WO2013152907A1 - Verfahren und vorrichtung zum lokalisieren eines defekts in einem elektrochemischen speicher und defektlokalisierungssystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum lokalisieren eines defekts in einem elektrochemischen speicher und defektlokalisierungssystem Download PDF

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WO2013152907A1
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tempering
electrochemical
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subarea
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Dirk Liemersdorf
Jens Grimminger
Kathy Sahner
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method of locating a defect in an electrochemical store, a device for locating a defect in an electrochemical store, a corresponding defect locating system and a corresponding computer program product.
  • the present invention provides a method for localizing a defect in an electrochemical store, a device tion using this method, a defect localization system and finally a corresponding computer program product according to the main claims presented.
  • Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.
  • Safety-critical damage to accumulators always manifests itself in leakage of cell components from an electrochemical store, be it through a leaking cell housing - eg. B. by a hairline crack - or by opening a cell by internal overpressure - z. B. by bursting a predetermined breaking point. If the damage is noticed in time, targeted damage can often prevent further damage. So z. As a cell with electrolyte loss by a hairline crack faster than a cell with intact housing, since their internal resistance increases more. This leads to a higher temperature load on the damaged cell. The earlier a damage is reliably detected, the more moderate are the countermeasures to be initiated, eg. B. an exchange of a defective module with regular maintenance.
  • the concept presented here is based on a controlled temperature control of portions of the electrochemical storage in order to increase an internal pressure of the same. If a cell is defective, there is an increased or at least altered exit of cell components, typically electrolyte, which can then be detected by the associated sensor arrangement. By correlating a sensor signal with the cell manipulation, the leaking cell or a module of the electrochemical store having the defective cell can be unambiguously identified and replaced or repaired during maintenance.
  • a sensor array in the electrochemical storage or in the battery pack which responds to a leaked component in the battery pack in total, are suitably supported by the defective cell or the defective module can be located clearly.
  • the approach proposed here can limit the risk of a complete breakdown after a cell defect, since a use of the detection system proposed here can warn in good time against a possible malfunction of the electrochemical store.
  • the warning function can take place as early as possible, namely at the first sign of an irregularity and clearly before overheating of the electrochemical storage.
  • the present invention provides a method of locating a defect in an electrochemical store, the method comprising the steps of:
  • the method may be performed in conjunction with a device for locating a defect in an electrochemical store, which may be installed in a vehicle, for example.
  • the electrochemical storage can be used to drive an electric vehicle or hybrid vehicle and consist in a combined into a battery pack plurality of galvanic cells for the conversion of chemical into electrical energy.
  • the defect can be a leakage, z. B. a hairline crack in a wall of a galvanic cell or a breakage of a predetermined breaking point of the galvanic cell, act.
  • the defect can cause the function of the electrochemical storage impairing leakage of cell components or components of one or more of the galvanic cells.
  • the component which has emerged from the galvanic cell (s) may, for example, be a component or constituents of an electrolyte arranged inside the galvanic cell.
  • the electrochemical storage may be merely a galvanic cell or a module of the electrochemical storage formed by combining several galvanic cells.
  • the tempering may be a specific to the sub-area concerned
  • Tempering act may be exempted from the other parts of the parts of the electrochemical storage.
  • the tempering can cause a temperature increase in the partial area, which is sufficient to increase the internal pressure in the partial area so that a component leakage from a possible leakage within the partial area can be reliably detected.
  • the tempering may also cause a temperature reduction in the portion sufficient to lower the internal pressure in the portion sufficiently to reduce component leakage from possible leakage within the portion, thereby reducing a concentration change of the component in the portion or is changed and thereby easily detectable.
  • the internal pressure may be a pressure inside a galvanic cell on a housing thereof.
  • the exit of a component from the subregion can be detected, for example, by means of a sensor which is located in a flow path of a fluid flowing through the electrochemical accumulator and having leaked components, e.g. B. a cooling fluid can be arranged.
  • the sensor may be located inside or outside the electrochemical store and detect the leaked component by responding to a chemical or physical property thereof.
  • the measured value can be information about the detection of the component or also about a
  • the localization step may be e.g. Example, by comparing the detected measured value with the comparison value, realized to check whether the measured value is in the predetermined relation to the comparison value or not.
  • the comparison value can be z. B. be deposited in the device.
  • a suitable algorithm can be used.
  • the method may comprise a step of tempering at least one further subarea of the electrochemical feedstock.
  • a step of detecting at least one further measured value which represents an exit of a component from the further subarea in response to the changed internal pressure of the further subarea, and a step of locating the defect in the at least a further subarea when the at least one further measured value is in a predetermined relation to the comparison value.
  • the present invention further provides an apparatus for locating a defect in an electrochemical store, the apparatus having the following features: an interface for outputting a tempering signal for tempering a subarea and / or at least one further subarea of the electrochemical store to an internal pressure of the subarea and / or the at least one further subarea in response to the Temper michssignal to change; an interface for reading in a measured value which represents an exit of a component from the partial area taking place in response to the changed internal pressure of the partial area and / or for reading in at least one further measured value which results in a component exiting in response to the changed internal pressure of the at least one further partial area from the at least one further subregion represented; and an interface for outputting a localization information about a localization of the defect in the subarea, if the measured value is in a predetermined relation to a comparison value, and / or a localization information about a localization of the defect in the at least one further subarea, if the at least one further Measured value is in a predetermined
  • the device can be designed to carry out or implement the steps of the method according to the invention in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.
  • a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon.
  • the interfaces of the device can be designed in hardware and / or software.
  • the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device.
  • the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components.
  • the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
  • the device may be here z. B. act to a control unit of a vehicle.
  • the present invention further provides a defect locating system comprising: a device according to any one of the preceding embodiments; and a tempering device for tempering the partial region or the at least one further partial region in response to the tempering signal.
  • the defect localization system can be used, for example, in an electric or hybrid vehicle for functional control of a drive accumulator of the vehicle.
  • the tempering device may be connected to the subregion and / or to the at least one further subregion of the electrochemical
  • the tempering device can be designed to passively or externally temper one or more galvanic cells of the subarea or of the further subarea from the outside or actively by applying a load to the electrolyte arranged inside the cell housing.
  • the tempering device may have a circuit device for interconnecting the subregion and the at least one further subregion of the electrochemical memory in different interconnection states. In this case, in a first interconnection state, the subarea and the further subarea can be arranged in a load path that can be acted upon by an electrical current, and in a second interconnection state only the subarea can be arranged in the load path that can be acted upon by an electrical current.
  • a third subarea of the electrochemical memory may be arranged in the load path which can be acted upon by an electric current
  • a fourth subarea of the electrochemical memory may be arranged in the load path which can be acted upon by an electrical current.
  • the interconnection device may have a plurality of electrical conductors and a plurality of switches, wherein at least one galvanic cell of the subarea and / or of the further subarea and / or of the third subarea and / or of the fourth subarea of the electrochemical accumulator one of the electrical conductors can be electrically connected.
  • the electrical conductors and switches can be coupled to one another such that, depending on the selected interconnection state, different combinations of interrupted or existing connections between different subregions can be implemented successively.
  • the subregions arranged in a load path or a single subarea arranged in a load path can or can be subjected to a current load in order to temper these subregions or the subarea in a targeted manner and to check for a component outlet.
  • This embodiment offers the advantage that the various combinations of the subregions of the electrochemical store virtually permit an exclusion method in the defect search, so that a defective galvanic cell or a defective cell module can be detected particularly quickly and with a low expenditure of energy.
