EP4630275A1 - Batterieüberwachungssystem und verfahren zur überwachung des zustands einer batterie - Google Patents

Batterieüberwachungssystem und verfahren zur überwachung des zustands einer batterie

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Publication number
EP4630275A1
EP4630275A1 EP23806250.9A EP23806250A EP4630275A1 EP 4630275 A1 EP4630275 A1 EP 4630275A1 EP 23806250 A EP23806250 A EP 23806250A EP 4630275 A1 EP4630275 A1 EP 4630275A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
battery
sensors
monitoring system
assigned
vehicle
Prior art date
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Pending
Application number
EP23806250.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
David Bill
Goekhan GOEKMEN
Jens Schneider
Sandra Wilm
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4630275A1 publication Critical patent/EP4630275A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Definitions

  • battery monitoring systems are used which ensure the functional safety of battery operation and detect a critical condition of the battery, in particular a case of damage, in good time and initiate countermeasures such as the disconnection of individual cells, emergency cooling or a driver alarm.
  • a battery monitoring system which is designed to determine the operating state of the battery by evaluating to monitor sensor signals from at least two sensors that record different physical quantities, whereby pressure sensors, temperature sensors, voltage sensors and current sensors are used here.
  • the invention relates to a battery monitoring system for monitoring the state of a battery, in particular a traction battery of a vehicle, wherein the battery monitoring system is designed to monitor the operating state of the battery by evaluating sensor signals from at least two sensors that record different physical measurement variables.
  • the battery monitoring system comprises at least the following means:
  • - allocation means which allocate the sensors to at least two different hierarchy levels, the hierarchy levels being allocated staggered priorities from a highest priority to a lowest priority, the allocation of the sensors to the hierarchy levels being at least dependent on the currently existing operating situation of the battery as recorded by the recording means,
  • Execution means which execute a safety measure if the detection means detect that a critical condition of the battery exists.
  • the invention further relates to a method for monitoring the state of a battery, in particular a traction battery of a vehicle, wherein the operating state of the battery is monitored by evaluating sensor signals from at least two sensors that record different physical measurement variables.
  • the sensors are assigned to at least two different hierarchy levels, with the hierarchy levels having staggered priorities from a highest Priority to a lowest priority, whereby the assignment of the sensors to the hierarchy levels is at least dependent on the detected, currently existing operating situation of the battery,
  • a safety measure is carried out if it is detected that the battery is in a critical condition.
  • the battery monitoring system can, for example, be integrated into a battery management system (BMS) that is used to control the charging and discharging processes of the battery, or it can be designed as a separate system with a power supply and data processing that is independent of the battery management system, which can also be retrofitted in a vehicle, for example.
  • BMS battery management system
  • the battery monitoring system can use the sensor data from different sensors, the sensors being selected in particular from a group of the following sensor types: temperature sensors for determining a temperature, sensors for determining electrical parameters of the battery, pressure sensors, gas sensors and particle sensors.
  • the battery monitoring system can have several sensors of each of the sensor types mentioned. Regardless of this, at least two sensors should record different physical measured variables.
  • a battery monitoring system that has at least three sensors that record different measured variables is particularly preferred. With three sensors, it is advantageous if at least one of the sensors records an electrical parameter of the battery, another sensor records the temperature in or on the battery and a third sensor records the pressure or a gas component or gas composition in the vicinity of the battery.
  • the sensors can be designed as separate sensors or as sensors that are partially installed together in a sensor module.
  • the temperature sensors can, for example, measure a cell temperature of the battery, a temperature of a coolant of the battery or a module temperature of a battery module.
  • the sensors for determining the battery's electrical parameters can, for example, measure the cell impedance, the cell voltage or the current supplied by the battery.
  • the interdependent electrical measured variables can be recorded directly on the cell (individual cell voltage, cell impedance), directly on the module (cell-specific charging or discharging current) and at pack level (load current).
  • the pressure sensors can, for example, be installed on a housing wall of a battery cell or on or in a battery module, or installed at pack level. Pressure waves that arise from the opening of safety valves or the explosion of individual cells and spread through a battery module or the entire battery pack can, for example, be very well detected with a dynamic low-pressure sensor. If the pressure wave is detected, this is an early indication of an irregular condition of the battery. In the case of sealed modules, an opening cell can also lead to a prolonged, gradual increase in pressure within a module before a safety valve opens. In this case, a pressure sensor could detect this pressure increase in addition to or as an alternative to a spreading pressure wave. This means that both pressure waves and static pressure increases or pressure drops within a sealed battery module or battery pack can be detected.
  • the gas sensors can be designed to detect the concentration of a gas component (for example H2, CO, CO2) in a gas that is caused by electrolyte leakage or by thermal decomposition of the electrolyte material or other cell components, or the changes in the gas composition in a gas.
  • a gas component for example H2, CO, CO2
  • Gas components that are caused by evaporation, decomposition and/or partial oxidation of electrolytes or other components of the battery from mechanically damaged and/or overheated cells into the ambient air of a battery module or battery pack can be detected with a gas sensor.
  • NMC Nickel-Magnetic-Cobalt is the cathode material of a typical lithium-ion battery
  • electrolytes such as dimethyl carbonate (DMC)
  • ambient air the detection of hydrogen in the environment (“ambient air") of the battery is recommended (for example using a hydrogen sensor, which can be designed as a threshold sensor with 10 ppm H2 as the trigger threshold), but gas sensors can also be used to detect other conductive components, such as undecomposed electrolytes, carbon dioxide, and/or carbon monoxide.
  • ambient air for example using a hydrogen sensor, which can be designed as a threshold sensor with 10 ppm H2 as the trigger threshold
  • gas sensors can also be used to detect other conductive components, such as undecomposed electrolytes, carbon dioxide, and/or carbon monoxide.
  • the particle sensors can detect particles in the gas mixture of the battery, whereby smoke sensors can preferably be used to detect smoke particles.
  • a battery state is understood to mean a state of the battery, which can include an assessment of the current electrical performance, the function of the battery and/or a forecast of the development of the performance or the further course of the battery functionality.
  • Battery state detection also enables a statement to be made about the expected proper operation of the battery in the current mode, as well as the detection of a critical state or damage to the battery. Without being limited to this, this can include in particular a continuous or time-interval assessment of the state of charge (SoC) or the state of health of the battery (SoH: State of Health).
  • SoC state of charge
  • SoH State of Health
  • an operating situation of the battery refers to a state, mode or operating type in which the battery is generally operated, for example a charge state under load, a state when charging or a state when switching off an electrical consumer connected to the battery.
  • the operating situations of the battery basically depend on the type of use of the vehicle and can initially be roughly divided into: situation when the vehicle is moving (D: Drive), situation when the vehicle is parked (P: Park) without charging and situation when the battery is charging (C: Charge).
  • D drive
  • P situation when the vehicle is parked
  • C Charge
  • further differentiations are of course also possible. For example, when charging, a distinction can be made between a quick charge or a normal charge.
  • parking for example, a distinction can be made between a situation in which the vehicle's battery management system is running on or a long-term parking of the vehicle.
  • the operating situation can be recorded by the battery monitoring system, for example, directly using the data transmitted by a control unit (ECU) or corresponding signals from a battery management system.
  • ECU control unit
  • a safety measure is understood to be a measure that is initiated by the battery monitoring system when a critical condition of the battery or a defect in the battery is detected in order to avoid an accident, property damage or impairment of vehicle occupants or persons who could be in the vicinity of the battery.
  • the measure can be initiated directly by the battery monitoring system or indirectly by the battery monitoring system instructing a vehicle control unit to initiate the measure.
  • the battery monitoring system can initiate the measures preferably via the battery management system (BMS) or the vehicle control unit (ECU).
  • BMS battery management system
  • ECU vehicle control unit
  • the measure can in particular consist of activating emergency cooling of the battery, reducing the electrical power consumption from the battery, deactivating individual cells of the battery, disconnecting the battery from a charging station, issuing an alarm to a driver, initiating an emergency stop of a vehicle or similar.
  • the battery monitoring system presented here or the method for monitoring the condition of a battery presented here, advantageously enables a dynamic prioritization of the sensors used for monitoring, resulting in significant improvements compared to the known state of the art.
  • the reliability of the monitoring of the battery condition is thus increased by a situation-dependent prioritization of different Sensors that record different physical measurements and possible data redundancy are greatly improved.
