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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Gerätebatterien mit einer Vielzahl von Batteriezellen, die zur Funktionsdiagnose mithilfe einer Überwachungseinheit hinsichtlich ihrer Zellenspannungen überwacht werden. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erkennen von Sensorfehlern von Spannungssensoren zur Messung der Zellenspannung und der Batteriespannung.
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Technischer Hintergrund
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Gerätebatterien für energieintensive Anwendungen in technischen Geräten, wie beispielsweise Fahrzeugbatterien für Elektrofahrzeuge, weisen in der Regel eine Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen auf, um die Gesamtleistung bereitzustellen. Mithilfe eines Batteriemanagementsystems werden die Batteriezellen sowie die Klemmenspannung der Gerätebatterie auf Fehler überwacht. Die dafür verwendeten Spanungssensoren können jedoch ihrerseits Fehler aufweisen und insbesondere einer Spannungssensordrift unterliegen, bei denen die gemessene Spannung im Laufe der Alterung des Spannungssensors zunehmend von der tatsächlichen Spannung abweicht.
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Heutige Batteriesysteme sind so aufgebaut, dass sie eine Spannungssensordrift erst dann erkennen, wenn eine laut Spezifikation erlaubte Abweichung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. In diesem Fall wird ein Fehlerbit gesetzt und der Fehler dem Nutzer oder in sonstiger Weise in dem technischen Gerät signalisiert.
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Eine Schwierigkeit besteht insbesondere darin, dass eine Abweichung einer gemessenen Spannung aufgrund eines Spannungssensorfehlers oder aufgrund einer verstärkten Alterung einer der Batteriezellen auftreten kann, die ebenfalls zu einer geringeren Zellenspannung führt. Während sich einzelne Zellenspannungssensorfehler noch durch Plausibilisierungsverfahren erkennen lassen, sind die Fehlerursachen bei Abweichungen von mehreren Zellenspannungen nicht mehr ohne Weiteres bestimmbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zur Diagnose von Zellenspannungssensoren zum Messen von Zellenspannungen von Batteriezellen in Gerätebatterien sowie zur Bestimmung von Signaldriften von Zellenspannungssensoren gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein Batteriesystem gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zur Überwachung von Zellenspannungssensoren eines Batteriesystems mit einer Gerätebatterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen vorgesehen, mit folgenden Schritten:
- - Kontinuierliches Überwachen der Gerätebatterie, um einen fehlerhaften Zellenspannungssensor mit einem Spannungs-Offset über einem vorgegebenen Schwellenwert zu erkennen;
- - Bei Erkennen eines fehlerhaften Zellenspannungssensors, Erfassen von mehreren Spannungs-Offsets zu mehreren Auswertungszeitpunkten;
- - Erstellen eines Sensordriftmodells basierend auf den mehreren Spannungs-Offsets, um abhängig von dem kalendarischen Alter der Gerätebatterie einen Spannungs-Offset zu bestimmen oder zu prädizieren;
- - wobei der Spannungs-Offset eines fehlerhaften Zellenspannungssensors durch eine Abweichung von einer Referenzzellenspannung erkannt wird, wobei die Referenzzellenspannung abhängig von dem Sensordriftmodell bestimmt wird.
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In Gerätebatterien mit einer Vielzahl von Batteriezellen werden mithilfe einer Überwachungseinheit, einer sogenannten CSC (Cell Supervising Circuit), die Zellenspannungen mithilfe von Zellenspannungssensoren und eine Klemmenspannung der gesamten Gerätebatterie mithilfe eines Gesamtspannungssensors gemessen und als Digitalwerte einem der Gerätebatterie zugeordneten Batteriemanagementsystem bereitgestellt. Das Batteriemanagementsystem ist ein System zur Überwachung, Regelung und zum Schutz von Batterien und führt Funktionen aus, wie z. B. eine Ladezustandserkennung, einen Tiefentladeschutz, einen Überladeschutz und stellt eine Datenschnittstelle mit externen Einheiten bereit.
