WO2023213688A1 - Verfahren zur überwachung einer traktionsbatterie eines kraftfahrzeugs - Google Patents

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    • H01M2200/20—Pressure-sensitive devices

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring a traction battery of a motor vehicle according to claim 1.
  • a traction battery of a motor vehicle is usually formed from many battery cells connected together, which are often designed as lithium-ion battery cells. There is a risk of thermal shock with these. Thermal runaway is usually caused by a chemical reaction within one of the battery cells. The reaction releases heat energy because it is exothermic and is usually a decomposition reaction of a cathode and/or anode material of the respective battery cell. This is a major danger because it usually causes a chain reaction in which neighboring battery cells also go above a temperature threshold, which can cause the entire traction battery to ignite. Ignition is made easier if, for example, a housing of the traction battery is damaged and gas exchange with the environment is possible, for example. This can lead to a thermal event, for example.
  • CN 111 007461 A shows a method for locating thermal runaway of lithium-ion batteries based on acoustic signals.
  • CN 110 350258 A shows a protection system and a method for warning against thermal runaway of a lithium battery.
  • the object of the present invention is to provide a method by means of which monitoring of a traction battery is made possible, in particular with regard to thermal runaway, and which also functions reliably if, for example, there is already damage to the housing of the traction battery.
  • the method according to the invention is used to monitor a traction battery of a motor vehicle.
  • the motor vehicle is designed, for example, as a passenger car and can be driven at least partially electronically.
  • the traction battery has battery cells arranged in a housing, which can in particular be connected to one another.
  • monitoring is carried out by means of at least one pressure sensor, which continuously determines a pressure in the housing and provides the resulting pressure data to a control device, which determines a variance of the pressure from the pressure data and as a function of a value of the variance Provides event signal.
  • a pressure in the housing is determined, in particular continuously, by at least one pressure sensor and the resulting pressure data is provided to a control device.
  • the control device determines a variance of the pressure from the pressure data and, depending on a value of the variance, an event signal is provided.
  • the invention is based on the knowledge that the detection of a thermal runaway of a battery, such as the traction battery, can be done by measuring a pressure in the battery.
  • the course of the pressure during a thermal event is not always the same and depends on several factors, such as a temperature, a state of charge and/or aging and, for example, also on the trigger for the thermal runaway.
  • Pressure compensation unit can mean that, for example, an intended maximum pressure in the battery is no longer achieved.
  • methods are known in the prior art in which a specific reference pressure is used as a criterion for thermal runaway.
  • environmental parameters such as the temperature and/or the state of charge, as well as an aging condition, can influence the ventilation behavior and thus the pressure build-up of the traction battery.
  • environmental parameters such as the temperature and/or the state of charge, as well as an aging condition, can influence the ventilation behavior and thus the pressure build-up of the traction battery.
  • environmental parameters such as the temperature and/or the state of charge, as well as an aging condition, can influence the ventilation behavior and thus the pressure build-up of the traction battery.
  • a defective bursting membrane with which a specified maximum pressure cannot be achieved Thus, detection of thermal runaway due to pressure becomes impossible using prior art methods.
  • the method according to the invention can be used to determine the thermal runaway of a traction battery using a pressure sensor, since according to the invention a variance is determined from a pressure signal or the pressure data. So, instead of comparing the pressure value with a threshold value and/or a predetermined trajectory, the variance or at least a variance-like value is determined from the pressure signal. Based on this, a decision can be made about the existence of thermal runaway. A value of the variance, the variance value, can be compared, for example, with a threshold value.
  • An advantage of the method according to the invention is that the detection of thermal runaway increases its robustness and can additionally and/or additionally also take place for batteries in different states.
  • a particular advantage of the method is that thermal runaway can also be carried out for previously damaged traction batteries whose housing, for example, no longer has the necessary tightness.
  • the value of the variance at which the event signal is provided characterizes a thermal runaway of at least one of the battery cells of the traction battery.
  • the value is compared with a threshold value using the variance.
