WO2024002631A1 - Diagnoseverfahren für eine batterie - Google Patents

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WO2024002631A1
WO2024002631A1 PCT/EP2023/065033 EP2023065033W WO2024002631A1 WO 2024002631 A1 WO2024002631 A1 WO 2024002631A1 EP 2023065033 W EP2023065033 W EP 2023065033W WO 2024002631 A1 WO2024002631 A1 WO 2024002631A1
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battery
cell
cell voltage
battery cells
battery cell
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PCT/EP2023/065033
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Martin Jehle
Jan Lukas REININGER
Magnus Jaster
Christian Reichinger
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Vitesco Technologies GmbH
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • 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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    • G—PHYSICS
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    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
    • G01R31/54—Testing for continuity
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R35/00—Testing or calibrating of apparatus covered by the other groups of this subclass

Definitions

  • Lithium-ion batteries have a very high power density. Lithium-ion batteries are therefore particularly common in automotive applications. However, the chemically unstable behavior of the battery cells of lithium-ion batteries requires careful handling of lithium-ion batteries under critical conditions. Batteries usually include several battery modules, which in turn have several battery cells, for example 16 battery cells. In order to monitor the condition of a battery and ensure the safety of operation, battery management systems with battery cell controllers are used in the majority of cases.
  • the battery cell controllers are used to eliminate or at least reduce safety risks by precisely controlling critical properties of Li-ion battery cells (voltages, temperatures, currents) and providing embedded compensation functions along with comprehensive system diagnostics. Furthermore, each battery cell is usually connected to a battery cell controller in order to balance the battery cells. Such an arrangement can be faulty, which can lead to asymmetry of the battery module, especially during charging, discharging or balancing 202200827 of the battery module. This in turn can result in the battery module as a whole being damaged. In addition, in this case, incorrect measured values of cell voltages may be used to monitor the cell voltage limits and as a result cell voltage that is too high or too low cannot be detected, which can also lead to damage to the battery.
  • One task to be solved is to specify a diagnostic method for a battery that enables a fault in connections between battery cells and a battery cell monitoring unit to be detected reliably and cost-effectively.
  • the task is solved by the features of the independent patent claims. Advantageous refinements are identified in the subclaims.
  • the above-mentioned task is solved by a diagnostic method for a battery, the battery having a plurality of battery cells that are connected in series. In an error-free state, the battery cells are each connected to a battery cell monitoring unit via connecting lines and the battery cell monitoring unit has capacitors for cell voltage detection, which are connected in parallel with the connected battery cells.
  • the battery cells can be designed as individual cells.
  • a battery cell can comprise a battery cell network in which all individual cells are connected in parallel.
  • the battery cell monitoring unit preferably comprises one or more integrated circuits (“chips”) for battery cell monitoring.
  • the capacitors of the battery monitoring unit are part of the battery cell monitoring unit, but are preferably arranged outside the chips.
  • Several separate battery cell monitoring units can also be used for the battery, each of which is assigned to a part of the cells.
  • a first cell voltage difference between a first battery cell and a second battery cell becomes dependent on a first signal, which is representative of a cell voltage of the first battery cell at a first time, and a second signal, which is representative of a cell voltage of the second battery cell at the first time is determined.
  • a second cell voltage difference between the first battery cell and the second battery cell becomes dependent on a further first signal, which is representative of the cell voltage of the first battery cell at a second time, and a further second signal, which is representative of the cell voltage of the second Battery cell at the second time, determined.
  • the second point in time is a predetermined period of time after the first point in time.
  • the first signal and second signal are preferably recorded at the same time.
  • the first time and the second time can each have a predetermined tolerance time range.
  • the respective tolerance time range is smaller than the time period.
  • the tolerance time range in particular covers less than 10% of the time period.
  • the time period can also be referred to as the diagnostic time interval.
  • the first and second battery cells are preferably immediately adjacent and have a common connecting line to the battery cell monitoring unit.
  • a change in the cell voltage differences is then determined depending on the first cell voltage difference and the second cell voltage difference and the change in the cell voltage differences is compared with a threshold value. If the change in cell voltage differences is greater than the threshold value, an error is detected.
  • detecting the error includes providing an error signal that is set up to signal that a connecting line connecting the first battery cell and the second battery cell in the error-free state is connected to an input of the Battery cell monitoring unit connects is interrupted. It can therefore be recognized very quickly and reliably that a connecting line or a line that connects a battery cell to the battery cell monitoring unit is interrupted.
  • the threshold value has a predetermined constant value. In at least one embodiment according to the first aspect, the threshold value is determined depending on an average cell voltage change of at least some of the battery cells of the battery. The battery can be connected to several battery cell monitoring units.
  • the average cell voltage change is determined depending on cell voltage changes of the respective battery cells between the first point in time and the second point in time.
