DE102022206732A1

DE102022206732A1 - Diagnoseverfahren für eine Batterie

Info

Publication number: DE102022206732A1
Application number: DE102022206732.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Jehle; Jan Lukas Reininger; Magnus Jaster; Christian Reichinger
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2024002631A1

Abstract

Die Batterie umfasst mehrere Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) , die in Serie geschaltet und in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen (Wk+1, Wk-1) mit einer Batteriezellüberwachungseinheit verbunden sind. Bei dem Diagnoseverfahren wird eine erste Zellspannungsdifferenz zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle ermittelt, abhängig von einem bereitgestellten ersten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt und einem bereitgestellten zweiten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem ersten Zeitpunkt. Ferner wird eine zweite Zellspannungsdifferenz zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle ermittelt abhängig von einem bereitgestellten weiteren ersten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem zweiten Zeitpunkt und einem bereitgestelltem weiteren zweiten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem zweiten Zeitpunkt, wobei der zweite Zeitpunkt eine vorgegebene Zeitspanne (Δt) nach dem ersten Zeitpunkt liegt. Es wird eine Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔUk ↔ k-1) ermittelt und die Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔUk ↔ k-1) mit einem Schwellwert (THconst, TH) verglichen.

Description

Es wird ein Diagnoseverfahren und eine Diagnosesteuereinheit für eine Batterie beschrieben. Des Weiteren wird ein Batteriesystem, ein Computerprogramm und ein Computerprogramprodukt beschrieben.
Lithium-Ionen-Batterien weisen eine sehr hohe Leistungsdichte auf. Daher sind Lithium-Ionen-Batterien insbesondere bei Automotiv-Anwendungen häufig anzutreffen. Jedoch erfordert das chemisch instabile Verhalten der Batteriezellen der Lithium-Ionen-Batterien unter kritischen Bedingungen einen vorsichtigen Umgang mit den Lithium-Ionen-Batterien.
Batterien umfassen meist mehrere Batteriemodule, die wiederum mehrere Batteriezellen aufweisen, zum Beispiel 16 Batteriezellen. Um den Zustand einer Batterie zu überwachen und die Sicherheit des Betriebs zu gewährleisten, werden in den überwiegenden Fällen Batteriemanagementsysteme mit Batteriezellen-Controller eingesetzt. Die Batteriezellen-Controller werden genutzt, um Sicherheitsrisiken zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren, indem sie kritische Eigenschaften von Li-Ionen-Batteriezellen (Spannungen, Temperaturen, Ströme) genau kontrollieren und eingebettete Ausgleichsfunktionen zusammen mit einer umfassenden Systemdiagnose bieten.
Des Weiteren ist in der Regel jede Batteriezelle mit einem Batteriezellen-Controller verbunden, um die Batteriezellen zu symmetrieren. Solch eine Anordnung kann fehlerhaft sein, was zu einer Unsymmetrie des Batteriemoduls führen kann, insbesondere während des Ladens, Entladens oder des Symmetrierens des Batteriemoduls. Dies wiederum kann zur Folge haben, dass das Batteriemodul als Ganzes beschädigt wird. Außerdem können möglicherweise in diesem Fall fehlerhafte Messwerte von Zellspannungen für die Überwachung der Zellspannungsgrenzen verwendet werden und hierdurch eine zu hohe oder zu niedrige Zellspannung nicht detektiert werden, was ebenfalls zu Schädigungen der Batterie führen kann.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Diagnoseverfahren für eine Batterie anzugeben, das ein Detektieren eines Fehlers in Verbindungen zwischen Batteriezellen und einer Batteriezellüberwachungseinheit zuverlässig und kostengünstig ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Diagnoseverfahren für eine Batterie, wobei die Batterie eine Mehrzahl an Batteriezellen aufweist, die in Serie geschaltet sind. Die Batteriezellen sind in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen mit einer Batteriezellüberwachungseinheit verbunden und die Batteriezellüberwachungseinheit weist Kondensatoren zur Zellspannungserfassung auf, die den angeschlossenen Batteriezellen parallelgeschaltet sind.
Die Batteriezellen können als Einzelzellen ausgebildet sein. Alternativ kann eine Batteriezelle einen Batteriezellverbund, bei dem sämtliche Einzelzellen parallel geschaltet sind, umfassen.
