WO2023247112A1 - Verfahren und system zur früherkennung von kritischen fehlern einer batterie - Google Patents

Verfahren und system zur früherkennung von kritischen fehlern einer batterie Download PDF

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WO2023247112A1
WO2023247112A1 PCT/EP2023/062999 EP2023062999W WO2023247112A1 WO 2023247112 A1 WO2023247112 A1 WO 2023247112A1 EP 2023062999 W EP2023062999 W EP 2023062999W WO 2023247112 A1 WO2023247112 A1 WO 2023247112A1
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battery
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battery data
phases
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PCT/EP2023/062999
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Georg ANGENENDT
Kai-Philipp KAIRIES
Original Assignee
Accure Battery Intelligence Gmbh
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Publication date
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    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • G—PHYSICS
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/20—Batteries in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the invention relates to a method with the features of the preamble of claim 1 and a system for the early detection of critical errors in a battery.
  • BMS battery management systems
  • H battery management systems
  • Battery management systems ensure, among other things, the safe and reliable function of the battery cells and battery packs used. They monitor, measure and control currents, voltages, temperatures, insulation resistances and other electrical properties or variables for individual battery cells, battery modules and/or the battery pack. With the help of these variables, management functions can be implemented that increase the service life, reliability and safety of the battery system.
  • the invention is therefore based on the object of avoiding the danger of battery fires.
  • the task is solved by a process for the early detection of critical faults in a battery.
  • the method is carried out after commissioning and preferably during battery operation of the battery.
  • the method includes receiving battery data at a remote diagnostic unit.
  • the battery data is provided by a battery management system (BMS) associated with the battery.
  • BMS battery management system
  • the battery data relates temporally to the electrical properties/sizes of the battery.
  • the electrical properties/quantities are measured during battery operation.
  • the method includes performing a remote diagnosis of the battery by comparing the received battery data with reference battery data in phases and/or cycles.
  • a phase is (e.g. precisely) one of: a charging phase, a transition phase and a discharging phase related to battery operation.
  • a cycle includes (e.g. once) consecutive phases of the charging phase, the transition phase and the discharging phase.
  • the electrical properties/variables can include at least current, voltage and/or temperature.
  • the battery data relates the current through the battery in time to the battery's terminal voltage. Current and voltage can therefore be present in time-resolved form in the received battery data.
  • outliers in the raw data of the measured electrical properties/quantities can be omitted by a pre-processing step, which may be performed during or immediately downstream of the battery data receiving step, and the remote diagnosis is then performed on the pre-processed battery data.
  • Corresponding outliers can also be classified as uncritical or critical errors, e.g. B. Sensor errors can be detected during preprocessing.
  • the battery referred to here can be a cell, a module, a pack, or a battery system, in particular a battery cell / a battery module / a battery pack / battery system from a batch of a large number of battery cells / Battery modules / battery packs / battery systems that have gone through the same battery formation process at the same time.
  • the temporal relationship of the electrical properties/variables can be time-resolved.
  • the phase-wise comparison can be a comparison that is carried out per phase of the time-resolved battery data.
  • the cycle-by-cycle comparison can be a comparison that is carried out per cycle of the time-resolved acquired data.
  • a cycle can include all phases (e.g. exactly) once.
  • the battery data may be received incrementally and remote diagnosis performed incrementally thereon, or may be performed on a batch of the incrementally received battery data.
  • Adaptation to the situation can be improved by taking the time component into account.
  • the transition phase can lie between the charging phase and the discharging phase, the charging phase to another charging phase, the discharging phase to another discharging phase and/or from the discharging phase to the charging phase.
  • the term “transitional phase” can be understood as a transition in which an edge, in particular a current edge, voltage edge and/or temperature edge, is steep in time resolution.
  • the current slope can be greater than 0.01 (0.05, 0.1, 0.5, 1 or 10) A/s.
  • the voltage slope can be greater than 0, 1 (0.5, 1, 5, 10 or 100) V/s.
  • the temperature slope can be greater than 0.01 (or 0.05) K/s and/or less than 1 (or 0.5) K/s.
  • the transition phase can be a monotonic function, but can also have a rest phase between the transition phases, such as: B. a plateau.
  • the rest phase can be shorter (in time) than the entire transition phase, or shorter than 1/3, 1/5, 1/8 or 1/10 of the entire transition edge.
  • the reference battery data may be battery data derived from a historical battery data set.
  • the battery data may come from a plurality of similar battery lots and/or be the same battery lot.
  • the reference battery data may be collected from at least one battery batch or may include such data.
  • the at least one or more battery batches can be a different battery batch or several different battery batches than the battery batch to which the (current) battery belongs.
  • the at least one battery batch may be a historical battery batch or several different historical battery batches.
  • the reference battery data can be or contain data from a current battery data set of the same batch to which the (current) battery belongs.
  • the reference battery data may be based on the (current) battery.
  • Such data fusion can ensure process quality.
  • the method may further include extracting one or more functional profiles from the (stepwise) received battery data.
  • Carrying out the remote diagnosis may further include comparing the one or more functional profiles of the received battery data with corresponding one or more functional profiles of the reference battery data.
  • Carrying out the remote diagnosis may further include triggering one or more indicators when one or more differences between the one or more functional profiles of the received battery data and the corresponding one or more functional profiles of the reference battery data exceed one or more predetermined threshold values.
  • the one or more indicators can be a quality indicator that indicates that the battery is defective or has a quality defect.
  • the multiple indicators can be used to indicate a battery defect or quality defect. In this case, multiple thresholds can be exceeded, triggering multiple indicators.
  • the indicators can be simple flag(s) that indicate battery errors.
  • One or more flags, e.g. B. more than three flags can indicate an error.
  • the threshold value can be a nominal or normalized value in a range between 0.05 and 0.3 or 0.1 and 0.2.
  • the battery data or the one or more functional profiles may include derivatives of a charge of the battery with respect to a terminal voltage of the battery according to the respective charging phases and discharging phases.
  • the battery data or the one or more functional profiles may include derivatives of the terminal voltage of the battery with respect to the charge of the battery according to the respective charging phases and discharging phases.
  • the battery data or the one or more functional profiles may include charge and/or energy throughputs according to the respective charging phases and discharging phases.
  • the battery data or the one or more functional profiles may include internal resistances according to the respective transition phases.
  • the battery data or the one or more functional profiles may include electrical circuit models according to the respective transition phases and/or the electrical circuit models according to the respective charging phases and/or discharging phases.
  • the battery data or the one or more functional profiles may include Coulomb and/or energy and/or voltaic efficiencies and/or capacities or changes therein according to the respective cycles.
  • multi-category diagnosis can be performed as a quality test during remote diagnosis.
  • the remote diagnosis can be carried out by comparing at least one maximum and/or at least one minimum of said derivatives with at least one maximum and/or at least one minimum of derivatives in the reference battery data.
  • Running remote diagnostics can are carried out by comparing said derivatives with corresponding statistical upper and lower limit curves that are linked to the derivatives in the reference battery data.
  • the remote diagnosis can be carried out by comparing the charge and/or energy throughputs with at least a first statistical boundary condition of the reference battery data.
  • the remote diagnosis can be carried out by comparing the internal resistances with at least a second statistical boundary condition of the reference battery data.
  • the remote diagnosis can be carried out by adapting parameters of the electrical circuit models to the battery data or the one or more functional profiles, and in addition: each comparing the parameters of the electrical circuit models with corresponding parameters of an equivalent electrical circuit model of the reference battery data and/or each comparing the parameters of the electrical circuit models with at least a third statistical boundary condition that is linked to the corresponding parameters of the reference battery data.
  • One of the electrical circuit models may be a series connection of a voltage source, a first resistor and a parallel connection of a second resistor and a capacitor, from one voltage terminal of the battery to the other voltage terminal of the battery.
  • Another electrical circuit model may be a series connection of a third resistor and a Warburg impedance, from one voltage terminal of the battery to the other voltage terminal of the battery.
  • the parameters described here can be understood as values of the respective circuit elements of the electrical circuit model used.
  • the remote diagnosis can be carried out by comparing the Coulomb and/or energy and/or voltaic efficiencies with at least a fourth statistical boundary condition of the reference battery data.
  • the remote diagnosis can be carried out by comparing the capacities or changes thereto with at least a fifth statistical boundary condition of the reference battery data.
  • the at least one first, second, third, fourth and fifth statistical boundary conditions can be independent of one another.
  • the at least one first, second, third, fourth and fifth statistical boundary conditions can be different from one another.
  • the at least one first, second, third, fourth and fifth statistical boundary condition may correspond to a respective envelope of a statistical distribution of values of the reference battery data, such as. B. a normal distribution or a Gaussian distribution.
  • the at least one first, second, third, fourth and fifth statistical boundary conditions can each be a set of boundary conditions.
  • the set of constraints can be checked sequentially, e.g. B. depending on whether a previous boundary condition is met or not.
  • the order within the sentence can be arbitrary, e.g. B. be irregular or random, or deterministically determined.
  • the above task is also solved by a computer program.
  • the computer program includes commands which, when the computer program is executed by a computer or by a BMS, an arbiter and/or a remote diagnostic unit, cause the computer or the BMS, the arbiter and/or the remote diagnostic unit to carry out the method described above or at least to carry out one of the steps thereof.
  • the computer program can be, for example, a module for starting/operating the BMS, the arbiter and/or the remote diagnostic unit.
  • the computer program may be stored on a machine-readable storage medium, such as a permanent or rewritable storage medium. Additionally or alternatively, the computer program may be made available for download on a server or a cloud server, e.g. B. via a data network such as the Internet or a communication connection such as a wireless connection.
  • the above-mentioned task is also solved by a computer-readable data carrier.
  • the computer program described above is stored on the computer-readable data carrier.
  • the above-mentioned task is also solved by a system for the early detection of critical battery errors. This preferably happens after commissioning and during battery operation of the battery.
  • the system includes a battery management system (BMS) associated with the battery.
  • the BMS is designed to provide battery data.
  • the battery data refers to the electrical properties of the battery measured during battery operation.
  • the system includes a remote diagnostic unit.
  • the remote diagnosis unit is designed to carry out a remote diagnosis of the battery by comparing the received battery data with reference battery data in phases and/or cycles.
  • a phase is (e.g. precisely) one of: a charging phase, a transition phase and a discharging phase related to battery operation.
  • a cycle includes (e.g. exactly once) consecutive phases of the charging phase, the transition phase and the discharging phase.
  • the BMS can, for example, provide the battery data in partial batches, which are combined into an overall batch by the remote diagnostic unit. This can be useful, for example, in a handover between cell phone cells.
  • the system or the BMS can contain a gateway for transmitting the battery data to the remote diagnostic unit.
  • an arbiter may be connected as part of the system between the BMS and the remote diagnostic unit.
  • the arbiter can be understood here as an intermediary between the BMS and the remote diagnostic unit and can preferably have storage technology that enables the battery data to be retained.
  • the data transfer from the BMS to the remote diagnosis unit and vice versa can be initiated and controlled via another control entity, the arbiter. This means that all communication can be carried out via the arbiter. Direct data transfer can also be provided.
  • the remote diagnostic unit can be part of an onsite or remote cloud system. This makes it possible to provide a remote diagnosis unit that can be designed independently of the BMS and arbiter, thus increasing a degree of freedom.
  • the invention relates to the early detection of critical battery faults such as fires.
  • Applications include electric cars, stationary energy storage or consumer electronics.
  • the method can provide for: Analysis of battery data during operation.
  • the process can look like this: The battery management system (BMS).
  • Battery measures current, voltage and temperature; forwards this measured data via the communication bus (e.g. CAN), whereby the CAN signals are pushed into the cloud by a data logger - either directly or at (ir)regular intervals.
  • the data is then analyzed in the cloud and warnings are issued if batteries are classified as safety-critical. Appropriate safety measures can then be taken.
  • the term “battery” is used herein in accordance with normal usage for accumulator.
