EP3853626A1 - Verfahren zur überwachung eines energiespeichersystems - Google Patents

Verfahren zur überwachung eines energiespeichersystems

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Publication number
EP3853626A1
EP3853626A1 EP19779763.2A EP19779763A EP3853626A1 EP 3853626 A1 EP3853626 A1 EP 3853626A1 EP 19779763 A EP19779763 A EP 19779763A EP 3853626 A1 EP3853626 A1 EP 3853626A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy storage
storage system
voltage
monitoring
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19779763.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andy Tiefenbach
Andreas Gleiter
Daniel Manka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3853626A1 publication Critical patent/EP3853626A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00304—Overcurrent protection
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the invention is based on a method for monitoring an energy storage system with a plurality of energy storage strings, comprising a plurality of parallel-connected electrochemical energy stores, an electrochemical energy storage system, a use of the energy storage system and a use of the method according to the preamble of independent claims.
  • battery assemblies or modules are often used which are made up of a parallel and series connection of a large number of battery cells. According to the state of the art, cylindrical applications are used in numerous applications
  • Battery cells for example of the type 18650, are used.
  • the modules have their own monitoring, for example a measurement of battery cell voltages.
  • control device for performing further functions, such as, for example, calculating battery states.
  • modules can either be integrated alone in an electric drive train or in the form of a larger battery system by connecting these modules in parallel and / or in series.
  • Such a module usually consists of a large number of individual battery cells.
  • parallel strings with battery cells connected in parallel, hereinafter referred to as parallel strings
  • the measurement initially does not allow a check to be made as to whether all the battery cells are actually connected to the battery cell network with low resistance and are still fully functional.
  • a disadvantage of such modules is that, according to the prior art, reliable single cell monitoring within a parallel line is difficult to present.
  • US 2004/0001996 discloses a battery pack containing a plurality of parallel blocks, each of which has a plurality of cells connected in parallel, in which the voltage and capacity of each parallel block of the battery pack is determined before and after discharge, and one Anomaly of the cells is determined based on the change in the voltage of each parallel block.
  • JP 2009/216448 discloses an anomaly detection device for a battery pack that detects the disconnection or breakage of cell connectors.
  • the method according to the invention has the following steps:
  • the method according to the invention further comprises the following step: d. Initiation of measures, in particular reduction of a maximum permissible charge or discharge current, in order to ensure that the energy storage system is operated within permissible operating limits.
  • the energy storage system can be put into a safe operating state and, for example, an increased aging of the energy stores can be counteracted.
  • the method according to the invention further comprises the following step:
  • steps c to e can be carried out in any order, repeatedly, one after the other and / or simultaneously.
  • the charge balancing requirement between the energy storage lines is determined using a resistive, capacitive and / or inductive charge balancing method.
  • the electrochemical energy storage system with a plurality of energy storage strings, comprising a plurality of electrochemical energy stores connected in parallel, at least one sensor for detecting an electrical voltage and at least one means, in particular an electronic battery management control device, which is set up to carry out the steps of the method according to the invention.
  • the battery management control device advantageously comprises a computer program, comprising commands which cause the electrochemical energy storage system to carry out the method according to the invention.
  • the computer program is advantageously stored on a machine-readable storage medium.
  • the electrochemical energy storage system according to the invention is advantageously used for electric vehicles, hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles, fuel cell vehicles, for example with an energy store for boosting, pedelecs or e-bikes, for portable devices for telecommunications or data processing, for electrical ones Hand tools or kitchen machines, as well as used in stationary memories for storing, in particular, regeneratively obtained electrical energy.
  • the method according to the invention for monitoring an energy storage system is advantageously used for an end-of-band control of an electrochemical energy storage system. This enables quality control of a manufacturing process of the electrochemical energy storage system to be carried out, for example to check welding processes of electrical connections between electrochemical energy stores.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an energy storage system according to the prior art.