Die Batteriezellüberwachungseinheit umfasst vorzugsweise einen oder mehrere integrierte Schaltkreise („Chips“) zur Batteriezellüberwachung. Die Kondensatoren der Batterieüberwachungseinheit sind Teil der Batteriezellüberwachungseinheit, sind aber vorzugsweise außerhalb der Chips angeordnet. Es können für die Batterie auch mehrere getrennte Batteriezellüberwachungseinheiten eingesetzt werden, die jeweils einem Teil der Zellen zugeordnet sind.
Bei dem Diagnoseverfahren wird eine erste Zellspannungsdifferenz zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle abhängig von einem ersten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt, und einem zweiten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem ersten Zeitpunkt, ermittelt.
Ferner wird eine zweite Zellspannungsdifferenz zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle abhängig von einem weiteren ersten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem zweiten Zeitpunkt, und einem weiteren zweiten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem zweiten Zeitpunkt, ermittelt. Hierbei liegt der zweite Zeitpunkt eine vorgegebene Zeitspanne nach dem ersten Zeitpunkt. Hierbei ist zu beachten, dass das erste Signal und zweite Signal vorzugsweise gleichzeitig erfasst werden. Allerdings kann der erste Zeitpunkt und der zweite Zeitpunkt jeweils einen vorgegebene Toleranzzeitbereich aufweisen. Der jeweilige Toleranzzeitbereich ist jedoch kleiner als die Zeitspanne. Der Toleranzzeitbereich umfasst insbesondere weniger als 10% der Zeitspanne. Die Zeitspanne kann auch als Diagnosezeitintervall bezeichnet werden.
Die erste und zweite Batteriezelle sind vorzugsweise unmittelbar benachbart und haben eine gemeinsame Verbindungsleitung zu der Batteriezellüberwachungseinheit.
Bei dem Diagnoseverfahren wird anschließend eine Änderung der Zellspannungsdifferenzen abhängig von der ersten Zellspannungsdifferenz und der zweiten Zellspannungsdifferenz ermittelt und die Änderung der Zellspannungsdifferenzen mit einem Schwellwert verglichen. Wenn die Änderung der Zellspannungsdifferenzen größer ist als der Schwellwert, wird ein Fehler erkannt.
In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst das Erkennen des Fehlers eine Bereitstellung eines Fehlersignals, das eingerichtet ist, zu signalisieren, dass eine Verbindungsleitung, die die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle im fehlerfreien Zustand mit einem Eingang der Batteriezellüberwachungseinheit verbindet, unterbrochen ist.
Es kann somit sehr schnell und zuverlässig erkannt werden, dass eine Verbindungleitung beziehungsweise eine Leitung, die eine Batteriezelle mit der Batteriezellüberwachungseinheit verbindet, unterbrochen ist. Es können so geeignete Maßnahmen eingeleitet werden, die eine Unsymmetrie der Batteriezellen insbesondere während des Ladens, Entladens oder des Symmetrieren der Batteriezellen reduzieren oder verhindern und damit einer Schädigung der Batterie vorbeugen. Außerdem kann verhindert werden, dass fehlerhafte Messwerte von Zellspannungen für die Überwachung der Zellspannungsgrenzen verwendet werden und hierdurch eine zu hohe oder zu niedrige Zellspannung nicht detektiert wird, was ebenfalls zu Schädigungen der Batterie führen kann.
In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist der Schwellwert einen vorgegebenen konstanten Wert auf.
In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird der Schwellwert abhängig von einer mittleren Zellspannungsänderung zumindest eines Teils der Batteriezellen der Batterie ermittelt. Die Batterie kann mit mehreren Batteriezellüberwachungseinheiten verbunden sein. Für die Mittelwertberechnung können alle oder ein Teil der Zellen der Batterie verwendet werden, auch solche, die nicht mit der betrachteten Batteriezellüberwachungseinheit verbunden sind.
Hierbei wird die mittlere Zellspannungsänderung abhängig von Zellspannungsänderungen der jeweiligen Batteriezellen zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ermittelt. Die mittlere Zellspannungsänderung ist umso größer, je größer ein Gradient des Stromes, der durch die Batteriezellen fließt, ist, und je größer der mittlere Innenwiderstand der Batteriezellen ist. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine zuverlässigere Fehlererkennung bei hoher Dynamik, bei der der Betrag des Stromgradienten sehr hoch ist, sowie bei tiefen Batteriezelltemperaturen, bei welchen der Innenwiderstand der Batteriezellen hoch ist. So kann insbesondere verhindert werden, dass in einem fehlerfreien System eine Fehlerkennung einer unterbrochenen Verbindungsleitung erfolgt, weil sich durch hohe Stromgradienten und/oder hohe Batteriezellinnenwiderstände große Änderungen der betrachteten Zellspannungsdifferenz zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ergeben.