  • the battery includes one or more battery units, which can each refer to a battery cell, a battery module, a module string or a battery pack.
  • the battery cells are preferably spatially combined and connected to one another in terms of circuitry, for example connected in series or parallel to battery modules.
  • Several battery modules can form so-called battery direct converters (BDC, Battery Direct Converter) and several battery direct converters can form a battery direct inverter (BDI, Battery Direct Inverter).
  • BDC Battery Direct Converter
  • BDI Battery Direct Inverter
  • the battery can in particular be a lithium-ion battery or a nickel-metal hydride battery and can be designed to be connected to a drive system of a motor vehicle.
  • the above-mentioned task can also be solved by a battery management system (BMS) itself, a motor vehicle with the BMS or a fleet of motor vehicles with the respective BMS as described above.
  • BMS battery management system
  • the details are omitted here for clarity. It is understood that the aspects described above may apply to the method, the system, the BMS, the motor vehicle or the motor vehicle fleet. Likewise, the aspects described above with regard to the system, the BMS, the motor vehicle or the motor vehicle fleet can apply in a corresponding manner to the method.
  • the motor vehicle can be provided with the BMS and the battery as described above.
  • the battery can be connected to a drive system of the motor vehicle.
  • the motor vehicle can be designed as a purely electric vehicle and exclusively include an electric drive system.
  • the motor vehicle may be a hybrid vehicle that includes an electric drive system and an internal combustion engine. It can also be provided that the battery of the hybrid vehicle is internally powered by a generator with excess energy Internal combustion engine can be charged.
  • Externally chargeable hybrid vehicles PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle
  • the driving cycle includes a ferry operation and/or a charging operation as operating phases in which operating parameters, such as the above-mentioned electrical properties/variables, are recorded.
  • the units of the BMS, the arbiter and the remote diagnosis unit are each to be understood as functional units that are not necessarily physically separated from one another.
  • Several units of the BMS, the arbiter and the remote diagnosis unit can each be implemented in a single physical unit, for example if several functions are implemented in software.
  • the units of the BMS, the arbiter and the remote diagnosis unit can also be implemented in hardware components.
  • the BMS, the arbiter, and the remote diagnostic unit may be at least partially configured as a computer, logic circuit, field programmable logic gate array (FPGA), microprocessor, microcontroller, vector processor, processor integrated core, CPU (e.g., multi-core), Coprocessor (microprocessor to support the CPU), graphics processing unit (GPU) and/or DSP can be implemented.
  • FPGA field programmable logic gate array
  • microprocessor microcontroller
  • vector processor processor integrated core
  • CPU e.g., multi-core
  • Coprocessor microprocessor to support the CPU
  • GPU graphics processing unit
  • DSP digital signal processor
  • a component is “connected” or “communicates” with another component, this may mean that it is directly connected or communicates with it; However, it should be noted that there may be another component in between. On the other hand, if it is said that a component is “directly connected” to another component or “communicates directly” with it, this means that there are no other components in between.
  • FIG. 1 a view of a system for early detection of critical faults in a battery
  • FIG. 2 a view of a method for early detection of critical faults in a battery
  • FIG. 3 a view of a computer that is used in parts of the system and the method for early detection of critical errors in a battery.
  • Fig. 1 shows a system 1 for the early detection of critical faults in a battery 4, in particular a vehicle battery.
  • System 1 includes a Battery management system (BMS) 2 - in particular a vehicle BMS - with main control unit 7, which can also be referred to as a battery control unit (BCU), and sensor control units 8 and 9, a battery 4 with a number of battery modules
  • BMS Battery management system
  • main control unit 7 which can also be referred to as a battery control unit (BCU)
  • sensor control units 8 and 9 a battery 4 with a number of battery modules
  • the sensor control devices 8, 9 of a measuring chain (e.g. a row of battery cells 6 corresponding to several battery modules 5) and the main control device 7 are connected to one another, for example in a daisy chain, in series to the communication bus tied together.
  • the measuring chains are particularly preferably connected serially to the communication bus via a daisy chain.
  • the measured data is recorded and processed by the main control unit 7 via the communication bus, for example designed as an SPI communication bus.
  • the sensor control devices 8, 9 control battery cell monitoring units or battery module monitoring units, which continuously, periodically and/or cyclically, with predetermined or adjustable sampling rates, operating parameters, also referred to herein as electrical properties/variables, such as voltages, currents or temperatures of individual battery cells 6 or individual battery modules 5 as measured values and provide the recorded measured values to the sensor control devices 8, 9.
  • the sensor control devices 8, 9 are connected to the battery cells 6 via measuring lines (see solid lines).
  • the arbiter 13 is informed accordingly, which in response takes appropriate measures, for example communication with the BMS 2 or the operator of the device associated with the battery 4, for example the vehicle driver.
  • Examples may further include or relate to a computer program that includes program code for executing at least a portion of the method steps when the computer program is executed on the computer 14 or processor 15.
  • the computer 14 or processor 15 is programmed to carry out the process steps.
  • An example can also be a non-volatile memory or permanent memory 17, such as. B. also described below with reference to Fig. 3, which is machine, processor or computer readable and machine-executable, processor-executable or computer executable programs encoded with instructions.
  • the commands cause some or all of the procedural steps to be executed. Examples may also include dedicated (field) programmable logic arrays ((F)PLAs) or (field) programmable gate arrays ((F)PGAs) programmed to perform the method step(s).
  • Figure 3 schematically shows a block diagram that represents a computer 14.
  • the computer 14 can, for example, describe the BMS 2 or the remote diagnostic unit 3, or part(s) thereof, suitable for early detection of critical faults in a battery 4.
  • the computer 14 carries out one or more steps of the method S20.
  • computer 14 may implement some or all of the steps of method S20 as shown in FIG. 2.
  • the computer 14 provides functionality such as computer software that runs on the computer 14 and executes one or more steps of the method S20.
  • the computer 14 takes any suitable physical form.
  • the computer 14 may be an embedded computer, system on chip (SOC), single board computer (SBC), mobile phone, server, and/or tablet.
  • the computer 14 may be unitary or distributed; Spanning one or more locations; span one or more machines or data centers; or located in a cloud, which may have cloud components in a network.
  • the computer 14 may perform one or more steps of the method described or illustrated herein without significant spatial or temporal limitations.
  • the computer 14 may execute one or more steps of method S20 in real time, in parallel, or in batch mode.
  • the computer 14 may execute step(s) of method S20 at different times or locations.
  • the computer 14 has at least one or more of the following components: a processor 15, volatile memory 16, persistent memory 17 with controller and non-volatile memory device (NVM), an input / output (I / O) device 18, communication device 19, a bus 20, a main power supply 21, and an auxiliary power supply 22. These components can be at least partially implemented in hardware and/or software.
  • the processor 15 has means for executing commands related to the battery data, e.g. B. a computer program.
  • the processor 15 may have an internal register/cache for the battery data, for the instructions associated with the battery data, and/or for associated addresses.
  • the processor 15 may include an arithmetic logic unit (ALU), logic circuit, field programmable logic gate array (FPGA), microprocessor, microcontroller, vector processor, processor integrated core, CPU (e.g. with multiple cores), coprocessor (microprocessor for CPU support), digital signal processor (DSP), graphics processing unit (GPU) and/or application specific integrated circuit (ASIC) for accessing the internal register/cache.
  • ALU arithmetic logic unit
  • FPGA field programmable logic gate array
  • microprocessor microcontroller
  • vector processor processor integrated core
  • CPU e.g. with multiple cores
  • coprocessor microprocessor for CPU support
  • DSP digital signal processor
  • GPU graphics processing unit
  • ASIC application specific integrated circuit
  • Volatile memory 16 may be dynamic RAM (DRAM) or static RAM (SRAM).
  • the volatile memory 16 may in particular be as described herein described computer-readable data carrier can be formed on which the computer program described herein can be stored. Additionally, volatile memory 16 may be a single or multi-channel RAM.
  • the volatile memory 16 may include a main memory for storing instructions related to the battery data for the processor 15 to then execute those instructions; or the battery data for the processor 15 that the processor uses to work with them.
  • the computer 14 may load these instructions into the volatile memory 16 from the persistent memory 17 or another source (such as another computer, the network, or the cloud).
  • the processor 15 can then load these instructions from the volatile memory 16 into the internal register/cache of the processor 15.
  • the processor 15 may retrieve and decrypt these instructions from the corresponding internal register/cache. During or after executing these instructions, the processor 15 may write a result (which may be intermediate or final results) to the internal register/cache. The processor 15 can then write the result into the volatile memory 16.
  • the processor 15 executes only the instructions related to the battery data in the internal register/cache of the processor 15 or in the volatile memory 16 (as opposed to the persistent memory 17), and only operates on the battery data in the internal register/cache of the processor 15 or in the volatile memory 16 (in contrast to the permanent memory 17).
  • a memory management unit can be located between the processor 15 and the volatile memory 16 and can support the access requested by the processor 15 in connection with remote diagnosis to the volatile memory 16.
  • Bus 20 may include a memory bus.
  • the memory bus (with address bus and data bus) can communicatively connect the processor 15 to the volatile memory 16.
  • the bus 20 may be designed for dedicated communication of battery data between two or more of the internal components 15 to 22 of the computer 14.
  • the bus 20 may have a ring topology, star topology, (partially) meshed topology, bus topology, tree topology and/or line topology.
  • the bus 20 can be an Accelerated Graphics Port (AGP) or other graphics bus, Gunning Transceiver Logic (GTL) bus, Enhanced Industry Standard Architecture (EISA) bus, Front Side Bus (FSB), HYPERTRANSPORT (HT) bus, Industry Standard Architecture (ISA) bus, Low Pin Count (LPC) bus, memory bus, Micro Channel Architecture (MCA) bus, Peripheral Component Interconnect (PCI) bus, PCI-Express (PCIe) bus, Serial Advanced Technology Attachment (SATA ) bus, local Video Electronics Standards Association local (VLB) bus and/or an INFINIBAND connection.
  • AGP Accelerated Graphics Port
  • GTL Gunning Transceiver Logic
  • EISA Enhanced Industry Standard Architecture
  • FAB Front Side Bus
  • HT HYPERTRANSPORT
  • ISA Industry Standard Architecture
  • LPC Low Pin Count
  • MCA Micro Channel Architecture
  • PCI Peripheral Component Interconnect
  • PCIe PCI-Express
  • SATA Serial Advanced Technology
  • the permanent memory 17 has a mass storage device, e.g. B. a non-volatile memory for the battery data or the commands related to the battery data.
  • the permanent memory 17 can in particular be designed as the computer-readable data carrier described herein on which the computer program described herein can be stored.
  • the persistent memory 17 may be a hard disk drive (HDD) or solid state memory (SSD), flash memory, optical disk, magneto-optical disk, Secure Digital Memory Card (SD), Embedded Multi Media Card (eMMC), and/or be a Universal Serial Bus (USB).
  • the permanent memory 17 can have the battery data in an erasable or non-erasable manner.
  • the permanent memory 17 can be located in the computer 14, i.e. internally, or external to it.
  • the permanent memory 17 can have a controller that supports the communication for passing on the battery data between the processor 15 and the permanent memory 17, in particular the non-volatile memory device NVM of the permanent memory 17.
  • the main power supply 21 supplies at least one or more of the components 14 to 21 with electrical power.
  • the main power supply 21 charges the auxiliary power supply 22 with electrical power, for example from outside the computer 14, in the case that the main power supply 21 is connected to a power source outside the computer 14.
  • the processor 15 monitors changes in the electrical power supplied by the main power supply 21. In the event of a sudden power failure, e.g. B. if the power source external to the computer 14 is disconnected from the main power supply 21 or the main power supply 21 weakens or fails for some other reason, and the processor determines that the electrical power supplied by the main power supply 21 to one or more of the components 14 to 21 below a threshold, e.g. B. 0.8 or 0.75 of an operating power of the main power supply 21 has fallen, the processor 15 causes the auxiliary power supply 22 to take over a remaining supply power for a shutdown process of the computer 14.