  • Figure 2 is a schematic representation of a current profile
  • FIG. 3a shows a schematic representation of energy storage line voltages in the fault-free case
  • FIG. 3b shows a schematic representation of energy storage line voltages in the faulty case
  • FIG. 4a shows a schematic of energy storage string voltages during a charging or discharging process in the fault-free case
  • FIG. 4b shows a schematic of energy storage string voltages during a charging or discharging process in the faulty case.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an energy storage system according to the prior art.
  • the energy storage system 100 comprises a multiplicity of energy storage strands 101, comprising a multiplicity of electrochemical energy storages 102 connected in parallel. Electrical voltages of the energy storage strands 101 are detected by means of a multiplicity of voltage sensors Ui, U 2 , U 3 .
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a current profile 200.
  • the energy storage system 100 according to the invention has, for example, its own battery management control device which is set up to carry out the steps of the method according to the invention.
  • the energy storage line voltages are typically continuously monitored during normal operation of the energy storage system 100. It is therefore only necessary in a first embodiment to store and evaluate the energy storage line voltages and / or voltage profiles of the energy storage line voltages for a corresponding period of time in a memory of the battery management control device if suitable operating conditions are present, for example during a charging or discharging process.
  • a suitable operating condition in the first embodiment is, for example, if a current charging or discharging current 201 exceeds a predetermined threshold value for a certain period of time At o , Ati, At 2 , that is to say an abrupt current load occurs.
  • FIG. 3a shows a schematic illustration of energy storage phase voltages 302a in the event of a current step 301a for a fault-free case 300a of the energy storage system 100.
  • FIG. 3b shows a schematic illustration of energy storage line voltages 302b in the faulty case 300b of the energy storage system 100, in which exactly one energy storage device 102 is missing in a certain energy storage line 101 or is completely defective.
  • the energy storage line 101 with the missing energy storage 102 shows
  • a threshold can be introduced here that the amounts of cargo may differ, for example by a maximum of 10 percent.
  • both the potentially different voltage profiles of the plurality of parallel energy storage strands 101 present at the current time are considered in a mutual comparison, and changes in the history of the voltage profiles of each individual energy storage strand 101.
  • the voltage drop at the start of a current jump, the voltage profile during a current load and the voltage increase after the current load has decreased.
  • the internal resistance of this energy storage line 101 changes, which is particularly noticeable in the event of a jump in current.
  • the voltage drop in this energy storage line 101 is significantly greater than in the comparable energy storage line 101 of the energy storage system 100.
  • the respective energy storage device 101 discharges or charges faster than the other energy storage devices 101 of the energy storage system 100.
  • the energy storage device voltage of an energy storage device 101 with a smaller number of electrically contacting energy stores 102 therefore increases faster.
  • FIG. 4a shows a schematic of energy storage string voltages 402a, 402a (1), 402a (4), 402a (6) during a charging or discharging process in the faultless case 400a of the energy storage system 100
  • FIG. 4b shows a schematic representation of energy storage string voltages 402b, 402b (6) during a charging or discharging process in the faulty case 400b of the energy storage system 100.
  • the curve of the energy storage string voltage 402b (FIG. 6) therefore regularly intersects the curves of the other energy storage string voltages 402b during longer discharging or charging processes.
  • the number of intersection points 403 (0), 403 (1), 403 (2) is suitable as a detection method for a loss of individual energy stores 102.
  • no charge equalization between the energy storage lines 101 has taken place.
  • the battery management control device preferably initiates measures to react to the absence of an energy store 102 in the energy storage line 101 and to counteract it. For example, by reducing a permissible maximum current by means of a weighting factor that depends on the number of energy stores 102 that are no longer electrically connected, it can be ensured that the energy storage system 100 continues to be operated within its permissible limits and no energy store 102 in one
  • a charge equalization requirement determined from the time for a charge equalization requirement of the individual energy storage strands 101, can be used as an additional criterion for error assessment or can also be used as a stand-alone evaluation standard.