  • the tempering device may have a heating resistor and / or a cooling device, which is the part of the rich associated with the electrochemical storage, and / or at least one further heating resistor and / or a further cooling device, which is associated with the at least one further portion of the electrochemical storage.
  • the tempering device can be designed to apply a current load to the heating resistor and / or the cooling device or the at least one further heating resistor and / or the further cooling device based on the tempering signal.
  • the heating resistor or the further heating resistor and / or the cooling device or the further cooling device may be formed of a material having a high thermal conductivity and a module associated with the heating resistor or further heating resistor and / or the cooling device or the further cooling device. surrounding an associated galvanic cell of the electrochemical storage in the form of a jacket.
  • a current flow in the heating resistor or further heating resistor and / or the cooling device or the further cooling device can be released so that it can temper and the heat or cold can be transferred to the corresponding cell housing.
  • the tempering from the outside the internal pressure inside the cell can be increased appropriately.
  • the tempering signal can first be output for the subarea and then for the further subarea and then again for subsequent subsections of the electrochemical store, so that in this way the entire electrochemical store can be successively searched for defects.
  • the tempering device may be coupled to a fluid channel for controlling the temperature of the subarea and / or to at least one further fluid channel for tempering the at least one further subarea.
  • the tempering device can be designed to charge the fluid channel or the at least one further fluid channel with a tempered fluid based on the tempering signal. Also on this
  • All partial areas of the electrochemical store can be successively tested for their functional status.
  • This embodiment has the advantage that it does not require any additional elements, since both the fluid channel and the at least one further fluid channel as well as the fluid can be part of a cooling system for the electrochemical storage, which is already installed in the vehicle.
  • the fluid can be heated by means of the engine waste heat.
  • the subarea and / or the at least one further subarea of the electrochemical store may comprise a galvanic cell for converting chemical energy into electrical energy or a combination of a plurality of galvanic cells for converting chemical energy into electrical energy.
  • the composite of a plurality of galvanic cells may also be referred to as a module.
  • a computer program product with program code which can be stored on a machine-readable carrier such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used to carry out the method according to one of the embodiments described above if the program product is installed on a computer or a device is also of advantage is performed.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a defect localization system with a connection device, according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 2A to 2D are circuit diagrams showing various connection states of the defect locating system of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a flowchart of a method for locating a
  • Fig. 4 shows a circuit diagram for a defect localization system with a connection device, according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. 5 is a schematic diagram of a defect localization system with a heating resistor, according to an embodiment of the present invention.
  • the detection system In order to minimize a safety-related hazard due to a defect in an electrochemical store, it is recommended to use a detection system that warns in time of a possible malfunction. It is important that the warning function takes place as early as possible - ie clearly before overheating of the electrochemical store.
  • the detection system z. Example, comprise a sensor arrangement which is designed to detect a leaked due to a defect of the electrochemical storage from this component. Using such a sensor arrangement such damage can be detected early, especially if the defect of other devices such.
  • B. the battery management system (BMS) can not be detected yet.
  • the defect localization system 100 is installed in a vehicle (not shown) in the exemplary embodiment shown and comprises a device 110 for locating a defect in an electrochemical store and a tempering device 120 for tempering a portion or at least a further portion of the electrochemical storage.
  • the tempering device can, for example, be designed as a heating device such as a heating resistor.
  • the device 110 is -. B. via a CAN bus system of the vehicle - coupled to the temperature control device 120.
  • the device 1 10 is here a control device of the vehicle.
  • the tempering device 120 is designed as an interconnection device.
  • the interconnection device 120 has a plurality of electrical conductors 125 (only one of which is provided with a reference numeral in the illustration for clarity) as well as a first switch 130, a second switch 135 and a third switch 140.
  • the interconnecting device 120 is connected to an electrical load (not shown in the illustration in FIG.
  • the subareas 145, 150, 155, 160 here form modules of the electrochemical store or battery pack 165, each of which comprises an assembly of four galvanic cells 170, of which only one is provided with a reference numeral for the sake of clarity. As can be seen from the illustration, the modules 145 and 150 are in FIG.
  • the module pair 145, 150 is connected in parallel with respect to the module pair 155, 160.
  • the subregions or modules 145, 150, 155, 160 are shown spaced apart from one another. In reality, of course, they are closely grouped together to form the battery pack 165, and the battery pack 165 may also include more than four modules.
  • the partial regions 145, 150, 155, 160 can also be formed by a single galvanic cell 170 each. However, this embodiment is not shown in the figures.
  • Typical discharge rates for This purpose for electric vehicles (EVs) according to the current state of the art is in the range of 3C to 5C, for hybrid vehicles in the range of 15C to 30C and for plug-in hybrid vehicles between 3C and 30C.
  • a unit of 1C is understood to mean a current that results in a fully charged battery or an electrochemical energy store being completely discharged within one hour.
  • the sensor arrangement can be arranged inside or outside the battery pack 165 and transmits a corresponding detection signal or measurement signal to the device 110 coupled to the sensor arrangement when detecting a leaked component. There, a correlation of the sensor signal with the module manipulation caused by the temperature control is carried out , With the result of the correlation, the leaky cell 170 can be uniquely identified and replaced or repaired during maintenance.
  • FIGS. 2A to 2D show circuit diagrams of various circuit states of the defect localization system 100 from FIG. 1. As can be clearly seen from the circuit diagrams of FIGS. 2A to 2D, the interconnection of the individual modules 145,
  • a defective unit 145, 150, 155 or 160 can be subjected to loading of the modules 145, 150, 155, 160 with a suitable load in the switch combinations shown clearly identify.
  • FIGS. 2A to 2D it is anticipated here by way of example that the first module 145 is defective.
  • FIG. 2A shows a first connection state of the defect localization system 100 at the beginning of a test routine for identifying a defective module 145, 150, 155, 160.
  • the first switch 130, the second switch 135 and the third switch 140 are opened, there is no current flow between one Power supply 200 to the electrochemical storage 165 and a current drain
  • FIGS. 2A to 2D shows a second connection state of the defect localization system 100.
  • the third switch 140 is closed, the first switch 130 and the second switch 135 remain open.
  • the third switch 140 With the closure of the third switch 140, a load path from the power supply line 200 to the power dissipation 210 via the first module 145 and the second module 150 is realized.
  • a sensor arrangement (not shown in FIGS. 2A to 2D) detects increased component leakage, from which it can be concluded that the first module 145 or the second module 150 is defective or both are defective ,
  • FIG. 2C shows a third connection state of the defect localization system 100.
  • the first switch 130 is closed, the second switch 135 and the third switch 140 are opened.
  • the closure of the first switch 130 With the closure of the first switch 130, a load path from the power supply line 200 to the power dissipation 210 via the third module 155 and the fourth module 160 is realized.
  • the sensor arrangement does not detect an increased component leakage.
  • FIG. 2D shows a fourth connection state of the defect localization system 100.
  • the second switch 135 is closed, the first switch 130 and the third switch 140 are opened.
  • the closure of the second switch 135 With the closure of the second switch 135, a load path from the power supply line 200 to the power dissipation 210 via the first module 145 and the fourth module 160 is realized.
  • the sensor arrangement detects increased component leakage here. Since it has been determined with the wiring state shown in FIG. 2C that neither the third module 155 nor the fourth module 160 is defective, correlation of the result of the third enables
  • Wiring state resulting in the fourth wiring state unambiguous identification of the first module 145 as a defective module.