  • the shutdown process includes the power supply of at least the processor 15, the volatile memory 16 and the permanent memory 17 with electrical power for the time of the shutdown process.
  • the battery data that is currently in the volatile memory 16 and/or the battery data that is currently being processed in the processor 15, for example in the register/cache of the processor 15, is removed from the volatile memory 16 and/or the processor 15 transferred to a meta area of the permanent memory 17.
  • the meta area of the permanent memory 17 can be reserved specifically for the shutdown process.
  • the communication device 19 enables the computer 14 to communicate with an ad hoc network, a personal area network (PAN), a local area network (LAN), a wide area network (WAN), a metropolitan area network (MAN). and/or at least part of the Internet.
  • the communication device 19 enables the computer 14 to communicate with a wireless PAN (WPAN; such as a BLUETOOTH WPAN), a WI-FI network, a WI-MAX network, and/or a cellular telephone network (e.g., GSM ).
  • WPAN wireless PAN
  • the communication device 19 can have a transceiver, a receiver or a transmitter with one or more antennas.

Abstract

Ein Verfahren zur Früherkennung von kritischen Fehlern einer Batterie (4, 5, 6), nach Inbetriebnahme und während eines Batteriebetriebs der Batterie (4, 5, 6), umfasst Empfangen von, durch ein der Batterie (4, 5, 6) zugehöriges Batteriemanagementsystem, BMS (2), bereitgestellte, Batteriedaten an einer Ferndiagnoseeinheit (3), wobei sich die Batteriedaten zeitlich auf während des Batteriebetriebs gemessene elektrische Eigenschaften der Batterie (4, 5, 6) beziehen; und Ausführen einer Ferndiagnose der Batterie (4, 5, 6) durch phasenweises Vergleichen und/oder zyklusweises Vergleichen der empfangenen Batteriedaten mit Referenzbatteriedaten, wobei eine Phase eine von: einer Ladephase, einer Übergangsphase und einer Entladephase bezogen auf den Batteriebetrieb ist, und wobei ein Zyklus aufeinanderfolgende Phasen der Ladephase, der Übergangsphase und der Entladephase umfasst.

Description

Beschreibung
VERFAHREN UND SYSTEM ZUR FRÜHERKENNUNG VON KRITISCHEN
FEHLERN EINER BATTERIE
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein System zur Früherkennung von kritischen Fehlern einer Batterie.
Der folgende Hintergrund soll lediglich Informationen liefern, die zum Verständnis des Zusammenhangs der hier offenbarten erfinderischen Ideen und Konzepte erforderlich sind. Daher kann dieser Hintergrundabschnitt patentierbare Gegenstände enthalten und sollte nicht per se als Stand der Technik angesehen werden.
HINTERGRUND
Für Lithium-Ionen-Batteriespeicher, insbesondere für elektrisch angetriebene Kraftfahrzeuge geht ein Trend in Richtung einer Entwicklung von leistungsfähigen Batteriepacks mit zugehörigem Batteriemanagementsystemen (BMS), d. h. elektronischen Steuergeräten, welche mit Software zur Überwachung einer Batteriefunktionalität bzw. Messung elektrischer Eigenschaften/Größen ausgestattet sind. Batteriemanagementsysteme gewährleisten unter anderem die sichere und zuverlässige Funktion der eingesetzten Batteriezellen und Batteriepacks. Dabei überwachen, messen und steuern sie Ströme, Spannungen, Temperaturen, Isolationswiderstände und weitere elektrische Eigenschaften bzw. Größen für einzelne Batteriezellen, für Batteriemodule und/oder für den Batteriepack. Mit Hilfe dieser Größen lassen sich Managementfunktionen realisieren, die die Lebensdauer, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit des Batteriesystems steigern.
Es gibt verschiedene Architekturen, um die zu den Batteriemodulen gruppierten Batteriezellen, die zu dem Batteriepack gruppierten Batteriemodule und/oder den Batteriepack selbst messtechnisch zu erfassen. Eine Möglichkeit besteht darin, jede Batteriezelle oder jedes Batteriemodul mit einem Sensorsteuergerät bereitzustellen, welche mit einem den Sensorsteuergeräten gemeinsamen Hauptsteuergerät, beispielsweise über einen Controller Area Network (CAN) Bus oder Serial Peripheral Interface (SPI) Bus kommunizieren. Diese Sensorsteuergeräte messen beispielsweise zyklisch Messwerte in Form von elektrischen Eigenschaften/Größen, wie Temperatur, Strom oder Spannungen, der einzelnen Batteriezellen oder eines Batteriestrangs (Parallelschaltung der Batteriezellen). Die Messwerte werden zyklisch an das Hauptsteuergerät kommuniziert, so dass ein Sensorsteuergerät nach dem anderen, die Messwerte der zugehörigen Batteriezellen bereitstellt. Hierbei kann die Messung und die Bereitstellung in periodischer Weise erfolgen, so dass zum Beispiel pro Periode jeweils eine Zelle jedes Batteriemoduls vermessen und die entsprechenden Messwerte zyklisch in der entsprechenden Periode übermittelt werden. Die Anzahl an Perioden können demnach der Anzahl an Batteriezellen pro Batteriemodul entsprechen. Ebenfalls kann eine Periode dem zyklischen Abarbeiten der Messungen an einem Batteriemodul entsprechen, wodurch die Anzahl an Perioden der Anzahl an Batteriemodulen pro Batteriepack entsprechen würden.
Mit dem größer werdenden Bedarf an Batteriespeichern, insbesondere auch an elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, obzwar der bereits weit entwickelten BMS, werden, vor allem im stationären und automobilen Umfeld, unvorhergesehene Brände häufiger.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Gefahr durch Batteriebrände zu vermeiden.
KURZFASSUNG
Diese Kurzfassung dient dazu, eine Auswahl von Merkmalen und Konzepten der Erfindung vorzustellen, die weiter unten in der Beschreibung erläutert werden. Diese Kurzfassung soll nicht dazu dienen, wichtige oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, noch soll sie dazu dienen, den Umfang des beanspruchten Gegenstands zu begrenzen. Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Konkret wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Früherkennung von kritischen Fehlem einer Batterie gelöst. Das Verfahren wird nach Inbetriebnahme und vorzugsweise während eines Batteriebetriebs der Batterie ausgeführt. Das Verfahren umfasst Empfangen von Batteriedaten an einer Ferndiagnoseeinheit. Die Batteriedaten sind durch ein der Batterie zugehöriges Batteriemanagementsystem (BMS) bereitgestellt. Die Batteriedaten beziehen sich zeitlich auf elektrische Eigenschaften/Größen der Batterie. Die elektrischen Eigenschaften/Größen werden während des Batteriebetriebs gemessen. Das Verfahren umfasst Ausführen einer Ferndiagnose der Batterie durch phasenweises Vergleichen und/oder zyklusweises Vergleichen der empfangenen Batteriedaten mit Referenzbatteriedaten. Eine Phase ist (z. B. genau) eine von: einer Ladephase, einer Übergangsphase und einer Entladephase bezogen auf den Batteriebetrieb. Ein Zyklus umfasst (z. B. einmal) aufeinanderfolgende Phasen der Ladephase, der Übergangsphase und der Entladephase.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass Batteriebrände vermieden werden können.
Die elektrischen Eigenschaften/Größen können zumindest Strom, Spannung und/oder Temperatur umfassen. Beispielsweise setzen die Batteriedaten den Strom durch die Batterie zeitlich mit der Klemmenspannung der Batterie in Beziehung. Strom und Spannung können also in den empfangen Batteriedaten zeitlich aufgelöst vorliegen. Einem Fachmann dürfte klar sein, dass Ausreißer in den Rohdaten der gemessenen elektrischen Eigenschaften/Größen durch einen Vorverarbeitungsschritt, der während des Empfangsschritts der Batteriedaten oder direkt nachgelagert darauf ausgeführt werden kann, weggelassen werden können, und die Ferndiagnose dann an den vorverarbeiteten Batteriedaten vorgenommen wird. Ebenso können entsprechende Ausreißer als unkritischer oder kritischer Fehler, z. B. Sensorfehler, bei der Vorverarbeitung erkannt werden.
Die Batterie, auf die hier Bezug genommen wird, kann eine Zelle, ein Modul, ein Pack, oder ein Batteriesystem sein, insbesondere eine Batteriezelle / ein Batteriemodul / ein Batteriepack / Batteriesystem aus einer Charge einer Vielzahl von Batteriezellen / Batteriemodulen / Batteriepacks / Batteriesystemen, die zur gleichen Zeit den gleichen Batteriebildungsprozess durchlaufen hat.
Die zeitliche Beziehung der elektrischen Eigenschaften/Größen kann zeitaufgelöst sein. Das phasenweise Vergleichen kann ein Vergleichen sein, das pro Phase der zeitaufgelösten Batteriedaten ausgeführt wird. Das zyklusweise Vergleichen kann ein Vergleichen sein, das pro Zyklus der zeitaufgelösten erfassten Daten ausgeführt wird. Insbesondere kann ein Zyklus alle Phasen (z. B. genau) einmal umfassen.
Zum Beispiel können die Batteriedaten schrittweise empfangen werden, und die Ferndiagnose schrittweise darauf erfolgen oder auf einem Batch aus den schrittweise empfangenen Batteriedaten erfolgen.
Eine Situationsanpassung kann hierdurch verbessert werden, indem die zeitliche Komponente dabei berücksichtigt werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Übergangsphase kann zwischen der Ladephase und der Entladephase, der Ladephase zu einer anderen Ladephase, der Entladephase zu einer anderen Entladephase und/oder von der Entladephase zu der Ladephase liegen. Der Begriff "Übergangsphase" kann als ein Übergang verstanden werden, bei dem eine Flanke, insbesondere eine Stromflanke, Spannungsflanke und/oder Temperaturflanke, in der Zeitauflösung steil ist. Die Strom- Steilheit kann größer als 0,01 (0,05, 0,1, 0,5, 1 oder 10) A/s sein. Die Spannungs-Steilheit kann größer als 0, 1 (0,5, 1, 5, 10 oder 100) V/s sein. Die Temperatur- Steilheit kann größer als 0,01 (oder 0,05) K/s sein und/oder kleiner als 1 (oder 0,5) K/s. Es versteht sich jedoch, dass die Übergangsphase eine monotone Funktion sein kann, aber auch eine Ruhephase zwischen den Übergangsphasen haben kann, wie z. B. ein Plateau. Die Ruhephase kann (zeitlich) kürzer sein als die gesamte Übergangsphase, oder kürzer als 1/3, 1/5, 1/8 oder 1/10 der gesamten Übergangsflanke.
Die Diagnosefähigkeit kann somit gesteigert werden. Die Referenzbatteriedaten können Batteriedaten sein, die aus einem historischen Batteriedatensatz stammen. Zum Beispiel können die Batteriedaten aus einer Vielzahl ähnlicher Batteriechargen stammen und/oder derselben Batteriecharge sein. Die Referenzbatteriedaten können von mindestens einer Batteriecharge gesammelt sein, oder sie können solche Daten enthalten. Bei den mindestens einen oder mehreren Batteriechargen kann es sich um eine andere Batteriecharge oder mehrere andere Batteriecharge handeln als die Batteriecharge, zu der die (aktuelle) Batterie gehört. Darüber hinaus kann es sich bei der mindestens einen Batteriecharge um eine historische Batteriecharge oder um mehrere verschiedene historische Batteriecharge handeln. Alternativ oder zusätzlich können die Referenzbatteriedaten Daten aus einem aktuellen Batteriedatensatz einer gleichen Charge sein oder enthalten, zu der die (aktuelle) Batterie gehört. Somit können in einem Beispiel die Referenzbatteriedaten auf der (aktuellen) Batterie basieren.
Eine solche Datenfusion kann die Verfahrensqualität gewährleisten.