  • the possible data redundancy is advantageous for improved functions for checking the plausibility of the battery status.
  • the sensors can be installed in or on the battery or in the area surrounding the battery. In particular, it is possible to better avoid not reacting at all to a critical battery status ("no alarm” or false negative alarm), or to avoid incorrectly detecting a critical status ("false alarm” or false positive alarm).
  • a critical battery status "no alarm” or false negative alarm)
  • false alarm or false positive alarm
  • the detection means can evaluate the sensor signals from sensors that are assigned to a hierarchy level with a lower priority in a second detection step in order to quantify the critical state of the battery.
  • Quantification is understood to mean recording the individual extent or the specific dynamics of a critical state. For example, it is not only possible to detect a critical state of the battery, but also to better assess the exact type and extent of the state in order to adapt the security measure accordingly. For example, it is possible to better differentiate between a minor malfunction and a state that requires immediate action.
  • the sensors assigned to the highest hierarchy level can be used to record battery states where there is a certain suspicion that a critical state may exist, or where it cannot be ruled out that a critical state exists or will exist soon.
  • the evaluation of the sensor signals from sensors at a lower hierarchy level which are only switched on in case of doubt, can provide clarity here.
  • the battery monitoring system can constantly activate the sensors assigned to a hierarchy level with the highest priority or activate them regularly at predetermined time intervals and only activate sensors assigned to a hierarchy level with a lower priority if the detection means detect in the first detection step that the battery is in a critical state or cannot rule out in the first detection step that the battery is in a critical state.
  • the energy consumption of the battery monitoring system can be optimized. For example, in the "parking" operating situation, the continuous measurement of all cell voltages and temperatures at module level could be associated with a negative, significant energy consumption.
  • these sensors are usually connected via the central control unit of the battery management system, which usually has to actively request the measurements.
  • a pressure sensor or gas sensor can be assigned to the hierarchy level with the highest priority and thus a change in the pressure or gas composition in the atmosphere of the battery module or pack can be detected when parking. If a critical condition is detected, the electrical and thermal sensors can then be activated as level 2 sensors to verify the fault.
  • a predetermined assignment of the sensors to the hierarchy levels can be stored in a memory for different operating situations of the battery. As soon as the detection means detect an operating situation recorded, the corresponding assignment of the sensors to the hierarchy levels is read from the memory and implemented accordingly by the assignment tools.
  • the sensors can also be assigned to at least two different hierarchy levels depending on a predeterminable battery type (where the battery type is defined by the chemistry of the cells and the design of the battery). With different battery types, different processes can occur in the event of a fault.
  • monitoring can be optimally adapted to the battery type.
  • Figure 1 is a schematic view of an electric battery-powered vehicle with a battery monitoring system according to the invention
  • FIG. 1 three different operating situations of the battery of an electric battery-powered vehicle
  • Figure 3 shows an example assignment of different sensors in hierarchy levels with three different priority levels
  • Figure 4 is a flow chart of a method according to the invention for monitoring the condition of a battery.
  • FIG 1 shows a schematic view of an electrically battery-operated vehicle 10 with a battery monitoring system 1 according to the invention.
  • the battery monitoring system can be an integral part of the battery management system, where the sensor evaluation also takes place.
  • the battery monitoring system 1 comprises, for example, an electronic circuit and sensors 3.
  • the vehicle also has a battery 2.
  • the battery 2 consists, for example, of a battery pack that has numerous cells that can be combined in modules. This battery can be the traction battery or drive battery of the vehicle 10, which supplies the energy required to drive the vehicle.
  • the vehicle 10 can also have a control unit 44, which is required for the driving functionality, among other things.
  • the vehicle 10 can also have a battery management system (not shown).
  • reference numeral 31 designates a pressure sensor which is arranged, for example, on a housing wall of the battery 2.
  • the vehicle 10 also has a gas sensor 37 which can detect a concentration of a gas component (for example H2, CO, CO2) or the changes in the gas composition in one or more battery modules of the battery 2.
  • a further gas sensor 34 can detect the concentration of a gas component in the vicinity of the battery 2.
  • a temperature sensor 35 can, for example, detect a temperature of the battery module.
  • a further temperature sensor 36 can, for example, detect the coolant temperature of the battery 2.
  • the sensors 32 and 33 detect electrical parameters of the battery 2, such as the cell impedance, the cell voltage and/or the current strength of the battery 2.
  • the sensor 38 is designed as a particle sensor. All sensors 3 can be installed in or on the battery 2 or the battery pack.
  • the battery monitoring system 1 comprises detection means 11 which detect a currently existing operating situation of the battery 2 which, in the exemplary embodiment shown, is correlated with the driving situation of the vehicle 10.
  • Figure 2 shows three basic operating situations of the vehicle 10.
  • the operating situations are, for example: situation when the vehicle is moving (D: Drive), situation when the vehicle is parked (P: Park) without charging and situation when charging the battery (C: Charge).
  • the recording device 11 can record the current detect the current operating situation P; C; D automatically by evaluating vehicle data or by transmitting corresponding information to it, for example, via the vehicle control unit 44.
  • the battery monitoring system 1 also includes allocation means 12, which allocate all sensors 3 connected to the battery monitoring system 1 to different hierarchy levels.
  • allocation means 12 which allocate all sensors 3 connected to the battery monitoring system 1 to different hierarchy levels.
  • L1 is the highest priority level
  • L3 is the lowest priority level.
  • the allocations can be stored, for example, in a retrievable memory 15 that the allocation means 12 can access.
  • One possible allocation is shown for an exemplary embodiment in Figure 3. This allocation can be specified depending on the battery type.
  • a different allocation table can be stored for a different battery type.
  • the sensor signals of the pressure sensor 31 are assigned to a hierarchy level L1 with the highest priority, while the gas sensors and the particle sensor are assigned to a medium priority L2 and the other sensors 32, 33 and 35, 36 are assigned to a lower hierarchy level L3.
  • the sensors 32, 33 for detecting the electrical parameters are assigned to the highest hierarchy level L1, while the pressure sensor 31 and the gas sensors are assigned to a hierarchy level L2 with a lower priority.
  • the battery monitoring system 1 further comprises detection means 13 which determine from the sensors 3, each assigned to a hierarchy level with the highest priority L1 depending on the operating situation D; C; P, whether a critical state of the battery 2 exists. If this is the case, execution means 14 initiate a safety measure 105.
  • the method carried out by the battery monitoring system 1 for monitoring the state of the battery is examined in more detail with reference to Figure 4.
  • the current operating situation P, C or D is recorded and transmitted to block 102.
  • the allocation table corresponding to the battery type is loaded and in a further process step the sensors 3 are activated depending on the recorded, currently existing operating situation P, C or D is assigned to the corresponding different hierarchy levels, whereby only two are shown here for the sake of simplicity.
  • the assignment for the operating situation D is such that the sensors 32, 33 and 35, 36 are assigned to the hierarchy level with the highest priority L1 and the sensors 31 and 34, 37, 38 are assigned to a hierarchy level with a lower priority L2.
  • a first detection step 103a takes place in which it is determined from the sensors assigned to the hierarchy level with the highest priority L1 whether a critical state of the battery 2 exists. If this is not the case, the detection step 103a can be repeated. If it is detected in the first detection step 103a that a critical state exists, the sensor signals from sensors 3 that are assigned to a hierarchy level with the lower priority L2 (in the example, the pressure sensor 31 and the gas sensors 34, 37) are used in a second detection step 103b to quantify the critical state of the battery 2 in a second detection step 103b.
  • L2 in the example, the pressure sensor 31 and the gas sensors 34, 37
  • a safety measure can consist in particular of activating emergency cooling of the battery, reducing the electrical power consumption from the battery, bridging and/or decoupling individual cells or modules of the battery, disconnecting the battery from a charging station, issuing an alarm to a vehicle driver, initiating an emergency stop of a vehicle or similar.
  • the electrical parameters of the battery system e.g. measured cell-individual voltages and impedances as well as the module current
  • the sensor signals of the temperature sensors 35; 36 are assigned to a hierarchy level with the highest priority L1 and processed as Level 1 sensor data or as primary sensors. Therefore, the continuous battery status assessment takes place during Driving the vehicle, in particular the continuous determination of SoC and SoH on the basis of this Level 1 sensor data.