  • a memory of the battery management control unit records how often and for how long a charge equalization is required for the individual energy storage strings 101, that is to say the balancing of the string voltages by resistive, capacitive or inductive methods.
  • the battery management system can initiate measures, in particular reducing a maximum permissible charging or discharging current, in order to ensure that the energy storage system is operated within permissible operating limits.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichersystems mit einer Mehrzahl von Energiespeichersträngen, umfassend eine Mehrzahl von parallelgeschalteten elektrochemischen Energiespeichern, folgende Schritte aufweisend: Kontinuierliches Überwachen, ob ein aktueller Lade- oder Entladestrom mindestens einen vorgegebenen Stromschwellenwert für eine bestimmte Zeitspanne überschreitet; Vergleichen von erfassten Energiespeicherstrangspannungen und/oder von Spannungsverläufen der Energiespeicherstrangspannungen untereinander und/oder Vergleichen mit vorherigen Energiespeicherstrangspannungen und/oder vorherigen Spannungsverläufen des Energiespeicherstrangs bei einem vergleichbaren Lade- oder Entladestrom; Erkennen eines Fehlers in den Energiespeichersträngen in Abhängigkeit von vorgegebenen Kriterien für eine Spannungsänderung in den Energiespeichersträngen, insbesondere eines Kontaktierungsfehlers durch Vergleichen einer Differenz aus Spannungsänderungen der Energiespeicherstränge und einem Mittelwert der Spannungsänderungen der Energiespeicherstränge mit einem vorgegebenen Schwellenwert;

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zur Überwachung eines Enerqiespeichersvstems
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichersys- tems mit einer Mehrzahl von Energiespeichersträngen, umfassend eine Mehrzahl von pa- rallelgeschalteten elektrochemischen Energiespeichern, einem elektrochemischen Ener- giespeichersystem, einer Verwendung des Energiespeichersystems sowie einer Verwen- dung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Um möglichst flexibel Batteriesysteme an bestimmte Anforderungen anpassen zu können, werden häufig Batterieverbunde oder Module eingesetzt, die aus einer Pa- rallel- und Serienschaltung einer Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut sind. Nach dem Stand der Technik kommen dabei in zahlreichen Anwendungen zylindrische
Batteriezellen, beispielsweise vom Typ 18650, zum Einsatz. Die Module verfügen neben den Batteriezellen über eine eigene Überwachung, beispielsweise einer Mes- sung von Batteriezellspannungen.
Je nach Auslegung können weitere Komponenten zusätzlich integriert sein, insbe- sondere ein Steuergerät zur Durchführung weiterer Funktionen, wie beispielsweise eine Berechnung von Batteriezuständen.
Diese Module können entweder alleine in einem elektrischen Antriebsstrang inte griert werden oder in Form eines größeren Batteriesystems durch Parallel- und/oder Serienschaltung dieser Module.
Ein solches Modul besteht üblicherweise aus einer Vielzahl von Einzelbatteriezellen Insbesondere bei Vorliegen von Strängen mit parallel geschalteten Batteriezellen, im Folgenden als Parallelstränge bezeichnet, wird ausschließlich die elektrische Spannung des Parallelstrangs zur Überwachung gemessen. Die Messung ermög- licht zunächst keine Prüfung, ob tatsächlich alle Batteriezellen niederohmig an den Batteriezellverbund elektrisch angeschlossen und noch voll funktionsfähig sind.
Nachteilig an solchen Modulen ist also, dass nach dem Stand der Technik eine si- chere Einzelzellüberwachung innerhalb eines Parallelstrangs nur schwer darstellbar ist. Je höher die Anzahl der Batteriezellen in den Parallelsträngen jeweils ist, desto schwieriger ist es, innerhalb eines solchen Parallelstrangs zu erkennen, ob noch alle Batteriezellen intakt und korrekt elektrisch angebunden sind.
