EP4591387A2 - Verfahren und vorrichtung zum erkennen eines thermischen durchgehens einer elektrischen batterie eines kraftfahrzeugs - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erkennen eines thermischen durchgehens einer elektrischen batterie eines kraftfahrzeugs

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EP4591387A2
EP4591387A2 EP23776899.9A EP23776899A EP4591387A2 EP 4591387 A2 EP4591387 A2 EP 4591387A2 EP 23776899 A EP23776899 A EP 23776899A EP 4591387 A2 EP4591387 A2 EP 4591387A2
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EP
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pressure
acceleration
threshold value
battery
pressure threshold
Prior art date
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Pending
Application number
EP23776899.9A
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English (en)
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Inventor
Jan Philipp Schmidt
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Mercedes Benz Group AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a method for detecting thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle and a device for carrying out a method for detecting thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle, with at least one battery control device.
  • a thermal runaway of the battery can be detected via an increase in pressure in the battery after the cell housing of battery cells is opened in a thermal event, the so-called venting of the battery cells.
  • the pressure rise occurs slowly because there is usually a pressure compensation element in the battery housing.
  • the DE 102014208627 A1 discloses a battery cell with a cell housing that delimits a cell space for accommodating an electrochemical cell unit.
  • the cell unit arranged in the cell housing is designed as a cell stack.
  • a control unit is provided inside the cell stack, which has a detection unit for detecting state variables of the battery cell and a processing unit for processing the detected state variables.
  • DE 102021 000691 A1 discloses a device for monitoring an electric battery for a vehicle, which includes a pressure sensor for detecting a pressure within a battery housing and an acceleration sensor for sensing an acceleration of the battery.
  • the pressure sensor and the acceleration sensor are designed as a common sensor component.
  • the sensor component further comprises a pressure detection unit for detecting a pressure change and an evaluation unit which is designed to determine from the detected pressure whether a battery cell is thermally runaway, and from the pressure change to an acceleration of the battery and from the acceleration of the battery to a collision severity determine.
  • An object of the invention is to provide an improved method for detecting thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle.
  • a further object is to provide a device for carrying out a method for detecting a thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle, with at least one battery control unit.
  • a method for detecting thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle at least comprising detecting a pressure within a battery housing with at least one pressure sensor; Detecting an acceleration of the battery with at least one acceleration sensor; Processing measured pressure values from the at least one pressure sensor and measured acceleration values from the at least one acceleration sensor in a computing unit; Setting a detection signal for detecting the thermal runaway of the electric battery as a function of pressure measured values of the at least one pressure sensor. At least one adapted pressure threshold value is used to set the detection signal, which is determined from at least one previous pressure threshold value depending on acceleration measured values of the at least one acceleration sensor.
  • the proposed method is used to detect thermal runaway of a battery in a motor vehicle at an early stage.
  • pressure measurements are used, which are compared with predetermined pressure threshold values.
  • these pressure threshold values are advantageously adjusted based on current acceleration values of the battery. In this way, incorrect detections when measuring pressure can be avoided.
  • the pressure sensor is combined with an acceleration sensor. This makes it possible to reduce the deformation of the battery casing due to the effects of acceleration, or by detecting vibrations and based on the acceleration values, adjusting the thermal runaway detection threshold based on the pressure.
  • the pressure threshold represents a predetermined comparison variable in order to detect thermal runaway of the battery cells.
  • the upper part of the battery housing can, for example, be a thin sheet of metal which is placed and glued over a fairly large flat container, the lower part of the housing. If the battery is subjected to a shock or vibrations occur, this sheet metal vibrates and also compresses the gas volume in the battery housing. This causes the pressure in the battery housing to increase without the battery cell venting.
  • this pressure threshold value can be increased, for example, depending on the measured acceleration.
  • the pressure thresholds can be selected more narrowly, i.e. detection of a thermal runaway of the battery can occur earlier.
  • the setting of the detection signal can be determined via pressure evaluation logic from the pressure measurement value and at least one adapted pressure threshold value.
  • Pressure threshold values can be both absolute pressure values and threshold values for a change in the pressure measurement value over time.
  • the pressure measured values can be compared with the pressure threshold values adjusted via the acceleration measured values and the occurrence of thermal runaway can be derived from the comparison.
  • the detection signal can be set when an absolute amount of the pressure measurement value exceeds an absolute amount of the at least one adjusted pressure threshold value.
  • the detection signal can be set when an absolute amount of a pressure change value over time exceeds the absolute amount of the at least one adjusted pressure threshold value.
  • absolute values or difference values of the pressure measurement values can be compared with the acceleration measurement values adapted pressure threshold values are compared and the occurrence of thermal runaway can be derived from the comparison.
  • the adjusted pressure threshold value can be determined via a function from the previous pressure threshold value and the acceleration measurement value.
  • the function adapts the pressure threshold to the boundary conditions. Since the upper part of the housing could still oscillate a little after a shock, this function can not only increase the threshold value using a proportional factor, but also implement a certain amount of overtravel. This could be easily implemented via a constant holding period of an increased threshold value. However, it is also conceivable that the pressure threshold value, which is increased due to the acceleration measurement values, is reduced back to the previous value linearly or in the form of an exponential function over time.
  • the function can be implemented as a discrete function or as a continuous function.
  • the pressure threshold can be adjusted discretely using a step function according to the measured acceleration values.
  • the function can also increase the threshold value using a proportional factor.
  • the pressure threshold value which is increased due to the acceleration measurement values, is changed linearly or in the form of an exponential function over time and/or reduced again to the previous value.
  • the adjusted pressure threshold value can be set equal to the previous pressure threshold value if the acceleration measurement value falls below an acceleration threshold value. If this is not the case, the adjusted pressure threshold can be set to a predetermined constant value. This allows the pressure threshold to remain at its previous value if the acceleration experienced by the battery remains below an acceleration threshold. If a fault due to a temporary boundary condition, such as the excitation of battery vibrations due to uneven road surfaces, has been detected via the acceleration measurement value, the detection of the pressure can be practically switched off for a short time by entering a very high or very low value.
  • the adjusted pressure threshold value can be based on a linear relationship from the previous one Pressure threshold and the acceleration measurement value can be determined.
  • the adjusted pressure threshold value can be determined as the sum of the previous pressure threshold value and a product of a coefficient and the acceleration measurement value.
  • the pressure threshold value which is increased due to the acceleration measured values, can be changed linearly over time and/or reduced back to the previous value.
  • the acceleration measurement value can be maintained at a previous maximum value over a predetermined time interval. In this way, a certain lag in the acceleration of the battery can apparently be specified.
  • the acceleration can advantageously be recorded with a sampling rate of at least 1 kHz, while the pressure can be recorded with a sampling rate of at least 100 Hz in an active measurement mode and of at least 20 Hz in a rest mode.
  • a so-called venting of the battery cells it is advantageous to record the pressure measurements in the active measuring mode with a sampling rate of at least 100 Hz.
  • a sampling rate of at least 20 Hz may be sufficient.
  • the processed measured values of the pressure sensor and/or the acceleration sensor can conveniently be provided by the computing unit of the device via the communication interface with a data rate of at least 10 Hz. This means that the battery control unit can initiate any error reactions sufficiently quickly in the event of a vehicle collision and/or in the event of a battery cell thermally running away.
  • the processed measured values of the pressure sensor and/or the acceleration sensor can be provided by the computing unit via the communication interface when at least one adapted pressure threshold value and/or an acceleration threshold value is exceeded.
  • the battery control unit can maintain a parking/rest mode with low power consumption in the normal state and still initiate any error reactions sufficiently quickly in the event of a vehicle collision and/or a battery cell running thermally.