  • an interconnection of the modules 145, 150, 155, 160 should still be carried out, in which the third module 155 and the second module 150 are connected in series. If it is determined that no defect occurs in this interconnection, it can be concluded that the second module 150 is free of defects, so that the detected defect is actually present in the first module 145.
  • 3 shows a flow chart of an embodiment of a method
  • the method 300 for locating a defect in an electrochemical store.
  • the method 300 includes the basic steps of the procedure for locating a defective module in a battery pack, as explained with reference to the interconnect states in FIGS. 2A to 2D, after an associated sensor arrangement has detected a leak in the battery pack.
  • a partial region of the electrochemical accumulator is tempered in order to increase an internal pressure of the partial region.
  • the sub-area may be z.
  • the subarea can be tempered by current being applied to the modules assigned to it by means of a suitable interconnection.
  • the sub-area in step 310 also z. B. be tempered passively from the outside, z. B. by means of a module surrounding the heating resistor.
  • all tempering methods which bring about a suitable increase in the cell internal pressure are conceivable. Does the subregion have a defect, eg. As a leakage of a cell case in the sub-areas, in a step 320 with a the electrochemical memory contacting sensor array, a reading is detected, which is responsive to the increased
  • the defect can be localized in the subregion in a step 330 if a correlation of the measured value with a comparison value results in the measured value being in a predetermined relation to the comparison value.
  • the tempering step 310 may be performed by means of a tempering device of a coupled to the electrochemical storage Defect locating system, as explained with reference to FIG. 1, and the step 330 of correlation can be done by means of a device 1 10 for locating a defect in an electrochemical memory of the defect localization system.
  • the method 300 may be performed in the same manner when the subregion represents a single galvanic cell of an electrochemical store.
  • a diagnostic program can thus be run to identify leaking modules or cells, which successively thermostates all modules or cells or advantageous combinations of these by means of the method described above.
  • the signal of the sensor arrangement for leaking cell components is monitored. A signal excursion indicates a leak in the temperature-controlled cell, in the temperature-controlled cells or in the temperature-controlled module or the temperature-controlled modules.
  • the diagnostic program can be integrated in an on-board battery management system (BMS) or independently implemented.
  • BMS battery management system
  • FIG. 4 shows a circuit diagram for a further exemplary embodiment of the defect localization system 100 with a connection device.
  • the electrochemical store 165 consist of the first module 145, the second module 150, the third module 155 and the fourth module 160.
  • the interconnecting device 120 here is designed such that a parallel connection of the four modules 145, 150, 155, 160 results in a grid circuit.
  • the first switch 130, the second switch 135 and the third switch 140 are supplemented here by a fourth switch 400.
  • the modules 145, 150, 155, 160 are here connected in parallel so that the first module 145, the second module 150, the third module 155 or the fourth module 160 can be addressed individually.
  • the battery symbols shown in the circuit diagram in FIG. 4 can also represent individual galvanic cells.
  • the number of cells or modules connected in such a grid can be expanded as required,
  • x * y modules or cells require x + y switches to address each unit individually.
  • FIG. 5 shows, on the basis of a schematic diagram, a further exemplary embodiment of a defect localization system 100, which is also used here to form a
  • the defect localization system 100 is composed here of the device 1 10 for locating a defect in an electrochemical store and the tempering device 120 for tempering a subarea or at least one further subarea of the electrochemical store.
  • the electrochemical storage 165 comprises, in addition to the first module 145, the second module 150, the third module 155 and the fourth module 160, a fifth module 500 and a sixth module 510, which are likewise formed by four galvanic cells 170.
  • the tempering device is used here
  • each individual module 145, 150, 155, 160, 500, 510 can be achieved from the outside by means of a targeted application of the respective modules 145, 150, 155, 160, 500, 510 appropriately enclosing heating resistors. Also in this way, the above-explained diagnostic method for identifying defective cells in a battery pack can be suitably carried out.
  • the galvanic cells 170 themselves can be equipped with a heating resistor and accordingly individually tempered and examined for defects.
  • a cooling system of the battery pack With a suitable guidance of a cooling medium, which is typically a gas -. B. air - or a liquid, individual areas of the battery pack, z. B. individual cells or modules, are specifically controlled by, for example, the engine waste heat exploited or Cooling medium is actively heated.
  • a cooling medium which is typically a gas -. B. air - or a liquid
  • individual areas of the battery pack, z. B. individual cells or modules are specifically controlled by, for example, the engine waste heat exploited or Cooling medium is actively heated.
  • this possible embodiment is not shown in the figures.
  • an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher (165). Das Verfahren umfasst einen Schritt des Temperierens eines Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170) des elektrochemischen Speichers (165), um einen Innendruck des Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170) zu erhöhen, einen Schritt des Erfassens eines Messwerts, der einen ansprechend auf den erhöhten Innendruck des Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170) erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich (145, 150, 155, 160, 170) repräsentiert, und einen Schritt des Lokalisierens des Defekts in dem Teilbereich (145, 150, 155, 160, 170), wenn der Messwert in einer vorbestimmten Relation zu einem Vergleichswert steht.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher und Defektlokalisierungssvstem
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, eine Vorrichtung zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, auf ein entsprechendes Defektlokalisierungssystem sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
Die Bedeutung von Lithium-Ionen-Batterien als elektrochemische Energiespeicher ist in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Neben dem Einsatz in portablen Geräten wie Laptops oder Mobiltelefonen steht insbesondere die Anwendung im Elektrofahrzeug (Electric Vehicle, EV) im Mittelpunkt. Je nach Auslegung für Hybrid, Plug-in-Hybrid oder EV ohne zusätzlichen Verbrennungsmotor erreicht die Kapazität derzeitiger Batteriesysteme Werte von ca. 1 bis 10 kAh. Dies entspricht einer gespeicherten Energie von ca. 3 bis 40 kWh.
Berichte über unkontrollierte Überhitzung, Brand oder Explosion von Laptop- Akkus zeigen die möglichen Risiken, die von diesem Speichermedium ausgehen können. Aufgrund der deutlich höheren gespeicherten Energiemenge bergen Batterien für EVs im Falle eines Defekts ein besonders hohes Gefahrenpotenzial. Ein verlässlicher Betrieb sowie eine hohe Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien sind jedoch unabdingbar für die flächendeckende Einführung in EVs.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, eine Vorrich- tung, die dieses Verfahren verwendet, ein Defektlokalisierungssystem sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Sicherheitskritische Schadensfälle an Akkumulatoren äußern sich immer in einem Austreten von Zellkomponenten aus einem elektrochemischen Speicher, sei es durch eine undichte Zellbehausung - z. B. durch einen Haarriss - oder durch Öffnung einer Zelle durch inneren Überdruck - z. B. durch ein Bersten einer Sollbruchstelle. Wird der Schaden rechtzeitig bemerkt, so kann durch gezieltes Eingreifen oft weiterer Schaden verhindert werden. So altert z. B. eine Zelle mit Elektrolytverlust durch einen Haarriss schneller als eine Zelle mit intaktem Gehäuse, da ihr Innenwiderstand stärker ansteigt. Dies führt zu einer höheren Temperaturbelastung der beschädigten Zelle. Je früher ein Schadensfall zuverlässig detektiert wird, desto moderater sind die einzuleitenden Gegenmaßnahmen, z. B. ein Austausch eines defekten Moduls bei turnusgemäßer Wartung.
Mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz kann eine Quelle einer z. B. mittels einer Sensoranordnung erkannten Leckage in einem elektrochemischen Speicher eindeutig identifiziert und lokalisiert werden.