  • Critical temperature, current and/or cell voltage data provide indications of an impending or already occurring overheating condition in a partition of the battery.
  • the primary task of the battery monitoring system can be to warn the vehicle occupants in the event of thermal runaway of one or more cells within the battery pack.
  • several sensor signals are integrated in hierarchical priority in the evaluation of a thermal event.
  • the sensors 32; 33 for recording the electrical data, e.g. load current and cell voltages, and the temperature sensors 35, 36 for monitoring coolant and module temperatures can therefore be permanently active in order to determine the charge and health status of the battery or the battery pack while driving. These are therefore ideally also used to detect thermal runaway within the battery 2.
  • the pressure sensor 31 and the gas sensors 34, 37 and the particle sensor 38 which register, for example, dynamic pressure changes on a battery module and changes in the gas composition in the air surrounding the battery or smoke particles, can be assigned to a hierarchy level with a lower priority L2 in the operating situation Driving D and are therefore processed as level 2 sensor data.
  • the pressure sensor 31 and/or gas sensors 34; 37 are therefore used with a lower evaluation priority than the level 1 sensors.
  • the pressure sensor In order to detect a pressure threshold that arises when a cell is opened due to the excess pressure inside the cell during a thermal runaway of the battery, it is recommended that the pressure sensor also be operated permanently in this operating mode. Sampling rates of 10 to 100 Hz are conceivable, for example, in order to detect the characteristic pressure increase.
  • a gas sensor could, for example, only be activated as a level 2 sensor after the level 1 sensors (electrical sensors, temperature) have been triggered, or as a level 3 sensor with priority L3 after the pressure sensor has detected an increase in pressure. Therefore, in a slightly modified embodiment, the gas sensors 34; 37 could also be assigned to the hierarchy level with priority L3, unlike what is shown in Figure 3. In an embodiment not shown in the figures, it is also conceivable to evaluate the pressure sensor 31 and/or the gas sensors 34, 37 at the hierarchy level with the highest priority L1 and, for example, to use the electrical data of the sensors 32, 33 only for confirmation. This is particularly advantageous for cell types in which a pressure-related cell membrane or cell valve opening occurs before the thermal runaway can be determined in the electrical data.
  • the sensors can be assigned to the different hierarchy levels depending on a predeterminable battery type T.
  • gas sensors can be prioritized for pouch cells, since trace gases such as hydrogen diffuse through the cell housing at the beginning of a thermal runaway before the cell housing is destroyed due to pressure and can be detected in the battery 2 with a sensitive gas sensor 34; 37. The vehicle can then be put into an emergency mode, which allows the driver to park the vehicle safely.
  • this type of battery can provide a time advantage over the embodiment described above with primary monitoring using electrical sensors.
  • both the electrical sensors 32; 33 and the temperature sensors 35; 36 can be actively used to detect the charging progress and the operating temperature of the battery pack.
  • the pressure sensor 31 and the gas sensors 34; 37 can also be evaluated at the hierarchy level with the highest priority L1, since critical states often occur during charging in many battery types. If a critical state is detected, in addition to a warning message, an interruption of the charging process can be initiated as a safety measure in order to reduce the additional risk from the energy introduced when an (impending) thermal runaway is detected.
  • the pressure sensor 31 is used with the highest priority L1 to detect the opening of a cell as a result of thermal runaway.
  • the sampling rate of the pressure sensor 31 could, for example, be in the range 1 to 20 Hz.
  • the gas sensors 34; 37 and the particle sensor 38 can be used with a lower priority L2 if the pressure sensor detects a critical condition. If a characteristic pressure change is detected and subsequently a change in the gas composition is detected by the gas sensors, the battery monitoring system can, for example, wake up the battery management system in sleep mode via a "wake-up" signal so that the sensor data of the electrical sensors 32, 33 and the temperature sensors 35, 36 become available and can be used as level 3 sensor data.
  • a gas sensor can be used instead of the pressure sensor or in addition to the pressure sensor, which as a level 1 sensor can detect a change in the gas composition in the atmosphere of the battery module or pack. If such a condition is detected, the electrical and thermal sensors can then be activated as level 2 sensors for verification after the battery management system has been alerted.

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Abstract

Der Vorschlag betrifft ein Batterieüberwachungssystem (1) zur Überwachung des Zustands einer Batterie (2), insbesondere einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs (10), wobei das Batterieüberwachungssystem (1) ausgebildet ist, um den Betriebszustand der Batterie (2) durch die Auswertung von Sensorsignalen wenigstens zweier, unterschiedliche physikalische Messgrößen erfassender Sensoren (3) zu überwachen. Abhängig von der erfassten, momentan vorliegenden Betriebssituation P; C; D der Batterie (2) ordnet das Batterieüberwachungssystem (1) die Sensoren unterschiedlichen Hierarchiestufen mit gestaffelten Prioritäten L1; L2; L3 zu und erkennt einen kritischen Zustand der Batterie (2) durch Auswertung der Signale von Sensoren der Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität L1. Weiterhin betrifft der Vorschlag ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie.

Description

Beschreibung
Titel
Baterieüberwachungssystem und Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie
Stand der Technik
Batteriebasierte Antriebssysteme, welche relativ große Batterien verwenden, gewinnen an Bedeutung. Große elektrische Batterien weisen ein Risiko auf, bei einem Defekt eine stark exotherme chemische Reaktion auszulösen. Entsteht in einer Lithium-Ionen-Zelle aufgrund einer mechanischen, elektrischen und/oder thermischen Belastung ein lokaler Kurzschluss der internen Elektroden, beispielsweise durch eine Verunreinigung oder Beschädigung, kann ein Kurzschlussstrom die Umgebung der Schadstelle so weit aufheizen, dass die umliegenden Bereiche in Mitleidenschaft gezogen werden. Dadurch wird die in der Zelle gespeicherte Energie in kurzer Zeit freigesetzt. Dieser Vorgang wird auch als thermisches Durchgehen oder (thermal runaway) bezeichnet. Das thermische Durchgehen einer einzelnen Lithium-Ionen-Zelle dauert gewöhnlich etwa 20 bis 60 Sekunden. Durch die thermische Kopplung einzelner Batteriezellen können zu der schadhaften Zelle benachbarte Zellen ebenfalls thermisch durchgehen, wodurch sich die Hitzeentwicklung dramatisch verstärkt und die gesamte Batterie in wenigen Minuten zerstört werden kann. Daher werden Batterieüberwachungssysteme eingesetzt, welche die funktionale Sicherheit des Batteriebetriebs gewährleisten und einen kritischen Zustand der Batterie, insbesondere einen Schadensfall rechtzeitig erkennen und Gegenmaßnahmen wie beispielsweise die Abkopplung einzelner Zellen, eine Notkühlung oder einen Fahreralarm einleiten.
Aus der DE 102013 218681 A1 ist ein Batterieüberwachungssystem bekannt, das dazu ausgebildet ist, den Betriebszustand der Batterie durch die Auswertung von Sensorsignalen wenigstens zweier, unterschiedliche physikalische Messgrößen erfassender Sensoren zu überwachen, wobei hier Drucksensoren, Temperatursensoren, Spannungssensoren und Stromsensoren eingesetzt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Batterieüberwachungssystem zur Überwachung des Zustands einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, wobei das Batterieüberwachungssystem ausgebildet ist, um den Betriebszustand der Batterie durch die Auswertung von Sensorsignalen wenigstens zweier, unterschiedliche physikalische Messgrößen erfassender Sensoren zu überwachen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Batterieüberwachungssystem wenigstens die folgenden Mittel umfasst:
- Erfassungsmittel, welche eine momentan vorliegende Betriebssituation der Batterie erfassen,
- Zuordnungsmittel, welche die Sensoren wenigstens zwei unterschiedlichen Hierarchiestufen zuordnen, wobei den Hierarchiestufen gestaffelte Prioritäten von einer höchsten Priorität zu einer niedrigsten Priorität zugeordnet sind, wobei die Zuordnung der Sensoren zu den Hierarchiestufen wenigstens abhängig von der mit den Erfassungsmitteln erfassten, momentan vorliegenden Betriebssituation der Batterie erfolgt,
- Erkennungsmittel, welche aus den einer Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität zugeordneten Sensoren in einem ersten Erkennungsschritt ermitteln, ob ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt und
- Ausführungsmittel, welche eine Sicherungsmaßnahme ausführen, falls die Erkennungsmittel erkennen, dass ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs, wobei der Betriebszustand der Batterie durch die Auswertung von Sensorsignalen wenigstens zweier, unterschiedliche physikalische Messgrößen erfassender Sensoren überwacht wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- eine momentan vorliegende Betriebssituation der Batterie erfassen wird,
- die Sensoren wenigstens zwei unterschiedlichen Hierarchiestufen zugeordnet werden, wobei den Hierarchiestufen gestaffelte Prioritäten von einer höchsten Priorität zu einer niedrigsten Priorität zugeordnet sind, wobei die Zuordnung der Sensoren zu den Hierarchiestufen wenigstens abhängig von der erfassten, momentan vorliegenden Betriebssituation der Batterie erfolgt,
- aus den einer Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität zugeordneten Sensoren in einem ersten Erkennungsschritt ermittelt wird, ob ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt,
- und eine Sicherungsmaßnahme ausgeführt wird, falls erkannt wird, dass ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt.