  • the average cell voltage change is greater the greater the gradient of the current that flows through the battery cells and the greater the average internal resistance of the battery cells.
  • this enables more reliable error detection at high dynamics, where the magnitude of the current gradient is very high, and at low battery cell temperatures, at which the internal resistance of the battery cells is high.
  • the threshold value is dependent on a spread of internal cell resistances of the battery cells and/or dependent on a maximum temperature difference between successive battery cells and/or on charge state deviations between successive battery cells and/or aging of the battery cells.
  • the threshold value is determined depending on a correction factor provided and the threshold value is represented at least in sections by a linear function depending on the average cell voltage change, the slope of the linear function being dependent on the corrective factor. tur factor.
  • the correction factor is determined in particular depending on the spread of the internal cell resistances of the battery cells and/or depending on the maximum temperature difference between the successive battery cells and/or on the charge state deviations between the successive battery cells and/or the aging of the battery cells and provided for the diagnostic procedure.
  • a diagnostic control unit for a battery wherein the battery has a plurality of battery cells which are connected in series, the battery cells are each connected in a fault-free state to a battery cell monitoring unit via connecting lines , the battery cell monitoring unit has capacitors for cell voltage detection, which are connected in parallel with the connected battery cells, and the diagnostic control unit 202200827 is designed to carry out the diagnostic method according to the first aspect.
  • the above-mentioned object is solved by a computer program which, when executed by a processor or controller of a diagnostic control unit, causes the diagnostic unit to carry out the diagnostic method according to the first aspect.
  • the above-mentioned task is solved by a computer program product comprising a computer program according to the third aspect.
  • the above-mentioned object is achieved by a battery system for a motor vehicle, wherein the battery system has a battery, at least one battery cell monitoring unit and a diagnostic control unit according to the second aspect and wherein the battery has a plurality of battery cells, which are connected in series, the battery cells are in a fault-free state each connected to the at least one battery cell monitoring unit via connecting lines and the battery cell monitoring unit has capacitors for cell voltage detection which are connected in parallel with the connected battery cells.
  • the at least one battery cell monitoring unit is further designed to provide the first signal, the further first signal, the second signal and the further second signal.
  • the battery can have one or more battery cell strings, each of which has a plurality of battery cells, with the battery cells of a respective battery string being connected in series.
  • the battery cell strings can partially 202200827 can be connected in parallel or completely connected in parallel.
  • the method can therefore be carried out for a part of a battery cell string or an entire battery cell string or for more than one battery cell string.
  • Optional configurations of the first aspect can also be present in the other aspects and have corresponding effects.
  • the computer program can be implemented as computer-readable instruction code in any suitable programming language such as JAVA, C++, etc.
  • the computer program can be stored on a computer-readable storage medium (CD-ROM, DVD, Blu-ray disk, removable drive, volatile or non-volatile memory, built-in memory/processor, etc.).
  • the instruction code can program a computer or other programmable devices, such as in particular a control unit for a motor vehicle, in such a way that the desired functions are carried out. Furthermore, the computer program can be made available in a network such as the Internet, from which it can be downloaded by a user if necessary. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the schematic drawings. The description of the subject matter specified herein is not limited to the individual specific embodiments. Features of different exemplary embodiments can - if technically sensible - be combined with one another to form further exemplary embodiments. For example, variations or modifications may be made in view of one 202200827 of the exemplary embodiments are also applicable to other exemplary embodiments, unless otherwise stated.
  • Figure 1 an exemplary equivalent circuit diagram for a connection of battery cells with a battery cell monitoring unit, open connecting line and Figure 4 shows an exemplary flow chart for a diagnostic program.
  • Figure 4 shows an exemplary flow chart for a diagnostic program.
  • the same reference numerals are used for elements with essentially the same function, but these elements do not have to be identical in all details. Details are set forth below to provide a more detailed explanation of the exemplary embodiments. However, it will be apparent to those skilled in the art that embodiments may be implemented without these specific details. Specific or general values, ratings, additions, inclusion or exclusion of components are not intended to affect the scope of the invention. 202200827 In other cases, known structures and devices are shown in block diagram form or in a schematic view rather than in detail to simplify understanding of the exemplary embodiments.
  • FIG. 1 shows several battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 of a battery, which are connected in series.
  • the battery is arranged, for example, in a vehicle, in particular in a purely electric vehicle or a hybrid vehicle.
  • Figure 1 shows an exemplary equivalent circuit diagram for inputs of a battery cell monitoring unit 10.
  • the battery cell monitoring unit preferably comprises one or more integrated circuits (“chips”) for battery cell monitoring (not shown in Figure 1).
  • the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 are connected to the battery cell monitoring unit 10.