Das hier vorgestellte Konzept basiert auf einer gezielten Temperierung von Teilbereichen des elektrochemischen Speichers, um einen Innendruck desselben zu erhöhen. Ist eine Zelle defekt, kommt es dort zu einem verstärkten bzw. zumindest veränderten Austritt von Zellkomponenten, typischerweise Elektrolyt, der dann von der zugeordneten Sensoranordnung detektiert werden kann. Durch eine Korrelation eines Sensorsignals mit der Zellmanipulation lässt sich die undichte Zelle bzw. ein die defekte Zelle aufweisendes Modul des elektrochemischen Speichers eindeutig identifizieren und im Zuge einer Wartung austauschen oder reparieren.
Vorteilhafterweise kann so z. B. eine Sensoranordnung im elektrochemischen Speicher bzw. im Batteriepack, die auf einen ausgetretenen Bestandteil im Batteriepack insgesamt anspricht, geeignet unterstützt werden, indem die defekte Zelle oder das defekte Modul eindeutig lokalisiert werden kann. Mit dem hier vorgeschlagenen Ansatz kann die Gefahr einer kompletten Havarie nach einem Zelldefekt begrenzt werden, da mit einem Einsatz des hierin vorgeschlagenen Detektionssystems rechtzeitig vor einer möglichen Fehlfunktion des elektrochemischen Speichers gewarnt werden kann. Insbesondere kann die Warnfunktion frühestmöglich erfolgen, nämlich beim ersten Anzeichen einer Unregelmäßigkeit und deutlich vor einer Überhitzung des elektrochemischen Speichers.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Temperieren eines Teilbereichs des elektrochemischen Speichers, um einen Innendruck des Teilbereichs zu erhöhen;
Erfassen eines Messwerts, der einen ansprechend auf den erhöhten Innendruck des Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich repräsentiert; und
Lokalisieren des Defekts in dem Teilbereich, wenn der Messwert in einer vorbestimmten Relation zu einem Vergleichswert steht.
Das Verfahren kann in Zusammenhang mit einer Vorrichtung zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, die beispielsweise in einem Fahrzeug installiert sein kann, durchgeführt werden. Der elektrochemische Speicher kann zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs eingesetzt werden und in einer zu einem Batteriepack zusammengefassten Mehrzahl von galvanischen Zellen zur Umwandlung von chemischer in elektrische Energie bestehen. Bei dem Defekt kann es sich um eine Leckage, z. B. einen Haarriss in einer Wand einer galvanischen Zelle oder einen Bruch einer Sollbruchstelle der galvanischen Zelle, handeln. Der Defekt kann einen die Funktion des elektrochemischen Speichers beeinträchtigenden Austritt von Zellbestandteilen bzw. Komponenten aus einer oder mehrerer der galvanischen Zellen verursachen. Bei der aus der oder den galvanischen Zelle(n) ausgetretenen Komponente kann es sich beispielsweise um einen Bestandteil oder Bestandteile eines innerhalb der galvanischen Zelle angeordneten Elektrolyten handeln. Bei dem Teilbereich des elektrochemischen Speichers kann es sich um lediglich eine galvanische Zelle oder um ein durch eine Zusammenfassung mehrerer galvanischer Zellen gebildetes Modul des elektrochemischen Speichers handeln. Bei dem Temperieren kann es sich um eine gezielt den Teilbereich betreffende
Temperierung handeln, von der weitere Teilebereiche des elektrochemischen Speichers ausgenommen sein können. Das Temperieren kann eine Temperaturerhöhung in dem Teilbereich verursachen, die ausreichend ist, um den Innendruck in dem Teilbereich so weit zu erhöhen, dass ein Komponentenaustritt aus einer möglichen Leckage innerhalb des Teilbereichs sicher festgestellt werden kann. Alternativ kann das Temperieren auch eine Temperaturreduktion in dem Teilbereich verursachen, die ausreichend ist, um den Innendruck in dem Teilbereich soweit zu senken, dass ein Komponentenaustritt aus einer möglichen Leckage innerhalb des Teilbereichs reduziert wird und hierdurch eine Konzentrati- onsveränderung des Komponente in dem Teilbereich verringert bzw. verändert wird und hierdurch einfach detektierbar ist. Bei dem Innendruck kann es sich um einen Druck im Inneren einer galvanischen Zelle auf ein Gehäuse derselben handeln. Der Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich kann beispielsweise mithilfe eines Sensors erfasst werden, der in einem Strömungsweg eines den elektrochemischen Speicher durchströmenden und die ausgetretene Komponenten aufweisenden Fluids, z. B. eines Kühlfluids, angeordnet sein kann. Der Sensor kann sich dabei innerhalb oder außerhalb des elektrochemischen Speichers befinden und die ausgetretene Komponente mittels eines Ansprechens auf eine chemische oder physikalische Eigenschaft derselben detektieren. Der Messwert kann eine Information über die Detektion der Komponente oder auch über eine
Quantität der erfassten ausgetretenen Komponente repräsentieren und über eine Schnittstelle z .B. an die Vorrichtung zum Lokalisieren eines Defekts übermittelt werden. Der Schritt des Lokalisierens kann z. B. durch einen Vergleich des erfassten Messwerts mit dem Vergleichswert, realisiert werden, um zu überprüfen, ob der Messwert in der vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht oder nicht. Der Vergleichswert kann z. B. in der Vorrichtung hinterlegt sein. Zur Durchführung des Vergleichs kann ein geeigneter Algorithmus eingesetzt werden. Gemäß einer Ausführungsform kann das Verfahren einen Schritt eines Temperierens mindestens eines weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Spei- chers, um einen Innendruck des weiteren Teilbereichs zu verändern, einen Schritt des Erfassens mindestens eines weiteren Messwerts, der einen ansprechend auf den veränderten Innendruck des weiteren Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem weiteren Teilbereich repräsentiert, und einen Schritt des Lokalisierens des Defekts in dem mindestens einen weiteren Teilbereich, wenn der mindestens eine weitere Messwert in einer vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht, aufweisen. So kann das Verfahren vorteilhafterweise dazu eingesetzt werden, um auf einfache Weise sukzessive sämtliche Teilbereiche des elektrochemischen Speichers nach Defekten zu untersuchen.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher, wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: eine Schnittstelle zum Ausgeben eines Temperierungssignals zum Temperieren eines Teilbereichs und/oder mindestens eines weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Speichers, um einen Innendruck des Teilbereichs und/oder des mindestens einen weiteren Teilbereichs ansprechend auf das Temperierungssignal zu verändern; eine Schnittstelle zum Einlesen eines Messwerts, der einen ansprechend auf den veränderten Innendruck des Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich repräsentiert und/oder zum Einlesen mindestens eines weiteren Messwerts, der einen ansprechend auf den veränderten Innendruck des mindestens einen weiteren Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem mindestens einen weiteren Teilbereich repräsentiert; und eine Schnittstelle zum Ausgeben einer Lokalisierungsinformation über eine Lokalisierung des Defekts in dem Teilbereich, wenn der Messwert in einer vorbestimmten Relation zu einem Vergleichswert steht, und/oder einer Lokalisierungsinformation über eine Lokalisierung des Defekts in dem mindestens einen weiteren Teilbereich, wenn der mindestens eine weitere Messwert in einer vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht.
Die Vorrichtung kann ausgebildet sein, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Schnittstellen der Vorrichtung können hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Bei der Vorrichtung kann es sich hier z. B. um ein Steuergerät eines Fahrzeugs handeln.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Defektlokalisierungssystem, das folgende Merkmale aufweist: eine Vorrichtung gemäß einer der vorangegangenen Ausführungsformen; und eine Temperierungseinrichtung zum Temperieren des Teilbereichs oder des mindestens einen weiteren Teilbereichs ansprechend auf das Temperierungssignal.