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Weiterhin kann das Erkennen eines fehlerhaften Zellenspannungssensor eine Überprüfung umfassen, dass die Gesamtspannung der Gerätebatterie von der Summe der gemessenen Zellenspannungen, um den Spannungs-Offset abweicht.
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Weist ein Zellenspannungssensor eine Signaldrift auf, so ist der bereitgestellte Zellenspannungswert geringer oder höher als die tatsächliche Zellenspannung, wobei die separat gemessene Klemmenspannung der Gerätebatterie davon unabhängig ist. Weist hingegen eine Zellenspannung im Vergleich zu den übrigen Zellenspannungen der Gerätebatterie eine Verschlechterung in Form einer verstärkten Alterung auf, ist die Zellenspannung der betreffenden Batteriezelle niedriger als die Zellenspannung der übrigen Batteriezellen. Jedoch wirkt sich die verringerte Zellenspannung auch auf die Klemmenspannung aus. Somit kann bei einer festgestellten Abweichung einer Zellenspannung für die Zellenspannungsmessungen das Batteriemanagementsystem eindeutig eine Fehlerzuordnung vornehmen, ob eine abweichende Zellenspannung aufgrund einer Signaldrift des Zellenspannungssensors oder aufgrund einer verstärkten Zellalterung erfolgt ist.
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Während Gerätebatterien, bei denen ein oder mehrere Batteriezellen einer verstärkten Alterung unterliegen, in der Regel ausgetauscht werden, kann eine Gerätebatterie, in denen ein oder mehrere Zellenspannungssensoren mit einer erhöhten Signaldrift vorhanden sind, weiterverwendet werden, wenn die Höhe bzw. das Maß der Signaldrift ermittelt wird und bei der Weiterverarbeitung der gemessenen Zellenspannungswerte berücksichtigt wird. In der Regel wird die Signaldrift durch einen einfachen Offset auf den gemessenen Zellenspannungswert berücksichtigt.
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Wie oben beschrieben, sind Batteriezellen mit verstärkter Alterung in einfacher Weise von einem fehlerhaften bzw. mit einer Signaldrift versehenen Zellenspannungssensor zu unterscheiden, da sich die resultierende reduzierte Zellenspannung sowohl auf die Zellenspannung als auch auf die gesamte Klemmenspannung auswirkt. Jedoch ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, die Fehlerursache bei mehreren Zellenspannungssensoren mit zu hohen Signaldriften zweifelsfrei zu erkennen. Mit anderen Worten, es besteht ein Problem darin, dass bei Unkenntnis der Signaldriften von mehr als einem Zellenspannungssensor eine klare Unterscheidung zwischen einem Zellenspannungssensorfehler oder einer verstärkten Alterung der Batteriezelle nicht unterschieden werden kann. Das obige Verfahren ermöglicht nun die Bestimmung der Signaldriften von Zellenspannungssensoren, wenn mehr als ein Zellenspannungssensor eine Signaldrift aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren kontinuierlich, insbesondere ausgehend von dem Lebensdauerbeginn der Gerätebatterie, ausgeführt werden, um nach dem Erkennen eines fehlerhaften Zellenspannungssensors einen weiteren fehlerhaften Zellenspannungssensor zu erkennen, wobei das Erkennen eines weiteren fehlerhaften Zellenspannungssensors den Spannungs-Offset des/der zuvor als fehlerhaft erkannten Zellenspannungssensor(en) berücksichtigt.