  • the inputs of the battery cell monitoring unit 10 are connected to the battery cells Zk+1, Zk, Z k-1 via connecting lines Wk+1, Wk -1 .
  • FIG. 1 shows an example of a battery cell monitoring unit 10 with three connections, in which the middle connection has an open connecting line W err , ie the associated battery cell Z k is not connected.
  • a cell voltage difference ⁇ ⁇ of the two cell voltages U k ,U k-1 also increases over time.
  • Figure 2 shows time curves of the cell voltages U k , U k-1 of two immediately adjacent battery cells Z k , Z k-1 . In the error-free case, both cells Z k , Z k-1 have a constant voltage, for example a voltage of 2V.
  • the connecting line that connects a first pole of the kth battery cell and a second pole of the (k-1)th battery cell to the corresponding input of the battery cell monitoring unit 10 is interrupted.
  • the corresponding leakage current I leak causes the cell voltage U k of the kth cell to increase and the cell voltage U k-1 of the (k-1)th cell to fall.
  • the cell voltage difference is ⁇ ⁇ 400 mV.
  • error detection which can be carried out continuously, the change or gradient in the cell voltage differences ⁇ ⁇ is evaluated.
  • the cell voltage difference ⁇ ⁇ is determined in a diagnostic time interval of, for example, 100 ms and the change in the cell voltage differences ⁇ ⁇ is determined and evaluated for the respective diagnostic time interval. If the change or the gradient of the cell voltage differences ⁇ ⁇ exceeds a certain threshold value TH const , TH, an error in the form of an open connecting line W err can be assumed.
  • TH const a certain threshold value
  • the cell voltage difference ⁇ ⁇ is determined at a first time and at a second time, which is a predetermined time period ⁇ t later than the first time.
  • the time period ⁇ t that lies between the detection of the cell voltages corresponds to the diagnostic time interval.
  • the threshold value TH const , TH When determining the threshold value TH const , TH, it must be taken into account, on the one hand, that the threshold value TH const , TH must be chosen to be smaller than a minimum change in cell voltage difference ⁇ ⁇ ; ⁇ in the diagnostic time interval ⁇ t in the event of an error in order to achieve a to enable reliable error detection. 202200827 On the other hand, the threshold value TH const , TH must be sufficiently large so that an error in the form of an open connecting line W err is not falsely detected even with large current gradients, since the different internal resistances of the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 changes in the cell voltage difference can also occur.
  • Figure 3 is a diagram that illustrates the dimensioning of the threshold value.
  • the average cell voltage change ⁇ ⁇ , ⁇ of the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 is plotted along a first axis.
  • the average cell voltage change ⁇ U cell,mean represents an average of the changes in cell voltages in a respective diagnostic time interval.
  • the following applies to the cell voltage change of cell k in the diagnostic time interval The following applies to the average cell voltage change in the diagnostic time interval 202200827 where N is the number of battery cells taken into account Z k+1 , Z k , Z k-1 , ⁇ the change in the current I that flows through the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 , within of the diagnostic time interval and R mean is the average cell resistance of the battery cells taken into account Z k+1 , Z k , Z k-1 .
  • R mean is the average cell resistance of the battery cells taken into account Z k+1 , Z k , Z k-1 .
  • the second axis which is perpendicular to the first axis, is the change in cell voltage differences two immediately adjacent battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 are plotted in the diagnostic time interval.
  • the dashed line represents the minimum change in the cell voltage differences ⁇ ⁇ ; ⁇ in the event of a fault for the battery cell with the index k.
  • the minimum change in the cell voltage differences ⁇ ⁇ ⁇ ; ⁇ in the event of a fault for the battery cell with the index k is not constant but also depends on changes in the cell voltages of the other battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 . If the cell voltages of the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 of the battery increase in a diagnostic time interval under consideration and the mean cell voltage change ⁇ U cell,mean therefore assumes a positive value, the minimum change in the cell voltage is voltage differences ⁇ ⁇ ⁇ ; ⁇ also larger.
  • Point A represents the case when the cell voltages of the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 do not change.
  • the threshold value TH const , TH is preferably chosen so that it is below the curve that represents the minimum change in the 202200827 Cell voltage differences ⁇ ⁇ ; ⁇ represented, lies or runs in the event of an error. This is the only way to ensure that an open connecting line W err can be reliably detected.
  • the current can change in a diagnostic time interval. Additional cell voltage differences ⁇ ⁇ can occur, especially with large current gradients.
  • the threshold value TH const , TH is therefore preferably chosen to be greater than a maximum cell voltage change that occurs in the error-free case with high current gradients.
  • the second dashed line (alternating dots and dashes), which runs parallel to the first axis, represents an example of a constant threshold value TH const , for example at 250 mV.
  • this constant threshold value TH const can be too low, which can lead to a false detection of an open connecting line W err or line can.