Das Verfahren kann ferner ein Extrahieren eines oder mehrerer Funktionsprofile aus den (schrittweise) empfangenen Batteriedaten umfassen. Das Ausführen der Ferndiagnose kann ferner ein Vergleichen des einen oder der mehreren Funktionsprofile der empfangenen Batteriedaten mit entsprechenden einen oder mehreren Funktionsprofilen der Referenzbatteriedaten umfassen.
So kann ein einfacher funktionsbezogener Vergleich ermöglicht werden, um den Aufwand für die Qualitätsanalyse zu reduzieren.
Das Ausführen der Ferndiagnose kann ferner ein Auslösen eines oder mehrerer Indikatoren umfassen, wenn ein oder mehrere Unterschiede zwischen dem einen oder den mehreren Funktionsprofilen der empfangenen Batteriedaten und den entsprechenden einen oder mehreren Funktionsprofilen der Referenzbatteriedaten entsprechende eine oder mehrere vorbestimmte Schwellenwerte überschreiten. Bei den einen oder mehreren Indikatoren kann es sich um ein Qualitätskennzeichen handeln, das anzeigt, dass die Batterie defekt ist bzw. einen Qualitätsmangel aufweist. Um ein zuverlässigeres Ergebnis zu erzielen, können die mehreren Indikatoren verwendet werden, um einen Defekt der Batterie bzw. den Qualitätsmangel anzuzeigen. In diesem Fall können mehrere Schwellenwerte überschritten werden, die mehrere Indikatoren auslösen. Bei den Indikatoren kann es sich um einfache Flag(s) handeln, die auf Fehler der Batterie hinweisen. Eine oder mehrere Flags, z. B. mehr als drei Flags können einen Fehler anzeigen.
So kann die Batterie indiziert und bei Gelegenheit entfernt werden. Diese Möglichkeit kann ebenfalls an andere Nutzer von Batterien derselben Charge vermittelt werden, um in Vorausschau, Brände zu vermeiden, die in ähnlicher Weise bei der gesamten Charge auftreten können. Ferner kann der Schwellenwert ein nominaler oder normierter Wert in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,3 oder 0,1 und 0,2 sein.
Die Batteriedaten oder die einen oder mehreren Funktionsprofile können Ableitungen einer Ladung der Batterie in Bezug auf eine Klemmenspannung der Batterie gemäß den jeweiligen Ladephasen und Entladephasen umfassen. Die Batteriedaten oder die einen oder mehreren Funktionsprofile können Ableitungen der Klemmenspannung der Batterie in Bezug auf die Ladung der Batterie gemäß den jeweiligen Ladephasen und Entladephasen umfassen. Die Batteriedaten oder die einen oder mehreren Funktionsprofile können Ladungs- und/oder Energiedurchsätze gemäß den jeweiligen Ladephasen und Entladephasen umfassen. Die Batteriedaten oder die einen oder mehreren Funkti onsprofile können Innenwiderstände gemäß den jeweiligen Übergangsphasen umfassen. Die Batteriedaten oder die einen oder mehreren Funktionsprofile können elektrische Schaltungsmodelle gemäß den jeweiligen Übergangsphasen und/oder die elektrischen Schaltungsmodelle gemäß den jeweiligen Ladephasen und/oder Entladephasen umfassen. Die Batteriedaten oder die einen oder mehreren Funktionsprofile können Coulomb- und/oder Energie- und/oder Voltaik- Wirkungsgrade und/oder Kapazitäten bzw. Änderungen daran gemäß den jeweiligen Zyklen umfassen.
Folglich kann eine Diagnose mehrerer Kategorien als Qualitätstest während der Ferndiagnose ausgeführt werden.
Das Ausführen der Ferndiagnose kann erfolgen durch jeweils Vergleichen mindestens eines Maximums und/oder mindestens eines Minimums der besagten Ableitungen mit mindestens einem Maximum und/oder mindestens einem Minimum von Ableitungen in den Referenzbatteriedaten. Das Ausführen der Ferndiagnose kann erfolgen durch jeweils Vergleichen der besagten Ableitungen mit entsprechenden statistischen oberen und unteren Grenzkurven, die mit den Ableitungen in den Referenzbatteriedaten verknüpft sind. Das Ausführen der Ferndiagnose kann erfolgen durch jeweils Vergleichen der Ladungs- und/oder Energiedurchsätze mit mindestens einer ersten statistischen Randbedingung der Referenzbatteriedaten. Das Ausfuhren der Ferndiagnose kann erfolgen durch Vergleichen der Innenwiderstände mit mindestens einer zweiten statistischen Randbedingung der Referenzbatteriedaten.
Das Ausführen der Ferndiagnose kann erfolgen durch Anpassen von Parametern der elektrischen Schaltungsmodelle an die Batteriedaten oder die einen oder mehreren Funktionsprofile, und zusätzlich: jeweiliges Vergleichen der Parameter der elektrischen Schaltungsmodelle mit entsprechenden Parametern eines äquivalenten elektrischen Schaltungsmodells der Referenzbatteriedaten und/oder jeweiliges Vergleichen der Parameter der elektrischen Schaltungsmodelle mit mindestens einer dritten statistischen Randbedingung, die mit den entsprechenden Parametern der Referenzbatteriedaten verknüpft ist. Eines der elektrischen Schaltungsmodelle kann eine Reihenschaltung einer Spannungsquelle, eines ersten Widerstands und einer Parallelschaltung eines zweiten Widerstands und eines Kondensators, von einem Spannungsanschluss der Batterie zum anderen Spannungsanschluss der Batterie sein. Ein anderes elektrisches Schaltungsmodell kann eine Reihenschaltung eines dritten Widerstands und einer Warburg-Impedanz, von einem Spannungsanschluss der Batterie zum anderen Spannungsanschluss der Batterie, sein. Die hier beschriebenen Parameter können als Werte der jeweiligen Schaltungselemente des verwendeten elektrischen Schaltungsmodells verstanden werden.
So kann ein angemessener Q-Faktor gewährleistet werden.
Das Ausführen der Ferndiagnose kann erfolgen durch Vergleichen der Coulomb- und/oder Energie- und/oder Voltaik-Wirkungsgrade mit mindestens einer vierten statistischen Randbedingung der Referenzbatteriedaten.
Das Ausführen der Ferndiagnose kann erfolgen durch Vergleichen der Kapazitäten bzw. Änderungen daran mit mindestens einer fünften statistischen Randbedingung der Refer enzb atteri edaten . Die mindestens eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte statistische Randbedingung können unabhängig voneinander sein. Beispielsweise können die mindestens eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte statistische Randbedingung voneinander verschieden sein. Die mindestens eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte statistische Randbedingung kann einer jeweiligen Einhüllenden einer statistischen Verteilung von Werten der Referenzbatteriedaten entsprechen, wie z. B. einer Normalverteilung oder einer Gauß-Verteilung. Die mindestens eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte statistische Randbedingung kann jeweils ein Satz von Randbedingungen sein. Der Satz von Randbedingungen kann nacheinander geprüft werden, z. B. in Abhängigkeit davon, ob eine vorherige Randbedingung erfüllt ist oder nicht. Die Reihenfolge innerhalb des Satzes kann beliebig, z. B. unregelmäßig oder zufällig, oder deterministisch festgelegt sein.
Folglich kann die Datenfusion einiger oder aller dieser Techniken eine bessere Qualität der Ferndiagnose liefern. Ein Ergebnis kann außerdem schneller erzielt werden.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein Computerprogramm gelöst. Das Computerprogramm umfasst Befehle, die, bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer oder durch ein BMS, einen Arbiter und/oder eine Femdiagnoseeinheit, den Computer oder das BMS, den Arbiter und/oder die Femdiagnoseeinheit veranlassen, das oben beschriebene Verfahren bzw. mindestens einen der Schritte davon auszuführen. Bei dem Computerprogramm kann es sich beispielsweise um ein Modul zum Starten/Betr eiben des BMS, des Arbiters und/oder der Femdiagnoseeinheit handeln. Das Computerprogramm kann auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert werden, etwa auf einem permanenten oder wiederbeschreibbaren Speichermedium. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Computerprogramm auf einem Server oder einem Cloud-Server zum Herunterladen bereitgestellt werden, z. B. über ein Datennetzwerk wie das Internet oder eine Kommunikationsverbindung wie eine drahtlose Verbindung.
Die oben genannte Aufgabe wird auch durch einen computerlesbaren Datenträger gelöst. Auf dem computerlesbaren Datenträger ist das oben beschriebene Computerprogramm gespeichert. Die oben genannte Aufgabe wird auch durch ein System zur Früherkennung von kritischen Fehlern einer Batterie gelöst. Dies geschieht vorzugsweise nach Inbetriebnahme und während eines Batteriebetriebs der Batterie. Das System umfasst ein der Batterie zugehöriges Batteriemanagementsystem (BMS). Das BMS ist ausgebildet, Batteriedaten bereitzustellen. Die Batteriedaten beziehen sich zeitlich auf während des Batteriebetriebs gemessene elektrische Eigenschaften der Batterie. Das System umfasst eine Ferndiagnoseeinheit. Die Ferndiagnoseeinheit ist ausgebildet, eine Ferndiagnose der Batterie durch phasenweises Vergleichen und/oder zyklusweises Vergleichen der empfangenen Batteriedaten mit Referenzbatteriedaten auszuführen. Eine Phase ist (z. B. genau) eine von: einer Ladephase, einer Übergangsphase und einer Entladephase bezogen auf den Batteriebetrieb. Ein Zyklus umfasst (z. B. genau einmal) aufeinanderfolgende Phasen der Ladephase, der Übergangsphase und der Entladephase.
Das BMS kann die Batteriedaten zum Beispiel in Teil-Batches bereitstellen, die in ein Gesamtbatch durch die Ferndiagnoseeinheit zusammengefügt werden. Dies kann zum Beispiel bei einem Handover zwischen Mobilfunkzellen sinnvoll sein.
Das System bzw. das BMS können dafür ein Gateway zur Übertragung der Batteriedaten an die Ferndiagnoseeinheit enthalten. In einem Beispiel kann ein Arbiter als Teil des Systems zwischen dem BMS und der Ferndiagnoseeinheit geschaltet sein. Der Arbiter kann hierin als Mittler zwischen dem BMS und der Ferndiagnoseeinheit verstanden werden und kann vorzugsweise Speichertechnologie aufweisen, die ein Vorhalten der Batteriedaten ermöglicht. So kann die Datenübergabe von BMS zur Ferndiagnoseeinheit und umgekehrt über eine weitere Kontrollinstanz, den Arbiter eingeleitet und kontrolliert werden. So kann jede Kommunikation über den Arbiter betrieben werden. Eine direkte Datenübergabe kann ebenfalls vorgesehen sein. Die Ferndiagnoseeinheit kann Teil eines Onsite- oder Remote-Cloud-Systems sein. So kann eine Ferndiagnoseeinheit bereitstellen, die unabhängig von BMS und Arbiter ausgestaltet werden kann und so einen Freiheitsgrad erhöht.
Mit anderen Worten betrifft die Erfindung die Früherkennung von kritischen Batteriefehlem wie z.B. Bränden. Einsatzzwecke sind zum Beispiel Elektroautos, stationäre Energiespeicher oder Consumer Electronics. Hierbei kann die Methode vorsehen: Analyse von Batteriedaten während des Betriebs. Dabei kann in ferner anderen Worten der Ablauf wie folgt aussehen: Das Batteriemanagementsystem (BMS) der Batterie misst Strom, Spannung und Temperatur; leitet diese so gemessenen Daten über den Kommunikationsbus (z.B. CAN) weiter, wobei die CAN Signale von einem Datenlogger in die Cloud geschoben werden - entweder direkt oder in (un)regelmäßigen Abständen. In der Cloud werden dann die Daten analysiert und Warnungen ausgegeben, wenn Batterien als sicherheitskritisch eingestuft werden. Hierauf können entsprechende sicherheitstechnische Maßnahmen unternommen werden.