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Das Verfahren sieht vor, diejenigen Zellenspannungen zu ermitteln, die von einer mittleren Zellenspannung der Batteriezellen der Gerätebatterie, d. h. der Referenzzellenspannung, um mehr als einen vorbestimmten Betrag abweichen. Der vorbestimmte Betrag kann mithilfe eines applizierbaren oder durch die Spezifikation der Gerätebatterie angegebenen Schwellenwerts relativ oder absolut zum Mittelwert der Zellenspannungen bestimmt sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Referenzzellenspannung als ein Mittelwert der gemessenen Zellenspannungen aller oder eines Teils der Batteriezellen bestimmt wird, wobei die Zellenspannungen, die durch einen fehlerhaften Zellenspannungssensor erfasst werden, durch den Spannungs-Offset, der sich aus dem Sensordriftmodell für den aktuellen Auswertungszeitpunkt ergibt, korrigiert werden, wobei insbesondere bei der Bildung des Mittelwerts die höchste und niedrigste der Zellenspannungen unberücksichtigt bleiben.
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Der Mittelwert der Zellenspannungen kann basierend auf allen Zellenspannungen oder auf einem Teil der Zellenspannungen berechnet werden, wobei z.B. die Zellenspannungen der Batteriezelle mit der höchsten und der niedrigsten Zellenspannung unberücksichtigt bleiben. Wird zu Beginn oder während der kontinuierlichen Überwachung eine Batteriezelle identifiziert, deren Zellenspannung um mehr als den applizierbaren Zellenspannungsschwellenwert von der mittleren Zellenspannung abweicht, so wird dieser Batteriezelle ein Offset-Fehler zugeordnet. Mit dem jeweiligen Offset-Fehler wird jeweils eine Korrektur der gemessenen Zellenspannung vorgenommen, so dass für alle weiteren Funktionen in dem Batteriemanagementsystem die korrigierte Zellenspannung zur Verfügung steht.
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Durch regelmäßige Überprüfung der Zellenspannungen zu Auswertungszeitpunkten in der oben beschriebenen Weise kann erkannt werden, ob es sich bei dem Fehler des Zellenspannungssensors um einen reinen Offset-Fehler oder eine Sensordrift handelt. Beispielsweise kristallisiert sich aus der Betrachtung eines Zeitreihenverlaufs der entsprechend der obigen Vorgehensweise ein Reihe von Spannungs-Offsets der Zellenspannungsmessung der betreffenden Batteriezelle heraus, ob es sich um einen konstanten Spannungs-Offset (Offsetfehler) oder um einen zeitlich fortschreitenden (sich betragsmäßig erhöhenden) Spannungs-Offset (Sensordrift) handelt.
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Es kann somit bei einer Sensordrift eine Zeitreihe der Zellenspannungen der Batteriezelle zu den entsprechenden Auswertungszeitpunkten bestimmt werden und ein Sensordriftmodell für den betreffenden Zellenspannungssensor bestimmt werden. Das Sensordriftmodell kann datenbasiert oder durch Fitten einer vorgegebenen parametrischen Regressionsfunktion, wie z. B. einer Polynomial-Funktion oder einer Spline-Funktion oder dergleichen erfolgen.
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Nach dem Identifizieren eines Offset-Fehlers oder einer Sensordrift kann jeweils die entsprechende Spannungsabweichung/Spannungs-Offset auf den gemessenen Zellenspannungswert beaufschlagt werden, um den entsprechenden Fehler zu kompensieren.
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Das Sensordriftmodell kann als datenbasiertes Modell ausgebildet sein und mit den Spannungs-Offsets des fehlerhaften Zellenspannungssensors trainiert werden, oder wobei das Sensordriftmodell als parametrisches Regressionsmodell ausgebildet ist und mit den Spannungs-Offsets des fehlerhaften Zellenspannungssensors gefittet wird.