Das Defektlokalisierungssystem kann beispielsweise in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug zur Funktionskontrolle eines Antriebsakkumulators des Fahrzeugs eingesetzt werden. Die Temperierungseinrichtung kann mit dem Teilbereich und/oder mit dem mindestens einen weiteren Teilbereich des elektrochemischen
Speichers gekoppelt sein. Die Temperierungseinrichtung kann ausgebildet sein, um eine oder mehrere galvanische Zellen des Teilbereichs bzw. des weiteren Teilbereichs passiv von außen oder aktiv durch Lastbeaufschlagung des innerhalb des Zellengehäuses angeordneten Elektrolyten zu temperieren. Gemäß einer Ausführungsform kann die Temperierungseinrichtung eine Ver- schaltungseinrichtung zur Verschaltung des Teilbereichs und des mindestens einen weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Speichers in unterschiedlichen Verschaltungszuständen aufweisen. Dabei kann in einem ersten Verschaltungs- zustand der Teilbereich und der weitere Teilbereich in einem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad angeordnet sein und in einem zweiten Verschaltungszustand lediglich der Teilbereich in dem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad angeordnet sein. Ferner kann in dem zweiten Verschaltungszustand ein dritter Teilbereich des elektrochemischen Speichers in dem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad angeordnet sein und in einem dritten Verschaltungszustand ein vierter Teilbereich des elektrochemischen Speichers in dem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad angeordnet sein.
Die Verschaltungseinrichtung kann gemäß diesen Ausführungsformen eine Mehrzahl von elektrischen Leitern und eine Mehrzahl von Schaltern aufweisen, wobei zumindest je eine galvanische Zelle des Teilbereichs und/oder des weiteren Teilbereichs und/oder des dritten Teilbereichs und/oder des vierten Teilbe- reichs des elektrochemischen Speichers mit einem der elektrischen Leiter elektrisch verbunden sein kann. Die elektrischen Leiter und Schalter können so miteinander gekoppelt sein, dass je nach gewähltem Verschaltungszustand unterschiedliche Kombinationen von unterbrochenen oder bestehenden Verbindungen zwischen verschiedenen Teilbereichen sukzessive realisiert werden können. Die so in einem Lastpfad angeordneten Teilbereiche bzw. ein einziger in einem Lastpfad angeordneter Teilbereich können bzw. kann mit einer Stromlast beaufschlagt werden, um gezielt diese Teilbereiche bzw. den Teilbereich zu temperieren und auf einen Komponentenaustritt hin zu überprüfen. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die verschiedenen Kombinationen der Teilbereiche des elektrochemischen Speichers quasi ein Ausschlussverfahren bei der Defektsuche erlauben, sodass eine defekte galvanische Zelle oder ein defektes Zellenmodul besonders schnell und mit geringem Energieaufwand detektiert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Temperierungseinrichtung einen Heizwiderstand und/oder eine Kühleinrichtung aufweisen, der dem Teilbe- reich des elektrochemischen Speichers zugeordnet ist, und/oder mindestens einen weiteren Heizwiderstand und/oder eine weitere Kühleinrichtung aufweisen, der dem mindestens einen weiteren Teilbereich des elektrochemischen Speichers zugeordnet ist. Die Temperierungseinrichtung kann ausgebildet sein, um basierend auf dem Temperierungssignal den Heizwiderstand und/oder die Kühleinrichtung oder den mindestens einen weiteren Heizwiderstand und/oder die weitere Kühleinrichtung mit einer Stromlast zu beaufschlagen. Beispielsweise kann der Heizwiderstand bzw. der weitere Heizwiderstand und/oder die Kühleinrichtung bzw. die weitere Kühleinrichtung aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitzahl gebildet sein und ein dem Heizwiderstand bzw. weiteren Heizwiderstand und/oder die Kühleinrichtung bzw. die weitere Kühleinrichtung zugeordnetes Modul bzw. eine zugeordnete galvanische Zelle des elektrochemischen Speichers in Form eines Mantels umgeben. Mit dem Temperierungssignal kann ein Stromfluss in dem Heizwiderstand bzw. weiteren Heizwiderstand und/oder die Kühleinrichtung bzw. die weitere Kühleinrichtung freigegeben werden, sodass dieser sich temperieren und die Wärme bzw. Kälte auf das entsprechende Zellgehäuse übertragen kann. So kann mit der Temperierung von außen der Innendruck im Inneren der Zelle geeignet erhöht werden. Beispielsweise kann das Temperierungssignal zunächst für den Teilbereich und anschließend für den wei- teren Teilbereich und wiederum anschließend für noch folgende Teilbereiche des elektrochemischen Speichers ausgegeben werden, sodass auch auf diese Weise der gesamte elektrochemische Speicher sukzessive nach Defekten durchsucht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperierungseinrichtung mit einem Fluidka- nal zum Temperieren des Teilbereichs und/oder mit mindestens einem weiteren Fluidkanal zum Temperieren des mindestens einen weiteren Teilbereichs gekoppelt sein. Dabei kann die Temperierungseinrichtung ausgebildet sein, um basierend auf dem Temperierungssignal den Fluidkanal oder den mindestens einen weiteren Fluidkanal mit einem temperierten Fluid zu beschicken. Auch auf diese
Weise können sämtliche Teilbereiche des elektrochemischen Speichers nacheinander auf ihren Funktionszustand getestet werden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sie keine zusätzlichen Elemente erforderlich macht, da sowohl der Fluidkanal und der mindestens eine weitere Fluidkanal als auch das Fluid Teil eines Kühlsystems für den elektrochemischen Speicher sein können, das bereits im Fahrzeug verbaut ist. Beispielsweise kann das Fluid mittels der Motorabwärme erhitzt werden.
Gemäß Ausführungsformen des Defektlokalisierungssystems kann der Teilbereich und/oder der mindestens eine weitere Teilbereich des elektrochemischen Speichers eine galvanische Zelle zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie oder einen Verbund aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie umfassen. Der Verbund aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen kann auch als Modul bezeichnet werden. So kann das Defektlokalisierungssystem auf Kundenspezifikationen angepasst werden.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Defektlokalisierungssystems mit einer Verschaltungseinrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2A bis 2D Schaltbilder verschiedener Verschaltungszustände des Defektlokalisierungssystems aus Fig. 1 ;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Lokalisieren eines
Defekts in einem elektrochemischen Speicher, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein Schaltbild für ein Defektlokalisierungssystem mit einer Verschaltungseinrichtung, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines Defektlokalisierungssystems mit einem Heizwiderstand, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Um eine sicherheitsrelevante Gefahr durch einen Defekt eines elektrochemischen Speichers möglichst gering zu halten, empfiehlt sich der Einsatz eines De- tektionssystems, das rechtzeitig vor einer möglichen Fehlfunktion warnt. Wichtig ist dabei, dass die Warnfunktion frühestmöglich - also deutlich vor einer Überhitzung des elektrochemischen Speichers - erfolgt. Dazu kann das Detektions- system z. B. eine Sensoranordnung umfassen, die ausgebildet ist, um eine aufgrund eines Defekts des elektrochemischen Speichers aus diesem ausgetretene Komponente zu erfassen. Unter Verwendung einer derartigen Sensoranordnung kann ein solcher Schadensfall frühzeitig erkannt werden, besonders wenn der Defekt von anderen Einrichtungen wie z. B. dem Batteriemanagementsystem (BMS) noch nicht detektiert werden kann.