In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird der Schwellwert abhängig von einer Streuung von Zellinnenwiderständen der Batteriezellen und/oder abhängig von einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen und/oder von Ladezustandsabweichungen zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen und/oder einer Alterung der Batteriezellen ermittelt.
In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird der Schwellwert abhängig von einem bereitgestellten Korrekturfaktor ermittelt und der Schwellwert wird zumindest abschnittsweise durch eine lineare Funktion in Abhängigkeit der mittleren Zellspannungsänderung repräsentiert, wobei die Steigung der linearen Funktion abhängig ist von dem Korrekturfaktor.
Der Korrekturfaktor wird insbesondere abhängig von der Streuung der Zellinnenwiderstände der Batteriezellen und/oder abhängig von der maximalen Temperaturdifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Batteriezellen und/oder von den Ladezustandsabweichungen zwischen den aufeinanderfolgenden Batteriezellen und/oder der Alterung der Batteriezellen ermittelt und für das Diagnoseverfahren bereitgestellt.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch eine Diagnosesteuereinheit für eine Batterie, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen mit einer Batteriezellüberwachungseinheit verbunden sind, die Batteriezellüberwachungseinheit Kondensatoren zur Zellspannungserfassung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezellen parallelgeschaltet sind und die Diagnosesteuereinheit ausgebildet ist, das Diagnoseverfahren gemäß dem ersten Aspekt auszuführen.
Gemäß einem dritten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Computerprogramm, das, wenn es von einem Prozessor oder Controller einer Diagnosesteuereinheit ausgeführt wird, die Diagnoseeinheit veranlasst, das Diagnoseverfahren gemäß dem ersten Aspekt auszuführen.
Gemäß einem vierten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Computerprogrammprodukt umfassend ein Computerprogramm gemäß dem dritten Aspekt.
Gemäß einem fünften Aspekt wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug, wobei das Batteriesystem eine Batterie, zumindest eine Batteriezellüberwachungseinheit und eine Diagnosesteuereinheit gemäß dem zweiten Aspekt aufweist und wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen mit der zumindest einen Batteriezellüberwachungseinheit verbunden sind und die Batteriezellüberwachungseinheit Kondensatoren zur Zellspannungserfassung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezellen parallelgeschaltet sind. Die zumindest eine Batteriezellüberwachungseinheit ist ferner ausgebildet, das erste Signal, das weitere erste Signal, das zweite Signal und das weitere zweite Signal bereitzustellen.
Die Batterie kann einen oder mehrere Batteriezellstränge aufweisen, die jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen, wobei die Batteriezellen eines jeweiligen Batteriestrangs in Serie geschaltet sind. Die Batteriezellstränge können teilweise parallel geschaltet oder vollständig parallel geschaltet sein. Das Verfahren kann somit für einen Teil eines Batteriezellstrangs oder einen gesamten Batteriezellstrang oder jeweils für mehr als einen Batteriezellstrang ausgeführt werden.
Optionale Ausgestaltungen des ersten Aspekts können auch entsprechend bei den weiteren Aspekten vorhanden sein und entsprechende Wirkungen aufweisen.
Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-ROM, DVD, Bluray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere programmierbare Geräte, wie insbesondere ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerprogramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet bereitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Zum Beispiel können Variationen oder Modifikationen, die im Hinblick auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderweitig angegeben.
Es zeigen:

1 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild für eine Verbindung von Batteriezellen mit einer Batteriezellüberwachungseinheit,
2 beispielhafte Zellspannungsverläufe zweier benachbarter Batteriezellen,
3 ein beispielhaftes Diagramm zur Dimensionierung eines Schwellwertes für ein Diagnoseverfahren zur Detektion einer offenen Verbindungsleitung und
4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Diagnoseprogramm.

In den Figuren werden für Elemente mit im Wesentlichen gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet, diese Elemente müssen jedoch nicht in allen Einzelheiten identisch sein.
Nachfolgend werden Details ausgeführt, um eine ausführlichere Erklärung der beispielhaften Ausführungsbeispiele bereitzustellen. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offensichtlich, dass Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. Spezielle oder allgemeine Werte, Bemessungsdaten, Hinzufügungen sowie der Einschluss oder Ausschluss von Komponenten sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der Erfindung zu beeinflussen.
In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform oder in einer schematischen Ansicht und nicht im Detail gezeigt, um das Verständnis der Ausführungsbeispiele zu vereinfachen.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ versus „direkt zwischen“, „benachbart“ versus „direkt benachbart“ etc.).
1 zeigt mehrere Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 einer Batterie, die in Serie geschaltet sind. Die Batterie ist beispielsweise in einem Fahrzeug, insbesondere in einem reinen Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug angeordnet.
Ferner zeigt 1 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild für Eingänge einer Batteriezellüberwachungseinheit 10. Die Batteriezellüberwachungseinheit umfasst vorzugsweise einen oder mehrere integrierte Schaltkreise („Chips“) zur Batteriezellüberwachung (in 1 nicht gezeigt). Die Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 sind an die Batteriezellüberwachungseinheit 10 angeschlossen.
Die Eingänge der Batteriezellüberwachungseinheit 10 sind über Verbindungsleitungen W_k+1, W_k-1 mit den Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 verbunden.
Direkt benachbarte Eingänge der Batteriezellüberwachungseinheit 10 sind jeweils über Kondensatoren C_k, C_k-1 verbunden, so dass die Kondensatoren C_k, C_k-1 jeweils parallelgeschaltet sind zu den zugehörigen Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1. An den Kondensatoren C_k, C_k-1 fällt im fehlerfreien Fall zumindest näherungsweise die jeweilige Zellspannung U_k,U_k-1 ab. Dabei fließen Leckströme I_leak in die integrierte Schaltung für das Batteriemonitoring, welche in Zusammenhang mit der Messung der Zellspannungen erforderlich sind. In einem Fehlerfall, wenn beispielsweise eine Batteriezelle Z_k+1, Z_k, Z_k-1 eine offene Verbindungsleitung W_err zu der Batterieüberwachungseinheit 10 aufweist, führt der zugehörige Leckstrom I_leak zu einem Laden des Kondensators C_k und zu einem Entladen des Kondensators C_k-1 und die Spannungsabfälle an den Kondensatoren C_k, C_k-1 sind nicht gleich. Aber auch Unsymmetrieen bei den Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 können zu solchen Effekten führen, jedoch sind die Effekte normalerweise nicht so groß wie im Fehlerfall einer offenen Verbindungsleitung W_err.
1 zeigt beispielhalft eine Batteriezellüberwachungseinheit 10 mit drei Anschlüssen, bei dem der mittlere Anschluss eine offene Verbindungsleitung W_err aufweist, d. h. die zugehörige Batteriezelle Z_k ist nicht angeschlossen. Dies führt dazu, dass die gemessene Zellspannung U_k der Batteriezelle mit dem Index k mit der Zeit ansteigt und die gemessene Zellspannung U_k-1 der Batteriezelle mit dem Index k-1 über der Zeit abfällt. Eine Zellspannungsdifferenz U_k↔k-1 der beiden Zellspannungen U_k,U_k-1 steigt über die Zeit ebenfalls an.
2 zeigt zeitliche Verläufe der Zellspannungen U_k,U_k-1 zweier unmittelbar benachbarter Batteriezellen Z_k, Z_k-1. Im fehlerfreien Fall weisen beide Zellen Z_k, Z_k-1 eine konstante Spannung auf, zum Beispiel eine Spannung von 2V. Zum Zeitpunkt t_0 wird die Verbindungsleitung, die einen ersten Pol der k-ten Batteriezelle und einen zweiten Pol der (k-1)-ten Batteriezelle mit dem korrespondieren Eingang der Batteriezellüberwachungseinheit 10 verbindet, unterbrochen. Der entsprechende Leckstrom I_leak führt dazu, dass die Zellspannung U_k der k-ten Zelle ansteigt und die Zellspannung U_k-1 der (k-1)-ten Zelle abfällt.
Nach einer gewissen Zeit, zum Beispiel nach 100 ms beträgt die Zellspannungsdifferenz U_k↔k-1 400 mV.
Für die Fehlerdetektion, die fortlaufend ausgeführt werden kann, wird die Änderung beziehungsweise der Gradient der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 ausgewertet. Beispielsweise wird jeweils die Zellspannungsdifferenz U_k↔k-1 in einem Diagnosezeitintervall von beispielsweise 100 ms ermittelt und für das jeweilige Diagnosezeitinterfall die Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 ermittelt und ausgewertet.