  • Configuration parameters, in particular for processing measured values of the pressure sensor and/or the acceleration sensor and/or threshold values can advantageously be received by the computing unit via the communication interface.
  • a device for carrying out a method for detecting a thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle, with at least one battery control device comprising at least one pressure sensor for detecting a pressure within a battery housing, at least one acceleration sensor for detecting an acceleration the battery, a computing unit, and a communication interface.
  • the computing unit is designed to process pressure measured values of the at least one pressure sensor and acceleration measured values of the at least one acceleration sensor, to set a detection signal for detecting the thermal runaway of the electric battery and to communicate with the at least one battery control unit external to the device by means of the communication interface.
  • Thermal runaway of a battery in a motor vehicle can thus advantageously be detected at an early stage.
  • pressure measurements are used, which are compared with predetermined pressure threshold values.
  • these pressure threshold values are advantageously adjusted based on current acceleration values of the battery. In this way, incorrect detections when measuring pressure can be avoided.
  • the pressure sensor is combined with an acceleration sensor. This makes it possible to detect the deformation of the battery case due to the action of acceleration or vibration and, based on the acceleration values, to adjust the threshold value for detecting thermal runaway based on the pressure.
  • the pressure threshold represents a predetermined comparison variable in order to detect thermal runaway of the battery cells.
  • this pressure threshold value can be increased, for example, depending on the measured acceleration.
  • a higher robustness of the detection is achieved and the pressure thresholds can be chosen narrower, ie detection of a thermal runaway of the battery can occur earlier.
  • the acceleration sensor can be designed to detect the acceleration of the battery in three orthogonal spatial directions. In this way it can be ensured that realistic acceleration values can be registered.
  • the acceleration sensor can advantageously be designed to detect acceleration values with a sampling rate of at least 1 kHz.
  • the pressure sensor for detecting the pressure within the battery housing can advantageously be designed with a sampling rate of at least 100 Hz in an active measurement mode and of at least 20 Hz in a rest mode.
  • a so-called venting of the battery cells it is advantageous to record the pressure measurements in the active measuring mode with a sampling rate of at least 100 Hz.
  • a sampling rate of at least 20 Hz may be sufficient.
  • the computing unit for providing processed measurement data from the pressure sensor and/or the acceleration sensor via the communication interface can advantageously be designed with a data rate of at least 10 Hz. This means that the battery control unit can initiate any error reactions sufficiently quickly in the event of a vehicle collision and/or in the event of a battery cell thermally running away.
  • the computing unit can include at least one function for determining at least one adapted pressure threshold value depending on acceleration measured values of the at least one acceleration sensor from a previous pressure threshold value and a pressure evaluation logic for setting the detection signal depending on pressure measured values of the pressure sensor.
  • the function can adapt the pressure threshold to the boundary conditions. Since the upper part of the housing could still vibrate a little after a shock, this function can not only increase the threshold value via a proportional factor, but also still realize a certain lag. This could be easily implemented via a constant holding period of an increased threshold value. However, it is also conceivable that the pressure threshold value, which is increased due to the acceleration measurement values, is reduced back to the previous value linearly or in the form of an exponential function over time.
  • Pressure threshold values can be both absolute pressure values and threshold values for a change in the pressure measurement value over time.
  • the pressure measured values can be compared with the pressure threshold values adjusted via the acceleration measured values and the occurrence of thermal runaway can be derived from the comparison.
  • the function can be designed to set the adapted pressure threshold value equal to the previous pressure threshold value if the acceleration measurement value falls below an acceleration threshold value, and, if this is not the case, to set the adapted pressure threshold value to a predetermined constant value.
  • the function can be designed to determine the adjusted pressure threshold value via a linear relationship between the previous pressure threshold value and the acceleration measurement value.
  • the function can be designed to determine the adjusted pressure threshold value as a sum of the previous pressure threshold value and a product of a coefficient and the acceleration measurement value.
  • the pressure threshold allows the pressure threshold to remain at its previous value if the acceleration experienced by the battery remains below an acceleration threshold. If a fault due to a temporary boundary condition, such as the excitation of battery vibrations due to uneven road surfaces, has been detected via the acceleration measurement value, the detection of the pressure can be practically switched off for a short time by entering a very high or very low value.
  • the pressure threshold value which is increased due to the acceleration measured values, can, for example, be changed linearly over time and/or reduced back to the previous value.
  • the pressure evaluation logic can be designed to set the detection signal when an absolute value of the pressure measurement value exceeds an absolute value of the at least one adjusted pressure threshold value and/or when an absolute value of a temporal pressure change value exceeds the absolute value of at least one adjusted pressure threshold value.
  • Absolute values or difference values of the pressure measurement values can thus be advantageously compared with the pressure threshold values adjusted via the acceleration measurement values and the occurrence of thermal runaway can be derived from the comparison.
  • the computing unit can be designed to provide processed measurement data from the pressure sensor and/or the acceleration sensor via the communication interface in an event-controlled manner, in particular when at least one pressure threshold value and/or an acceleration threshold value is exceeded.
  • the battery control unit can maintain a parking/rest mode with low power consumption in the normal state and still initiate any error reactions sufficiently quickly in the event of a vehicle collision and/or a battery cell running thermally.
  • the computing unit can advantageously be designed to receive configuration parameters, in particular to process measurement data from the pressure sensor and/or the acceleration sensor and/or threshold values, via the communication interface. This enables the computing unit to appropriately control the pressure sensor and the acceleration sensor and, in particular, to process and evaluate the measurement data in a predeterminable manner. Configuration parameters can, for example, be sent to the device cyclically or upon request by the computing unit.
  • the device can further comprise a device housing, wherein the at least one pressure sensor, the at least one acceleration sensor, the computing unit, the communication interface are arranged in the device housing.
  • the device housing can be designed to be arranged on or in the battery.
  • the device housing can be designed to be arranged on or in the battery.
  • the device housing can in particular be rigidly connected to the battery housing in order to absorb representative accelerations for the battery.
  • the device housing can be arranged in the battery or at least be fluidly connected to the battery housing via an opening.
  • the device housing can have a fluidic interface for detecting the pressure in the battery.
  • the device housing can have an opening for fluidly connecting to a battery housing of the battery.
  • the pressure sensor can detect the pressure in the battery via the device housing arranged in the battery, which has an opening.
  • a suitable opening in both the battery housing and the device housing can establish a necessary fluidic connection of the pressure sensor to the interior of the battery.
  • FIG. 1 shows a system overview of a device for carrying out a method for detecting thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle, according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a flowchart of a method for carrying out a method for detecting thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle according to an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a flowchart of a method for carrying out a method for detecting thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle according to a further exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a flowchart of a method for carrying out a method for detecting thermal runaway of an electric battery of a motor vehicle according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a flowchart of a pressure evaluation logic of the method according to an exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a system overview of a device 100 for carrying out a method for detecting thermal runaway of an electric battery 200 of a motor vehicle, according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the device 100 includes a pressure sensor 10 for detecting a pressure within a battery housing 210, an acceleration sensor 20 for detecting an acceleration of the battery 200, a computing unit 30, and a communication interface 40, which is connected via a CAN line 60 and a power supply 62 to a battery control unit 50 is electrically coupled.
  • the device 100 could also be supplied with voltage via the battery 200.
  • the computing unit 30 is designed to process pressure measured values 86 of the pressure sensor 10 and acceleration measured values 88 of the acceleration sensor 20, to set a detection signal 90 for detecting the thermal runaway of the electric battery 200 and to communicate with the device-external battery control unit 50 by means of the communication interface 40.