Mit dem hierin vorgestellten Konzept wird es möglich, nach der Detektion der ausgetretenen Komponente auch deren genauen Ursprungsort, also die betreffende Leckage, im elektrochemischen Speicher aufzufinden. So kann anschließend gezielt das entsprechende Modul bzw. die entsprechende Zelle ausgetauscht werden, und ein Ersatz des gesamten elektrochemischen Speichers erübrigt sich.
Fig. 1 zeigt anhand einer vereinfachten Prinzipdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Defektlokalisierungssystems 100. Das Defektlokalisierungssystem 100 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Fahrzeug (nicht gezeigt) installiert und umfasst eine Vorrichtung 1 10 zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher und eine Temperierungseinrichtung 120 zum Temperieren eines Teilbereichs oder mindestens eines weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Speichers. Die Temperierungseinrichtung kann beispielswei- se als Erwärmungseinrichtung wie beispielsweise als Heizwiderstand ausgebildet sein.
Die Vorrichtung 110 ist - z. B. über ein CAN-Bus-System des Fahrzeugs - mit der Temperierungseinrichtung 120 gekoppelt. Bei der Vorrichtung 1 10 handelt es sich hier um ein Steuergerät des Fahrzeugs. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel des Defektlokalisierungssystems 100 ist die Temperierungseinrichtung 120 als eine Verschaltungseinrichtung ausgeführt. Die Verschaltungsein- richtung 120 weist eine Mehrzahl elektrischer Leiter 125 (von denen der Über- sichtlichkeit halber in der Darstellung lediglich einer mit einem Bezugszeichen versehen ist) sowie einen ersten Schalter 130, einen zweiten Schalter 135 und einen dritten Schalter 140 auf. Die Verschaltungseinrichtung 120 ist mit einem in der Darstellung in Fig. 1 nicht gezeigten elektrischen Verbraucher verbunden und über die elektrischen Leiter 125 mit einem ersten Teilbereich 145, einem zweiten Teilbereich 150, einem dritten Teilbereich 155 und einem vierten Teilbereich 160 eines elektrochemischen Speichers 165 verbunden. Die Teilbereiche 145, 150, 155, 160 bilden hier Module des elektrochemischen Speichers bzw. Batteriepacks 165, die je einen Verbund von vier galvanischen Zellen 170 umfassen, von denen der Übersichtlichkeit halber lediglich eine mit einem Bezugszeichen ver- sehen ist. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, sind die Module 145 und 150 in
Reihe geschaltet sowie die Module 155 und 160 in Reihe geschaltet. Das Modulpaar 145, 150 ist gegenüber dem Modulpaar 155, 160 parallel geschaltet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Teilbereiche bzw. Module 145, 150, 155, 160 beabstandet voneinander dargestellt. In Realität sind sie natürlich eng zur Bildung des Batteriepacks 165 zusammengefasst, und das Batteriepack 165 kann auch mehr als vier Module umfassen. Alternativ können die Teilbereiche 145, 150, 155, 160 auch von je einer einzelnen galvanischen Zelle 170 gebildet werden. Diese Ausführungsform ist jedoch in den Figuren nicht gezeigt. Das in Fig. 1 gezeigte Defektlokalisierungssystem 100 ist so ausgelegt, dass mit einem Öffnen bzw. Schließen eines oder mehrerer der Schalter 130, 135, 140 eine gezielte Beaufschlagung eines der Module 145, 150, 155, 160 mit einem ausreichend hohen Strom realisiert werden kann, der sich zwar innerhalb der Batteriespezifikationen bewegt, aber für eine merkliche Temperierung des Moduls 145, 150, 155, 160 sorgt. Auf diesen Sachverhalt wird anhand der nachfolgenden
Figuren 2A bis 2D noch detaillierter eingegangen. Typische Entladungsraten für diesen Zweck für rein elektrisch betriebene Fahrzeuge (Electric Vehicles = EVs) liegen gemäß aktuellem Stand der Technik im Bereich von 3C bis 5C, für Hybridfahrzeuge im Bereich von 15C bis 30C und für Plug-in-Hybridfahrzeuge zwischen 3C und 30C. Unter einer Einheit von 1C ist dabei eine Stromstärke zu verstehen, die dazu führt, dass eine vollständig aufgeladene Batterie oder ein elektrochemischer Energiespeicher innerhalb von einer Stunde komplett entladen wird. Mithilfe der unterschiedlichen einstellbaren Verschaltungszustände der Temperierungseinrichtung 120 kann eine gezielte Temperierung zumindest eines Moduls 145, 150, 155, 160 umgesetzt werden. Weist einer oder mehrere der Teilberei- che 145, 150, 155, 160 eine defekte galvanische Zelle 170 auf, steigt durch die
Temperierung der Innendruck der defekten Zelle 170 und es kommt zu einem verstärkten Austritt von Zellkomponenten, typischerweise Elektrolyt, der dann von der (in der Darstellung nicht gezeigten) Sensoranordnung detektiert werden kann. Die Sensoranordnung kann je nach Spezifikation innerhalb oder außerhalb des Batteriepacks 165 angeordnet sein und sendet bei der Detektion einer ausgetretenen Komponente ein entsprechendes Detektionssignal oder Messsignal an die mit der Sensoranordnung gekoppelte Vorrichtung 110. Dort wird eine Korrelation des Sensorsignals mit der durch die Temperierung verursachten Modulmanipulation durchgeführt. Mit dem Ergebnis der Korrelation lässt sich die un- dichte Zelle 170 eindeutig identifizieren und im Zuge einer Wartung austauschen oder reparieren.
Figuren 2A bis 2D zeigen Schaltbilder verschiedener Verschaltungszustände des Defektlokalisierungssystems 100 aus Fig. 1. We aus den Schaltbildern der Figu- ren 2A bis 2D klar ersichtlich ist, ist die Verschaltung der einzelnen Module 145,
150, 155, 160 des Batteriepacks 165 vorzugsweise so gestaltet, dass mit entsprechender Öffnung bzw. Schließung eines oder mehrerer der Schalter 130, 135, 140 eine gezielte Lastbeaufschlagung einzelner Module 145, 150, 155, 160 möglich ist. Mit einer geeigneten Testroutine, die anhand der nachfolgenden Schaltbilder 2B bis 2D beispielhaft erläutert sein soll, lässt sich mit einer Beaufschlagung der Module 145, 150, 155, 160 mit einer geeigneten Last in den gezeigten Schalterkombinationen eine defekte Einheit 145, 150, 155 oder 160 eindeutig identifizieren. Zur besseren Erläuterung des anhand der Figuren 2A bis 2D gezeigten erfinderischen Konzepts sei hier beispielhaft vorweggenommen, dass das erste Modul 145 defekt sei. Fig. 2A zeigt einen ersten Verschaltungszustand des Defektlokalisierungssystems 100 zu Beginn einer Testroutine zur Identifikation eines defekten Moduls 145, 150, 155, 160. Der erste Schalter 130, der zweite Schalter 135 und der dritte Schalter 140 sind geöffnet, es findet kein Stromfluss zwischen einer Stromzu- leitung 200 zu dem elektrochemischen Speicher 165 und einer Stromableitung
210 aus dem elektrochemischen Speicher 165 statt. Entsprechend ist keines der Module 145, 150, 155, 160 mit einer Stromlast beaufschlagt.