  • the pressure is determined if the housing has an anomaly.
  • An anomaly in the housing is, for example, a leak, such as a leaky or broken rupture membrane.
  • the anomaly describes a deviation from the target state of the traction battery or the housing.
  • the event signal activates a cooling system and/or an emergency stop switch and/or an extinguishing system of the traction battery and/or notifies the vehicle occupants or third parties.
  • Fig. 1 shows a schematic sequence of a method for monitoring a traction battery of a motor vehicle
  • Fig. 2 A diagram of a pressure determined by a pressure sensor and a diagram of a variance determined therefrom by the method.
  • the traction battery has battery cells arranged in a housing. Due to chemical and/or physical processes, for example, a thermal event or thermal runaway can occur in one of the battery cells, so that the entire traction battery can be damaged. Such a thermal event can depend on several factors, such as a temperature, voltage and/or aging condition of the respective battery cell. In addition, for example, pressure in the housing can also provide an indication of thermal runaway.
  • a pressure in the housing is continuously determined using at least one pressure sensor and the resulting pressure data DD are provided to a control device.
  • the control device converts the print data DD into a time-varying variance V of the pressure is determined and an event signal S is provided depending on a value W, i.e. in particular the size of the variance V.
  • the print data DD is thus provided, from which the variance V is formed; then, in addition, a low-pass filter TP can advantageously be applied to the variance V.
  • the value W can then advantageously be compared with a threshold value SW. If and when the value W is greater than the threshold value SW, the event signal S is provided.
  • the method advantageously activates a cooling system and/or an emergency stop switch and/or an extinguishing system of the traction battery due to the provision of the event signal S and/or notifies the vehicle occupants or third parties.
  • the value W of the variance V, at which the event signal S is provided characterizes in particular the thermal runaway of at least one of the battery cells of the traction battery.
  • the method serves to determine the pressure when the housing of the traction battery has an anomaly, for example because it is no longer pressure-tight because a leaky bursting membrane is arranged in the housing. Due to such a bursting membrane, for example, a desired maximum pressure can no longer be achieved, so that a thermal runaway of the battery cannot be concluded based on determining the pressure alone.
  • the method shown has the advantage that this is still possible due to the formation of variance.
  • Fig. 2 shows a possible measurement signal from the pressure sensor, so the upper half of the diagram in Fig. 2 shows the pressure in the form of the pressure data DD and the lower half of the diagram shows the variance V derived from the pressure data DD.
  • a predetermined threshold value SW which is not exceeded by the pressure stored in the print data DD, can be exceeded by the variance V.
  • the method is particularly suitable for monitoring the traction battery with regard to thermal events. The presented method is therefore particularly useful advantageous detection of a thermal runaway of a battery in a motor vehicle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, welche in einem Gehäuse angeordnete Batteriezellen aufweist, bei welchem mittels wenigstens eines Drucksensors kontinuierlich einen Druck in dem Gehäuse ermittelt wird und daraus resultierende Druckdaten (DD) einer Steuerungseinrichtung bereitgestellt werden, von welcher aus den Druckdaten (DD) eine Varianz (V) des Drucks ermittelt wird und in Abhängigkeit von einem Wert (W) der Varianz (V) ein Ereignissignal (S) bereitgestellt wird.

Description

Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Patentanspruch 1.
Eine Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs ist in der Regel aus vielen zusammengeschalteten Batteriezellen gebildet, welche häufig als Lithium-Ionen- Batteriezellen ausgebildet sind. Bei diesen besteht die Gefahr eines thermischen Durgehens. Das thermische Durchgehen wird in der Regel bestimmt von einer chemischen Reaktion innerhalb einer der Batteriezellen. Die Reaktion setzt Wärmeenergie frei, da diese exotherm verläuft und ist in der Regel eine Zersetzungsreaktion eines Kathoden- und/oder eines Anoden Materials der jeweiligen Batteriezelle. Dies ist eine große Gefahr da in der Regel eine Kettenreaktion herbeigeführt wird, bei welcher benachbarte Batteriezellen ebenfalls über einer Temperaturschwelle durchgehen, wodurch sich die ganze Traktionsbatterie entzünden kann. Das Entzünden wird erleichtert, wenn beispielsweise ein Gehäuse der Traktionsbatterie beschädigt ist und so beispielsweise ein Gasaustausch mit der Umgebung möglich ist. Dadurch kann es beispielsweise zu einem thermischen Ereignis kommen.