  • the acceleration sensor 20 can conveniently be designed to detect the acceleration of the battery 200 in three orthogonal spatial directions and can detect acceleration values with a sampling rate of at least 1 kHz.
  • the pressure sensor 10 can, for example, be designed to detect the pressure within the battery housing with a sampling rate of at least 100 Hz in an active measurement mode and of at least 20 Hz in a rest mode.
  • the computing unit 30 can conveniently be designed to provide processed measurement data from the pressure sensor 10 and/or the acceleration sensor 20 via the communication interface 40 with a data rate of at least 10 Hz.
  • the computing unit 30 can advantageously process measured data from the pressure sensor 10 and/or the acceleration sensor 20 via the communication interface 40 in an event-controlled manner, in particular when at least one pressure threshold value 82, 84 is exceeded; 83, 85 and/or an acceleration threshold 89. Furthermore, the computing unit 30 is designed to receive configuration parameters, in particular for processing measurement data from the pressure sensor 10 and/or the acceleration sensor 20 and/or threshold values, via the communication interface 40 in order to appropriately control the pressure sensor 10 and the acceleration sensor 20.
  • Pressure sensor 10, acceleration sensor 20, computing unit 30, and communication interface 40 are arranged in a device housing.
  • the device housing is arranged in the battery 200 in the illustrated embodiment. Alternatively, the device 100 could also be arranged on the outside of the battery housing 210.
  • the device housing 110 has a fluidic interface for detecting the pressure in the battery 200.
  • This fluidic interface can, for example, be an opening for fluidly connecting to the interior of the battery housing 210.
  • a hose connection from the pressure sensor 10 to the interior of the battery housing 210 is also possible.
  • a thermal runaway of the battery 200 can be detected by detecting a pressure within the battery housing 210 with the pressure sensor 10 and an acceleration of the battery 200 with the acceleration sensor 20.
  • the pressure measured values 86 of the pressure sensor 10 and the acceleration measured values 88 of the acceleration sensor 20 are processed in the computing unit 30.
  • a detection signal 90 for detecting the thermal runaway of the battery 200 can then be set depending on pressure measured values 86 of the pressure sensor 10.
  • At least one adapted pressure threshold value 83, 85 is used to set the detection signal 90, which is determined depending on the acceleration measured values 88 of the acceleration sensor 20 from at least one previous pressure threshold value 82, 84.
  • FIG. 2 shows a flow chart of the method. Pressure measurement values 86, acceleration measurement values 88 and predetermined positive and negative pressure threshold values 82, 84 are used to set the detection signal 90 for a thermal runaway of the battery 200.
  • Pressure threshold values 82, 84 can be absolute pressure values or relative pressure values, which are compared with absolute pressure measured values or relative pressure measured values. Alternatively, the pressure threshold values 82, 84 can also be pressure change threshold values that are compared with a rate of change of the pressure over time, i.e. a pressure gradient.
  • the setting of the detection signal 90 itself is determined via a pressure evaluation logic 70 from the pressure measurement value 86 and at least one adapted positive and/or negative pressure threshold value 83, 85.
  • the adjusted pressure threshold value 83, 85 is in turn determined via a function 80 from the previous pressure threshold value 82, 84 and the acceleration measurement value 88.
  • the function 80 can be implemented as a discrete function or as a continuous function.
  • the adjusted pressure threshold value 83, 85 can, for example, be set equal to the previous pressure threshold value 82, 84 if the acceleration measurement value 88 falls below an acceleration threshold value 89. If this is not the case, the adjusted pressure threshold value 83, 85 can alternatively be set to a predetermined constant value.
  • the adjusted new pressure threshold value 83, 85 is set to a higher value, namely to a very high positive value in the case of comparison with an absolute pressure. This must be chosen depending on the physical conditions.
  • the example of a discrete threshold value selection represents a simplified possibility in which the threshold value for the short time of the disturbance via the acceleration is selected so high that the detection of the pressure is de-facto switched off. If the threshold values of the pressure gradients are considered, a particularly negative value must be selected for the negative pressure gradient.
  • the detection signal 90 can be set, for example, when an absolute amount of the pressure measurement value 86 exceeds an absolute amount of the at least one adjusted pressure threshold value 83, 85 and/or when an absolute amount of a temporal pressure change value 77, 78 exceeds the absolute amount of the at least one adjusted pressure threshold value 83, 85, such as is explained in more detail in the exemplary embodiment in Figure 5.
  • the pressure evaluation logic 70 and the function 80 can advantageously be implemented in the form of a hardware component and/or a software component in the computing unit 30.
  • Figure 3 shows such an exemplary embodiment in which the acceleration threshold value 89 is entered into the function 80 as an additional input.
  • the adjusted pressure threshold value 83, 85 can be determined via a linear relationship from the previous pressure threshold value 82, 84 and the acceleration measurement value 88.
  • the adjusted pressure threshold value 83, 85 can be determined as the sum of the previous pressure threshold value 82, 84 and a product of a coefficient 81 and the acceleration measurement value 88.
  • FIG. 4 Such an exemplary embodiment is shown in FIG. 4, in which the coefficient 81 is entered into the function 80 as an additional input.
  • FIG. 5 shows a flowchart of a pressure evaluation logic 70 of the method according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the pressure evaluation logic 70 has two rate of change limiters 71, 72, both of which receive the measured pressure value 86 as input.
  • the maximum rate of change of the pressure measurement value 86 is limited by the rate of change limiters 71, 72.
  • the outputs of the two rate of change limiters 71, 72 are routed together with the original pressure measurement value 86 to two adders 73, 74, in which the difference between the rate of change limited pressure measurement value (input -) and the pressure measurement value 86 (input +) itself is formed. This difference is only non-zero if the rate of change is higher than the specification by the rate of change limiter 71, 72.
  • Initial values are positive and negative pressure change values 77, 78.
  • a gradient calculation or differentiation of the pressure measurement value 86 can advantageously be avoided, which would lead to an increase in the signal noise.
  • the positive and negative pressure change values 77, 78 are compared in two comparators 75, 76 with adapted pressure threshold values 83, 85 (inputs th of the comparators 75, 76).
  • the comparator 75 is a larger comparator; in the path for falling below a negative pressure gradient, the comparator 76 is then analogously a smaller comparator.
  • the reaction is not to an absolute pressure being exceeded, but rather to a pressure gradient that is greater than the rate of change. Limiters 71, 72 would allow.
  • the pressure threshold value 83, 85 is a pressure change threshold value.
  • the comparison with a negative pressure gradient is important because after the battery cells have been vented, i.e. if the pressure rises sharply, an equally strong, or even greater, depending on the situation, pressure drop can occur due to the opening of a bursting membrane on the battery.
  • Outputs of the comparators 75, 76 represent detection signals 92, 94 for a positive or negative pressure change.
  • the two detection signals 92, 94 can then be further linked within the pressure evaluation logic 70 to form a detection signal 90 for the thermal runaway.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie (200) eines Kraftfahrzeugs, wenigstens umfassend Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses (210) mit wenigstens einem Drucksensor (10); Erfassen einer Beschleunigung der Batterie (200) mit wenigstens einem Beschleunigungssensor (20); Verarbeiten von Druckmesswerten (86) des wenigstens einen Drucksensors (10) und von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) in einer Recheneinheit (30); Setzen eines Detektionssignals (90) für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie (200) in Abhängigkeit von Druckmesswerten (86) des wenigstens einen Drucksensors (10). Dabei wird wenigstens ein angepasster Druckschwellwert (83, 85) zum Setzen des Detektionssignals (90) verwendet, welcher abhängig von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) aus wenigstens einem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) bestimmt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (100) zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie (200) eines Kraftfahrzeugs.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs sowie eine Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Batteriesteuergerät.