Wenn die Änderung beziehungsweise der Gradient der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 einen bestimmten Schwellwert TH_const, TH überschreitet, ist von einem Fehler in Form von einer offenen Verbindungsleitung W_err auszugehen.
Im Folgenden sind Gleichungen angegeben, die für die Berechnung der Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 und die Bestimmung des Schwellwerts TH_const, TH genutzt werden können, so dass eine zuverlässige Fehlerdetektion möglich ist.
Für die Zellspannung der k-ten Batteriezelle gilt: $U_{k} = U_{0, k} + I \cdot R_{k} (Laden I > 0; Entladen I < 0)$
wobei R_k der Zellinnenwiderstand der k-ten Zelle, I der Strom, der in die Batteriezelle fließt, und U_0,k die Ruhespannung der k-ten Batteriezelle ist. Im Falle eines Ladens der Batterie ist der Strom I größer Null und im Falle des Entladens der Batteriezelle ist der Strom I kleiner Null.
Analog gilt für die benachbarte Batteriezelle: $U_{k - 1} = U_{0, k - 1} + I \cdot R_{k - 1} (Laden I > 0; Entladen I < 0)$
und somit für die Zellspannungsdifferenz: $U_{k \leftrightarrow k - 1} = U_{k} - U_{k - 1} = U_{0, k} - U_{0, k - 1} + I \cdot (R_{k} - R_{k - 1})$
Für die Diagnose wird eine Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 der jeweils unmittelbar benachbarten Batteriezellen Z_k, Z_k-1 in einem vorgegebenen Diagnosezeitintervall ausgewertet. Hierzu wird die Zellspannungsdifferenz U_k↔k-1 zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt, der um eine vorgegebene Zeitspanne Δt später liegt als der erste Zeitpunkt, ermittelt. Die Zeitspanne Δt, die zwischen der Erfassung der Zellspannungen liegt, entspricht somit dem Diagnosezeitintervall. Es gilt somit: $Δ U_{k \leftrightarrow k - 1} = (U_{k, t} - U_{k - 1, t}) - (U_{k, t - Δ t} - U_{k - 1, t - Δ t})$
Beim Ermitteln des Schwellwertes TH_const, TH ist zum einen zu berücksichtigen, dass der Schwellwert TH_const, TH kleiner zu wählen ist als eine minimale Änderung Zellspannungsdifferenz ΔU_k↔k-1;min im Diagnosezeitintervall Δt im Fehlerfall, um eine zuverlässige Fehlererkennung zu ermöglichen.
Zum anderen muss der Schwellwert TH_const, TH ausreichend groß sein, so dass auch bei großen Stromgradienten nicht fälschlicherweise ein Fehler in Form einer offenen Verbindungsleitung W_err detektiert wird, da durch die unterschiedlichen Innenwiderstände der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 ebenfalls Änderungen der Zellspannungsdifferenz auftreten können.
3 ein Diagramm, das die Dimensionierung des Schwellwertes veranschaulicht.
Entlang einer ersten Achse ist die mittlere Zellspannungsänderung ΔU_cell,mean der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 aufgetragen. Beim Ermitteln der mittleren Zellspannungsänderung ΔU_cell,mean können sämtliche Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 einer Batterie oder ein Teil der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 berücksichtigt werden.
Die mittlere Zellspannungsänderung ΔU_cell,mean repräsentiert einen Mittelwert der Änderungen der Zellspannungen in einem jeweiligen Diagnosezeitintervall.
Für die Zellspannungsänderung der Zelle k in dem Diagnosezeitintervall gilt $Δ U_{k} = U_{k, t} - U_{k, t - Δ t}$
Für die mittlere Zellspannungsänderung in dem Diagnosezeitintervall gilt $Δ U_{c e l l, m e a n} = \frac{1}{N} \sum_{k = 1}^{N} Δ U_{k} = Δ I \frac{1}{N} \sum_{k = 1}^{N} R_{k} = Δ I \cdot R_{m e a n}$
wobei N die Anzahl der berücksichtigten Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1, ΔI die Änderung des Stromes I, der durch die Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 fließt, innerhalb des Diagnosezeitintervalls und R_mean der mittlere Zellwiderstand der berücksichtigten Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 ist.
Entlang der zweiten Achse, die senkrecht auf der ersten Achse steht, ist die Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 zweier unmittelbar benachbarter Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 in dem Diagnosezeitintervall aufgetragen.
Die gestrichelte Gerade repräsentiert die minimale Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1;min im Fehlerfall für die Batteriezelle mit dem Index k.