Fig. 2B zeigt einen zweiten Verschaltungszustand des Defektlokalisierungssystems 100. Hier ist der dritte Schalter 140 geschlossen, der erste Schalter 130 und der zweite Schalter 135 bleiben geöffnet. Mit der Schließung des dritten Schalters 140 wird ein Lastpfad von der Stromzuleitung 200 zu der Stromableitung 210 über das erste Modul 145 und das zweite Modul 150 realisiert. Nach der Maßgabe, dass das erste Modul 145 defekt ist, erfasst eine - in den Darstellungen 2A bis 2D nicht gezeigte - Sensoranordnung einen erhöhten Komponentenaustritt, woraus geschlossen werden kann, dass das erste Modul 145 oder das zweite Modul 150 defekt ist oder beide defekt sind.
Fig. 2C zeigt einen dritten Verschaltungszustand des Defektlokalisierungssystems 100. Hier ist der erste Schalter 130 geschlossen, der zweite Schalter 135 und der dritte Schalter 140 sind geöffnet. Mit der Schließung des ersten Schalters 130 wird ein Lastpfad von der Stromzuleitung 200 zu der Stromableitung 210 über das dritte Modul 155 und das vierte Modul 160 realisiert. Nach der Maßgabe, dass weder das dritte Modul 155 noch das vierte Modul 160 defekt ist, erfasst die Sensoranordnung keinen erhöhten Komponentenaustritt.
Fig. 2D zeigt einen vierten Verschaltungszustand des Defektlokalisierungssystems 100. Hier ist der zweite Schalter 135 geschlossen, der erste Schalter 130 und der dritte Schalter 140 sind geöffnet. Mit der Schließung des zweiten Schal- ters 135 wird ein Lastpfad von der Stromzuleitung 200 zu der Stromableitung 210 über das erste Modul 145 und das vierte Modul 160 realisiert. Gemäß der Maßgabe, dass das erste Modul 145 defekt ist, erfasst die Sensoranordnung hier einen erhöhten Komponentenaustritt. Da mit dem in Fig. 2C gezeigten Verschaltungszustand ermittelt wurde, dass weder das dritte Modul 155 noch das vierte Modul 160 defekt ist, ermöglicht eine Korrelation des Ergebnisses des dritten
Verschaltungszustands mit dem Ergebnis des vierten Verschaltungszustands die eindeutige Identifikation des ersten Moduls 145 als eines defekten Moduls. Um tatsächlich festzustellen, dass das erste Modul 145 alleine defekt ist und nicht beispielsweise noch das zweite Modul 150 ebenfalls defekt ist, sollte noch eine Verschaltung der Module 145, 150, 155, 160 durchgeführt werden, in der das dritte Modul 155 und das zweite Modul 150 in Serie verschaltet werden. Wird nun festgestellt, dass in dieser Verschaltung kein Defekt auftritt, kann daraus geschlossen werden, dass das zweite Modul 150 fehlerfrei ist, sodass der detektier- te Defekt tatsächlich in dem ersten Modul 145 vorliegt. Fig. 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens
300 zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher. Das Verfahren 300 umfasst die grundlegenden Schritte der anhand der Verschal- tungszustände in den Figuren 2A bis 2D erläuterten Prozedur zur Lokalisierung eines defekten Moduls in einem Batteriepack, nachdem eine zugeordnete Sen- soranordnung eine Leckage in dem Batteriepack erkannt hat.
In einem Schritt 310 wird ein Teilbereich des elektrochemischen Speichers temperiert, um einen Innendruck des Teilbereichs zu erhöhen. Bei dem Teilbereich kann es sich z. B. um eine Kombination von zwei Modulen eines Batteriepacks, das sich aus vier Modulen zusammensetzt, handeln, wie es in den Schaltplänen aus Figuren 2A bis 2D gezeigt ist. Gemäß dem in den Figuren 2A bis 2D gezeigten Ausführungsbeispiel kann der Teilbereich temperiert werden, indem die ihm zugeordneten Module durch eine geeignete Verschaltung mit Strom beaufschlagt werden. Alternativ kann der Teilbereich in dem Schritt 310 auch z. B. passiv von außen temperiert werden, z. B. mittels eines das Modul umgebenen Heizwiderstandes. Prinzipiell sind alle Temperierungsmethoden, die eine geeignete Erhöhung des Zelleninnendrucks bewirken, denkbar. Weist der Teilbereich einen Defekt, z. B. eine Leckage eines Zellengehäuses in dem Teilbereiche auf, wird in einem Schritt 320 mit einer den elektrochemischen Speicher kontaktierenden Sensoranordnung ein Messwert erfasst, der einen ansprechend auf den erhöhten
Innendruck des Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich repräsentiert. Der Defekt kann in einem Schritt 330 in dem Teilbereich lokalisiert werden, wenn eine Korrelation des Messwerts mit einem Vergleichswert ergibt, dass der Messwert in einer vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht. Der Schritt 310 des Temperierens kann mittels einer Temperierungseinrichtung eines mit dem elektrochemischen Speicher gekoppelten Defektlokalisierungssystems, wie es anhand der Fig. 1 erläutert ist, durchgeführt werden, und der Schritt 330 des Korrelierens kann mittels einer Vorrichtung 1 10 zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher des Defektlokalisierungssystems erfolgen.
Alternativ kann das Verfahren 300 auf die gleiche Weise durchgeführt werden, wenn der Teilbereich eine einzelne galvanische Zelle eines elektrochemischen Speichers repräsentiert. Mit einer Wiederholung der Schritte 310, 320 und 330 für sämtliche Teilbereiche des elektrochemischen Speichers kann somit zur Identifikation undichter Module bzw. Zellen ein Diagnoseprogramm gefahren werden, das sukzessive alle Module bzw. Zellen bzw. vorteilhafte Kombinationen dieser mittels dem oben beschriebenen Verfahren temperiert. Gleichzeitig wird dabei das Signal der Sen- soranordnung für austretende Zellbestandteile überwacht. Ein Signalausschlag lässt auf eine Undichtigkeit in der temperierten Zelle, in den temperierten Zellen bzw. dem temperierten Modul oder den temperierten Modulen schließen. Das Diagnoseprogramm kann dabei in ein fahrzeugeigenes Batteriemanagementsystem (BMS) integriert oder eigenständig implementiert sein.
Fig. 4 zeigt ein Schaltbild für ein weiteres Ausführungsbeispiel des Defektlokalisierungssystems 100 mit einer Verschaltungseinrichtung. Wederum setzt sich hier der elektrochemische Speicher 165 aus dem ersten Modul 145, dem zweiten Modul 150, dem dritten Modul 155 und dem vierten Modul 160 zusammen. Je- doch ist die Verschaltungseinrichtung 120 hier so ausgelegt, dass sich eine Parallelverschaltung der vier Module 145, 150, 155, 160 in einer Gridschaltung ergibt. Der erste Schalter 130, der zweite Schalter 135 und dritte Schalter 140 werden hier durch einen vierten Schalter 400 ergänzt. Die Module 145, 150, 155, 160 sind hier so parallel verschaltet, dass das erste Modul 145, das zweite Modul 150, das dritte Modul 155 oder das vierte Modul 160 einzeln angesprochen werden können.
Wie bereits oben erläutert, können die in dem Schaltplan in Fig. 4 gezeigten Batteriesymbole auch einzelne galvanische Zellen repräsentieren. Die Anzahl der in solch einem Grid verschalteten Zellen bzw. Module lässt sich beliebig erweitern, wobei allgemein gilt, dass bei x*y Modulen bzw. Zellen x+y Schalter vonnöten sind, um jede Einheit einzeln ansprechen zu können.