Bei einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs kann ein thermisches Durchgehen der Batterie nach einem Öffnen des Zellgehäuses von Batteriezellen bei einem thermischen Ereignis, das sogenannte Venting der Batteriezellen, über einen Druckanstieg in der Batterie detektiert werden. Im Allgemeinen erfolgt der Druckanstieg langsam, da üblicherweise im Batteriegehäuse ein Druckausgleichselement vorhanden ist.
Die DE 102014208627 A1 offenbart eine Batteriezelle mit einem Zellgehäuse, welches einen Zellraum zum Aufnehmen einer elektrochemischen Zelleinheit begrenzt. Die in dem Zellgehäuse angeordnete Zelleinheit ist als Zellstapel ausgestaltet. Dabei ist im Inneren des Zellstapels eine Steuereinheit vorgesehen, die eine Detektionseinheit zum Detektieren von Zustandsgrößen der Batteriezelle und eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der detektierten Zustandsgrößen aufweist.
Die DE 102021 000691 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Überwachung einer elektrischen Batterie für ein Fahrzeug, welche einen Drucksensor zur Erfassung eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses und einen Beschleunigungssensor zur Sensierung einer Beschleunigung der Batterie umfasst. Der Drucksensor und der Beschleunigungssensor sind als ein gemeinsames Sensorbauteil ausgebildet. Weiter umfasst das Sensorbauteil eine Druckerfassungseinheit zur Erfassung einer Druckänderung und eine Auswerteeinheit, welche ausgebildet ist, aus dem erfassten Druck zu ermitteln, ob ein thermisches Durchgehen einer Batteriezelle vorliegt, und aus der Druckänderung eine Beschleunigung der Batterie und aus der Beschleunigung der Batterie eine Kollisionsschwere zu ermitteln. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs anzugeben.
Eine weitere Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Batteriesteuergerät zu schaffen.
Die vorgenannten Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wenigstens umfassend Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses mit wenigstens einem Drucksensor; Erfassen einer Beschleunigung der Batterie mit wenigstens einem Beschleunigungssensor; Verarbeiten von Druckmesswerten des wenigstens einen Drucksensors und von Beschleunigungsmesswerten des wenigstens einen Beschleunigungssensors in einer Recheneinheit; Setzen eines Detektionssignals für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie in Abhängigkeit von Druckmesswerten des wenigstens einen Drucksensors. Dabei wird wenigstens ein angepasster Druckschwellwert zum Setzen des Detektionssignals verwendet, welcher abhängig von Beschleunigungsmesswerten des wenigstens einen Beschleunigungssensors aus wenigstens einem vorhergehenden Druckschwellwert bestimmt wird.
Das vorgeschlagene Verfahren dient dazu, ein thermisches Durchgehen einer Batterie in einem Kraftfahrzeug frühzeitig zu detektieren. Zum Erkennen des thermischen Durchgehens werden Druckmesswerte verwendet, welche mit vorgegebenen Druckschwellwerten verglichen werden. Vorteilhaft werden bei dem Verfahren diese Druckschwellwerte basierend auf aktuellen Beschleunigungswerten der Batterie angepasst. So können Fehldetektionen bei der Druckmessung vermieden werden.
Der Drucksensor wird dazu mit einem Beschleunigungssensor kombiniert. Dadurch ist es möglich, die Verformung des Batteriegehäuses durch die Einwirkung von Beschleunigung, oder durch Vibrationen zu erkennen und basierend auf den Beschleunigungswerten den Schwellwert für die Detektion des thermischen Durchgehens basierend auf dem Druck anzupassen.
Der Druckschwellwert stellt eine vorgegebene Vergleichsgröße dar, um ein thermisches Durchgehen der Batteriezellen zu detektieren. Das Oberteil des Batteriegehäuses kann beispielsweise ein dünnes Blech sein, welches über einen recht großen flächigen Behälter, das Gehäuseunterteil, gelegt und verklebt ist. Wird die Batterie nun mit einem Stoß beaufschlagt oder kommt es zu Vibrationen, schwingt dieses Blech mit und komprimiert dabei auch das Gasvolumen im Batteriegehäuse. Dadurch steigt der Druck im Batteriegehäuse, ohne dass es zu einem Venting einer Batteriezelle gekommen ist.
Um nicht durch Druckschwankungen, die z.B. durch das Überfahren eines Pollers und der daraus resultierenden Bewegung des Gehäuseoberteils der Batterie erzeugt werden, eine Fehlauslösung des Alarms eines thermischen Durchgehens zu provozieren, kann dieser Druckschwellwert in Abhängigkeit der gemessenen Beschleunigung beispielsweise erhöht werden.
Vorteilhaft wird so eine höhere Robustheit der Detektion erreicht und die Druckschwellen können enger gewählt werden, d.h. eine Detektion eines thermischen Durchgehens der Batterie kann früher erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Setzen des Detektionssignals über eine Druckauswertelogik aus dem Druckmesswert und wenigstens einem angepassten Druckschwellwert bestimmt werden. Druckschwellwerte können dabei sowohl Absolutdruckwerte als auch Schwellwerte für eine zeitliche Änderung des Druckmesswerts sein. Günstigerweise können so die Druckmesswerte mit den über die Beschleunigungsmesswerte angepassten Druckschwellwerten verglichen werden und aus dem Vergleich das Eintreten eines thermischen Durchgehens abgeleitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann das Detektionssignal gesetzt werden, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts überschreitet. Alternativ oder zusätzlich kann das Detektionssignal gesetzt werden, wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts überschreitet. Günstigerweise können so Absolutwerte oder Differenzwerte der Druckmesswerte mit den über die Beschleunigungsmesswerte angepassten Druckschwellwerten verglichen werden und aus dem Vergleich das Eintreten eines thermischen Durchgehens abgeleitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der angepasste Druckschwellwert über eine Funktion aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und dem Beschleunigungsmesswert bestimmt werden. Die Funktion passt den Druckschwellwert den Randbedingungen an. Da nach einem Stoß das Gehäuseoberteil noch etwas nachschwingen könnte, kann diese Funktion nicht nur etwa über einen Proportionalfaktor den Schwellwert erhöhen, sondern auch noch einen gewissen Nachlauf realisieren. Dies könnte über eine konstante Haltedauer eines erhöhten Schwellwertes einfach umgesetzt werden. Denkbar ist aber auch, dass der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert linear oder in Form einer Exponentialfunktion mit der Zeit wieder auf den vorherigen Wert verringert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann die Funktion als diskrete Funktion oder als kontinuierliche Funktion implementiert sein. Der Druckschwellwert kann diskret über eine Stufenfunktion gemäß den gemessenen Beschleunigungswerten angepasst werden. Alternativ kann die Funktion auch über einen Proportionalfaktor den Schwellwert erhöhen. Denkbar ist aber auch, dass der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert linear oder in Form einer Exponentialfunktion mit der Zeit geändert und/oder wieder auf den vorherigen Wert verringert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der angepasste Druckschwellwert gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert gesetzt werden, wenn der Beschleunigungsmesswert einen Beschleunigungsschwellwert unterschreitet. Falls dies nicht vorliegt, kann der angepasste Druckschwellwert auf einen vorgegebenen konstanten Wert gesetzt werden. So kann der Druckschwellwert auf seinem bisherigen Wert bleiben, wenn die von der Batterie erfahrene Beschleunigung unter einem Beschleunigungsschwellwert bleibt. Ist über den Beschleunigungsmesswert eine Störung auf Grund einer vorübergehenden Randbedingung, wie beispielsweise der Anregung von Batterieschwingungen durch Fahrbahnunebenheiten, erkannt worden, kann die Erkennung des Drucks durch Eingabe eines sehr hohen oder sehr niedrigen Wertes für eine kurze Zeit praktisch ausgeschaltet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der angepasste Druckschwellwert über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und dem Beschleunigungsmesswert bestimmt werden. Insbesondere kann dabei der angepasste Druckschwellwert als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und einem Produkt aus einem Koeffizienten und dem Beschleunigungsmesswerts bestimmt werden. So kann der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert beispielsweise linear mit der Zeit geändert und/oder wieder auf den vorherigen Wert verringert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens kann der Beschleunigungsmesswert über ein vorgegebenes Zeitintervall auf einem vorhergehenden Maximalwert gehalten werden. So kann scheinbar ein gewisser Nachlauf in der Beschleunigung der Batterie vorgegeben werden.