Die minimale Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1;min im Fehlerfall für die Batteriezelle mit dem Index k ist jedoch nicht konstant sondern hängt auch ab von Änderungen der Zellspannungen der anderen Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1. Wenn die Zellspannungen der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 der Batterie in einem betrachteten Diagnosezeitintervall ansteigen und damit die mittlere Zellspannungsänderung ΔU_cell,mean eine positiven Wert annimmt, wird die minimale Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1;min ebenfalls größer. Sinken dagegen die Zellspannungen der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 der Batterie in einem betrachteten Diagnosezeitintervall (ΔU_cell,mean <0), wird die minimale Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1;min kleiner. Der Punkt A repräsentiert den Fall, wenn die Zellspannungen der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 sich nicht ändern.
Der Schwellwert TH_const, TH wird vorzugsweise so gewählt, dass er unterhalb der Kurve, die die minimale Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1;min im Fehlerfall repräsentiert, liegt beziehungsweise verläuft. Nur so kann sichergestellt werden, dass eine offene Verbindungsleitung W_err zuverlässig detektiert werden kann.
Bei der Dimensionierung des Schwellwertes TH_const, TH ist ferner zu beachten, dass sich in einem Diagnosezeitintervall der Strom ändern kann. Insbesondere bei großen Stromgradienten können zusätzliche Zellspannungsdifferenzen U_k↔k-1 auftreten.
Der Schwellwert TH_const, TH ist daher vorzugsweise größer als eine maximale Zellspannungsänderung, die im fehlerfreien Fall bei hohen Stromgradienten auftritt, zu wählen.
Die zweite gestrichelte Linie (abwechselnd Punkte und Striche), die parallel verläuft zur ersten Achse, repräsentiert einen beispielhaft angenommen konstanten Schwellwert TH_const, zum Beispiel bei 250 mV.
Es zeigt sich jedoch, dass mit zunehmender Stromänderung ΔI im Diagnosezeitintervall beziehungsweise mit zunehmender mittleren Spannungsänderung ΔU_cell,mean dieser konstante Schwellwert TH_const zu niedrig sein kann, was zu einer fälschlichen Detektion einer offenen Verbindungsleitung W_err beziehungsweise Leitung führen kann. Der Punkt P in dem Diagramm repräsentiert solch eine Falscherkennung, bei der bei ΔU_cell,mean = 800mV eine Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 in dem Diagnosezeitintervall von 260mV ermittelt wurde.
Vorteilhaft ist daher, wenn der Schwellwert TH nicht als fester Wert vorgegeben sondern abhängig von der mittleren Zellspannungsänderung ΔU_cell,mean ermittelt wird.
Hierzu wird zunächst die maximale Änderung der Zellspannungsdifferenzen für den fehlerfreien Fall abgeschätzt.
Hierzu wird angenommen, dass der Zellinnenwiderstand mit ±ΔR um den Mittelwert R_mean variiert. $R_{k} = R_{m e a n} + Δ R$
$R_{k - 1} = R_{m e a n} - Δ R$
Dies Annahme berücksichtigt quasi den Worst-Case-Fall.
Für den Gradienten der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 zweier benachbarte Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 gilt unter dieser Annahme: $Δ U_{k \leftrightarrow k - 1} = Δ I \cdot (R_{k} - R_{k - 1}) = 2 \cdot Δ I \cdot Δ R$
Die Variation ΔR des Zellinnenwiderstand der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, 2_k-1 kann vereinfacht abhängig von dem mittleren Zellinnenwiderstand und einem Korrekturfaktor K angenommen werden $Δ R = K \cdot R_{mean}$
Der Korrekturfaktor K wird beispielsweise abhängig von einer Streuung von initialen Zellinnenwiderstände der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 und/oder abhängig von einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 und/oder von Ladezustandsabweichungen zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 und/oder abhängig von einer Alterung der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 der Batterie ermittelt oder festgelegt. Der Korrekturfaktor kann somit im laufenden Betrieb jeweils erneut ermittelt werden oder als feste Zahl gewählt und vorgeben werden, wobei die zuvor genannten Einflüsse unter Worst Case-Bedingungen bei der Wahl des Korrekturfaktors berücksichtigt werden.
Für die Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 zweier benachbarte Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 im Diagnosezeitintervall gilt dann im Worst case: $Δ U_{k \leftrightarrow k - 1} = Δ I (R_{k} - R_{k - 1}) = 2 \cdot Δ I \cdot Δ R = 2 \cdot K \cdot Δ I \cdot R_{m e a n} = 2 \cdot K \cdot Δ U_{c e l l, m e a n}$
Dies bedeutet, dass die mögliche Zellspannungsänderung im fehlerfreien System mit Hilfe der mittleren Zellspannungsänderung im Diagnosezeitintervall unter Berücksichtigung des Korrekturfaktors K abgeschätzt werden kann. Eine entsprechend Gl. (12) gewählter Schwellwert TH ist in 3 mit gepunkteten Geraden dargestellt, wobei ein symmetrischer Verlauf des Schwellwerts TH bei positiver und negativer mittlerer Zellspannungsänderung angewandt wird.
Um eine zuverlässige Fehlerdetektion zu ermöglichen, wird beispielsweise der Schwellwert TH bei kleinen Stromgradient konstant gewählt. Sobald jedoch der Gradient der Zellspannungsdifferenzen ΔU_k↔k-1 gemäß Gl. (12) den konstanten Schwellwert übersteigt, wird der Schwellwert gemäß Gl. 12 gewählt.
Beispielsweise können fünf Bereiche unterschieden werden:

Bereich I:: f < ΔU_cell,mean < e
Bereich II:: e < ΔU_cell,mean ≤ d
Bereich III:: d < ΔU_cell,mean ≤ c

Bereich IV :: c < ΔU_cell,mean ≤ b
Bereich V:: b < ΔU_cell,mean ≤ a

Für die Diagnoseschwelle gilt somit in den Bereichen:

Im Bereich I und II:: TH_II = -2 · K · ΔU_cell,mean
Im Bereich III :: TH_III = const
Im Bereich IV und V:: TH_IV = 2 · K · ΔU_cell,mean

Die Diagnoseschwelle korrespondiert somit in den Bereichen I, II, IV und V der Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_{k ↔ k-1} unter der Annahme dass die Variation des Zellinnenwiderstandes mit ±ΔR um den Mittelwert R_mean mit ΔR = K · R_mean beschrieben werden kann, was einem worst case Szenario entspricht.
K ist hierbei ein Korrekturfaktor, der beispielsweise abhängig von einer Streuung von initialen Zellinnenwiderstände der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 und/oder abhängig von einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 und/oder von Ladezustandsabweichungen zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 und/oder abhängig von einer Alterung der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 der Batterie ermittelt und festgelegt wird.
In dem Bereich I ist keine sichere Fehlererkennung beziehungsweise keine Detektion einer offenen Verbindungsleitung W_err möglich, da die minimale Zellspannungsänderung im Fehlerfall unterhalb der gewählten Diagnoseschwelle liegt. Der Bereich I beschreibt Betriebsfälle für die Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1, bei denen hohe negative Stromgradienten evtl. in Kombination mit niedrigen Zelltemperaturen vorliegen. Da solch eine hohe Dynamik üblicherweise nur für kurze Zeit vorliegt, kann der Fehler im Allgemeinen in einem folgenden Diagnoseschritt erkannt werden, in dem dann eine niedrigere Diagnoseschwelle angewandt werden kann. Die Grenze zwischen Bereich I und Bereich II kann zum Beispiel mittels Simulationen ermittelt werden. Der Bereich V beschreibt entsprechend Betriebsfälle mit hohen positiven Stromgradienten, bei denen keine sichere Fehlererkennung möglich ist, da auch hier die minimale Zellspannungsänderung im Fehlerfall unterhalb der gewählten Diagnoseschwelle liegt.
Der Wert f, der das untere Ende des Bereichs I repräsentiert, ist die theoretische minimale mittlere Zellspannungsänderung ΔU_{cell,mean,min} in dem Diagnosezeitintervall, die bei einem Umschalten von „volles Laden“ auf „volles Entladen“ innerhalb des Diagnosezeitintervalls auftritt. Dieser Grenzwert ist abhängig von der Temperatur der Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Computerprogramms für eine Diagnose der Batterie. Das Computerprogramm kann von einem Prozessor oder Mikrocontroller eines Batteriemanagementsystems ausgeführt werden.
In einem Schritt S01 wird das Programm zunächst gestartet. Ferner erfolgt in dem Schritt S01 beispielsweise eine Initialisierung von Programmvariablen.
In einem Schritt S03 wird eine ersten Zellspannungsdifferenz zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle ermittelt abhängig von einem bereitgestellten ersten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt und einem bereitgestellten zweiten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem ersten Zeitpunkt.
In einem Schritt S05 wird eine zweiten Zellspannungsdifferenz zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle abhängig von einem bereitgestellten weiteren ersten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem zweiten Zeitpunkt und einem bereitgestelltem weiteren zweiten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem zweiten Zeitpunkt, wobei der zweite Zeitpunkt eine vorgegebene Zeitspanne Δt nach dem ersten Zeitpunkt liegt.
In einem Schritt S07 wird eine Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_{k ↔ k-1} abhängig von der ersten Zellspannungsdifferenz und der zweiten Zellspannungsdifferenz ermittelt und die Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_{k ↔} _k-1 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen TH_const, TH.
Wenn die Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔU_{k ↔ k-1} in dem Schritt S07 größer ist als der vorgegebene Schwellwert TH_const, TH wird, wird dies im Schritt S09 als Fehler erkannt und ein Befehl zur Ausgabe eines Fehlersignals generiert.
Das Programm wird insbesondere für sämtliche Batteriezellen Z_k+1, Z_k, Z_k-1 der Batterie ausgeführt. Vorzugsweise wird das Programm in vorgegebenen Zeitschritten wiederholt ausgeführt, so dass ein fortlaufendes Monitoring der Batterie möglich ist. Die vorgegebenen Zeitschritte können beispielsweise gleich dem Diagnosezeitintervall sein. Insbesondere kann die Zeitspanne Δt, die zwischen der Erfassung der Zellspannungen liegt, dem Diagnosezeitintervall entsprechen.
Das Programm wird in einem Schritt S11 beendet, beispielsweise wenn das Fahrzeug geparkt wird.
Bezugszeichenliste