Wird der Ausfall einzelner Zellkontakte vom Steuergerät nicht erkannt, kann dies im schlimmsten Fall zu einem thermischen Durchgehen („Thermal Runaway“) einzelner Batteriezellen führen, da sich der Gesamtstrom in einem Parallelstrang auf weniger Batteriezellen verteilt und die Batteriezellen daher unerkannt außerhalb der Spezifi- kation betrieben werden könnten.
Die Druckschrift US 2004/0001996 offenbart ein Batteriepack, das eine Vielzahl von parallelen Blöcken enthält, von denen jeder eine Vielzahl von parallel geschalteten Zellen aufweist, bei dem die Spannung und die Kapazität jedes parallelen Blocks des Batteriepakets vor und nach der Entladung bestimmt wird und eine Anomalie der Zellen basierend auf der Änderung der Spannung jedes parallelen Blocks be- stimmt wird.
Die Druckschrift JP 2009/216448 offenbart eine Anomalieerkennungsvorrichtung für ein Batteriepack, das die Trennung oder den Bruch von Zellverbindern erkennt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbes- sern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren zur Überwachung, insbesondere einer On-Board-Über- wachung, eines Energiespeichersystems eine zuverlässige Überwachung der elekt- rochemischen Energiespeicher erfolgt. So kann erkannt werden, falls einzelne Ener- giespeicher ausfallen, beispielsweise durch mechanische Belastungen von elektri schen Verbindungen zwischen den Energiespeichern.
Dazu weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte auf:
a. Kontinuierliches Überwachen, ob ein aktueller Lade- oder Entladestrom mindes- tens einen vorgegebenen Stromschwellenwert für eine bestimmte Zeitspanne überschreitet;
b. Vergleichen von erfassten Energiespeicherstrangspannungen und/oder von
Spannungsverläufen der Energiespeicherstrangspannungen untereinander und/oder Vergleichen mit vorherigen Energiespeicherstrangspannungen und/o- der vorherigen Spannungsverläufen des Energiespeicherstrangs bei einem ver- gleichbaren Lade- oder Entladestrom;
c. Erkennen eines Fehlers in den Energiespeichersträngen in Abhängigkeit von vor- gegebenen Kriterien für eine Spannungsänderung in den Energiespeichersträn- gen, insbesondere eines Kontaktierungsfehlers durch Vergleichen einer Differenz aus Spannungsänderungen der Energiespeicherstränge und einem Mittelwert der Spannungsänderungen der Energiespeicherstränge mit einem vorgegebenen Schwellenwert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgenden Schritt: d. Einleiten von Maßnahmen, insbesondere Reduzierung eines maximal zuläs- sigen Lade- oder Entladestrom, um Sicherzustellen, dass das Energiespei- chersystem in zulässigen Betriebsgrenzen betrieben wird.
Dadurch kann das Energiespeichersystem in einen sicheren Betriebszustand versetzt werden und beispielsweise einer verstärken Alterung der Energiespeicher entgegen- gewirkt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgenden Schritt:
e. Erkennen eines Fehlers, wenn ein Ladungsausgleichsbedarf zwischen den Ener- giespeichersträngen einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder der Ladungsausgleichsbedarf sich abrupt ändert.
Dadurch kann ein anhand der Schritte a bis c des erfindungsgemäßen Verfahrens erkannter Fehler plausibilisiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die dargestellte Reihenfolge der Aus- führungsform beschränkt. Vielmehr können die Schritte c bis e in beliebiger Reihen- folge, wiederholt, zeitlich nacheinander und/oder gleichzeitig erfolgen.
Der Ladungsausgleichsbedarf zwischen den Energiespeichersträngen wird anhand eines resistiven, kapazitiven und/oder und induktiven Ladungsausgleichsverfahrens ermittelt.
Das erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichersystem, mit einer Mehrzahl von Energiespeichersträngen, umfassend eine Mehrzahl von parallelgeschalteten elektrochemischen Energiespeichern, mindestens einen Sensor zur Erfassung einer elektrischen Spannung sowie mindestens ein Mittel, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des erfindungs- gemäßen Verfahrens durchzuführen.