Vorteilhaft kann die Beschleunigung mit einer Abtastrate von mindestens 1 kHz erfasst werden, während der Druck mit einer Abtastrate von mindestens 100 Hz in einem aktiven Messmodus und von mindestens 20 Hz in einem Ruhemodus erfasst werden kann. Um ein Öffnen des Zellgehäuses von Batteriezellen bei einem thermischen Ereignis, ein sogenanntes Venting der Batteriezellen, sicher bewerten und identifizieren zu können, ist es günstig, die Druckmesswerte in dem aktiven Messmodus mit einer Abtastrate von mindestens mit 100 Hz aufzunehmen. In einem Ruhemodus des Drucksensors kann dagegen eine Abtastrate von mindestens 20 Hz ausreichend sein.
Die verarbeiteten Messwerte des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors können dabei von der Recheneinheit der Vorrichtung günstigerweise über die Kommunikationsschnittstelle mit einer Datenrate von mindestens 10 Hz bereitgestellt werden. Damit kann das Batteriesteuergerät eventuelle Fehlerreaktionen im Fall einer Fahrzeugkollision und/oder bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle genügend schnell einleiten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens können die verarbeiteten Messwerte des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors von der Recheneinheit über die Kommunikationsschnittstelle bei Überschreiten wenigstens eines angepassten Druckschwellwerts und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts bereitgestellt werden. Damit kann das Batteriesteuergerät im Normalzustand einen Park- /Ruhemodus mit niedrigem Stromverbrauch einhalten und dennoch im Fall einer Fahrzeugkollision und/oder bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle eventuelle Fehlerreaktionen genügend schnell einleiten. Konfigurationsparameter, insbesondere zur Verarbeitung von Messwerten des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors und/oder von Schwellwerten, können vorteilhaft von der Recheneinheit über die Kommunikationsschnittstelle empfangen werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einem Batteriesteuergerät, vorgeschlagen, umfassend wenigstens einen Drucksensor zum Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses, wenigstens einen Beschleunigungssensor zum Erfassen einer Beschleunigung der Batterie, eine Recheneinheit, und eine Kommunikationsschnittstelle. Dabei ist die Recheneinheit ausgebildet, Druckmesswerte des wenigstens einen Drucksensors und Beschleunigungsmesswerte des wenigstens einen Beschleunigungssensors zu verarbeiten, ein Detektionssignal für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie zu setzen und mittels der Kommunikationsschnittstelle mit dem wenigstens einen vorrichtungsexternen Batteriesteuergerät zu kommunizieren.
Vorteilhaft kann so ein thermisches Durchgehen einer Batterie in einem Kraftfahrzeug frühzeitig detektiert werden. Zum Erkennen des thermischen Durchgehens werden Druckmesswerte verwendet, welche mit vorgegebenen Druckschwellwerten verglichen werden. Vorteilhaft werden bei dem Verfahren diese Druckschwellwerte basierend auf aktuellen Beschleunigungswerten der Batterie angepasst. So können Fehldetektionen bei der Druckmessung vermieden werden.
Der Drucksensor wird dazu mit einem Beschleunigungssensor kombiniert. Dadurch ist es möglich, die Verformung des Batteriegehäuses durch die Einwirkung von Beschleunigung, oder durch Vibrationen zu erkennen und basierend auf den Beschleunigungswerten den Schwellwert für die Detektion des thermischen Durchgehens basierend auf dem Druck anzupassen.
Der Druckschwellwert stellt eine vorgegebene Vergleichsgröße dar, um ein thermisches Durchgehen der Batteriezellen zu detektieren. Um nicht durch Druckschwankungen, die z.B. durch das Überfahren eines Pollers und der daraus resultierenden Bewegung des Gehäuseoberteils der Batterie erzeugt werden, eine Fehlauslösung des Alarms eines thermischen Durchgehens zu provozieren, kann dieser Druckschwellwert in Abhängigkeit der gemessenen Beschleunigung beispielsweise erhöht werden. Vorteilhaft wird so eine höhere Robustheit der Detektion erreicht und die Druckschwellen können enger gewählt werden, d.h. eine Detektion eines thermischen Durchgehens der Batterie kann früher erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Beschleunigungssensor zum Erfassen der Beschleunigung der Batterie in drei orthogonalen Raumrichtungen ausgebildet sein. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass realistische Beschleunigungswerte registriert werden können.
Vorteilhaft kann dabei der Beschleunigungssensor zum Erfassen von Beschleunigungswerten mit einer Abtastrate von mindestens 1 kHz ausgebildet sein.
Der Drucksensor zum Erfassen des Drucks innerhalb des Batteriegehäuses kann günstigerweise mit einer Abtastrate von mindestens 100 Hz in einem aktiven Messmodus und von mindestens 20 Hz in einem Ruhemodus ausgebildet sein. Um ein Öffnen des Zellgehäuses von Batteriezellen bei einem thermischen Ereignis, ein sogenanntes Venting der Batteriezellen, sicher bewerten und identifizieren zu können, ist es günstig, die Druckmesswerte in dem aktiven Messmodus mit einer Abtastrate von mindestens mit 100 Hz aufzunehmen. In einem Ruhemodus des Drucksensors kann dagegen eine Abtastrate von mindestens 20 Hz ausreichend sein.
Die Recheneinheit zum Bereitstellen von verarbeiteten Messdaten des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors über die Kommunikationsschnittstelle kann vorteilhaft mit einer Datenrate von mindestens 10 Hz ausgebildet sein. Damit kann das Batteriesteuergerät eventuelle Fehlerreaktionen im Fall einer Fahrzeugkollision und/oder bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle genügend schnell einleiten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Recheneinheit wenigstens eine Funktion zur Bestimmung wenigstens eines angepassten Druckschwellwerts abhängig von Beschleunigungsmesswerten des wenigstens einen Beschleunigungssensors aus einem vorhergehenden Druckschwellwert und eine Druckauswertelogik zum Setzen des Detektionssignals in Abhängigkeit von Druckmesswerten des Drucksensors umfassen.
Die Funktion kann den Druckschwellwert den Randbedingungen anpassen. Da nach einem Stoß das Gehäuseoberteil noch etwas nachschwingen könnte, kann diese Funktion nicht nur etwa über einen Proportionalfaktor den Schwellwert erhöhen, sondern auch noch einen gewissen Nachlauf realisieren. Dies könnte über eine konstante Haltedauer eines erhöhten Schwellwertes einfach umgesetzt werden. Denkbar ist aber auch, dass der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert linear oder in Form einer Exponentialfunktion mit der Zeit wieder auf den vorherigen Wert verringert wird.