10: Batteriezellüberwachungseinheit
Ck, Ck-1: Kondensatoren
Δt: Zeitspanne
ΔUcell,mean: mittlere Zellspannungsänderung
ΔUk ↔ k-1: Änderung beziehungsweise Gradient der Zellspannungsdifferenzen
Ileak: Ausgleichs- beziehungsweise Leckstrom
S01 ... S11: Programmschritte
TH: Schwellwert
THconst: konstanter Schwellwert
Uk, Uk-1: Zellspannung
Uk↔k-1: Zellspannungsdifferenz
Werr: offene Verbindungsleitung
Wk+1, Wk-1: Verbindungsleitung
Zk+1, Zk, Zk-1: Batteriezellen

Claims

Diagnoseverfahren für eine Batterie, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen (W_k+1, W_k-1) mit einer Batteriezellüberwachungseinheit (10) verbunden sind, die Batteriezellüberwachungseinheit (10) Kondensatoren (C_k, C_k- ₁) zur Zellspannungserfassung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) parallelgeschaltet sind, und das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Ermitteln einer ersten Zellspannungsdifferenz zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle abhängig von einem bereitgestellten ersten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt und einem bereitgestellten zweiten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem ersten Zeitpunkt, - Ermitteln einer zweiten Zellspannungsdifferenz zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle abhängig von einem bereitgestellten weiteren ersten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem zweiten Zeitpunkt und einem bereitgestelltem weiteren zweiten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem zweiten Zeitpunkt, wobei der zweite Zeitpunkt eine vorgegebene Zeitspanne (Δt) nach dem ersten Zeitpunkt liegt, - Ermitteln einer Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔU_{k↔ k-1}) abhängig von der ersten Zellspannungsdifferenz und der zweiten Zellspannungsdifferenz, - Vergleichen der Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔU_{k ↔ k-1}) mit einem Schwellwert (TH_const, TH) und, wenn die Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔU_{k ↔ k-1}) größer ist als der Schwellwert (TH_const, TH), Detektion eines Fehlers.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, bei dem das Detektieren des Fehlers ein Bereitstellen eines Fehlersignals umfasst, wobei das Fehlersignal eingerichtet ist, zu signalisieren, dass eine Verbindung, die die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle im fehlerfreien Fall mit einem Eingang der Batteriezellüberwachungseinheit (10) verbinden, unterbrochen ist.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schwellwert (TH_const) einen vorgegebenen konstanten Wert aufweist.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schwellwert (TH) abhängig von einer mittleren Zellspannungsänderung (ΔU_cell,mean) zumindest eines Teils der Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) der Batterie ermittelt wird, wobei die mittlere Zellspannungsänderung (ΔU_cell,mean) abhängig von Zellspannungsänderungen der jeweiligen Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt, ermittelt wird.
Diagnoseverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Schwellwert (TH_const, TH) abhängig von einer Streuung von Zellinnenwiderständen der Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) und/oder abhängig von einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) und/oder von Ladezustandsabweichungen zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) und/oder einer Alterung der Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) ermittelt wird.
Diagnoseverfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der Schwellwert (TH) abhängig von einem bereitgestellten Korrekturfaktor ermittelt wird und der Schwellwert zumindest abschnittsweise durch eine lineare Funktion in Abhängigkeit der mittleren Zellspannungsänderung (ΔU_cell,mean) repräsentiert wird, wobei die Steigung der linearen Funktion abhängig ist von dem Korrekturfaktor.
Diagnosesteuereinheit für eine Batterie, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen (W_k+1, W_k-1) mit einer Batteriezellüberwachungseinheit (10) verbunden sind, die Batteriezellüberwachungseinheit (10) Kondensatoren (C_k, C_k- ₁) zur Zellspannungserfassung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) parallelgeschaltet sind und die Diagnosesteuereinheit ausgebildet ist, das Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computerprogramm das, wenn es von einem Prozessor oder Controller einer Diagnosesteuereinheit ausgeführt wird, die Diagnoseeinheit veranlasst, das Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen.
Computerprogrammprodukt umfassend ein Computerprogramm nach Anspruch 8.
Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Batterie, mindestens eine Batteriezellüberwachungseinheit (10) und eine Diagnosesteuereinheit gemäß Anspruch 7, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen (W_k+1, W_k-1) mit der mindestens einen Batteriezellüberwachungseinheit verbunden sind, die Batteriezellüberwachungseinheit (10) Kondensatoren (C_k, C_k-1) zur Zellspannungserfassung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezellen (Z_k+1, Z_k, Z_k-1) parallelgeschaltet sind und die mindestens eine Batteriezellüberwachungseinheit(10) ausgebildet ist das erste Signal, das weitere erste Signal, das zweite Signal und das weitere zweite Signal bereitzustellen.