Ohne darauf beschränkt zu sein, ist eine effektive Batterieüberwachung insbesondere in elektrisch, batteriebetriebenen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen eine sehr wichtige Funktion, welche es ermöglichen kann, einen kritischen Zustand oder Schaden einer Traktionsbatterie des Fahrzeugs rechtzeitig zu erkennen. Eine Batterieüberwachung wird in vielen Ländern auch gesetzlich zunehmend eingefordert.
Das Batterieüberwachungssystem kann beispielsweise in ein zur Regelung von Lade- und Entladevorgängen der Batterie vorhandenes Batteriemanagementsystem (BMS) integriert sein oder als separates System mit einer vom Batteriemanagementsystem unabhängigen Energieversorgung und Datenverarbeitung ausgelegt sein, welches beispielsweise in einem Fahrzeug insbesondere auch nachgerüstet werden kann.
Grundsätzlich kann das Batterieüberwachungssystem die Sensordaten von unterschiedlichen Sensoren verwenden, wobei die Sensoren insbesondere ausgewählt sind aus einer Gruppe der folgenden Sensortypen: Temperatursensoren zur Ermittlung einer Temperatur, Sensoren zur Ermittlung von elektrischen Kenngrößen der Batterie, Drucksensoren, Gassensoren und Partikelsensoren. Das Batterieüberwachungssystem kann von jeder der genannten Sensorarten mehrere Sensoren aufweisen. Unabhängig davon sollten wenigstens zwei Sensoren unterschiedliche physikalische Messgrößen erfassen. Besonders bevorzugt ist ein Batterieüberwachungssystem das wenigstens drei unterschiedliche Messgrößen erfassende Sensoren aufweist. Bei drei Sensoren ist es vorteilhaft, wenn wenigstens einer der Sensoren eine elektrische Kenngröße der Batterie erfasst, ein weiterer Sensor die Temperatur in oder an der Batterie erfasst und ein dritter Sensor den Druck oder eine Gaskomponente oder Gaszusammensetzung in der Umgebung der Batterie erfasst. Die Sensoren können als separate Sensoren oder auch als Sensoren ausgebildet sein, die teilweise in einem Sensormodul gemeinsam verbaut sind.
Die Temperatursensoren können beispielsweise eine Zelltemperatur der Batterie, eine Temperatur eines Kühlmittels der Batterie oder eine Modultemperatur eines Batteriemoduls erfassen.
Die Sensoren zur Ermittlung von elektrischen Kenngrößen der Batterie können beispielsweise die Zellimpedanz, die Zellspannung oder die von der Batterie gelieferte Stromstärke erfassen. Die in Abhängigkeit miteinander stehenden elektrischen Messgrößen können direkt an der Zelle (individuelle Zellspannung, Zellimpedanz), direkt am Modul (zellspezifischer Lade- bzw. Entladestrom) sowie auf Packebene (Laststrom) erfasst werden.
Die Drucksensoren können beispielsweise an einer Gehäusewand einer Zelle der Batterie oder an oder in einem Modul der Batterie verbaut sein oder auf Packebene installiert sein. Druckwellen, die durch das Öffnen von Sicherheitsventilen oder die Explosion einzelner Zellen entstehen und sich durch ein Batteriemodul oder den gesamten Batterie-Pack ausbreiten, können beispielsweise sehr gut mit einem dynamischen Niederdrucksensor erfasst werden. Wenn die Druckwelle erkannt wird, ist dies ein früher Hinweis auf einen irregulären Zustand der Batterie. Bei verschlossenen Modulen kann eine sich öffnende Zelle aber auch zu einem länger andauernden allmählichen Druckanstieg innerhalb eines Moduls führen, bevor sich ein Sicherheitsventil öffnet. Hierbei könnte ein Drucksensor zusätzlich oder alternativ zu einer sich ausbreitenden Druckwelle auch diesen Druckanstieg detektieren. Es können also sowohl beispielsweise Druckwellen als auch statische Druckanstiege oder Druckabfälle innerhalb eines verschlossenen Batteriemoduls oder Batterie-Packs erfasst werden.
Die Gassensoren können ausgebildet sein, die Konzentration einer Gaskomponente (beispielsweise H2, CO, CO2) in einem Gas, die durch Elektrolytaustritt oder durch eine thermische Zersetzung des Elektrolytmaterials oder weiterer Zellkomponenten entsteht, oder die Änderungen der Gas- Zusammensetzung in einem Gas zu erkennen. Gaskomponenten, die durch Verdampfung, Zersetzung und/oder teilweiser Oxidation von Elektrolyten oder weiteren Komponenten der Batterie aus mechanisch beschädigten und/oder überhitzten Zellen in die Umgebungsluft eines Batteriemoduls oder Batterie- Packs gelangen, können mit einem Gassensor erfasst werden. Für NMC-Zellen (NMC: Nickel-Maganese-Cobalt ist das Kathodenmaterial eines typischen Lithium-Ionen-Akkumulators) mit Standardelektrolyten wie z.B. Dimethylcarbonat (DMC) bietet sich die Detektion von Wasserstoff in der Umgebung ("ambient air") der Batterie an (beispielsweise mittels eines Wasserstoffsensors, der als Schwellwertsensor mit 10ppm H2 als Auslöseschwelle ausgestaltet ein kann), aber auch Gassensoren zur Erfassung anderer Leitkomponenten sind einsetzbar, wie beispielsweise nicht zersetzter Elektrolyte, Kohlendioxid, und/oder Kohlenmonoxid.
Die Partikelsensoren können Partikel im Gasgemisch der Batterie nachweisen, wobei hier vorzugsweise Rauchsensoren zur Detektion von Rauchpartikeln eingesetzt werden können.
Im Kontext der vorliegenden Anmeldung wird unter einem Batteriezustand ein Zustand der Batterie verstanden, welcher eine Bewertung der momentanen elektrischen Leistungsfähigkeit, der Funktion der Batterie und/oder eine Prognose über die Entwicklung der Leistungsfähigkeit oder des weiteren Verlaufs der Batteriefunktionalität beinhalten kann. Die Batteriezustandserkennung ermöglicht ebenso eine Aussage über den erwarteten ordnungsgemäßen Betrieb der Batterie im vorliegenden Modus, wie das Erkennen eines kritischen Zustands oder Schadfalls der Batterie. Ohne hierauf beschränkt zu sein, kann hierzu insbesondere eine kontinuierliche oder in Zeitintervallen ausgeführte Bewertung des Ladezustands (SoC: State of Charge) oder des Gesundheitszustands der Batterie (SoH: State of Health) zählen.