Druckschwellwerte können dabei sowohl Absolutdruckwerte als auch Schwellwerte für eine zeitliche Änderung des Druckmesswerts sein. Günstigerweise können so in der Druckauswertelogik die Druckmesswerte mit den über die Beschleunigungsmesswerte angepassten Druckschwellwerten verglichen werden und aus dem Vergleich das Eintreten eines thermischen Durchgehens abgeleitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Funktion ausgebildet sein, den angepassten Druckschwellwert gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert zu setzen, wenn der Beschleunigungsmesswert einen Beschleunigungsschwellwert unterschreitet, und, falls dies nicht vorliegt, den angepassten Druckschwellwert auf einen vorgegebenen konstanten Wert zu setzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Funktion ausgebildet sein, den angepassten Druckschwellwert über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und dem Beschleunigungsmesswert zu bestimmen. Insbesondere kann die Funktion ausgebildet sein, den angepassten Druckschwellwert als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert und einem Produkt aus einem Koeffizienten und dem Beschleunigungsmesswert zu bestimmen.
So kann der Druckschwellwert auf seinem bisherigen Wert bleiben, wenn die von der Batterie erfahrene Beschleunigung unter einem Beschleunigungsschwellwert bleibt. Ist über den Beschleunigungsmesswert eine Störung auf Grund einer vorübergehenden Randbedingung, wie beispielsweise der Anregung von Batterieschwingungen durch Fahrbahnunebenheiten, erkannt worden, kann die Erkennung des Drucks durch Eingabe eines sehr hohen oder sehr niedrigen Wert für eine kurze Zeit praktisch ausgeschaltet werden. Der auf Grund der Beschleunigungsmesswerte erhöhte Druckschwellwert kann beispielsweise linear mit der Zeit geändert und/oder wieder auf den vorherigen Wert verringert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Druckauswertelogik ausgebildet sein, das Detektionssignal zu setzen, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts überschreitet und/oder wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts überschreitet. Günstigerweise können so Absolutwerte oder Differenzwerte der Druckmesswerte mit den über die Beschleunigungsmesswerte angepassten Druckschwellwerten verglichen werden und aus dem Vergleich das Eintreten eines thermischen Durchgehens abgeleitet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Recheneinheit zum Bereitstellen von verarbeiteten Messdaten des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors über die Kommunikationsschnittstelle ereignisgesteuert, insbesondere bei Überschreiten wenigstens eines Druckschwellwerts und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts ausgebildet sein. Damit kann das Batteriesteuergerät im Normalzustand einen Park-/Ruhemodus mit niedrigem Stromverbrauch einhalten und dennoch im Fall einer Fahrzeugkollision und/oder bei einem thermischen Durchgehen einer Batteriezelle eventuelle Fehlerreaktionen genügend schnell einleiten.
Vorteilhaft kann die Recheneinheit zum Empfangen von Konfigurationsparametern, insbesondere zur Verarbeitung von Messdaten des Drucksensors und/oder des Beschleunigungssensors und/oder von Schwellwerten, über die Kommunikationsschnittstelle ausgebildet sein. So wird die Recheneinheit in die Lage versetzt, den Drucksensor und den Beschleunigungssensor geeignet anzusteuern und insbesondere die Verarbeitung und Bewertung der Messdaten auf vorgebbare Weise vorzunehmen. Konfigurationsparameter können beispielsweise zyklisch oder auf Aufforderung durch die Recheneinheit an die Vorrichtung gesendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Vorrichtung weiter ein Vorrichtungsgehäuse umfassen, wobei der wenigstens eine Drucksensor, der wenigstens eine Beschleunigungssensor, die Recheneinheit, die Kommunikationsschnittstelle in dem Vorrichtungsgehäuse angeordnet sind. Das Vorrichtungsgehäuse kann dabei dazu ausgebildet sein, an oder in der Batterie angeordnet zu sein. Dabei kann das Vorrichtungsgehäuse dazu ausgebildet sein, an oder in der Batterie angeordnet zu sein. Das Vorrichtungsgehäuse kann insbesondere steif an das Batteriegehäuse angebunden sein, um repräsentative Beschleunigungen für die Batterie aufzunehmen. Zum Erfassen von Druckwerten in der Batterie kann das Vorrichtungsgehäuse in der Batterie angeordnet sein oder zumindest über eine Öffnung mit dem Batteriegehäuse fluidisch verbunden sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Vorrichtungsgehäuse eine fluidische Schnittstelle zum Erfassen des Drucks in der Batterie aufweisen. Insbesondere kann dabei das Vorrichtungsgehäuse eine Öffnung zum fluidischen Verbinden mit einem Batteriegehäuse der Batterie aufweisen. Günstigerweise kann so der Drucksensor über das in der Batterie angeordnete Vorrichtungsgehäuse, welches eine Öffnung aufweist, den Druck in der Batterie erfassen. Bei einem an dem Batteriegehäuse angeordneten Vorrichtungsgehäuse kann eine geeignete Öffnung sowohl im Batteriegehäuse als auch im Vorrichtungsgehäuse eine nötige fluidische Verbindung des Drucksensors zum Innenraum der Batterie herstellen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Systemübersicht einer Vorrichtung zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie eines Kraftfahrzeugs nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm einer Druckauswertelogik des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. Figur 1 zeigt eine Systemübersicht einer Vorrichtung 100 zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie 200 eines Kraftfahrzeugs, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Vorrichtung 100 umfasst einen Drucksensor 10 zum Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses 210, einen Beschleunigungssensor 20 zum Erfassen einer Beschleunigung der Batterie 200, eine Recheneinheit 30, sowie eine Kommunikationsschnittstelle 40, welche über eine CAN-Leitung 60 und eine Spannungsversorgung 62 mit einem Batteriesteuergerät 50 elektrisch gekoppelt ist. Die Spannungsversorgung der Vorrichtung 100 könnte auch über die Batterie 200 erfolgen.
Die Recheneinheit 30 ist ausgebildet, Druckmesswerte 86 des Drucksensors 10 und Beschleunigungsmesswerte 88 des Beschleunigungssensors 20 zu verarbeiten, ein Detektionssignal 90 für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie 200 zu setzen und mittels der Kommunikationsschnittstelle 40 mit dem vorrichtungsexternen Batteriesteuergerät 50 zu kommunizieren.
Der Beschleunigungssensor 20 kann günstigerweise zum Erfassen der Beschleunigung der Batterie 200 in drei orthogonalen Raumrichtungen ausgebildet sein und kann Beschleunigungswerte mit einer Abtastrate von mindestens 1 kHz erfassen. Der Drucksensor 10 kann beispielsweise zum Erfassen des Drucks innerhalb des Batteriegehäuses mit einer Abtastrate von mindestens 100 Hz in einem aktiven Messmodus und von mindestens 20 Hz in einem Ruhemodus ausgebildet sein. Die Recheneinheit 30 kann günstigerweise zum Bereitstellen von verarbeiteten Messdaten des Drucksensors 10 und/oder des Beschleunigungssensors 20 über die Kommunikationsschnittstelle 40 mit einer Datenrate von mindestens 10 Hz ausgebildet sein.
Die Recheneinheit 30 kann vorteilhaft verarbeitete Messdaten des Drucksensors 10 und/oder des Beschleunigungssensors 20 über die Kommunikationsschnittstelle 40 ereignisgesteuert, insbesondere bei Überschreiten wenigstens eines Druckschwellwerts 82, 84; 83, 85 und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts 89 bereitstellen. Weiter ist die Recheneinheit 30 zum Empfangen von Konfigurationsparametern, insbesondere zur Verarbeitung von Messdaten des Drucksensors 10 und/oder des Beschleunigungssensors 20 und/oder von Schwellwerten, über die Kommunikationsschnittstelle 40 ausgebildet, um den Drucksensor 10 und den Beschleunigungssensor 20 geeignet anzusteuern. Drucksensor 10, Beschleunigungssensor 20, Recheneinheit 30, und Kommunikationsschnittstelle 40 sind in einem Vorrichtungsgehäuse angeordnet. Das Vorrichtungsgehäuse ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Batterie 200 angeordnet. Alternativ könnte die Vorrichtung 100 auch außen am Batteriegehäuse 210 angeordnet sein.