Vorteilhafterweise umfasst das Batteriemanagementsteuergerät ein Computerpro- gramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das elektrochemische Energiespei- chersystem das erfindungsgemäße Verfahren ausführen kann. Das Computerpro- gramm ist vorteilhafterweise auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespei- chert.
Das erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichersystem wird vorteilhafter- weise für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Brennstoffzel- len-Fahrzeuge, beispielsweise mit einem Energiespeicher zum Boosten, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbei- tung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Ener- gie verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichersystems wird vorteilhafterweise für eine Band-Ende-Kontrolle eines elektrochemischen Ener- giespeichersystems verwendet. Dadurch kann eine Qualitätskontrolle eines Herstel- lungsprozesses des elektrochemischen Energiespeichersystems erfolgen, um bei- spielsweise Schweißprozesse von elektrischen Verbindungen zwischen elektrochemi- schen Energiespeichern zu überprüfen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegen- stände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Be- schreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreiben- den Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Ferner können die im Folgenden beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen, wenn sich aus dem Kontext nicht explizit das Gegenteil ergibt.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß dem Stand der Technik; und
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Stromverlaufs;
Figur 3a eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen im fehlerfreien Fall;
Figur 3b eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen im fehlerhaften Fall;
Figur 4a eine schematische von Energiespeicherstrangspannungen während eines Lade- oder Entladevorgangs im fehlerfreien Fall;
Figur 4b eine schematische von Energiespeicherstrangspannungen während eines Lade- oder Entladevorgangs im fehlerhaften Fall.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponen- ten.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß dem Stand der Technik. Das Energiespeichersystem 100 umfasst eine Vielzahl von Energiespeichersträngen 101 , umfassend eine Mehrzahl von parallelgeschalteten elektrochemischen Energiespeichern 102. Mittels einer Vielzahl von Spannungs- sensoren Ui, U2, U3 werden elektrische Spannungen der Energiespeicherstränge 101 erfasst.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromverlaufs 200. Das erfin dungsgemäße Energiespeichersystem 100 verfügt beispielsweise über ein eigenes Batteriemanagementsteuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des erfindungs- gemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Energiespeicherstrangspannungen werden in einem normalen Betrieb des Energiespeichersystems 100 typischerweise fortlau- fend überwacht. Daher ist es in einer ersten Ausführungsform nur erforderlich die Energiespeicherstrangspannungen und/oder Spannungsverläufe der Energiespei- cherstrangspannungen jeweils für einen entsprechenden Zeitraum in einen Speicher des Batteriemanagementsteuergeräts abzulegen und zu bewerten, wenn geeignete Betriebsbedingungen vorliegen, beispielsweise während eines Lade- oder Entlade- vorgangs.
Eine geeignete Betriebsbedingung in der ersten Ausführungsform ist beispielsweise, wenn ein aktueller Lade- oder Entladestrom 201 für einen bestimmten Zeitraum Ato, Ati, At2 einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, also eine sprungförmige Strombelastung erfolgt.
Da in der Praxis Stromsprünge nicht ohne Weiteres reproduzierbar sind und in der Regel nur sehr kurze Phasen mit konstantem Strom auftreten, werden vorzugsweise Kriterien für eine Gültigkeit eines Stromsprungs gemäß Figur 2 eingeführt. Hierbei können mehrere Schwellenwerte So, S2 berücksichtigt werden, die entweder nur teil- weise oder vollständig durch den Stromverlauf l(t) erfüllt sein müssen:
11 -D11 ^ I (t) ^ 11 +D11 (1 ) DIo/Ato ^ So (2)
Al2/At2— S2 (3)
Erfüllt ein Stromsprung diese Kriterien wird eine Mittelung des elektrischen Stromes über dieses Zeitintervall vorgenommen bzw. eine Ladungsmenge berechnet.