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Aufgrund der kontinuierlichen bzw. regelmäßigen Überwachung der Zellenspannungen der einzelnen Batteriezellen können weitere Zellenspannungssensorfehler erkannt werden, die sich aufgrund der Sensordrift des betreffenden Zellenspannungssensors ausbilden. Durch die Möglichkeit, die Sensordrift durch eine Korrektur an den Zellenspannungssensoren auszugleichen, kann die Überwachungseinheit auch dann weiter betrieben werden, wenn ein oder mehrere Zellenspannungssensoren einen entsprechenden Offset- oder Sensordriftfehler aufweisen. Dabei werden für bereits als fehlerhaft erkannte Zellenspannungssensoren die korrigierten Zellenspannungswerte angenommen. Durch Prädiktion der Sensordrift mit dem Sensordriftmodell kann zu jedem späteren Auswertungszeitpunkt ein Überschreiten einer Zellenspannungsabweichung von der Referenzzellenspannung für einen weiteren bisher nicht als fehlerhaft erkannten Zellenspannungssensor erkannt werden, unter Berücksichtigung des bereits zuvor ermittelten Sensordriftverlaufs und der Prädiktion der Sensordrift der zuvor als fehlerhaft identifizierten Zellenspannungssensoren.
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Bei Auswertung von mehreren Auswertungszeitpunkten können für den weiteren Zellenspannungssensor Zellenspannungssensorfehler identifiziert werden, wenn für mehrere Auswertungspunkte eine entsprechende Entwicklung der entsprechenden Zellenspannungsdifferenzen erfasst wurde, um daraus ein Prädiktionsmodell für die Zellenspannungs-Offsets, d. h. für die Sensordrift, zu bestimmen. Nachfolgende Zellenspannungssensorfehler können dann anhand des Überschreitens des vorgegebenen Zellenspannungsdifferenz-Schwellenwerts erkannt werden und in nachfolgenden Auswertungszeitpunkten entsprechend hinsichtlich ihres Trends analysiert werden.
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Das obige Verfahren ermöglicht somit, dass die Gerätebatterie auch dann weiter betrieben werden kann, wenn der Schwellenwert für die Zellenspannungsabweichung für mehrere Zellenspannungssensoren überschritten wird, d. h., wenn die Sensorspezifikationsgrenze erreicht bzw. überschritten ist. Da insbesondere der Zeitpunkt des Beendens des Ladens und des Entladens der Gerätebatterie spannungsabhängig bestimmt wird, kann vermieden werden, dass das Batterieladen oder -entladen vom Batteriemanagementsystem vorzeitig beendet wird. Weiterhin ermöglicht die Korrektur der erkannten Spannungs-Offsets, dass ein Balancing der Batteriezellen auch bei Vorliegen einer Sensordrift eines jeweiligen Zellenspannungssensors durchgeführt werden kann, ohne dass es durch das Balancing zu einer fälschlichen zu großen Energieentnahme aus einer der Batteriezellen kommt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Gerätebatterie mit einer Vielzahl von Batteriezellen einer Überwachungseinheit in einem Batteriemanagementsystem;
- 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Ermitteln von Zellenspannungssensorfehlern.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 1 mit einer Gerätebatterie 2 mit einem Batteriepack mit einer Vielzahl von miteinander verschalteten Batteriezellen 21. Es ist zur Spannungsüberwachung eine Überwachungseinheit 3 vorgesehen, die Zellenspannungssensoren 31 jeweils zur Messung einer Zellenspannung der einzelnen Batteriezellen 21 und einen Klemmenspannungssensor 32 zur Messung der Klemmenspannung der Gerätebatterie 2 umfasst. Die Spannungswerte werden gemessen, digitalisiert und an ein Batteriemanagementsystem 4 weitergegeben und dort ausgewertet.
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Mithilfe des Batteriemanagementsystems 4 werden die gemessenen Zellenspannungen und die Klemmenspannung plausibilisiert und verwendet, um Spannungssensorfehler zu detektieren und zu kompensieren. Insbesondere wird das nachfolgend beschriebene Verfahren in dem Batteriemanagementsystem 4 ausgeführt.
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2 zeigt ein Verfahren zum Überwachen der Zellenspannungssensoren 31. Das Verfahren ist als Algorithmus in Software und/oder als Hardware in dem Batteriemanagementsystem 4 implementiert.