Der Begriff "Batterie" wird hierin dem üblichen Sprachgebrauch angepasst für Akkumulator verwendet. Die Batterie umfasst eine oder mehrere Batterieeinheiten, womit eine Batteriezelle, ein Batteriemodul, ein Modulstrang oder ein Batteriepack jeweils für sich bezeichnet sein kann. In der Batterie sind die Batteriezellen vorzugsweise räumlich zusammengefasst und schaltungstechnisch miteinander verbunden, beispielsweise seriell oder parallel zu Batteriemodulen verschaltet. Mehrere Batteriemodule können sogenannte Batteriedirektkonverter (BDC, Battery Direct Converter) bilden und mehrere Batteriedirektkonverter einen Batteriedirektinverter (BDI, Battery Direct Inverter). Die Batterie kann insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie sein und ausgebildet sein, mit einem Antriebssystem eines Kraftfahrzeugs verbunden zu werden.
Die oben genannte Aufgabe kann ebenso durch ein Batteriemanagementsystem (BMS) an sich, ein Kraftfahrzeug mit dem BMS oder eine Kraftfahrzeugflotte mit jeweiligen BMS wie oben beschrieben gelöst werden. Die Einzelheiten werden hier der Übersicht halber weggelassen. Es versteht sich, dass die voranstehend beschriebenen Aspekte in Bezug auf das Verfahren, auf das System, das BMS, das Kraftfahrzeug oder die Kraftfahrzeugflotte zutreffen können. Genauso können die voranstehend in Bezug auf das System, das BMS, das Kraftfahrzeug oder die Kraftfahrzeugflotte beschriebenen Aspekte in entsprechender Weise auf das Verfahren zutreffen.
So kann beispielsweise das Kraftfahrzeug mit dem BMS und der Batterie, wie oben beschrieben, zur Verfügung gestellt werden. Die Batterie kann mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden sein. Das Kraftfahrzeug kann als reines Elektrofahrzeug ausgestaltet sein und ausschließlich ein elektrisches Antriebs system umfassen. Alternativ kann das Kraftfahrzeug ein Hybridfahrzeug sein, das ein elektrisches Antriebs system und einen Verbrennungsmotor umfasst. Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Batterie des Hybridfahrzeugs intern über einen Generator mit überschüssiger Energie des Verbrennungsmotors geladen werden kann. Extern aufladbare Hybridfahrzeuge (PHEV, Plug-in Hybrid Electric Vehicle) sehen zusätzlich die Möglichkeit vor, die Batterie über ein externes Stromnetz aufzuladen. Bei derartigen Kraftfahrzeugen umfasst der Fahrzyklus einen Fährbetrieb und/oder einen Ladebetrieb als Betriebsphasen, in denen Betriebsparameter, wie die oben genannten elektrischen Eigenschaften/ Größen erfasst werden.
Es ist dem Fachmann klar, dass die hierin dargelegten Erklärungen unter Verwendung von Hardwareschaltungen, Softwaremitteln oder einer Kombination davon implementiert sein können. Die Softwaremittel können im Zusammenhang stehen mit programmierten Mikroprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und/oder digitale Signalprozessoren (DSPs). Die Einheiten des BMS, des Arbiters und der Ferndiagnoseeinheit sind jeweils als funktionale Einheiten zu verstehen, die nicht notwendigerweise physikalisch voneinander getrennt sind. So können mehrere Einheiten des BMS, des Arbiters und der Ferndiagnoseeinheit jeweils in einer einzigen physikalischen Einheit realisiert sein, etwa wenn mehrere Funktionen in Software implementiert sind. Die Einheiten des BMS, des Arbiters und der Ferndiagnoseeinheit können auch in Hardware-Bausteinen implementiert sein.
In einem Beispiel kann das BMS, der Arbiter und die Ferndiagnoseeinheit zumindest teilweise als Computer, Logikschaltung, Feld programmierbare Logik-Gatter- Anordnung (FPGA), Mikroprozessor, Mikrocontroller, Vektorprozessor, prozessorintegrierter Kern, CPU (z. B. mit mehreren Kernen), Koprozessor (Mikroprozessor zur Unterstützung der CPU), Grafikprozessoreinheit (GPU) und/oder DSP realisiert sein.
In dem BMS, dem Arbiter und/oder der Ferndiagnoseeinheit können beispielsweise Verfahren angewendet werden, die im Zusammenhang mit Pipelining der Batteriedaten stehen. Hierbei wird statt eines gesamten Befehls in einem Taktzyklus des in dem BMS, dem Arbiter und/oder der Ferndiagnoseeinheit verwendeten Prozessors nur eine Teilaufgabe davon, z. B. ein Teil der Batteriedaten, abgearbeitet. Dabei werden die verschiedenen Teilaufgaben mehrerer Befehle gleichzeitig abgearbeitet. Ferner können hierbei Verfahren im Sinne von Multithreading auf den Batteriedaten und Weiterentwicklungen davon angewandt werden, zum Beispiel Simultaneous Multithreading der Batteriedaten. Damit lässt sich eine bessere Auslastung der Prozessoren aufgrund paralleler Verwendung mehrerer Prozessorkeme erzielen. Der in dem BMS, dem Arbiter und/oder der Ferndiagnoseeinheit enthaltene Prozessor kann dabei mit einem Pufferspeicher verbunden sein, der die Batteriedaten zeitweise vor und/oder nach der Abarbeitung der Batteriedaten bzw. des Teils davon speichern kann. Der Pufferspeicher kann in einem flüchtigen Speicher, z. B. einem (D)RAM, oder in einem Dauerspeicher, z. B. eine nichtflüchtige Speichervorrichtung wie einer SSD, integriert sein. Hierdurch kann eine Performanz erhöht werden.
Sofern nicht anders definiert, haben alle vorliegend verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die Bedeutung, die dem allgemeinen Verständnis des Fachmanns auf dem für die vorliegende Offenbarung relevanten Fachgebiet der Batterie- und Energiespeichertechnik entspricht; sie sind weder zu breit noch zu eng zu fassen. Werden vorliegend Fachbegriffe unzutreffend verwendet und bringen so den technischen Gedanken der vorliegenden Offenbarung nicht zum Ausdruck, sind diese durch Fachbegriffe zu ersetzen, die dem Fachmann ein richtiges Verständnis vermitteln. Die vorliegend verwendeten allgemeinen Begriffe sind auf der Grundlage der im Lexikon zu findenden Definition oder dem technischen Jargon entsprechend auszulegen.
Obwohl Begriffe wie "erster" oder "zweiter" usw. evtl, zur Beschreibung verschiedener Komponenten verwendet werden, sind diese Komponenten nicht auf diese Begriffe zu beschränken. Mit den obigen Begriffen soll lediglich eine Komponente von der anderen unterschieden werden. Beispielsweise kann eine erste Komponente als zweite Komponente bezeichnet werden und eine zweite Komponente als erste Komponente bezeichnet werden.
Heißt es vorliegend, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente "verbunden ist" oder damit „kommuniziert, kann dies heißen, dass sie damit direkt verbunden ist oder kommuniziert; hierbei ist aber anzumerken, dass eine weitere Komponente dazwischenliegen kann. Heißt es andererseits, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente "direkt verbunden" ist oder damit "direkt kommuniziert", ist darunter zu verstehen, dass dazwischen keine weiteren Komponenten vorhanden sind.
Die hierin beschriebenen Verfahrensschritte sollten hierin nicht so ausgelegt werden, dass sie in einer bestimmten Reihenfolge erfolgen müssen, es sei denn, es wird ausdrücklich oder implizit etwas anderes angegeben, beispielsweise wenn diese Verfahrensschrite aus technischen Gründen nicht getauscht werden können. Auch können die hierin beschriebenen Verfahrensschrite direkt, nacheinander, fortlaufend und/oder sukzessive ausgeführt werden. Es können jedoch auch andere Verfahrensschritte dazwischen liegen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsformen mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen. Die gleichen oder ähnlichen Elemente in den Zeichnungen sind immer mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Detaillierte Erklärungen von bekannten Funktionen und Strukturen werden weggelassen, sofern sie von der Erfindung ablenken.
Die Zeichnungen zeigen in:
FIG. 1 eine Ansicht eines Systems zur Früherkennung von kritischen Fehlem einer Batterie;
FIG. 2 eine Ansicht eines Verfahrens zur Früherkennung von kritischen Fehlem einer Batterie; und
FIG. 3 eine Ansicht eines Computers, der in Teilen des Systems und des Verfahrens zur Früherkennung von kritischen Fehlern einer Batterie eingesetzt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das System 1 zur Früherkennung von kritischen Fehlem einer Batterie und das Verfahren S20 dazu, sowie der darin verwendete Computer werden nun in Bezug auf die Ausführungsformen beschrieben. Ohne darauf festgelegt zu sein, werden spezifische Details erläutert, um ein tieferes Verständnis der Erfindung bereitzustellen.
Fig. 1 zeigt ein System 1 zur Früherkennung von kritischen Fehlem einer Batterie 4, insbesondere einer Fahrzeugbatterie. Das System 1 umfasst ein Batteriemanagementsystem (BMS) 2 - insbesondere ein Fahrzeug-BMS - mit Hauptsteuergerät 7 welches auch als Batteriesteuergerät (BCU) bezeichnet werden kann, und Sensorsteuergeräten 8 und 9, eine Batterie 4 mit einer Anzahl von Batteriemodulen
5, welche einzelne gruppierte Batteriezellen 6 enthält. Jedem Batteriemodul 5 ist ein eigenes Sensorsteuergerät 8, 9 zugeordnet. Das Hauptsteuergerät 7 implementiert Funktionen zum Steuern, Überwachen und Messen der Batterie 4. Das System 1 kann als Fahrzeugmanagementsystem oder Fahrzeugflottenmanagementsystem verstanden werden, da das System 1 für einen selben Batterie 4 -Typ oder eine selbe Fahrzeugklasse ausgelegt sein kann.
Das BMS 2 gewährleistet die sichere und zuverlässige Funktion der Batteriezellen
6, der Batteriemodule 5 und der Batterie 4 bzw. des Batteriepacks. Das BMS 2 überwacht und steuert Ströme, Spannungen, Temperaturen, Isolationswiderstand und andere Größen für die Batteriezellen 6 oder die Batterie 4 bzw. das gesamte Batteriepack. Mit Hilfe dieser Größen lassen sich neben Managementfunktionen auch die Ferndiagnosefunktion, wie sie vorliegend angedacht ist, realisieren, wodurch die Lebensdauer, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit beim Einsatz der Batterie 4 steigen. Das BMS 2 besteht aus einer Vielzahl von Steuergeräten, wie das Hauptsteuergerät 7, und die Sensorsteuergeräte 8, 9, auf denen individuelle Softwarefunktionalitäten laufen.
Abhängig von der Anzahl der Batteriezellen 6, der Anzahl der Sensoren und der Verteilung der Batteriemodule 5 auf verschiedene Bauräume im Fahrzeug ergibt sich eine Steuergerätetopologie mit einem Hauptsteuergerät 7 und mehreren untergeordneten Sensorsteuergeräten 8, 9 für die Erfassung der zu messenden Daten direkt an den einzelnen Batteriemodulen 5. Bei den zu messenden Daten, hierin auch elektrische Eigenschaften/Größen genannt, kann es sich z. B. um Spannungen, Temperaturen, Ströme etc. handeln. Die gemessenen Daten werden zwischen den Steuergeräten über einen Kommunikationsbus, beispielsweise ein Controller Area Network (CAN), ausgetauscht. Das BMS 2 bzw. dessen Elemente 7, 8, 9 können mittels des Kommunikationsbusses verschaltet sein, um die von verschiedenen Sensoren erfassten elektrischen Eigenschaften/Größen, wie Strom, Spannung und Temperatur, zu sammeln.