Alternative Ausführungen hinsichtlich einer Bewertung von gültigen Bedingungen sind möglich. Betrachtet werden dann die Spannungsverläufe der Energiespeicherstrang- spannungen, die durch einen Stromsprung hervorgerufen werden.
Figur 3a zeigt eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen 302a bei einem Stromsprung 301 a für einen fehlerfreien Fall 300a des Energiespei- chersystems 100.
Figur 3b zeigt eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen 302b im fehlerhaften Fall 300b des Energiespeichersystems 100, bei dem genau ein Energiespeicher 102 in einem bestimmten Energiespeicherstrang 101 fehlt oder voll- ständig defekt ist. Der Energiespeicherstrang 101 mit dem fehlenden Energiespeicher 102 zeigt
- einen signifikant höheren Spannungseinbruch 302b(1 ) bei einem Stromsprung 301 b als die anderen Strangspannungen 302b und
- eine deutliche Abweichung im Vergleich zu den Spannungsverläufen 302a im fehlerfreien Fall zuvor.
Der Vergleich von Spannungsverläufen eines Energiespeicherstrangs 101 bei jeweils gültigen Stromsprüngen zu unterschiedlichen Zeitpunkten soll dann erfolgen, wenn
jeweils dieselbe bzw. eine ähnliche hohe Ladungsmenge entnommen oder einge- bracht wurde. Hierbei kann eine Schwelle eingeführt werden, dass sich die Ladungs- mengen unterscheiden dürfen, beispielsweise um maximal 10 Prozent.
Dann werden sowohl die potentiell unterschiedlichen Spannungsverläufe der Vielzahl an vorliegenden parallelen Energiespeichersträngen 101 zum aktuellen Zeitpunkt im wechselseitigen Vergleich betrachtet, als auch Änderungen in der Historie der Span- nungsverläufe jedes einzelnen Energiespeicherstrangs 101.
In der Ausführungsform werden beispielsweise der Spannungseinbruch zu Beginn eines Stromsprunges, der Spannungsverlauf während einer Strombelastung und die Spannungszunahme nach Abnahme der Strombelastung berücksichtigt.
Eine Bewertung, ob eine Veränderung im Spannungsverlauf ihre Ursache im Fehlen einer Einzelzelle im Strang hat, erfolgt wie folgt:
- Fehlt ein Energiespeicher 102 im Energiespeicherstrang 101 , verändert sich der Innerwiderstand dieses Energiespeicherstrangs 101 , was sich insbeson- dere bei einem Stromsprung bemerkbar. Der Spannungseinbruch in diesem Energiespeicherstrang 101 ist deutlich größer als in den vergleichbaren Ener- giespeicherstrang 101 des Energiespeichersystems 100. Um die Bewertung abzusichern kann es sinnvoll sein, einen Mittelwert M(T) der Spannungsein- brüche dU aller Energiespeicherstränge 101 zu einem bestimmten Zeitpunkt T zu berechnen.
Besonders aussagekräftig ist dieser Mittelwert, wenn zuvor ein Ladungsaus- gleich zwischen den Energiespeichersträngen 101 durchgeführt wurde. Wird ein Schwellenwert S vorgegeben, kann mittels des Vergleichs dU-M(T) > S
entschieden werden, ob im jeweiligen Energiespeicherstrang 101 alle Ener- giespeicher 102 elektrisch kontaktiert sind.
- Fehlt ein Energiespeicher 102 in einem Energiespeicherstrang 101 , entlädt oder lädt sich der jeweilige Energiespeicherstrang 101 schneller als die weite- ren Energiespeicherstränge 101 des Energiespeichersystems 100. Die Ener- giespeicherstrangspannung eines Energiespeicherstrangs 101 mit einer gerin- geren Anzahl an elektrisch kontaktieren Energiespeichern 102 nimmt daher schneller ab.