Daher ist eine Batterieüberwachung wünschenswert, welche frühzeitig einen Hinweis auf ein Durchgehen der Batterie liefern kann. Dabei ist bekannt, dass das Durchgehen beziehungsweise das thermische Ereignis nicht nur von der Temperatur abhängt, sondern beispielsweise auch vom Ladezustand und/oder einer Alterung der Batteriezellen.
Die CN 111 007461 A zeigt ein Verfahren zur Lokalisierung des thermischen Durchgehens von Lithium-Ionen-Batterien auf der Grundlage von akustischen Signalen.
Ferner zeigt die CN 110 350258 A ein Schutzsystem sowie ein Verfahren zur Warnung vor thermischem Durchgehen einer Lithium-Batterie. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem eine Überwachung einer Traktionsbatterie ermöglicht wird, insbesondere im Hinblick auf thermisches Durchgehen und welches auch dann zuverlässig funktioniert, wenn beispielsweise bereits eine Gehäuseschädigung eines Gehäuses der Traktionsbatterie vorhanden ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung sowie der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise als Personenkraftwagen ausgebildet und zumindest teilweise elektronisch antreibbar.
Die Traktionsbatterie weist in einem Gehäuse angeordnete Batteriezellen auf, welche insbesondere miteinander verschaltet sein können. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung der Traktionsbatterie erfolgt die Überwachung mittels wenigstens eines Drucksensors, welcher kontinuierlich einen Druck in dem Gehäuse ermittelt und daraus resultierende Druckdaten einer Steuerungseinrichtung bereitstellt, welche aus den Druckdaten eine Varianz des Drucks ermittelt und in Abhängigkeit von einem Wert der Varianz ein Ereignissignal bereitstellt.
Mit anderen Worten wird durch wenigstens eines Drucksensors insbesondere durchgehend ein Druck in dem Gehäuse ermittelt und daraus resultierende Druckdaten werden einer Steuerungseinrichtung bereitgestellt. Durch die Steuerungseinrichtung wird aus den Druckdaten eine Varianz des Drucks ermittelt und in Abhängigkeit von einem Wert der Varianz wird ein Ereignissignal bereitgestellt.
Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Detektion eines thermischen Durchgehens einer Batterie, wie der Traktionsbatterie, über eine Messung eines Drucks in der Batterie erfolgen kann. Dabei ist der Verlauf des Drucks während eines thermischen Ereignisses jedoch nicht immer gleich und hängt von mehreren Faktoren, wie beispielsweise einer Temperatur, einem Ladezustand und/oder einer Alterung und beispielsweise auch von dem Auslöser des thermischen Durchgehens, ab. Ebenso kann eine bereits undichte Berstmembran in dem Gehäuse und/oder eine
Druckausgleichseinheit dazu führen, dass beispielsweise ein beabsichtigter Maximaldruck in der Batterie nicht mehr erreicht wird. Trotz dieser Umstände sind im Stand der Technik Verfahren bekannt, bei welchen ein bestimmter Referenzdruck als Kriterium für ein thermisches Durchgehen herangezogen wird. Jedoch können, wie bereits erwähnt, Umgebungsparameter, wie die Temperatur und/oder der Ladezustand, als auch ein Alterungszustand ein Entlüftungsverhalten und damit den Druckaufbau der Traktionsbatterie beeinflussen. Gleicher gilt für einer defekte Berstmembran, mit welcher ein vorgegebener Maximaldruck nicht erreicht werden kann. Somit wird ein Erkennen des thermischen Durchgehens aufgrund des Drucks nach den Methoden des Stands der Technik unmöglich.