Im Kontext der vorliegenden Anmeldung wird unter eine Betriebssituation der Batterie ein Zustand, Modus oder eine Betriebsart bezeichnet, in welchem die Batterie grundsätzlich betrieben wird, also beispielsweise ein Ladezustand unter Belastung, ein Zustand beim Aufladen oder ein Zustand beim Abstellen eines an die Batterie angeschlossenen elektrischen Verbrauchers. Im Falle einer Traktionsbatterie eines batteriebetriebenen elektrischen Fahrzeugs (BEV) sind die Betriebssituationen der Batterie grundsätzlich von der Benutzungsart des Fahrzeugs abhängig und können zunächst grob unterteilt werden in: Situation bei fahrendem Fahrzeug (D: Drive), Situation bei parkendem Fahrzeug (P: Park) ohne Aufladung und Situation beim Aufladen der Batterie (C: Charge). Darüber hinaus sind jedoch selbstverständlich auch weitere Differenzierungen möglich. So kann beispielsweise beim Laden zwischen einer Schnellladung oder Normalladung unterschieden werden. Beim Fahren kann beispielsweise zwischen einem Fahrzustand unter Teillast oder Volllast unterschieden werden. Beim Parken kann zum Beispiel unterschieden werden zwischen einer Situation, in weicher ein Nachlauf eines Batteriemanagementsystems des Fahrzeugs erfolgt oder aber ein Langzeitparken des Fahrzeugs. Die Betriebssituation kann von dem Batterieüberwachungssystem beispielsweise direkt, mittels der von einem Steuergerät (ECU) übermittelten Daten oder entsprechender Signale eines Batteriemanagementsystem erfasst werden.
Unter einer Sicherungsmaßnahme wird eine Maßnahme verstanden, die durch das Batterieüberwachungssystem bei einem erkannten kritischen Zustand der Batterie oder bei einem erkannten Schadfall der Batterie eingeleitet wird, um einen Unfall, einen Sachschaden oder eine Beeinträchtigung von Fahrzeuginsassen oder Personen, die sich in der Nähe der Batterie befinden könnten, zu vermeiden. Dabei kann die Maßnahme direkt durch das Batterieüberwachungssystem veranlasst werden oder indirekt, indem das Batterieüberwachungssystem ein Fahrzeugsteuergerät veranlasst, die Maßnahme einzuleiten. Das Batterieüberwachungssystem kann die Maßnahmen vorzugsweise über das Batteriemanagementsystem (BMS) oder das Fahrzeugsteuergerät (ECU) veranlassen. Die Maßnahme kann insbesondere in der Aktivierung einer Notkühlung der Batterie, einer Absenkung der elektrischen Leistungsentnahme aus der Batterie, der Deaktivierung einzelner Zellen der Batterie, einer Trennung der Batterie von einer Aufladestation, einem Alarmhinweis an einen Fahrzeugführer, der Einleitung des Nothalts eines Fahrzeugs oder ähnlichem bestehen.
Vorteile der Erfindung
Das hier vorgestellte Batterieüberwachungssystem, beziehungsweise das hier vorgestellte Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie ermöglicht vorteilhaft eine dynamische Priorisierung der zur Überwachung verwandten Sensoren, woraus signifikante Verbesserungen gegenüber dem bekannten Stand der Technik resultieren. So wird die Zuverlässigkeit der Überwachung des Batteriezustands durch eine situationsabhängige Priorisierung unterschiedlicher Sensoren, welche unterschiedliche physikalische Messgrößen erfassen, sowie eine mögliche Datenredundanz stark verbessert. Die mögliche Datenredundanz, ist vorteilhaft für eine verbesserte Funktionen zur Plausibilisierung des Batteriezustands nutzbar. Die Sensoren können in oder an der Batterie oder im Umgebungsraum der Batterie verbaut sein. Insbesondere ist es möglich, besser zu vermeiden, dass auf einen kritischen Zustand der Batterie überhaupt nicht reagiert wird („no alarm“ bzw. falsch-negativer Alarm), oder aber, dass das ein kritischer Zustand fälschlicher weise erkannt wird („false alarm“ bzw. falschpositiver Alarm). Abhängig von der Betriebssituation der Batterie kann dabei im Einzelfall zunächst nur eine Teilmenge der insgesamt zur Verfügung stehenden Sensoren benutzt werden, wobei beispielsweise vorteilhaft auf Messprinzipien mit geringer Leistungsaufnahme zurückgegriffen werden kann, so dass Energieverbrauch in Betriebssituationen wie beispielsweise beim Parken des Fahrzeuges verringert werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ermöglichen die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale.
So können beispielsweise die Erkennungsmittel, falls in dem ersten Erkennungsschritt erkannt wird, dass ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt, in einem zweiten Erkennungsschritt die Sensorsignale von Sensoren, die einer Hierarchiestufe mit einer niedrigeren Priorität zugeordnet sind, auswerten, um den kritischen Zustand der Batterie zu quantifizieren. Unter einer Quantifizierung wird eine Erfassung des individuellen Ausmaßes oder der speziellen Dynamik eines kritischen Zustandes verstanden. So ist es beispielsweise möglich nicht nur einen kritischen Zustand der Batterie zu erkennen, sondern darüber hinaus auch möglich, die genaue Art und das genaue Ausmaß des Zustandes besser einzuschätzen, um die Sicherungsmaßnahme geeignet anzupassen. So kann beispielsweise zwischen einem wenig problematischen Störfall und einem Zustand, der sofortige Maßnahmen erfordert, besser differenziert werden.
Weiterhin ist es möglich, falls in dem ersten Erkennungsschritt nicht ausgeschlossen werden kann, dass ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt, in einem zweiten Erkennungsschritt die Sensorsignale von Sensoren, die einer Hierarchiestufe mit einer niedrigeren Priorität zugeordnet sind, auszuwerten, um besser zu erkennen, ob ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt. Auf diese Weise können falsch-positive und falsch-negative Alarme besser vermieden werden. So können beispielsweise mit den der höchsten Hierarchiestufe zugeordneten Sensoren solche Batteriezustände erfasst werden, bei denen ein gewisser Verdacht besteht, dass gegebenenfalls ein kritischer Zustand vorliegen könnte, beziehungsweise bei denen nicht ausgeschlossen werden kann, dass ein kritischer Zustand vorliegt oder demnächst vorliegen wird. Die Auswertung der Sensorsignale von Sensoren einer niedrigen Hierarchiestufe, welche im Zweifel erst zugeschaltet werden, kann hier Klarheit verschaffen.
Besonders vorteilhaft zur Schonung des Batterieverbrauchs kann das Batterieüberwachungssystem die einer Hierarchiestufe mit höchster Priorität zugeordneten Sensoren ständig aktivieren oder in vorgegebenen Zeitintervallen regelmäßig aktivieren und Sensoren, die einer Hierarchiestufe mit einer niedrigeren Priorität zugeordnet sind, nur dann aktivieren, wenn die Erkennungsmittel in dem ersten Erkennungsschritt erkennen, dass ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt, oder in dem ersten Erkennungsschritt nicht ausschließen können, dass ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch des Batterieüberwachungssystems optimiert werden. Beispielsweise in der Betriebssituation „Parken“ könnte die kontinuierliche Messung sämtlicher Zellspannungen und der Temperaturen auf Modulebene mit einem negativen signifikanten Energieverbrauch verbunden sein. Zudem sind diese Sensoren in der Regel über die zentrale Steuereinheit des Batteriemanagementsystems angebunden, welche gewöhnlicher Weise die Messungen aktiv anfordern muss. Daher müsste diese selbst regelmäßig aus einem potenziellen Energiesparmodus aktiviert werden. Daher ist vorteilhaft in dieser Betriebssituation eine höhere Priorisierung von solchen Sensoren sinnvoll, die einerseits die Batterie überwachen und die sich andererseits durch einen besonders energiesparenden Betrieb auszeichnen. Beispielsweise kann ein Drucksensor oder Gassensor der Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität zugeordnet werden und so eine Veränderung des Drucks oder der Gaszusammensetzung in der Atmosphäre des Batteriemoduls oder -packs beim Parken detektiert werden. Bei Erkennen eines kritischen Zustands können dann wiederum die elektrischen und thermischen Sensoren als Level-2-Sensoren zur Verifikation des Störfalls aktiviert werden.
Vorteilhaft kann für unterschiedliche Betriebssituationen der Batterie jeweils eine vorgegebene Zuordnung der Sensoren zu den Hierarchiestufen in einem Speicher hinterlegt sein. Sobald die Erfassungsmittel eine Betriebssituation erfasst haben, wird die entsprechende Zuordnung der Sensoren zu den Hierarchiestufen aus dem Speicher ausgelesen und von den Zuordnungsmitteln entsprechend umgesetzt.
Vorteilhaft können die Sensoren zusätzlich den wenigstens zwei unterschiedlichen Hierarchiestufen in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Batterietyp (wobei der Batterietyp durch die Chemie der Zellen und die Bauform der Batterie definiert wird) zugeordnet werden. Bei unterschiedlichen Batterietypen können bei einem Störfall unterschiedliche Abläufe auftreten.