Das Vorrichtungsgehäuse 110 weist eine fluidische Schnittstelle zum Erfassen des Drucks in der Batterie 200 auf. Diese fluidische Schnittstelle kann beispielsweise eine Öffnung zum fluidischen Verbinden mit dem Inneren des Batteriegehäuses 210 sein. Alternativ ist auch eine Schlauchverbindung von dem Drucksensor 10 zum Inneren des Batteriegehäuses 210 möglich.
Gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren kann ein thermisches Durchgehen der Batterie 200 erkannt werden, indem ein Druck innerhalb des Batteriegehäuses 210 mit dem Drucksensor 10 sowie eine Beschleunigung der Batterie 200 mit dem Beschleunigungssensor 20 erfasst werden. Die Druckmesswerte 86 des Drucksensors 10 und die Beschleunigungsmesswerte 88 des Beschleunigungssensors 20 werden in der Recheneinheit 30 verarbeitet. Ein Detektionssignal 90 für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der Batterie 200 kann dann in Abhängigkeit von Druckmesswerten 86 des Drucksensors 10 gesetzt werden. Dabei wird wenigstens ein angepasster Druckschwellwert 83, 85 zum Setzen des Detektionssignals 90 verwendet, welcher abhängig von den Beschleunigungsmesswerten 88 des Beschleunigungssensors 20 aus wenigstens einem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 bestimmt wird.
Figur 2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens. Zum Setzen des Detektionssignals 90 für ein thermisches Durchgehen der Batterie 200 werden Druckmesswerte 86, Beschleunigungsmesswerte 88 sowie vorgegebene positive und negative Druckschwellwerte 82, 84 verwendet.
Druckschwellwerte 82, 84 können Absolutdruckwerte bzw. Relativdruckwerte sein, die mit Absolutdruckmesswerten bzw. Relativdruckmesswerten verglichen werden. Alternativ können die Druckschwellwerte 82, 84 auch Druckänderungsschwellwerte sein, die mit einer zeitlichen Änderungsrate des Drucks, also einem Druckgradienten, verglichen werden. Das Setzen des Detektionssignals 90 selbst wird über eine Druckauswertelogik 70 aus dem Druckmesswert 86 und wenigstens einem angepassten positiven und/oder negativen Druckschwellwert 83, 85 bestimmt.
Der angepasste Druckschwellwert 83, 85 wiederum wird über eine Funktion 80 aus dem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 und dem Beschleunigungsmesswert 88 bestimmt. Die Funktion 80 kann dazu als diskrete Funktion oder als kontinuierliche Funktion implementiert sein.
Der angepasste Druckschwellwert 83, 85 kann beispielsweise gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 gesetzt werden, wenn der Beschleunigungsmesswert 88 einen Beschleunigungsschwellwert 89 unterschreitet. Falls dies nicht vorliegt, kann der angepasste Druckschwellwert 83, 85 alternativ auf einen vorgegebenen konstanten Wert gesetzt werden.
Der angepasste neue Druckschwellwert 83, 85 wird auf einen betragsmäßig höheren Wert gesetzt, und zwar für den Fall des Vergleichs mit einem Absolutdruck auf einen sehr hohen positiven Wert. Dieser ist in Abhängigkeit der physikalischen Gegebenheiten zu wählen. Das Beispiel einer diskreten Schwellwertwahl stellt eine vereinfachte Möglichkeit dar, dass der Schwellwert für die kurze Zeit der Störung über die Beschleunigung so hoch gewählt wird, dass die Erkennung des Drucks de-facto ausgeschaltet ist. Werden die Schwellwerte der Druckgradienten betrachtet, so ist dann beim negativen Druckgradienten ein besonders negativer Wert zu wählen.
Das Detektionssignal 90 kann beispielsweise gesetzt werden, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts 86 einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts 83, 85 überschreitet und/oder wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts 77, 78 den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts 83, 85 überschreitet, wie bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 5 näher erläutert ist.
Die Druckauswertelogik 70 sowie die Funktion 80 können vorteilhaft in Form eines Hardware-Bausteins und/oder eines Software- Bausteins in der Recheneinheit 30 implementiert sein.
Figur 3 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel, bei dem der Beschleunigungsschwellwert 89 als zusätzliche Eingabe in die Funktion 80 geführt ist. Weiter kann der angepasste Druckschwellwert 83, 85 über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 und dem Beschleunigungsmesswert 88 bestimmt werden. Insbesondere kann dabei der angepasste Druckschwellwert 83, 85 als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert 82, 84 und einem Produkt aus einem Koeffizienten 81 und dem Beschleunigungsmesswert 88 bestimmt werden.
Ein solches Ausführungsbeispiel zeigt Figur 4, bei dem der Koeffizient 81 als zusätzliche Eingabe in die Funktion 80 geführt ist.
Vorteilhaft kann auch sein, den Beschleunigungsmesswert 88 über ein vorgegebenes Zeitintervall auf einem vorhergehenden Maximalwert zu halten.
In Figur 5 ist ein Ablaufdiagramm einer Druckauswertelogik 70 des Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die Druckauswertelogik 70 weist zwei Änderungsraten-Begrenzer 71, 72, welche beide den gemessenen Druckwert 86 als Eingabe erhalten. Durch die Änderungsraten- Begrenzer 71 , 72 wird die maximale Änderungsrate des Druckmesswerts 86 limitiert. Die Ausgänge der beiden Änderungsraten-Begrenzer 71 , 72 werden zusammen mit dem ursprünglichen Druckmesswert 86 auf zwei Addierer 73, 74 geführt, in denen die Differenz aus dem änderungsratenlimitierten Druckmesswert (Eingang -)und dem Druckmesswert 86 (Eingang +) selbst gebildet wird. Diese Differenz ist nur dann ungleich Null, wenn die Änderungsrate höher als die Vorgabe durch den Änderungsraten-Begrenzer 71 , 72 ist. Ausgangswerte sind dabei positive und negative Druckänderungswerte 77, 78. Vorteilhaft kann so eine Gradientenberechnung bzw. Differenzierung des Druckmesswerts 86 vermieden werden, was zu einer Verstärkung des Signalrauschens führen würde.
Die positiven und negativen Druckänderungswerte 77, 78 (Eingänge in) werden in zwei Vergleichern 75, 76 mit angepassten Druckschwellwerten 83, 85 (Eingänge th der Vergleicher 75, 76) verglichen. Der Vergleicher 75 ist ein Größer-Vergleicher, im Pfad für die Unterschreitung eines negativen Druckgradienten ist der Vergleicher 76 dann sinngemäß ein Kleiner-Vergleicher.
In diesem Ausführungsbeispiel wird also nicht auf das Überschreiten eines Absolutdrucks reagiert, sondern auf einen Druckgradienten, der größer ist als dies der Änderungsraten- Begrenzer 71 , 72 erlauben würde. Der Druckschwellwert 83, 85 ist in diesem Fall ein Druckänderungsschwellwert.
Der Vergleich mit einem negativen Druckgradienten ist deswegen von Bedeutung, da nach erfolgtem Venting der Batteriezellen, wenn also der Druck stark ansteigt, ein ebenso starker, abhängig von der Situation auch noch stärkerer, Druckabfall durch das Öffnen einer Berstmembran an der Batterie erfolgen kann.