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In Schritt S1 werden zunächst die Zellenspannungen mithilfe der Zellenspannungssensoren 31 und die Klemmenspannung mithilfe des Klemmenspannungssensor 32 gemessen, digitalisiert und als digitale Spannungswerte, d. h. als Zellenspannungen und als Klemmenspannung dem Batteriemanagementsystem 4 bereitgestellt.
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Anschließend wird in Schritt S2 überprüft, ob eine Abweichung einer der Zellenspannungen (Messwert der tatsächlichen Zellenspannung) vorliegt. Dies erfolgt dadurch, dass die größte und die niedrigste Zellenspannung gegen einen Mittelwert der Zellenspannungen, der einer Referenzzellenspannung entspricht, verglichen werden. Der Mittelwert der Zellenspannung kann alle Zellenspannungen oder alle Zellenspannungen ausgenommen der Zellenspannung der Batteriezellen mit der höchsten und der niedrigsten Zellenspannung berücksichtigen.
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Weicht die höchste und/oder die niedrigste Zellenspannung von der Referenzzellenspannung um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert ab (Alternative: Ja), so kann auf einen Fehler geschlossen werden und das Verfahren wird mit Schritt S3 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.
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In Schritt S3 wird die Summe der gemessenen Zellenspannungen bzw. im Fall, dass eine oder mehrere der Zellenspannungen bezüglich eines Spannungs-Offsets oder einer Sensordrift korrigiert werden müssen, die Summe der Zellenspannungen unter Berücksichtigung der korrigierten Zellenspannungen ermittelt und diese mit der gemessenen Klemmenspannung verglichen. Somit wird durch eine Plausibilisierung überprüft, ob für eine der Batteriezellen 21 eine erhöhte Zellalterung vorliegt. Dies wird durchgeführt, indem bei einer Abweichung zwischen der Summe der gemessenen/korrigierten Zellenspannungen und der gemessenen Klemmenspannung (Alternative: Ja) auf einen Zellenspannungssensorfehler geschlossen und das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt wird, während bei einem Feststellen (Alternative: Nein), dass keine Abweichung vorliegt, auf eine verstärkte Alterung der entsprechenden Batteriezelle 21 geschlossen wird, die sich auf deren tatsächliche Zellenspannung auswirkt, und das Verfahren mit Schritt S10 fortgesetzt wird. Da sich eine reduzierte Zellenspannung aufgrund einer verstärkten Alterung der Batteriezelle 21 auch auf die Klemmenspannung auswirkt, kann so eindeutig ein entsprechender Batteriezellenfehler erkannt werden.
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In Schritt S10 wird die Degradation bzw. die fehlerhafte Gerätebatterie signalisiert.
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In Schritt S4 wird der ermittelte Spannungs-Offset für den als fehlerhaft erkannten Zellenspannungssensor gespeichert.
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In Schritt S5 wird überprüft, ob eine vorgegebene Mindestanzahl von nacheinander für einen bestimmten als fehlerhaft erkannten Zellenspannungssensor 31 ermittelten Spannungs-Offsets erreicht ist. Ist dies nicht der Fall (Alternative: Nein), wird das Verfahren mit Schritt S1 fortgesetzt. Andernfalls (Alternative: Ja) wird in Schritt S6 ein Sensordriftmodell ermittelt oder präzisiert.
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Das als Regressionsmodell vorgesehene Sensordriftmodell kann datenbasiert, z. B. in Form eines Gaußprozessmodells oder eines Bayes'schen neuronalen Netzes, oder parametrisch, beispielsweise in Form einer Polynomial- oder Spline-Funktion, ausgebildet sein, um abhängig von einem kalendarischen Alter des Zellenspannungssensors eine Sensordrift in Form eines aktuellen Spannungs-Offsets anzugeben.