Figur 4a zeigt eine schematische von Energiespeicherstrangspannungen 402a, 402a(1 ), 402a(4), 402a(6) während eines Lade- oder Entladevorgangs im fehlerfreien Fall 400a des Energiespeichersystems 100 und Figur 4b eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen 402b, 402b(6) während eines Lade- oder Entladevorgangs im fehlerhaften Fall 400b des Energiespeichersystems 100.
Die Kurve der Energiespeicherstrangspannung 402b(6) schneidet die Kurven der anderen Energiespeicherstrangspannungen 402b bei längeren Entlade- oder Ladevorgängen daher regelmäßig. Die Anzahl von Schnittpunkten 403(0), 403(1 ), 403(2) eignet sich als Detektionsmetode für einen Verlust ein- zelner Energiespeicher 102. Vorteilhafterweise muss kein Ladungsausgleich zwischen den Energiespeichersträngen 101 erfolgt sein.
Wird ein Fehler erkannt, leitet das Batteriemanagementsteuergerät vorzugsweise Maßnahmen ein, um auf das Fehlen eines Energiespeichers 102 im Energiespei- cherstrang 101 zu reagieren und entgegen zu wirken. So kann beispielsweise durch eine Reduzierung eines zulässigen Maximalstromes mittels eines Gewichtungsfak- tors, der von der Anzahl der elektrisch nicht mehr angebundenen Energiespeicher 102 abhängt, sichergestellt werden, dass das Energiespeichersystem 100 weiterhin in seinen zulässigen Grenzen betrieben wird und kein Energiespeicher 102 in einen
der Energiespeicherstränge 101 infolge einer verringerten Anzahl der Energiespei- cher 102 überlastet wird. Dies wirkt sich zudem positiv auf die Alterung der anderen Energiespeicher 102 des betroffenen Energiespeicherstrangs 101 aus.
Besonders vorteilhaft kann im realen Betrieb des Energiespeichersystems 100 außer- dem beim Laden mit einer externen Quelle gezielt ein definierter Stromsprung er- zeugt werden, der für ein bestimmtes, kurzes Zeitintervall höher ist als der maximal zulässige Dauerladestrom und auf dieser Basis das oben beschriebene Verfahren an- gewendet wird. Vorteilhaft ist hierbei auch, dass so regelmäßig geeignete Betriebsbe- dingungen eingestellt werden können zur Realisierung einer kontinuierlichen Überwa- chung. Vorteilhaft ist eine Auswertung während des Ladens, da meist zunächst für eine längere Phase mit konstantem Strom geladen wird. Ein Fehler kann erkannt wer- den, wenn eine Spannung der Stränge eine abweichende Steigung aufweist.
Im Falle einer Band-Ende-Kontrolle werden Stromsprünge nahe oder exakt am maxi- mal zulässigen Stromwert verwendet, um somit eine maximale Trennschärfe zwi- schen elektrisch korrekt und elektrisch nicht oder schlecht angebundenen Energie- Speichern 102 zu erzielen. Werden beispielsweise elektrische Verbindungen zwi- schen den Energiespeichern 102 mittels Schweißen realisiert, kann so eine Qualitäts- kontrolle des Schweißprozesses durchgeführt werden.
Weiterhin kann ein Ladungsausgleichsbedarf, ermittelt aus der Zeit für einen La- dungsausgleichsbedarf der einzelnen Energiespeicherstränge 101 als zusätzliches Kriterium zur Fehlerbeurteilung herangezogen werden oder auch als alleinstehender Bewertungsmaßstab verwendet werden. Hierzu wird im einem Speicher des Batte- riemanagementsteuergeräts aufgezeichnet wie häufig und wie lange bei den einzel- nen Energiespeichersträngen 101 ein Ladungsausgleichsbedarf erfolgt, also das Aus- gleichen der Strangspannungen durch resistive, kapazitve oder induktive Verfahren.
