungsverläufe U1, U2 mit der Dynamik des Stromverlaufes I verglichen. Zusätzlich können die Dynamiken der Zellspannungsverläufe U1, U2 auch untereinander verglichen werden und somit gegeneinander plausibilisiert werden. In 2a bis 2c sind in jedem Pufferfenster Pt1, Pt2, Pt3 die Dynamiken der Zellspannungsverläufe U1, U2 gleich zu der Dynamik des Stromverlaufs I. Zur Dynamikplausibilisierung kann eine Abfolge der Gradienten der Zellspannungsverläufe U1, U2 und des Stromverlaufes I innerhalb der jeweiligen Zeitspanne Δt1, Δt2, Δt3 betrachtet werden. Beispielsweise weisen die Gradienten der Verläufe U1, U2, I im Abschnitt Δt1a der ersten Zeitspanne Δt1 jeweils negative Vorzeichen und im darauffolgenden Abschnitt Δt1b der ersten Zeitspanne Δt1 jeweils positive Vorzeichen auf. Im Abschnitt Δt1c weisen die Gradienten der Verläufe U1, U2, I negative Vorzeichen auf und im darauffolgenden Abschnitt Δt1d wieder positive Vorzeichen auf. Auch im Pufferfenster Pt2 ist die Abfolge von Abschnitten mit negativen und positiven Gradienten bei den Zellspannungssignalen U1, U2 und dem Stromsignal I gleich. Im dritten Zeitfenster B3 weisen alle Verläufe U1, U2, I einen Gradienten von 0 auf, sodass auch hier die Gradienten aller Verläufe U1, U2, I dasselbe Vorzeichen aufweisen. Sobald also die Gradienten der Zellspannungsverläufe U1, U2 und der Gradient des Stromverlaufs I in zueinander korrespondierenden Abschnitten der Zeitspannen Δt1, Δt2, Δt3 gleichgerichtet sind, sind die Dynamiken gleich und die Energiespeicherzellen 5 werden als fehlerlos klassifiziert.
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3 zeigt den Zellspannungsverlauf U2' für eine defekte Energiespeicherzelle 5. Hier weicht im Pufferfenster Pt1 die Dynamik des Zellspannungsverlaufs U2' von der Dynamik des Stromsignals I ab. Dies ist ersichtlich an dem Abschnitt Δt1d, bei welchem der Gradient des Stromsignals I positiv ist, während der Gradient des Zellspannungssignals U2' zumindest teilweise negativ ist. Der Gradient des Zellspannungssignals U2' ist also entgegengesetzt zum Gradienten des Stromsignals I gerichtet. Diese Abweichung der Dynamik des Zellspannungsverlaufes U2' zu der Dynamik des Stromverlaufs I wird von der Speicher- und Auswerteeinrichtung 12 erkannt und die zu dem Zellspannungsverlauf U2' gehörige Energiespeicherzelle 5 wird als fehlerbehaftet bzw. defekt klassifiziert.