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch mittels eines Drucksensors auf das thermische Durchgehen einer Traktionsbatterie geschlossen werden, da erfindungsgemäß eine Varianz aus einem Drucksignal beziehungsweise den Druckdaten bestimmt wird. So wird, anstelle eines Vergleichs des Druckwerts mit einem Schwellenwert und/oder einer vorgegebenen Trajektorie, die Varianz oder zumindest ein varianzähnlicher Wert aus dem Drucksignal bestimmt. Auf Basis dessen kann über das Vorliegen eines thermischen Durchgehens entschieden werden. Dabei kann ein Wert der Varianz, der Varianzwert, beispielsweise mit einem Schwellenwert verglichen werden.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Detektion des thermischen Durchgehens in seiner Robustheit erhöht und zusätzlich und/oder darüber hinaus auch für Batterien in unterschiedlichen Zustände stattfinden kann. Dabei ist ein besonderer Vorteil des Verfahrens, dass mit diesem das thermisches Durchgehen auch für vorgeschädigte Traktionsbatterien, deren Gehäuse beispielsweise nicht mehr eine notwendige Dichtheit aufweist, durchgeführt werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung charakterisiert der Wert der Varianz, bei welchem das Ereignissignal bereitgestellt wird, ein thermisches Durchgehen wenigstens einer der Batteriezellen der Traktionsbatterie.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Wert mittels der Varianz mit einem Schwellenwert abgeglichen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck ermittelt, wenn das Gehäuse eine Anomalie aufweist. Dabei ist eine Anomalie des Gehäuses beispielsweise eine undichte Stelle, wie beispielsweise ein undichte beziehungsweise kaputte Berstmembran. Mit anderen Worten beschreibt die Anomalie eine Abweichung von dem Sollzustand der Traktionsbatterie beziehungsweise des Gehäuses. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird durch das Ereignissignal ein Kühlsystem und/oder ein Notausschalter und/oder ein Löschsystem der Traktionsbatterie aktiviert und/oder eine Benachrichtigung der Fahrzeuginsassen oder Dritter durchgeführt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Es zeigt:
Fig. 1 Einen schematischen Ablauf eines Verfahrens zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs;
Fig. 2 Ein Diagramm eines durch einen Drucksensor ermittelten Drucks sowie ein Diagramm einer daraus durch das Verfahren bestimmten Varianz.
Um ein thermisches Durchgehen einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs vorteilhaft bestimmen zu können wird ein Verfahren zur Überwachung der Traktionsbatterie vorgeschlagen. Die Traktionsbatterie weist in einem Gehäuse angeordnete Batteriezellen auf. Aufgrund beispielsweise chemischer und/oder physikalischer Prozesse kann es bei einer der Batteriezellen zu einem thermischen Ereignis beziehungsweise thermischen Durchgehen kommen, sodass die gesamte Traktionsbatterie Schaden nehmen kann. Solch ein thermisches Ereignis kann von mehreren Faktoren, wie beispielsweise einer Temperatur, Spannung und/oder Alterungszustand der jeweiligen Batteriezelle abhängen. Darüber hinaus kann beispielsweise auch ein Druck in dem Gehäuse einen Hinweis auf das thermische Durchgehen liefern.
Bei dem Verfahren zur Überwachung der Traktionsbatterie wird mittels wenigstens eines Drucksensors kontinuierlich ein Druck in dem Gehäuse ermittelt und daraus resultierend Druckdaten DD werden einer Steuerungseinrichtung bereitgestellt. Von der Steuerungseinrichtung wird aus den Druckdaten DD eine zeitlich veränderliche Varianz V des Drucks ermittelt und in Abhängigkeit von einem Wert W, also insbesondere der Größe, der Varianz V ein Ereignissignal S bereitgestellt.