Dadurch, dass der Batterietyp berücksichtigt wird, kann die Überwachung optimal an den Batterietyp angepasst werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden mögliche Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines elektrisch batteriebetriebenen Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystem,
Figur 2 drei unterschiedliche Betriebssituationen der Batterie eines elektrisch batteriebetriebenen Fahrzeugs,
Figur 3 eine beispielhafte Zuordnung unterschiedlicher Sensoren in Hierarchieebenen mit drei unterschiedlichen Prioritätsstufen,
Figur 4 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung des Zustands einer Batterie.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines elektrisch batteriebetriebenen Fahrzeugs 10 mit einem erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystem 1. Das Batterieüberwachungssystem kann integraler Bestandteil des Batteriemanagementsystems sein, wo auch die Sensorauswertung erfolgt. Das Batterieüberwachungssystem 1 umfasst beispielsweise eine elektronische Schaltung und Sensoren 3. Das Fahrzeug weist weiterhin eine Batterie 2 auf. Die Batterie 2 besteht zum Beispiel aus einem Batterie-Pack, der zahlreiche Zellen aufweist, welche in Modulen zusammengefasst sein können. Bei dieser Batterie kann es sich um die Traktionsbatterie beziehungsweise Antriebsbatterie des Fahrzeugs 10 handeln, welche die für den Fahrzeugantrieb benötigte Energie liefert. Das Fahrzeug 10 kann außerdem ein Steuergerät 44 aufweisen, welches unter anderem für die Fahrfunktionalität benötigt wird. Außerdem kann das Fahrzeug 10 ein nicht dargestelltes Batteriemanagementsystem aufweisen.
In Figur 1 ist mit dem Bezugszeichen 31 ein Drucksensor bezeichnet, der beispielweise an einer Gehäusewand der Batterie 2 angeordnet ist. Weiterhin weist das Fahrzeug 10 einen Gassensor 37 auf, welcher eine Konzentration einer Gaskomponente (beispielsweise H2, CO, CO2) oder die Änderungen der Gas-Zusammensetzung in einem oder mehreren Batteriemodulen der Batterie 2 nachweisen kann. Außerdem kann ein weiterer Gassensor 34 die Konzentration einer Gaskomponente in der Umgebung der Batterie 2 erkennen. Ein Temperatursensor 35 kann beispielsweise eine Temperatur des Batteriemoduls erfassen. Ein weiterer Temperatursensor 36 kann beispielsweise die Kühlmitteltemperatur der Batterie 2 erfassen. Die Sensoren 32 und 33 erfassen elektrische Kenngrößen der Batterie 2, wie die Zellimpedanz, die Zellspannung und/oder die Stromstärke der Batterie 2. Der Sensor 38 ist als Partikelsensor ausgebildet. Sämtliche Sensoren 3, können in oder an der Batterie 2 beziehungsweise dem Batterie-Pack verbaut sein.
Wie in Figur 1 weiterhin dargestellt ist, umfasst das Batterieüberwachungssystem 1 Erfassungsmittel 11 , welche eine momentan vorliegende und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Fahrsituation des Fahrzeugs 10 korrelierte Betriebssituation der Batterie 2 erfassen. In Figur 2 sind drei grundlegende Betriebssituationen des Fahrzeugs 10 dargestellt.
Die Betriebssituationen sind beispielsweise: Situation bei fahrendem Fahrzeug (D: Drive), Situation bei parkendem Fahrzeug (P: Park) ohne Aufladung und Situation beim Aufladen der Batterie (C: Charge). Darüber hinaus sind wie oben beschrieben, jedoch selbstverständlich auch weitere Differenzierungen möglich, welche hier nicht dargestellt sind. Das Erfassungsmittel 11 kann die aktuelle vorliegende Betriebssituation P; C; D durch Auswertung von Fahrzeugdaten selbsttätig erfassen oder dadurch erfassen, dass ihm eine entsprechende Information beispielsweise durch das Fahrzeugsteuergerät 44 übermittelt wird.
Weiterhin umfasst das Batterieüberwachungssystem 1 Zuordnungsmittel 12, welche alle an das Batterieüberwachungssystem 1 angeschlossene Sensoren 3 unterschiedlichen Hierarchiestufen zuordnet. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich beispielsweise um drei Hierarchiestufen mit gestaffelten Prioritäten L1 bis L3, wobei L1 die höchste Prioritätsstufe und L3 die niedrigste Prioritätsstufe ist. Natürlich können auch mehr als drei Prioritätsstufen oder nur zwei vorliegen. Die Zuordnungen können beispielsweise in einem abrufbaren Speicher 15 hinterlegt sein, auf den die Zuordnungsmittel 12 zugreifen können. Eine mögliche Zuordnung ist für ein Ausführungsbeispiel in Figur 3 dargestellt. Diese Zuordnung kann abhängig vom Batterietyp vorgegeben sein. Für einen anderen Batterietyp kann eine andere Zuordnungstabelle hinterlegt sein. In dem dargestellten Beispiel sind beispielsweise in der Betriebssituation P für Parken, die Sensorsignale des Drucksensors 31 einer Hierarchiestufe L1 mit der höchsten Priorität zugeordnet, während die Gassensoren und der Partikelsensor einer mittleren Priorität L2 und die übrigen Sensoren 32, 33 und 35, 36 einer niedrigeren Hierarchiestufe L3 zugeordnet sind. In der Betriebssituation D für Fahren sind dagegen die Sensoren 32, 33 zur Erfassung der elektrischen Kenngrößen der höchsten Hierarchiestufe L1 zugeordnet, während der Drucksensor 31 und die Gassensoren einer Hierarchiestufe L2 mit niedrigerer Priorität zugeordnet sind.
Das Batterieüberwachungssystems 1 weist weiterhin Erkennungsmittel 13 auf, welche aus den abhängig von der Betriebssituation D; C; P jeweils einer Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität L1 zugeordneten Sensoren 3 ermitteln, ob ein kritischer Zustand der Batterie 2 vorliegt. Falls dies der Fall ist, veranlassen Ausführungsmittel 14 eine Sicherungsmaßnahme 105.
Das von dem Batterieüberwachungssystem 1 durchgeführte Verfahren zur Überwachung des Zustands der Batterie wird anhand der Figur 4 eingehender betrachtet. In dem Block 101 wird die aktuelle Betriebssituation P, C oder D erfasst und an den Block 102 übertragen. Im Block 102 wird in Abhängigkeit von dem Batterietyp T die dem Batterietyp entsprechende Zuordnungstabelle geladen und in einem weiteren Verfahrensschritt die Sensoren 3 abhängig von der erfassten, momentan vorliegenden Betriebssituation P, C oder D den entsprechenden unterschiedlichen Hierarchiestufen zugeordnet, wobei hier der Einfachheit halber nur zwei dargestellt sind. Beispielsweise erfolgt die Zuordnung für die Betriebssituation D derart, dass die Sensoren 32, 33 und 35, 36 der Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität L1 und die Sensoren 31 und 34, 37, 38 einer Hierarchiestufe mit einer niedrigeren Priorität L2 zugeordnet werden.
In dem Block 103 in Figur 4 erfolgt zunächst eine erster Erkennungsschritt 103a, in dem aus den der Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität L1 zugeordneten Sensoren ermittelt wird, ob ein kritischer Zustand der Batterie 2 vorliegt. Ist dies nicht der Fall kann der Erkennungsschritt 103a wiederholt werden. Wird in dem ersten Erkennungsschritt 103a erkannt, dass ein kritischer Zustand vorliegt, so werden der Sensorsignale von Sensoren 3, die einer Hierarchiestufe mit der niedrigeren Priorität L2 zugeordnet sind (also im Beispiel der Drucksensor 31 und die Gassensoren 34, 37) in einem zweiten Erkennungsschritt 103b dazu herangezogen, den kritischen Zustand der Batterie 2 in einem zweiten Erkennungsschritt 103b zu quantifizieren.