Die Sensorsteuergeräte 8, 9 einer Messkette (z. B. eine Reihe von Batteriezellen 6 entsprechend mehreren Batteriemodulen 5) und das Hauptsteuergerät 7 werden beispielsweise in einer Daisy-Chain in Serie zu dem Kommunikationsbus miteinander verbunden. Besonders bevorzugt werden die Messketten über jeweils eine Daisy-Chain zu dem Kommunikationsbus seriell verbunden. Die gemessenen Daten werden vom Hauptsteuergerät 7 über den Kommunikationsbus, beispielsweise als ein SPI- Kommunikationsbus ausgestaltet, erfasst und verarbeitet.
Jedem Batteriemodul 5 sind hier beispielhaft vier Batteriezellen 6 zugeordnet, wobei diese in Serie und teilweise zusätzlich parallelgeschaltet sein können, um geforderte Leistungs- und Energieerfordemisse durch die Batterie 4 zu erfüllen. Die Batterie 4 stellt die elektrische Energie an Batterieanschlüssen (+, -) bereit, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs. Die Batterie 4 kann mit diesen Batterieanschlüssen (+, -) verbundenen Last(en), zum Beispiel über Gleichrichter (DC/DC 10) und/oder Wechselrichter (DC/ AC 11) verbundene Hochspannungsteile, mit Energie versorgen. Hierbei kann an den DC/AC 11 ein Motor 12 oder eine Klimaanlage (nicht gezeigt), mittels eines Dreiphasenkabels verbunden sein. Beispielsweise kann der DC/DC Wandler 10 für ein Bordnetz (des Fahrzeugs) und daran angeschlossene Verbraucher vorgesehen sein, und der DC/AC Wandler 11 vorgesehen sein, den elektrischen Antrieb (Motor 12) mit der nötigen Energie beim Betrieb zu versorgen. Weitere Lasten, die von der Batterie 4 mit Energie versorgt werden können, sind elektronische Elemente innerhalb des dem BMS 2 zugehörigen Fahrzeugs, wie beispielsweise ein Niederspannungs-DC/DC- Wandler (LDC) (nicht gezeigt).
Eine Kathode und eine Anode der Batterie 4 (Batterieanschlüssen (+, -)) können mit entsprechenden zwei Anschlüssen der Last(en) abhängig von einer Steuerung des BMS 2 verbunden oder von denselben getrennt (z. B. ausgeschaltet) werden. Weitere Last(en) können verschiedene Antriebslasten sein, wie beispielsweise ein Hybrid-Starter- Generator-Motor (HSG-Motor), der mit Leistung über das Dreiphasenkabel versorgt wird, das mit dem DC/AC 11 verbunden ist, das ein anderes Hochspannungsteil ist, und zum Unterstützen des Startens konfiguriert ist, ein vollautomatisches Temperaturregelsystem (FATC; engl. full automatic temperature control system), ein Heizgerät mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC; engl. positive temperature coefficient) und ein fahrzeuginternes Ladegerät (OBC), das mit der Batterie 4 über ein durch das BMS 2 gesteuertes Relais verbunden ist, um das Laden der Batterie 21 zu unterstützen. Die Kommunikation zwischen dem Hauptsteuergerät 7 und den Sensorsteuergeräten 8, 9 erfolgt über einen Kommunikationskanal und angepasste Schnittstellen (schematisch als Strich mit Endpunkten in Fig. 1 dargestellt).
Die Sensorsteuergeräte 8, 9 steuern Batteriezellen-Überwachungseinheiten oder Batteriemodul-Überwachungseinheiten, welche kontinuierlich, periodisch und/oder zyklisch, mit vorbestimmten bzw. anpassbaren Abtastraten, Betriebsparameter, hierin auch elektrische Eigenschaften/Größen genannt, wie Spannungen, Stromstärken oder Temperaturen einzelner Batteriezellen 6 oder einzelner Batteriemodule 5 als Messwerte erfassen und die erfassten Messwerte den Sensorsteuergeräten 8, 9 bereitstellen. Die Sensorsteuergeräte 8, 9 sind dafür über Messleitungen (siehe durchgezogene Striche) mit den Batteriezellen 6 verbunden.
Über den Kommunikationskanal fordert das Hauptsteuergerät 7 die von den Sensorsteuergeräten erfassten Messwerte der elektrischen Eigenschaften/Größen an. Diese Anforderung kann automatisch oder in vorbestimmten Zeitintervallen festgelegt sein. So kann zum Beispiel ein Anforderungsintervall während eines Betriebs der Batterie 4 kürzer sein als ein Anforderungsintervall außerhalb des Betriebs der Batterie 4, z. B. wenn keine Energie durch die Batterie 4 bereitgestellt wird. Dasselbe kann für ein Messintervall bezogen auf die Messungen durch die Sensorsteuergeräte 8, 9 gelten.
Das Hauptsteuergerät 7 kann die Messwerte in Form von Batteriedaten in einem Speicher (nicht gezeigt) des BMS 2 ablegen. Das BMS 2 verfügt ferner über eine Kommunikationseinheit (nicht gezeigt), die zur Kommunikation der Batteriedaten ausgebildet ist. Zu einem vordefinierten Ereignis können die Batteriedaten ausgesendet werden. Dieses vordefmierte Ereignis kann ein Beenden der erfolgreichen Herstellung einer Kommunikationsverbindung mit einem Netzwerk sein. Hierbei kann das BMS 2 die im Speicher liegenden Batteriedaten abrufen und sie in Paketen über ein Mobilfunksystem an das Netzwerk weiterleiten. Im Falle eines Handovers, zum Beispiel, wenn das das BMS 2 enthaltene Kraftfahrzeug zwischen zwei Zellen des Mobilfunksystems wechselt können die Batteriedaten in Paketen so vorgehalten werden, dass ein erster Teil der Pakete in der übergebenden Zelle und ein zweiter Teil der Pakete in der Dienstzelle übergeben werden, so dass letztendlich die aus dem ersten und zweiten Teil der Pakete bestehenden Batteriedaten in dem Netzwerk zusammengefügt werden. Als Ziel ort der Batteriedaten ist in Fig. 1 ein sogenannter Arbiter 13 gezeigt, der zum Beispiel als Datenverwalter, Vermittler oder Flottenmanager agieren kann. Die Entscheidung, ob eine Ferndiagnose ausgeführt wird, kann durch den Arbiter 13 erfolgen.
Der Arbiter 13 erhält die Batteriedaten, um sie an die Ferndiagnoseeinheit 13 zu übermitteln. Der Arbiter 13 ist ausgebildet, eine Anforderung zur Auswertung der in den Batteriedaten enthaltenen Messwerte auf kritische Fehler der Batterie 4 an die Ferndiagnoseeinheit 3 zu senden. Als Antwort auf die Anforderung von dem Arbiter 13 zu der Ferndiagnoseeinheit 3 kann diese eine Anforderungsbestätigung an den Arbiter 13 senden, um die Batteriedaten erhalten zu können. Daraufhin sendet der Arbiter 13 die Batteriedaten an die Femdiagnoseeinheit.
Ebenso ist denkbar, dass der Arbiter 13 weggelassen werden kann und die Anforderung statt von dem Arbiter 13, von dem BMS 2 direkt erfolgt.
Sollte ein kritischer Fehler in den Batteriedaten durch die Ferndiagnoseeinheit 3 festgestellt werden, wird der Arbiter 13 entsprechend informiert, der in Antwort darauf entsprechende Maßnahmen ausführt, zum Beispiel Kommunikation mit dem BMS 2 oder dem Betreiber der zu der Batterie 4 gehörigen Vorrichtung, zum Beispiel dem Fahrzeugführer.
Fig. 2 skizziert ein Verfahren zur Früherkennung von kritischen Fehlern einer Batterie 4, in Anlehnung an Fig. 1. Die Schritte SI, S2, S3 und S6 erfolgen wie oben in Bezug auf Fig. 1 beschrieben. So wird die Messung S1 durch die Sensorsteuergeräte 8, 9 an den Batteriezellen 6, den Batteriemodulen 5, der Batterie 4 bzw. dem Batteriepack ausgeführt und von dem Hauptsteuergerät 7 in einem Speicher des BMS 2 abgelegt. In abstrakter Weise können die ersten Schritte S1-S3 auch von dem BMS 2 ausgeführt werden. Die gespeicherten Batteriedaten werden dann in S3 an die Femdiagnoseeinheit
3 bereitgestellt, zum Beispiel mittels eines Arbiters 13. Die Batteriedaten beziehen sich zeitlich auf während des Batteriebetriebs gemessene elektrische Eigenschaften der Batteriezellen 6, der Batteriemodule 5, oder der Batterie 4 bzw. dem Batteriepack.
In S4 werden die in S3 durch das BMS 2 bereitgestellten Batteriedaten an der Femdiagnoseeinheit 3 empfangen. Danach oder gleichzeitig mit dem Empfangen in S4, wird in S5 die Ferndiagnose der Batteriezellen 6, der Batteriemodule 5, oder der Batterie
4 bzw. dem Batteriepack durch phasenweises Vergleichen und/oder zyklusweises Vergleichen der empfangenen Batteriedaten mit Referenzbatteriedaten ausgeführt. Dieses Vergleichen ermöglicht einen effektiven Qualitätsqueck allein auf den in den entsprechenden phasenbezogenen oder zyklusbezogenen Zeitausschnitten in den Batteriedaten bzw. Referenzbatteriedaten. Der Begriff „Phase“ sowie der Begriff „Zyklus“ können hier in engerem Sinne verstanden werden, so dass nicht mehrere Phasen oder nicht mehrere Zyklen gemeint sind. So ist gemeint, dass die Phase entweder eine Ladephase, eine Übergangsphase oder eine Entladephase jeweils bezogen auf den Batteriebetrieb ist. Weiter ist hier gemeint, dass der Zyklus jede der Phasen einmal umfasst, so dass aufeinanderfolgende Phasen der Ladephase, der Übergangsphase und der Entladephase genau einmal enthalten sind.
Im Ergebnis S6 werden die Diagnoseergebnisse übermittelt, zum Beispiel an den Arbiter 13. So können entsprechende Maßnahmen in S6 unternommen werden, zum Beispiel mittels des Arbiters 13 als Kontroll- oder Steuerorgan. Zu diesen Maßnahmen können als Endresultat die Stilllegung zum Beispiel des Fahrzeugs oder die Hinweisgebung (Trigger, Warnung etc.) an den Fahrzeugführer bzw. den Benutzer der die Batterie 4 enthaltenden Vorrichtung sein. Eine direkte Einbindung der Ergebnisse kann ebenfalls erfolgen, indem die Ferndiagnoseeinheit 3 direkt mit dem BMS 2 kommuniziert, das wiederum die Entkopplung der Batterie 4, des entsprechenden fehlerhaften Batteriemoduls 5 oder das die fehlerhafte Batteriezelle 6 enthaltende Batteriemodul 5 abklemmt. Falls eine Abklemmung technisch nicht möglich ist, kann das gesamte Batteriepack entnommen werden, basierend auf der Hinweisgebung.
Die als Blöcke des Blockdiagramms in Fig. 2 dargestellten Verfahrensschritte können beispielsweise im Wesentlichen in einem computerlesbaren Medium abgebildet und so von einem Computer 14 oder Prozessor 15, wie z. B. unten in Bezug auf Fig. 3 beschrieben, ausgeführt werden, unabhängig davon, ob ein solcher Computer 14 oder Prozessor 15 explizit in Fig. 2 abgebildet ist oder nicht. Beispiele können ferner ein Computerprogramm sein oder sich auf ein solches beziehen, das einen Programmcode zur Ausführung zumindest eines Teils der Verfahrensschritte enthält, wenn das Computerprogramm auf dem Computer 14 oder Prozessor 15 ausgeführt wird. Der Computer 14 oder Prozessor 15 ist so programmiert, dass er die Verfahrensschritte dabei ausführt. Ein Beispiel kann auch einen nichtflüchtigen Speicher oder Dauerspeicher 17, wie z. B. ebenfalls unten in Bezug auf Fig. 3 beschrieben, aufweisen, der maschinen-, Prozessor- oder computerlesbar ist und maschinenausführbare, prozessorausführbare oder computerausführbare Programme mit Befehlen codiert. Die Befehle veranlassen einige oder alle Verfahrensschritte zur Ausführung. Beispiele können auch dedizierte (feld-)programmierbare Logik-Arrays ((F)PLAs) oder (feld-)programmierbare Gate- Arrays ((F)PGAs), die so programmiert sind, dass sie die Verfahrensschritt(e) ausführen.