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Weiterhin können beim Training des Sensordriftmodells Merkmale aus Lastprofilen, wie z. B. Batterietemperaturen, Spannungsprofilen und dergleichen, berücksichtigt werden, indem ein Abgleich mit Flottenfahrzeugen erfolgt, bei denen der gleiche Sensordriftfehler bereits früher auftrat und die ein gleiches Lastprofil aufzeigten, sodass hieraus anhand deren Sensordrift auf die Sensordrift des aktuellen Spannungssensors geschlossen werden kann. Diese Daten stehen als Trainingsdaten bereit.
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Das Sensordriftmodell ermöglicht es nun, zu jedem Auswertungszeitpunkt die Sensordrift für verschiedene Auswertungszeitpunkte (kalendarisches Alter) zu prädizieren und die betreffende Zellenspannung mit dem jeweils aktuellen sich aus dem Sensordriftmodell ergebenden Spannungs-Offset für die weiteren Funktionen im Batteriemanagementsystem entsprechend korrigiert werden, insbesondere durch additive oder subtraktive Beaufschlagung der gemessenen Zellenspannung der betreffenden Batteriezelle.
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Anschließend wird das Verfahren mit Schritt S1 fortgesetzt, so dass bei Feststellen eines weiteren Zellenspannungssensorfehlers eines Zellenspannungssensors 31 einer weiteren Batteriezelle 21 eine entsprechende Fehlerkorrektur der zuvor bestimmten fehlerhaften Zellenspannungssensoren berücksichtigt wird. Auf diese Weise können Sensordrifte von zuvor als fehlerhaft erkannten Zellenspannungssensoren 31 ausgeglichen werden, wenn davon ausgegangen werden kann, dass diese nicht gleichzeitig, sondern zeitlich versetzt auftreten. Weiterhin können Signaldriftmodelle für jeden fehlerhaften Zellenspannungssensor bestimmt werden und entsprechend bei einer Korrektur der gemessenen Zellenspannung berücksichtigt werden.
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Mit dem obigen Verfahren ist es möglich, eine Gerätebatterie 2 bzw. eine Überwachungseinheit 3 auch dann weiter zu betreiben, wenn mehrere Zellenspannungssensoren 31 signifikante Sensordriften aufweisen, ohne Einbußen in der Genauigkeit oder Sicherheit in Kauf nehmen zu müssen.
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Insbesondere das Verfahren zum Erstellen des Sensordriftmodells kann in einer Cloud ausgeführt werden, insbesondere wenn dieses datenbasiert ausgebildet ist, z. B. in Form eines Gauß-Prozess-Modells. Weiterhin kann der Schwellenwert, ab dem ein Zellenspannungssensorfehler erkannt wird, variabel sein und z. B. basierend auf Basis einer Vielzahl von Batteriesystemen erlernt werden, um die Sensitivität des Verfahrens zu maximieren. So kann beispielsweise bei Inbetriebnahme von Batteriesystemen mit Gerätebatterien gleichen Typs der Abweichungsschwellenwert relativ hoch gewählt werden, z. B. auf 20 mV, um False-Positive-Fälle eines defekten Zellenspannungssensors zu vermeiden. Im Laufe des Betriebs der Batteriesysteme kann dann der Abweichungsschwellenwert betriebszeitabhängig (basierend auf dem kalendarischen Alter, oder nach Anzahl von erkannten Zellenspannungssensorfehlern) verringert werden, z. B. auf 12 mV, sobald erste bestätigte Fälle von Sensordriften von Zellenspannungssensoren vorliegen. Hierbei kann der Schwellenwert so ausgelegt werden, dass z. B. eine definierte False-Positive-Wahrscheinlichkeit nicht überschritten wird, wie z. B. p < 0,0003 %.
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Allgemein können die aufgetretenen erkannten Sensordrifte von fehlerhaften Zellenspannungssensoren 31 in entsprechender Weise signalisiert werden.