Sodann werden in dem letzten Block 104 eine oder mehrere Sicherungsmaßnahmen 105 ausgeführt. Eine Sicherungsmaßnahme kann abhängig von dem Signal des Blocks 103b insbesondere in der Aktivierung einer Notkühlung der Batterie, einer Absenkung der elektrischen Leistungsentnahme aus der Batterie, einer Überbrückung und/oder Abkopplung einzelner Zellen oder Module der Batterie, einer Trennung der Batterie von einer Aufladestation, einem Alarmhinweis an einen Fahrzeugführer, der Einleitung des Nothalts eines Fahrzeugs oder ähnlichem bestehen.
Aus den obigen Darstellungen ergibt sich, dass eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsmöglichkeiten besteht.
In dem obigen Ausführungsbeispiel werden beispielsweise, falls die Betriebssituation Fahren D vorliegt, die elektrischen Kenngrößen des Batteriesystems (z.B. gemessene zellindividuelle Spannungen und Impedanzen sowie der Modulstrom) gemeinsam mit den Sensorsignalen der Temperatursensoren 35; 36 einer Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität L1 zugeordnet und als Level- 1 -Sensordaten beziehungsweise als primäre Sensoren verarbeitet. Daher erfolgt die kontinuierliche Batteriezustandsbewertung beim Fahren des Fahrzeuges, insbesondere die kontinuierliche Ermittlung von SoC und SoH auf der Basis dieser Level- 1 -Sensordaten. Dabei geben kritische Temperatur-, Strom- und/oder Zellspannungsdaten Hinweise auf einen sich anbahnenden oder erfolgten Überhitzungszustand in einer Partition der Batterie. In der Betriebssituation Fahren D kann die primäre Aufgabe des Batterieüberwachungssystems darin bestehen, die Fahrzeuginsassen im Falle eines thermischen Durchgehens einer oder mehrere Zellen innerhalb des Batteriepacks zu warnen. Um dabei eine falsch-positive Erkennung zu vermeiden, sind mehrere Sensorsignale in hierarchischer Priorität in die Bewertung eines thermischen Events eingebunden. In der Betriebssituation Fahren D können daher die Sensoren 32; 33 zur Erfassung der elektrischen Daten, also z.B. Laststrom und Zellspannungen, sowie die Temperatursensoren 35, 36 zur Überwachung von Kühlmittel- und Modultemperaturen dauerhaft aktiv sein, um den Lade- und Gesundheitszustand der Batterie, beziehungsweise des Batterie-Packs während der Fahrt zu ermitteln. Diese werden also idealerweise auch herangezogen, um ein thermisches Durchgehen innerhalb der Batterie 2 zu erkennen.
Der Drucksensor 31 und die Gassensoren 34, 37 und der Partikelsensor 38, die beispielsweise dynamische Druckänderungen an einem Batteriemodul und Veränderung der Gaszusammensetzung in der Umgebungsluft der Batterie oder Rauchpartikel registrieren, können in der Betriebssituation Fahren D einer Hierarchiestufe mit niedrigerer Priorität L2 zugeordnet sein und werden daher als Level-2-Sensordaten verarbeitet. Der Drucksensor 31 und/oder Gassensoren 34; 37 werden also mit geringerer Auswertepriorität herangezogen als die Level-1- Sensoren. Um eine entstehende Druckschwelle beim Öffnen einer Zelle durch den zellinternen Überdruck während eines thermischen Durchgehens der Batterie zu erfassen, ist es empfehlenswert, auch den Drucksensor in diesem Betriebsmodus dauerhaft zu betreiben. Dabei sind z.B. Abtastraten von 10 bis 100 Hz denkbar, um den charakteristischen Druckanstieg zu detektieren. Ein Gassensor hingegen könnte beispielsweise erst nach dem Auslösen der Level-1- Sensoren (elektrische Sensoren, Temperatur) als Level-2-Sensor oder auch nach Erkennen eines Druckanstiegs durch den Drucksensor als Level-3-Sensor mit Priorität L3 aktiviert werden. Daher könnten beispielsweise anders als in Figur 3 gezeigt in einer leicht abgewandelten Ausführungsform die Gassensoren 34; 37 auch der Hierarchiestufe mit der Priorität L3 zugeordnet werden. In einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist es aber auch denkbar, den Drucksensor 31 und/oder die Gassensoren 34, 37 auf der Hierarchieebene mit der höchsten Priorität L1 auszuwerten und beispielsweise die elektrischen Daten der Sensoren 32, 33 nur zur Bestätigung heranzuziehen. Das ist insbesondere bei Zelltypen von Vorteil, bei denen eine druckbedingte Zellmembran- oder Zellventil-Öffnung auftritt, bevor sich das thermische Durchgehen in den elektrischen Daten feststellen lässt. Wie oben beschriebenen können die Sensoren den unterschiedlichen Hierarchiestufen in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Batterietyp T zugeordnet werden. So können beispielsweise für Pouch-Zellen Gassensoren priorisiert werden, da noch vor einer druckbedingten Zerstörung des Zellgehäuses Spurengase wie Wasserstoff zu Beginn eines thermischen Durchgehens durch das Zellgehäuse diffundieren und in der Batterie 2 mit einem sensitiven Gassensor 34; 37 nachgewiesen werden können. So kann das Fahrzeug anschließend in einen Notlaufmodus versetzt werden, welcher dem Fahrer das sichere Abstellen des Fahrzeugs ermöglicht. Durch die Priorisierung von Drucksensoren und/oder Gassensoren kann sich für diesen Batterietyp ein Zeitvorteil gegenüber der oben beschriebenen Ausführungsform mit einer primären Überwachung mittels der elektrischen Sensoren ergeben.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel können in der Betriebssituation Laden C sowohl die elektrischen Sensoren 32; 33 sowie die Temperatursensoren 35; 36 für das Erkennen des Ladefortschritts sowie die Betriebstemperatur des Batteriepacks aktiv herangezogen werden. Im Unterschied zum Fahrmodus können beispielsweise in der Betriebssituation Laden C auch der Drucksensor 31 und die Gassensoren 34; 37 auf der Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität L1 ausgewertet werden, da kritische Zustände bei vielen Batterietypen oft beim Laden auftreten. Falls ein kritischer Zustand erkannt wird, kann hier zusätzlich zu einer Warnmeldung eine Unterbrechung des Ladevorgangs als Sicherungsmaßnahem eingeleitet werden, um bei Erkennen eines (bevorstehenden) thermischen Durchgehens das zusätzliche Risiko durch die eingebrachte Energie zu verringern.
Wie oben bereits ausgeführt muss in der Betriebssituation Parken P beachtet werden, dass die kontinuierliche Messung sämtlicher Zellspannungen und der Temperaturen auf Modulebene mit einem signifikanten Energieverbrauch verbunden sein kann. Zudem werden solche Sensoren in der Praxis auch oft über die zentrale Steuereinheit des Batteriemanagementsystems angebunden, welche die Messungen aktiv anfordern muss. Somit müsste auch die zentrale Steuereinheit des Batteriemanagementsystems regelmäßig aus einem potenziellen „low power“-Modus erwachen. In der Betriebssituation Parken P ist es jedoch erforderlich, einen möglichst geringen Energieverbrauch zu erreichen, um eine lange Betriebsdauer mit der Versorgungsbatterie zu ermöglichen. In diesem Fall ist daher eine höhere Priorisierung von zusätzlichen Sensoren sinnvoll, die autonom die Batterie überwachen und/oder sich durch einen besonders energiesparenden Betrieb auszeichnen. So wird in dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 beispielsweise der Drucksensor 31 mit höchster Priorität L1 eingesetzt, um das Öffnen einer Zelle infolge eines thermischen Durchgehens zu erfassen. Dabei könnte die Abtastrate des Drucksensors 31 beispielsweise im Bereich 1 bis 20 Hz liegen. Die Gassensoren 34; 37 und der Partikelsensor 38 können mit niedrigerer Priorität L2 herangezogen werden, falls der Drucksensor einen kritischen Zustand erkennt. Wird eine charakteristische Druckänderung erkannt und anschließend eine Änderung der Gaszusammensetzung durch die Gassensoren detektiert, kann das Batterieüberwachungssystem beispielsweise über ein „wake-up“ Signal das im sleep-Modus befindliche Batterie-Management-System aufwecken, so dass die Sensordaten der elektrischen Sensoren 32, 33 und der Temperatursensoren 35, 36 verfügbar werden und als Level-3-Sensordaten herangezogen werden können.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in Figur 3 nicht dargestellt ist, kann anstatt des Drucksensors oder zusätzlich zu dem Drucksensor auch ein Gassensor herangezogen werden, der als Level-1 -Sensor eine Veränderung der Gaszusammensetzung in der Atmosphäre des Batteriemoduls oder -packs wahrnehmen kann. Bei Erkennen eines solchen Zustands können dann wiederum nach dem Alarmieren des Batteriemanagementsystems die elektrischen und thermischen Sensoren als Level-2-Sensoren zur Verifikation aktiviert werden.