Figur 3 zeigt schematisch ein Blockdiagramm, das einen Computer 14 darstellt. Der Computer 14 kann zum Beispiel das BMS 2 oder die Ferndiagnoseeinheit 3, oder Teil(e) derselben beschreiben, geeignet zur Früherkennung von kritischen Fehlem einer Batterie 4.
Der Computer 14 führt einen oder mehrere Schritte des Verfahrens S20 aus. Zum Beispiel kann der Computer 14 einige oder alle Schritte des Verfahrens S20, wie in Fig. 2 dargestellt, implementieren. Insbesondere stellt der Computer 14 Funktionalität, wie Computer software bereit, die auf dem Computer 14 läuft und einen oder mehrere Schritte des Verfahrens S20 ausführt.
Hierin ist vorgesehen, dass der Computer 14 jedwede geeignete physikalische Form annimmt. Als Beispiel kann der Computer 14 ein eingebetteter Computer, System-on- Chip (SOC), Einplatinen-Computer (SBC), Mobiltelefon, Server und/oder Tablet sein. Der Computer 14 kann einheitlich oder verteilt sein; einen oder mehrere Standorte Überspannen; eine oder mehrere Maschinen oder Rechenzentren überspannen; oder in einer Cloud angeordnet sein, die Cloud-Komponenten in einem Netzwerk aufweisen kann. Der Computer 14 kann ohne wesentliche räumliche oder zeitliche Begrenzung einen oder mehrere Schritte des hierin beschriebenen oder dargestellten Verfahrens ausführen. Als Beispiel kann der Computer 14 in Echtzeit, parallel oder im Batch-Modus einen oder mehrere Schritte des Verfahrens S20 ausführen. Der Computer 14 kann zu verschiedenen Zeitpunkten oder an verschiedenen Orten Schritt(e) des Verfahrens S20 ausführen.
Der Computer 14 hat zumindest eine oder mehrere der folgenden Komponenten: einen Prozessor 15, flüchtigen Speicher 16, Dauerspeicher 17 mit Controller und nichtflüchtiger Speichervorrichtung (NVM), eine Eingabe / Ausgabe- (E/A)-Vorrichtung 18, Kommunikationsvorrichtung 19, einen Bus 20, eine Hauptstromversorgung 21, und eine Hilfsstromversorgung 22. Diese Komponenten können zumindest teilweise in Hardware und/oder Software ausgeführt sein. Der Prozessor 15 hat Mittel zum Ausführen von mit den Batteriedaten zusammenhängenden Befehlen z. B. eines Computerprogramms. Der Prozessor 15 kann ein internes Register/Cache für die Batteriedaten, für die mit den Batteriedaten zusammenhängenden Befehle und/oder für dazugehörige Adressen aufweisen. Der Prozessor 15 kann eine arithmetische Logikeinheit (ALU), Logikschaltung, eine Feld programmierbare Logik-Gatter-Anordnung (FPGA), einen Mikroprozessor, Mikrocontroller, Vektorprozessor, prozessorintegrierten Kern, CPU (z. B. mit mehreren Kernen), Koprozessor (Mikroprozessor zur Unterstützung der CPU), digitalen Signalprozessor (DSP), eine Grafikprozessoreinheit (GPU) und/oder anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) zum Zugreifen auf das interne Register/Cache aufweisen. Als Beispiel kann der Prozessor 15, zum Ausführen der Befehle, diese von dem internen Register/Cache des Prozessors 15, dem flüchtigen Speicher 16 oder dem Dauerspeicher 17 abrufen; entschlüsseln und ausführen; und dann ein Ergebnis ins das interne Register/Cache des Prozessors 15, den flüchtigen Speicher 16 oder den Dauerspeicher 17 schreiben. Als Beispiel kann der Prozessor 15 einen Befehls-Cache, einen Daten-Cache und/oder einen Übersetzungspuffer (TLB) aufweisen. Die mit den Batteriedaten zusammenhängenden Befehle in dem Befehls-Cache können Kopien von Befehlen in dem flüchtigen Speicher 16 oder Dauerspeicher 17 sein und der Befehls-Cache kann das Abrufen dieser mit den Batteriedaten zusammenhängenden Befehle durch den Prozessor 15 beschleunigen. Die Batteriedaten in dem Daten-Cache können Kopien von Daten für mit den Batteriedaten zusammenhängende Befehle in dem flüchtigen Speicher 16 oder Dauerspeicher 17 sein, die gerade auf dem Prozessor 15 ausgeführt werden, zum Zusammenwirken mit Ergebnissen der vorherigen mit den Batteriedaten zusammenhängenden Befehle, die auf dem Prozessor 15 für den Zugriff durch nachfolgende auf dem Prozessor 15 auszuführende mit den Batteriedaten zusammenhängende Befehle ausgeführt werden, oder zum Schreiben in den flüchtigen Speicher 16 oder Dauerspeicher 17. Der Daten-Cache kann die Lese- oder Schreiboperationen des Prozessors 15 beschleunigen. Die mit den Batteriedaten zusammenhängenden Adressen in dem TLB können Adressenreferenzen zu Adressen in dem flüchtigen Speicher 16 oder Dauerspeicher 17 sein, um die virtuelle Adressenübersetzung für den Prozessor 15 zu beschleunigen.
Der flüchtige Speicher 16 kann ein dynamischer RAM (DRAM) oder ein statischer RAM (SRAM) sein. Der flüchtige Speicher 16 kann insbesondere als der hierin beschriebene computerlesbarer Datenträger ausgebildet sein auf dem das hierin beschriebene Computerprogramm gespeichert sein kann. Darüber hinaus kann der flüchtige Speicher 16 ein einzelner oder mehrkanaliger RAM sein. Der flüchtige Speicher 16 kann einen Hauptspeicher zum Speichern von mit den Batteriedaten zusammenhängenden Befehlen für den Prozessor 15 aufweisen, der diese Befehle dann ausführt; oder die Batteriedaten für den Prozessor 15 aufweisen, die der Prozessor verwendet, um mit diesen zu arbeiten. Als Beispiel kann der Computer 14 diese Befehle aus dem Dauerspeicher 17 oder einer anderen Quelle (wie beispielsweise einem anderen Computer, dem Netzwerk oder der Cloud) in den flüchtigen Speicher 16 laden. Der Prozessor 15 kann dann diese Befehle aus dem flüchtigen Speicher 16 in das interne Register/Cache des Prozessors 15 laden. Um diese Befehle auszuführen, kann der Prozessor 15 diese Befehle aus dem entsprechenden internen Register/Cache abrufen und entschlüsseln. Während oder nach dem Ausführen dieser Befehle kann der Prozessor 15 ein Ergebnis (die Zwischen- oder Endresultate sein können) in das interne Register/Cache schreiben. Der Prozessor 15 kann dann das Ergebnis in den flüchtigen Speicher 16 schreiben.
Zum Beispiel führt der Prozessor 15 nur die mit den Batteriedaten zusammenhängenden Befehle im internen Register/Cache des Prozessors 15 oder im flüchtigen Speicher 16 (im Gegensatz zum Dauerspeicher 17) aus, und arbeitet nur auf den Batteriedaten im internen Register/Cache des Prozessors 15 oder im flüchtigen Speicher 16 (im Gegensatz zum Dauerspeicher 17). Es kann sich eine Speicherverwaltungseinheit (MMU) zwischen dem Prozessor 15 und dem flüchtigen Speicher 16 befinden und den von dem Prozessor 15 angeforderten Zugriff i.V.m. der Ferndiagnose auf den flüchtigen Speicher 16 unterstützen.
Der Bus 20 kann einen Speicherbus aufweisen. Der Speicherbus (mit Adressenbus und Datenbus) kann den Prozessor 15 mit dem flüchtigen Speicher 16 kommunikativ verbinden. Der Bus 20 kann für eine dedizierte Kommunikation der Batteriedaten zwischen zwei oder mehreren der internen Komponenten 15 bis 22 des Computers 14 ausgebildet sein. Der Bus 20 kann eine Ringtopologie, Sterntopologie, (teilweise) vermaschte Topologie, Bustopologie, Baumtopologie und/oder Linientopologie aufweisen. Der Bus 20 kann dabei einen Accelerated Graphics Port (AGP) oder anderen Grafikbus, Gunning Transceiver Logic (GTL) Bus, Enhanced Industry Standard Architecture (EISA) Bus, Front-Side-Bus (FSB), HYPERTRANSPORT (HT) Bus, Industry Standard Architecture (ISA) Bus, Low-Pin-Count (LPC) Bus, Speicherbus, Micro Channel Architecture (MCA) Bus, Peripheral Component Interconnect (PCI) Bus, PCI-Express (PCIe) Bus, Serial Advanced Technology Attachment (SATA) Bus, lokalen Video Electronics Standards Association local (VLB) Bus und/oder eine INFINIBAND Verbindung aufweisen.
Der Dauerspeicher 17 hat einen Massenspeicher, z. B. einen nichtflüchtigen Speicher, für die Batteriedaten oder die mit den Batteriedaten zusammenhängenden Befehle. Der Dauerspeicher 17 kann insbesondere als der hierin beschriebene computerlesbarer Datenträger ausgebildet sein auf dem das hierin beschriebene Computerprogramm gespeichert sein kann. Als Beispiel kann der Dauerspeicher 17 ein Festplattenlaufwerk (HDD) oder Festkörperspeicher (SSD), ein Flash-Speicher, eine optische Disk, eine magneto-optische Disk, Secure Digital Memory Card (SD), Embedded Multi Media Card (eMMC) und/oder ein Universal Serial Bus (USB) sein. Der Dauerspeicher 17 kann die Batteriedaten in löschbarer oder nicht löschbarer Weise aufweisen. Der Dauerspeicher 17 kann sich in dem Computer 14 befinden, also intern, oder sich extern dazu befinden. Der Dauerspeicher 17 kann einen Controller aufweisen, der die Kommunikation zur Weitergabe der Batteriedaten zwischen dem Prozessor 15 und dem Dauerspeicher 17 unterstützt, insbesondere der nichtflüchtigen Speichervorrichtung NVM des Dauerspeichers 17.
Die Hauptstromversorgung 21 versorgt mindestens eine oder mehrere der Komponenten 14 bis 21 mit elektrischer Leistung. Insbesondere lädt die Hauptstromversorgung 21 die Hilfsstromversorgung 22 mit elektrischer Leistung, zum Beispiel von außerhalb des Computers 14 auf, im Falle dessen, dass die Hauptstromversorgung 21 an eine Stromquelle außerhalb des Computers 14 angeschlossen ist.
Die Hilfsstromversorgung 22 ist über den Bus 20 mit dem flüchtigen Speicher 16 und/oder dem Dauerspeicher 17 verbunden. Die Hilfsstromversorgung 22 wird durch die elektrische Leistung der Hauptstromversorgung 21 aufgeladen. Die Hilfsstromversorgung 22 kann innerhalb oder außerhalb des Dauerspeichers 17 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Hilfsstromversorgung 22 auf einer Hauptplatine des Computers 14 untergebracht werden, um den flüchtigen Speicher 16 und/oder den Dauerspeicher 17 mit einer Hilfsleistung zu versorgen. Die Hilfsstromversorgung 22 kann insbesondere in Form eines Superkondensators, eines Akkumulators oder einer Batterie ausgeführt sein.