Ein Fehler wird erkannt, wenn
- der Ladungsausgleichsbedarf zwischen den einzelnen Strängen den für die Bat- terie üblichen Wert wiederholt deutlich überschreitet oder
- sich der Ladungsausgleichsbedarf aufgrund des Kontaktabbruchs einer Zelle un- erwartet und abrupt ändert.
Wird ein Fehler erkannt kann das Batteriemanagementsystem Maßnahmen einleiten, insbesondere Reduzierung eines maximal zulässigen Lade- oder Entladestrom, um Sicherzustellen, dass das Energiespeichersystem in zulässigen Betriebsgrenzen be- trieben wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichersystems (100) mit einer Mehrzahl von Energiespeichersträngen (101 ), umfassend eine Mehrzahl von parallelgeschalte- ten elektrochemischen Energiespeichern (102), folgende Schritte aufweisend:
a. Kontinuierliches Überwachen, ob ein aktueller Lade- oder Entladestrom mindes- tens einen vorgegebenen Stromschwellenwert für eine bestimmte Zeitspanne überschreitet;
b. Vergleichen von erfassten Energiespeicherstrangspannungen und/oder von Spannungsverläufen der Energiespeicherstrangspannungen untereinander und/oder Vergleichen mit vorherigen Energiespeicherstrangspannungen und/o- der vorherigen Spannungsverläufen des Energiespeicherstrangs (101 ) bei einem vergleichbaren Lade- oder Entladestrom;
c. Erkennen eines Fehlers in den Energiespeichersträngen (101 ) in Abhängigkeit von vorgegebenen Kriterien für eine Spannungsänderung in den Energiespei- chersträngen (101 ), insbesondere eines Kontaktierungsfehlers durch Vergleichen einer Differenz aus Spannungsänderungen der Energiespeicherstränge (101 ) und einem Mittelwert der Spannungsänderungen der Energiespeicherstränge (101 ) mit einem vorgegebenen Schwellenwert;
2. Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichersystems (100) mit einer Mehrzahl von Energiespeichersträngen (101 ) nach Anspruch 1 , ferner folgenden Schritt umfas- send:
d. Einleiten von Maßnahmen, insbesondere Reduzierung eines maximal zulässigen Lade- oder Entladestrom, um Sicherzustellen, dass das Energiespeichersystem (100) in zulässigen Betriebsgrenzen betrieben wird;
3. Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichersystems (100) mit einer Mehrzahl von Energiespeichersträngen (101 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, fer- ner folgenden Schritt umfassend:
f. Erkennen eines Fehlers, wenn ein Ladungsausgleichsbedarf zwischen den Ener- giespeichersträngen (101 ) einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder der Ladungsausgleichsbedarf sich abrupt ändert;
4. Verfahren zur Überwachung eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) mit einer Mehrzahl von Energiespeichersträngen (101 ) nach Anspruch 3, wobei der Ladungsausgleichsbedarf anhand eines resistiven, kapazitiven und/oder und indukti- ven Ladungsausgleichsverfahrens ermittelt wird.
5. Elektrochemisches Energiespeichersystem (100), mit einer Mehrzahl von Energie- speichersträngen (101 ), umfassend eine Mehrzahl von parallelgeschalteten elektro- chemischen Energiespeichern (102), mindestens einen Sensor zur Erfassung einer elektrischen Spannung (Ui , U2, U3) sowie mindestens ein Mittel, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
6. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das elektrochemische Energiespeichersystem (100) nach Anspruch 5 die Verfahrensschritte nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausführt.
7. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach An- spruch 6 gespeichert ist.
8. Verwendung eines elektrochemischen Energiespeichersystems (100) gemäß An- spruch 5 für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Brennstoff- zellen-Fahrzeuge, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommu- nikation oder Datenverarbeitung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschi- nen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ ge- wonnener elektrischer Energie.
9. Verwendung eines Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichersystems (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 für eine Band-Ende-Kontrolle eines elektroche- mischen Energiespeichersystems (100).
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