Claims

Ansprüche
1 . Batterieüberwachungssystem (1) zur Überwachung des Zustands einer Batterie (2), insbesondere einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs (10), wobei das Batterieüberwachungssystem (1) ausgebildet ist, um den Betriebszustand der Batterie (2) durch die Auswertung von Sensorsignalen wenigstens zweier, unterschiedliche physikalische Messgrößen erfassender Sensoren (3) zu überwachen, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterieüberwachungssystem (1) wenigstens die folgenden Mittel umfasst:
Erfassungsmittel (11), welche eine momentan vorliegende Betriebssituation (P; C; D) der Batterie (2) erfassen, Zuordnungsmittel (12), welche die Sensoren (3) wenigstens zwei unterschiedlichen Hierarchiestufen zuordnen, wobei den Hierarchiestufen gestaffelte Prioritäten (L1 ; L2; L3) von einer höchsten Priorität (L1) zu einer niedrigsten Priorität (L3) zugeordnet sind, wobei die Zuordnung der Sensoren (3) zu den Hierarchiestufen wenigstens abhängig von der mit den Erfassungsmitteln (11) erfassten, momentan vorliegenden Betriebssituation (P; C; D) der Batterie (2) erfolgt, Erkennungsmittel (13), welche aus den einer Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität (L1) zugeordneten Sensoren (3) in einem ersten Erkennungsschritt (103a) ermitteln, ob ein kritischer Zustand der Batterie (2) vorliegt und
- Ausführungsmittel (14), welche eine Sicherungsmaßnahme (105) ausführen, falls die Erkennungsmittel (13) erkennen, dass ein kritischer Zustand der Batterie (2) vorliegt.
2. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungsmittel (13), falls in dem ersten Erkennungsschritt (103a) erkannt wird, dass ein kritischer Zustand der Batterie (2) vorliegt, in einem zweiten Erkennungsschritt (103b) die Sensorsignale von Sensoren (3), die einer Hierarchiestufe mit einer niedrigeren Priorität (L2; L3) zugeordnet sind, auswerten, um den kritischen Zustand der Batterie (2) zu quantifizieren, oder falls in dem ersten Erkennungsschritt (103a) nicht ausgeschlossen werden kann, dass ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt, in einem zweiten Erkennungsschritt (103b) die Sensorsignale von Sensoren, die einer Hierarchiestufe mit einer niedrigeren Priorität (L2; L3) zugeordnet sind, auswerten, um zu erkennen, ob ein kritischer Zustand der Batterie (2) vorliegt. Batterieüberwachungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterieüberwachungssystem (1) die einer Hierarchiestufe mit höchster Priorität (L1) zugeordneten Sensoren (3) ständig aktiviert oder in vorgegebenen Zeitintervallen regelmäßig aktiviert und Sensoren (3), die einer Hierarchiestufe mit einer niedrigeren Priorität (L2; L3) zugeordnet sind, nur dann aktiviert, wenn die Erkennungsmittel in dem ersten Erkennungsschritt (103a) erkennen, dass ein kritischer Zustand der Batterie (2) vorliegt, oder in dem ersten Erkennungsschritt (103a) nicht ausschließen können, dass ein kritischer Zustand der Batterie (2) vorliegt. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Betriebssituationen (P; C; D) der Batterie (2) jeweils eine vorgegebene Zuordnung der Sensoren (3) zu den Hierarchiestufen in einem Speicher (15) hinterlegt sind. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnungsmittel (12) die Sensoren (3) den wenigstens zwei unterschiedlichen Hierarchiestufen in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Batterietyp (T) zuordnen. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (2) eine Traktionsbatterie eines elektrischen, batteriebetriebenen Fahrzeugs (10) ist und dass die Erfassungsmittel (11) wenigstens drei unterschiedliche Betriebssituationen (P; C; D) der Batterie bei fahrendem Fahrzeug (D), parkendem Fahrzeug (P) und Fahrzeug beim Aufladen (C) der Batterie (2) erkennen. Batterieüberwachungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (3) ausgewählt sind aus einer Gruppe der folgenden Sensortypen: Temperatursensoren (35; 36) zur Ermittlung einer Temperatur, insbesondere einer Zelltemperatur der Batterie, einer Kühlmitteltemperatur der Batterie oder einer Modultemperatur der Batterie (2),
Sensoren (32; 33) zur Ermittlung von elektrischen Kenngrößen der Batterie, insbesondere der Zellimpedanz, der Zellspannung, oder einer Stromstärke, Drucksensoren (31), insbesondere Drucksensoren, welche an einer Gehäusewand einer Zelle der Batterie (2) oder an oder in einem Modul der Batterie verbaut sind,
Gassensoren (34; 37), welche dazu ausgebildet sind, die Konzentration einer Gaskomponente in einem Gas oder die Änderungen der Gas- Zusammensetzung in einem Gas zu erkennen,
Partikelsensoren (38), insbesondere Rauchsensoren, welche Partikel im Gasgemisch der Batterie erkennen. Batterieüberwachungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Batterieüberwachungssystem (1), wenigstens einen Sensor (32; 33) zur Ermittlung elektrischer Kenngrößen der Batterie (2), wenigstens einen Temperatursensor (35; 36) und wenigstens einen als Drucksensor (31) und/oder Gassensor (34; 37) ausgebildeten weiteren Sensor aufweist. Verfahren zur Überwachung des Zustands einer Batterie (2), insbesondere einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs (10), wobei der Betriebszustand der Batterie durch die Auswertung von Sensorsignalen wenigstens zweier, unterschiedliche physikalische Messgrößen erfassender Sensoren (3) überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine momentan vorliegende Betriebssituation (P; C; D) der Batterie (2) erfassen wird, die Sensoren (3) wenigstens zwei unterschiedlichen Hierarchiestufen zugeordnet werden, wobei den Hierarchiestufen gestaffelte Prioritäten (L1; L2; L3) von einer höchsten Priorität (L1) zu einer niedrigsten Priorität (L3) zugeordnet sind, wobei die Zuordnung der Sensoren (3) zu den Hierarchiestufen wenigstens abhängig von der erfassten, momentan vorliegenden Betriebssituation (P; C; D) der Batterie (2) erfolgt, aus den einer Hierarchiestufe mit der höchsten Priorität (L1) zugeordneten Sensoren in einem ersten Erkennungsschritt (103a) ermittelt wird, ob ein kritischer Zustand der Batterie (2) vorliegt, eine Sicherungsmaßnahme (105) ausgeführt wird, falls erkannt wird, dass ein kritischer Zustand der Batterie (2) vorliegt. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einer Hierarchiestufe mit höchster Priorität (L1) zugeordneten Sensoren (3) ständig aktiviert oder in vorgegebenen Zeitintervallen regelmäßig aktiviert werden und Sensoren (3), die einer Hierarchiestufe mit einer niedrigeren Priorität (L2; L3) zugeordnet sind, nur dann aktiviert, wenn in dem ersten Erkennungsschritt (103a) erkannt wird, dass ein kritischer Zustand der Batterie vorliegt, oder in dem ersten Erkennungsschritt (103a) nicht ausgeschlossen werden kann, dass ein kritischer Zustand der Batterie (2) vorliegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Betriebssituationen (P; C; D) der Batterie (2) jeweils eine vorgegebene Zuordnung der Sensoren (3) zu den Hierarchiestufen verwandt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2) den wenigstens zwei unterschiedlichen Hierarchiestufen in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Batterietyp (T) zugeordnet werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (2) eine Traktionsbatterie eines elektrischen, batteriebetriebenen Fahrzeugs (10) ist und dass wenigstens drei unterschiedliche Betriebssituationen (P; C; D) der Batterie (2) bei fahrendem Fahrzeug (D), parkendem Fahrzeug (P) und Fahrzeug beim Aufladen der Batterie (C) erkannt wird.
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