So zeigt Fig. 1 einen schematischen Ablauf des Verfahrens, insbesondere durchgeführt durch die Steuereinrichtung. So werden die Druckdaten DD bereitgestellt, aus welchen die Varianz V gebildet wird, anschließend kann zusätzlich, vorteilhafterweise ein Tiefpassfilter TP auf die Varianz V angewendet werden. Anschließend kann der Wert W vorteilhafterweise mit einem Schwellenwert SW abgeglichen werden. Ist und ist der Wert W größer als der Schwellenwert SW, wird das Ereignissignal S bereitgestellt.
Dabei werden vorteilhafterweise durch das Verfahren, aufgrund des Bereitstellen des Ereignissignals S, ein Kühlsystem und/oder ein Notausschalter und/oder ein Löschsystem der Traktionsbatterie aktiviert und/oder eine Benachrichtigung der Fahrzeuginsassen oder Dritter durchgeführt.
Der Wert W der Varianz V, bei welchem das Ereignissignal S bereitgestellt wird, charakterisiert insbesondere das thermische Durchgehen wenigstens einer der Batteriezellen der Traktionsbatterie.
Insbesondere dient das Verfahren dazu den Druck zu ermitteln, wenn das Gehäuse der Traktionsbatterie eine Anomalie aufweist, beispielsweise, weil es nicht mehr Druckdicht ist, da eine undichte Berstmembran in dem Gehäuse angeordnet ist. Durch solch eine Berstmembran kann beispielsweise ein gewünschter Maximaldruck nicht mehr erreicht werden, sodass aufgrund einer Ermittlung des Drucks alleine, nicht auf ein thermisches Durchgehen der Batterie geschlossen werden kann. Durch das gezeigte Verfahren ergibt sich der Vorteil, dass dies aufgrund der Varianzbildung jedoch trotzdem ermöglicht wird.
Fig. 2 zeigt ein mögliches Messsignal des Drucksensors, so zeigt die obere Hälfte des Diagramms der Fig. 2 den Druck in Form der Druckdaten DD und die untere Hälfte des Diagramms die aus den Druckdaten DD abgeleitete Varianz V.
Dabei ist zu erkennen, dass aufgrund einer relativen Größe der Varianz V, beziehungsweiseihres Wertes W bei bereits kleinen Druckschwankungen, ein vorgegebener Schwellenwert SW, welcher von dem in den Druckdaten DD hinterlegten Druck nicht überschritten wird, von der Varianz V überschritten werden kann. So eignet sich das Verfahren besonders vorteilhaft zur Überwachung der Traktionsbatterie im Hinblick auf thermische Ereignisse. Somit dient das vorgestellte Verfahren zur besonders vorteilhaften Detektion eines thermischen Durchgehens einer Batterie in einem Kraftfahrzeug.
Bezugszeichenliste
DD Druckdaten
V Varianz
TP Tiefpassfilter
W Wert
S Ereignissignal
SW Schwellenwert

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Überwachung einer Traktionsbatterie eines Kraftfahrzeugs, welche in einem Gehäuse angeordnete Batteriezellen aufweist, bei welchem mittels wenigsten eines Drucksensors kontinuierlich einen Druck in dem Gehäuse ermittelt wird und daraus resultierende Druckdaten (DD) einer Steuerungseinrichtung bereitstellt werden, von welcher aus den Druckdaten (DD) eine Varianz (V) des Drucks ermittelt wird und in Abhängigkeit von einem Wert (W) der Varianz (V) ein Ereignissignal (S) bereitstellt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (W) der Varianz (V), bei welchem das Ereignissignal (S) bereitgestellt wird, ein thermisches Durchgehen wenigstens einer der Batteriezellen charakterisiert. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert (W) der ermittelten Varianz (V) mit einem Schwellenwert (SW) abgeglichen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck ermittelt wird, wenn das Gehäuse eine Anomalie aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Ereignissignal (S) ein Kühlsystem und/oder ein Notausschalter und/oder ein Löschsystem der Traktionsbatterie aktiviert und/oder eine Benachrichtigung der Fahrzeuginsassen oder Dritter durchgeführt wird.
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