Der Prozessor 15 überwacht Änderungen der von der Hauptstromversorgung 21 gelieferten elektrischen Leistung. Im Falle eines plötzlichen Stromausfalls, z. B. wenn die Stromquelle außerhalb des Computers 14 von der Hauptstromversorgung 21 getrennt wird oder die Hauptstromversorgung 21 aus einem anderen Grund nachlässt oder ausfällt, und der Prozessor bestimmt, dass die von der Hauptstromversorgung 21 an eine oder mehrere der Komponenten 14 bis 21 gelieferte elektrische Leistung unter einen Schwellenwert, z. B. 0,8 oder 0,75 einer Betriebsleistung der Hauptstromversorgung 21, gefallen ist, veranlasst der Prozessor 15 die Hilfsstromversorgung 22, einen verbleibenden Versorgungsleistung für einen Ab schaltvorgang des Computers 14 zu übernehmen. Der Ab schaltvorgang umfasst die Leistungsversorgung zumindest des Prozessors 15, des flüchtigen Speichers 16 und des Dauerspeichers 17 mit elektrischer Leistung für die Zeit des Abschaltvorgangs. Während des Abschaltvorgangs werden die Batteriedaten, die sich derzeit im flüchtigen Speicher 16 befinden, und/oder die Batteriedaten, die derzeit im Prozessor 15 verarbeitet werden, beispielsweise im Register/Cache des Prozessors 15, aus dem flüchtigen Speicher 16 und/oder dem Prozessor 15 in einen Metabereich des Dauerspei chers 17 übertragen. Hierfür kann der Metabereich des Dauerspeichers 17 extra für den Ab schaltvorgang vorgehalten werden.
Der Prozessor 15 lädt, im Falle eines Startvorgangs des Computers 14, bei dem die Hauptstromversorgung 21 wieder die Betriebsleistung bereitstellt, die Batteriedaten aus dem Metabereich des Dauerspeichers 17, um eine schnellere Datenverarbeitung zu ermöglichen. Nach dem Startvorgang kann der Metabereich des Dauerspeichers oder sukzessive während des Startvorgangs freigemacht werden.
Die E/A Vorrichtung 18 kann die Steuergeräte 7, 8, 9 oder einen Teil davon aufweisen, der mit dem Prozessor 15 des Computers 14 gekoppelt ist. Die E/A Vorrichtung 18 kann einen Geräte- und/oder Softwaretreiber aufweisen, die es dem Prozessor 15 ermöglichen, die E/A Vorrichtung 18 anzusteuern, um Messwerte von den Steuergeräten 6, 7, 8 oder einem Teil davon zu erhalten, auf denen die Batteriedaten basieren bzw. welche durch die Batteriedaten repräsentiert sind. Die Kommunikationsvorrichtung 19 stellt ein Mittel zum Kommunizieren (wie beispielsweise paketbasierte Kommunikation) der Batteriedaten zwischen dem Computer 14 und anderen Kommunikationsteilnehmem bereit, z. B. zu dem mit dem Computer 14 verbundenen Netzwerk (drahtgebunden oder drahtlos). Als Beispiel ermöglicht die Kommunikationsvorrichtung 19 dem Computer 14 eine Kommunikation mit einem Ad- hoc-Netzwerk, einem Personal Area Network (PAN), einem Local Area Network (LAN), einem Wide Area Network (WAN), einem Metropolitan Area Network (MAN) und/oder zumindest einem Teil des Internets. Als Beispiel ermöglicht die Kommunikationsvorrichtung 19 dem Computer 14 die Kommunikation mit einem drahtlosen PAN (WPAN; wie beispielsweise einem BLUETOOTH WPAN), einem WI- FI-Netzwerk, einem WI-MAX-Netzwerk und/oder einem zellularen Telefonnetz (z. B. GSM). Insbesondere kann die Kommunikationsvorrichtung 19 über einen Transceiver, einen Empfänger oder einen Sender mit einer oder mehreren Antennen verfügen. In einem Beispiel kann der Prozessor 15 einen Basisbandprozessor enthalten, der Modulation und/oder Demodulation, Codierung und/oder Decodierung eines Basisbandsignals basierend auf den der Batteriedaten ausführt. Dabei wandelt die Kommunikationsvorrichtung 19 das Basisbandsignal vom Prozessor 15 in ein Funksignal um und überträgt dieses über die Antenne(n), und/oder wandelt das von der/den Antenne(n) empfangene Funksignal in das Basisbandsignal um und leitet es an den Prozessor 15 weiter. Die Umwandlung kann eine Aufwärts-/ Abwärts-Umwandlung auf/von einer Trägerfrequenz umfassen, die der Trägerwellenlänge X entspricht. Der Transceiver, Sender oder Empfänger und die Antenne(n) können in Bezug auf die Trägerfrequenz zueinander impedanzangepasst sein.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 System
2 BMS
3 Ferndiagnoseeinheit
4 Batteriepack 5 Batteriemodul
6 Batteriezelle
7 Hauptsteuergerät
8 Sensorsteuergerät 9 Sensorsteuergerät
10 DC/DC Wandler
11 DC/ AC Wandler
12 Motor
13 Arbiter 14 Computer
15 Prozessor
16 Flüchtiger Speicher
17 Dauerspeicher
18 E/A Vorrichtung 19 Kommunikationsvorrichtung
20 Bus
21 Hauptstromversorgung
22 Hilfsstromversorgung

Claims

Ansprüche Verfahren zur Früherkennung von kritischen Fehlem einer Batterie (4, 5, 6), nach Inbetriebnahme und während eines Batteriebetriebs der Batterie (4, 5, 6), das Verfahren umfassend:
Empfangen (S4) von, durch ein der Batterie (4, 5, 6) zugehöriges Batteriemanagementsystem, BMS
(2), bereitgestellte, Batteriedaten an einer Ferndiagnoseeinheit
(3), wobei sich die Batteriedaten zeitlich auf während des Batteriebetriebs gemessene elektrische Eigenschaften der Batterie (4, 5, 6) beziehen; und
Ausführen einer Ferndiagnose (S5) der Batterie (4, 5, 6) durch phasenweises Vergleichen und/oder zyklusweises Vergleichen der empfangenen Batteriedaten mit Referenzbatteriedaten, wobei eine Phase eine von: einer Ladephase, einer Übergangsphase und einer Entladephase bezogen auf den Batteriebetrieb ist, und wobei ein Zyklus aufeinanderfolgende Phasen der Ladephase, der Übergangsphase und der Entladephase umfasst. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsphase zwischen der Ladephase und der Entladephase, der Ladephase zu einer anderen Ladephase, der Entladephase zu einer anderen Entladephase und/oder von der Entladephase zu der Ladephase liegt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzbatteriedaten Batteriedaten sind, die aus einem historischen Batteriedatensatz aus einer Vielzahl ähnlicher Batteriechargen und/oder Batteriedaten sind, die aus einem Batteriedatensatz derselben Batteriecharge stammen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner ein Extrahieren eines oder mehrerer Funktionsprofile aus den empfangenen Batteriedaten umfasst; und das Ausführen der Ferndiagnose umfasst ferner ein Vergleichen des einen oder der mehreren Funktionsprofile der empfangenen Batteriedaten mit entsprechenden einen oder mehreren Funktionsprofilen der Referenzbatteriedaten.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausführen der Ferndiagnose ferner ein Auslösen eines oder mehrerer Indikatoren umfasst, wenn ein oder mehrere Unterschiede zwischen dem einen oder den mehreren Funktionsprofilen der empfangenen Batteriedaten und den entsprechenden einen oder mehreren Funktionsprofilen der Referenzbatteriedaten entsprechende eine oder mehrere vorbestimmte Schwellenwerte überschreiten.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriedaten oder die einen oder mehreren Funktionsprofile umfassen mindestens eines oder mehrere der folgenden Informationen:
Ableitungen einer Ladung der Batterie (4, 5, 6) in Bezug auf eine Klemmenspannung der Batterie (4, 5, 6) gemäß den jeweiligen Ladephasen und Entladephasen und/oder Ableitungen der Klemmenspannung der Batterie (4, 5, 6) in Bezug auf die Ladung der Batterie (4, 5, 6) gemäß den jeweiligen Ladephasen und Entladephasen;
Ladungs- und/oder Energiedurchsätze gemäß den jeweiligen Ladephasen und Entladephasen;
Innenwiderstände gemäß den jeweiligen Übergangsphasen; elektrische Schaltungsmodelle gemäß den jeweiligen Übergangsphasen und/oder die elektrischen Schaltungsmodelle gemäß den jeweiligen Ladephasen und/oder Entladephasen; und
Coulomb- und/oder Energie- und/oder Voltaik-Wirkungsgrade und/oder Kapazitäten bzw. Änderungen daran gemäß den j eweiligen Zyklen. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausführen der Ferndiagnose, wie nachfolgend beschrieben, erfolgt: jeweils Vergleichen mindestens eines Maximums und/oder mindestens eines Minimums der besagten Ableitungen mit mindestens einem Maximum und/oder mindestens einem Minimum von Ableitungen in den Referenzbatteriedaten und/oder jeweils Vergleichen der besagten Ableitungen mit entsprechenden statistischen oberen und unteren Grenzkurven, die mit den Ableitungen in den Referenzbatteriedaten verknüpft sind; jeweils Vergleichen der Ladungs- und/oder Energiedurchsätze mit mindestens einer ersten statistischen Randbedingung der Referenzbatteriedaten; Vergleichen der Innen wider stände mit mindestens einer zweiten statistischen Randbedingung der Referenzbatteriedaten;
Anpassen von Parametern der elektrischen Schaltungsmodelle an die Batteriedaten oder die einen oder mehreren Funktionsprofile, und jeweiliges Vergleichen der Parameter der elektrischen Schaltungsmodelle mit entsprechenden Parametern eines äquivalenten elektrischen Schaltungsmodells der Referenzbatteriedaten und/oder jeweiliges Vergleichen der Parameter der elektrischen Schaltungsmodelle mit mindestens einer dritten statistischen Randbedingung, die mit den entsprechenden Parametern der Referenzbatteriedaten verknüpft ist; und/oder
Vergleichen der Coulomb- und/oder Energie- und/oder Voltaik- Wirkungsgrade mit mindestens einer vierten statistischen Randbedingung der Referenzbatteriedaten und/oder Kapazitäten bzw. Änderungen daran, und
Vergleichen der Kapazitäten bzw. Änderungen daran mit mindestens einer fünften statistischen Randbedingung der Referenzbatteriedaten, und wobei die mindestens eine erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Randbedingung unabhängig voneinander sind. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass das Computerprogramm Befehle umfasst, die, bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer oder durch ein Batteriemanagementsystem, BMS, einen Arbiter und/oder eine Femdiagnoseeinheit, den Computer oder das BMS, den Arbiter und/oder die Femdiagnoseeinheit veranlassen, das Verfahren bzw. mindestens einen der Schritte des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. Computerlesbarer Datenträger, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem computerlesbaren Datenträger das Computerprogramm nach Anspruch 8 gespeichert ist. System (1) zur Früherkennung von kritischen Fehlern einer Batterie (4, 5, 6), nach Inbetriebnahme und während eines Batteriebetriebs der Batterie (4, 5, 6), das System (1) umfassend: ein der Batterie (4, 5, 6) zugehöriges Batteriemanagementsystem, BMS (2), das ausgebildet ist, Batteriedaten bereitzustellen, die sich zeitlich auf während des Batteriebetriebs gemessene elektrische Eigenschaften der Batterie (4, 5, 6) beziehen; und eine Ferndiagnoseeinheit (3), die ausgebildet ist eine Ferndiagnose der Batterie (4, 5, 6) durch phasenweises Vergleichen und/oder zyklusweises Vergleichen der empfangenen Batteriedaten mit Referenzbatteriedaten auszuführen, wobei eine Phase eine von: einer Ladephase, einer Übergangsphase und einer Entladephase bezogen auf den Batteriebetrieb ist, und wobei ein Zyklus aufeinanderfolgende Phasen der Ladephase, der Übergangsphase und der Entladephase umfasst.
PCT/EP2023/062999 2022-06-24 2023-05-15 Verfahren und system zur früherkennung von kritischen fehlern einer batterie WO2023247112A1 (de)

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