Fig. 5 zeigt anhand einer Prinzipdarstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel ei- nes Defektlokalisierungssystems 100, das auch hier eingesetzt wird, um einen
Defekt in dem elektrochemischen Speicher 165 zu lokalisieren. Wiederum setzt sich das Defektlokalisierungssystem 100 hier aus der Vorrichtung 1 10 zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher und der Temperierungseinrichtung 120 zum Temperieren eines Teilbereichs oder mindestens ei- nes weiteren Teilbereichs des elektrochemischen Speichers zusammen. Der elektrochemische Speicher 165 umfasst neben dem ersten Modul 145, dem zweiten Modul 150, dem dritten Modul 155 und dem vierten Modul 160 ein fünftes Modul 500 und ein sechstes Modul 510, die ebenfalls von jeweils vier galvanischen Zellen 170 gebildet werden. Im Gegensatz zu den weiter oben ausge- führten Ausführungsbeispielen wird hier jedoch die Temperierungseinrichtung
120 durch Heizwiderstände gebildet, die für das Auge nicht sichtbar in Ummantelungen 520 der einzelnen Module 145, 150, 155, 160, 500, 510 angeordnet sind. So kann mittels einer gezielten Beaufschlagung der jedes Modul 145, 150, 155, 160, 500, 510 in geeigneter Weise umschließenden Heizwiderstände eine geziel- te passive Temperierung jedes einzelnen Moduls 145, 150, 155, 160, 500, 510 von außen erreicht werden. Auch auf diese Weise kann das oben erläuterte Diagnoseverfahren zur Identifikation von defekten Zellen in einem Batteriepack geeignet ausgeführt werden. Anstelle der in der Darstellung gezeigten mehreren galvanische Zellen 170 umfassenden Module 145, 150, 155, 160, 500, 510 können auch die galvanischen Zellen 170 selbst mit einem Heizwiderstand ausgestattet sein und entsprechend individuell temperiert und auf Defekte hin untersucht werden. Eine weitere Möglichkeit zur Identifikation von defekten Teilbereichen eines elektrochemischen Speichers liegt in der Nutzung eines Kühlsystems des Batteriepacks. Bei einer geeigneten Führung eines Kühlmediums, bei dem es sich typischerweise um ein Gas - z. B. Luft - oder eine Flüssigkeit handelt, können einzelne Bereiche des Batteriepacks, z. B. einzelne Zellen bzw. Module, gezielt temperiert werden, indem beispielsweise die Motorabwärme ausgenutzt oder das Kühlmedium aktiv erhitzt wird. Dieses mögliche Ausführungsbeispiel ist in den Figuren jedoch nicht gezeigt.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder"-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (300) zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher (165), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Temperieren (310) eines Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) des elektrochemischen Speichers, um einen Innendruck des Teilbereichs zu erhöhen;
Erfassen (320) eines Messwerts, der einen ansprechend auf den erhöhten Innendruck des Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich repräsentiert; und
Lokalisieren (330) des Defekts in dem Teilbereich, wenn der Messwert in einer vorbestimmten Relation zu einem Vergleichswert steht.
Verfahren (300) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt eines Temperierens mindestens eines weiteren Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) des elektrochemischen Speichers (165), um einen Innendruck des weiteren Teilbereichs zu erhöhen, einen Schritt des Erfassens mindestens eines weiteren Messwerts, der einen ansprechend auf den erhöhten Innendruck des weiteren Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem weiteren Teilbereich repräsentiert, und einen Schritt des Lokalisierens des Defekts in dem mindestens einen weiteren Teilbereich, wenn der mindestens eine weitere Messwert in einer vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht, aufweist.
Vorrichtung (110) zum Lokalisieren eines Defekts in einem elektrochemischen Speicher (165), wobei die Vorrichtung die folgenden Merkmale aufweist: eine Schnittstelle zum Ausgeben eines Temperierungssignals zum Temperieren eines Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) und/oder mindestens eines weiteren Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) des elektrochemischen Speichers, um einen Innendruck des Teilbereichs und/oder des mindestens einen weiteren Teilbereichs ansprechend auf das Temperierungssignal zu erhöhen; eine Schnittstelle zum Einlesen eines Messwerts, der einen ansprechend auf den erhöhten Innendruck des Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem Teilbereich repräsentiert und/oder zum Einlesen mindestens eines weiteren Messwerts, der einen ansprechend auf den erhöhten Innendruck des mindestens einen weiteren Teilbereichs erfolgenden Austritt einer Komponente aus dem mindestens einen weiteren Teilbereich repräsentiert; und eine Schnittstelle zum Ausgeben einer Lokalisierungsinformation über eine Lokalisierung des Defekts in dem Teilbereich, wenn der Messwert in einer vorbestimmten Relation zu einem Vergleichswert steht, und/oder einer Lokalisierungsinformation über eine Lokalisierung des Defekts in dem mindestens einen weiteren Teilbereich, wenn der mindestens eine weitere Messwert in einer vorbestimmten Relation zu dem Vergleichswert steht.
Defektlokalisierungssystem (100), das folgende Merkmale aufweist: eine Vorrichtung (1 10) gemäß Anspruch 3; und eine Temperierungseinrichtung (120) zum Temperieren des Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) oder des mindestens einen weiteren Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) ansprechend auf das Temperierungssignal.
Defektlokalisierungssystem (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung (120) eine Verschaltungsein- richtung zur Verschaltung des Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) und des mindestens einen weiteren Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) des elektrochemischen Speichers (165) in unterschiedlichen Verschaltungszuständen aufweist, wobei in einem ersten Verschaltungszu- stand der Teilbereich und der weitere Teilbereich in einem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad (125) angeordnet sind und in einem zweiten Verschaltungszustand der Teilbereich, nicht jedoch der weitere Teilbereich in dem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad angeordnet ist.
Defektlokalisierungssystem (100) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Verschaltungszustand ein dritter Teilbereich (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) des elektrochemischen Speichers (165) in dem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad (125) angeordnet ist.
Defektlokalisierungssystem (100) gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Verschaltungszustand ein vierter Teilbereich (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) des elektrochemischen Speichers (165) in dem mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Lastpfad (125) angeordnet ist.
Defektlokalisierungssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung (120) einen Heizwiderstand aufweist, der dem Teilbereich (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) des elektrochemischen Speichers (165) zugeordnet ist, und/oder mindestens einen weiteren Heizwiderstand aufweist, der dem mindestens einen weiteren Teilbereich (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) des elektrochemischen Speichers zugeordnet ist, wobei die Temperierungseinrichtung ausgebildet ist, um basierend auf dem Temperierungssignal den Heizwiderstand oder den mindestens einen weiteren Heizwiderstand mit einer Stromlast zu beaufschlagen.
Defektlokalisierungssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungseinrichtung (120) mit einem Fluidkanal zum Temperieren des Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) und/oder mit mindestens einem weiteren Fluidkanal zum Temperieren des mindestens einen weiteren Teilbereichs (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) gekoppelt ist, wobei die Temperierungseinrichtung ausgebildet ist, um basierend auf dem Temperierungssignal den Fluidkanal oder den mindestens einen weiteren Fluidkanal mit einem temperierten Fluid zu beschicken. 10. Defektlokalisierungssystem (100) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilbereich (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) und/oder der mindestens eine weitere Teilbereich (145, 150, 155, 160, 170; 500, 510) des elektrochemischen Speichers (165) eine galvanische Zelle (170) zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie oder einen Verbund aus einer Mehrzahl von galvanischen Zellen zur Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie umfasst.
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