Ausgänge der Vergleicher 75, 76 stellen Detektionssignale 92, 94 für eine positive bzw. negative Druckänderung dar. Die beiden Detektionssignale 92, 94 können dann innerhalb der Druckauswertelogik 70 zu einem Detektionssignal 90 für das thermische Durchgehen weiter verknüpft werden.
Bezugszeichenliste
10 Drucksensor
20 Beschleunigungssensor
30 Recheneinheit
40 Kommunikationsschnittstelle
50 Batteriesteuergerät
60 CAN-Leitung
62 Spannungsversorgung
70 Druckauswertelogik
71 Änderungsraten-Begrenzer
72 Änderungsraten-Begrenzer
73 Addierer
74 Addierer
75 Vergleicher
76 Vergleicher
77 pos. Druckänderungswert
78 neg. Druckänderungswert
80 Funktion
81 Koeffizient
82 pos. Druckschwellwert
83 angepasster pos. Druckschwellwert
84 neg. Druckschwellwert
85 angepasster neg. Druckschwellwert
86 Druckmesswert
88 Beschleunigungsmesswert
89 Beschleunigungsschwellwert
90 Detektionssignal thermisches Durchgehen
92 Detektionssignal positive Druckänderung
94 Detektionssignal negative Druckänderung
100 Vorrichtung
110 Vorrichtungsgehäuse
200 Batterie
210 Batteriegehäuse

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie (200) eines Kraftfahrzeugs, wenigstens umfassend
Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses (210) mit wenigstens einem Drucksensor (10);
Erfassen einer Beschleunigung der Batterie (200) mit wenigstens einem Beschleunigungssensor (20);
Verarbeiten von Druckmesswerten (86) des wenigstens einen Drucksensors (10) und von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) in einer Recheneinheit (30);
Setzen eines Detektionssignals (90) für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie (200) in Abhängigkeit von Druckmesswerten (86) des wenigstens einen Drucksensors (10), wobei wenigstens ein angepasster Druckschwellwert (83, 85) zum Setzen des Detektionssignals (90) verwendet wird, welcher abhängig von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) aus wenigstens einem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Setzen des Detektionssignals (90) über eine Druckauswertelogik (70) aus dem Druckmesswert (86) und wenigstens einem angepassten Druckschwellwert (83, 85) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Detektionssignal (90) gesetzt wird, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts (86) einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts (83, 85) überschreitet und/oder wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts (77, 78) den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts (83, 85) überschreitet. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der angepasste Druckschwellwert (83, 85) über eine Funktion (80) aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und dem Beschleunigungsmesswert (88) bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Funktion (80) als diskrete Funktion oder als kontinuierliche Funktion implementiert ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der angepasste Druckschwellwert (83, 85) gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) gesetzt wird, wenn der Beschleunigungsmesswert (88) einen Beschleunigungsschwellwert (89) unterschreitet, und wobei, falls dies nicht vorliegt, der angepasste Druckschwellwert (83, 85) auf einen vorgegebenen konstanten Wert gesetzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der angepasste Druckschwellwert (83, 85) über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und dem Beschleunigungsmesswert (88) bestimmt wird, insbesondere wobei der angepasste Druckschwellwert (83, 85) als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und einem Produkt aus einem Koeffizienten (81) und dem Beschleunigungsmesswert (88) bestimmt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Beschleunigungsmesswert (88) über ein vorgegebenes Zeitintervall auf einem vorhergehenden Maximalwert gehalten wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die verarbeiteten Messwerte des Drucksensors (10) und/oder des Beschleunigungssensors (20) von der Recheneinheit (30) über die Kommunikationsschnittstelle (40) bei Überschreiten wenigstens eines angepassten Druckschwellwerts (83, 85) und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts (89) bereitgestellt werden. Vorrichtung (100) zum Ausführen eines Verfahrens zum Erkennen eines thermischen Durchgehens einer elektrischen Batterie (200) eines Kraftfahrzeugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem Batteriesteuergerät (50), umfassend
- wenigstens einen Drucksensor (10) zum Erfassen eines Drucks innerhalb eines Batteriegehäuses (210),
- wenigstens einen Beschleunigungssensor (20) zum Erfassen einer Beschleunigung der Batterie (200), eine Recheneinheit (30), eine Kommunikationsschnittstelle (40), wobei die Recheneinheit (30) ausgebildet ist, Druckmesswerte (86) des wenigstens einen Drucksensors (10) und Beschleunigungsmesswerte (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) zu verarbeiten, ein Detektionssignal (90) für ein Erkennen des thermischen Durchgehens der elektrischen Batterie (200) zu setzen und mittels der Kommunikationsschnittstelle (40) mit dem wenigstens einen vorrichtungsexternen Batteriesteuergerät (50) zu kommunizieren. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Beschleunigungssensor (20) zum Erfassen der Beschleunigung der Batterie (200) in drei orthogonalen Raumrichtungen ausgebildet ist. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , wobei die Recheneinheit (30) wenigstens eine Funktion (80) zur Bestimmung wenigstens eines angepassten Druckschwellwerts (83, 85) abhängig von Beschleunigungsmesswerten (88) des wenigstens einen Beschleunigungssensors (20) aus einem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und eine Druckauswertelogik (70) zum Setzen des Detektionssignals (90) in Abhängigkeit von Druckmesswerten (86) des Drucksensors (10) umfasst. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Funktion (80) ausgebildet ist, den angepassten Druckschwellwert (83, 85) gleich dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) zu setzen, wenn der Beschleunigungsmesswert (88) einen Beschleunigungsschwellwert (89) unterschreitet, und, falls dies nicht vorliegt, den angepassten Druckschwellwert (83, 85) auf einen vorgegebenen konstanten Wert zu setzen und/oder wobei die Funktion (80) ausgebildet ist, den angepassten Druckschwellwert (83, 85) über einen linearen Zusammenhang aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und dem Beschleunigungsmesswert (88) zu bestimmen, insbesondere den angepassten Druckschwellwert (83, 85) als Summe aus dem vorhergehenden Druckschwellwert (82, 84) und einem Produkt aus einem Koeffizienten (81) und dem Beschleunigungsmesswert (88) zu bestimmen. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Druckauswertelogik (70) ausgebildet ist, das Detektionssignal (90) zu setzen, wenn ein Absolutbetrag des Druckmesswerts (86) einen Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts (83, 85) überschreitet und/oder wenn ein Absolutbetrag eines zeitlichen Druckänderungswerts (77, 78) den Absolutbetrag des wenigstens einen angepassten Druckschwellwerts (83, 85) überschreitet. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Recheneinheit (30) zum Bereitstellen von verarbeiteten Messdaten des Drucksensors (10) und/oder des Beschleunigungssensors (20) über die Kommunikationsschnittstelle (40) ereignisgesteuert, insbesondere bei Überschreiten wenigstens eines Druckschwellwerts (82, 84; 83, 85) und/oder eines Beschleunigungsschwellwerts (89) ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, weiter umfassend ein Vorrichtungsgehäuse (110), wobei der wenigstens eine Drucksensor (10), der wenigstens eine Beschleunigungssensor (20), die Recheneinheit (30), die Kommunikationsschnittstelle (40) in dem Vorrichtungsgehäuse angeordnet sind, wobei das Vorrichtungsgehäuse dazu ausgebildet ist, an oder in der Batterie (200) angeordnet zu sein. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das Vorrichtungsgehäuse (110) eine fluidische Schnittstelle zum Erfassen des Drucks in der Batterie (200) aufweist, insbesondere wobei das Vorrichtungsgehäuse eine Öffnung zum fluidischen Verbinden mit einem Batteriegehäuse (210) der Batterie (200) aufweist.
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