  • the correction factor K is, for example, dependent on a spread of the initial internal cell resistances 202200827 battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 and/or depending on a maximum temperature difference between successive battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 and/or on deviations in the state of charge between successive battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 and/or determined or determined depending on aging of the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 of the battery.
  • the correction factor can therefore be determined again during ongoing operation or can be selected and specified as a fixed number, whereby the aforementioned influences under worst case conditions are taken into account when selecting the correction factor.
  • Eq. (12) the worst case applies: This means that the possible cell voltage change in the error-free system can be estimated using the average cell voltage change in the diagnostic time interval, taking into account the correction factor K.
  • a corresponding to Eq. (12) selected threshold value TH is shown in Fig. 3 with dotted straight lines, with a symmetrical course of the threshold value TH being applied with positive and negative mean cell voltage changes.
  • the threshold value TH for example, is chosen to be constant for small current gradients. However, as soon as the gradient of the cell voltage differences ⁇ ⁇ according to Eq. (12) the 202200827 exceeds constant threshold value, the threshold value is calculated according to Eq. 12 elected.
  • Area I f ⁇ ⁇ Ucell,mean ⁇ e
  • Area II e ⁇ ⁇ Ucell,mean ⁇ d
  • Area III d ⁇ ⁇ Ucell,mean ⁇ c
  • Area IV c ⁇ ⁇ Ucell,mean ⁇ b
  • Area V b ⁇ ⁇ Ucell,mean ⁇ a
  • K is here a correction factor which, for example, depends on a spread of initial internal cell resistances of the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 and/or depends on a maximum temperature difference between successive battery cells Z k+1 , Z k , Z k -1 and/or of charge state deviations between successive battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 and/or depending on aging of the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 of the battery is determined and determined.
  • Area I describes operating cases for the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 , in which high negative current gradients are present, possibly in combination with low cell temperatures. Since such high dynamics usually only exist for a short time, the error can generally be detected in a subsequent diagnostic step, in which a lower diagnostic threshold can then be applied.
  • the boundary between area I and area II can be determined, for example, using simulations.
  • the area V describes operating cases with high positive current gradients in which reliable error detection is not possible, since here too the minimum cell voltage change in the event of an error is below the selected diagnostic threshold.
  • the value f which represents the lower end of the range I, is the theoretical minimum mean cell voltage change ⁇ U cell,mean,min in the diagnostic time interval that occurs when switching from “full charge” to “full discharge” within the diagnostic time interval. This limit depends on the temperature of the battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 .
  • Figure 4 shows a flowchart of a computer program for diagnosing the battery.
  • the computer program can be executed by a processor or microcontroller of a battery management system. 202200827
  • the program is first started in step S01. Furthermore, in step S01, for example, program variables are initialized.
  • a first cell voltage difference between a first battery cell and a second battery cell is determined depending on a provided first signal that is representative of a cell voltage of the first battery cell at a first time and a provided second signal that is representative of a cell voltage of the second battery cell at the first time.
  • a second cell voltage difference between the first battery cell and the second battery cell becomes dependent on a further first signal provided, which is representative of the cell voltage of the first battery cell at a second time and a further second signal provided, which is representative of the cell voltage the second battery cell at the second time, the second time being a predetermined time period ⁇ t after the first time.
  • a change in the cell voltage differences ⁇ Uk ⁇ k-1 is determined depending on the first cell voltage difference and the second cell voltage difference and the change in the cell voltage differences ⁇ U k ⁇ k-1 is compared with a predetermined threshold value TH const , TH. If the change in the cell voltage differences ⁇ U k ⁇ k-1 in step S07 is greater than the predetermined threshold value TH const , TH, this is recognized as an error in step S09 and a command to output an error signal is generated.
  • the program is executed in particular for all battery cells Z k+1 , Z k , Z k-1 of the battery. The program is preferably executed repeatedly in predetermined time steps so that continuous monitoring of the battery is possible.
  • the specified time steps can, for example, be equal to the diagnostic time interval.
  • the time period ⁇ t that lies between the detection of the cell voltages can correspond to the diagnostic time interval.
  • the program is ended in a step S11, for example when the vehicle is parked.

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Abstract

Die Batterie umfasst mehrere Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1), die in Serie geschaltet und in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen (Wk+1, Wk-1) mit einer Batteriezellüberwachungseinheit verbunden sind. Bei dem Diagnoseverfahren wird eine erste Zellspannungsdifferenz zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle ermittelt, abhängig von einem bereitgestellten ersten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt und einem bereitgestellten zweiten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem ersten Zeitpunkt. Ferner wird eine zweite Zellspannungsdifferenz zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle ermittelt abhängig von einem bereitgestellten weiteren ersten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem zweiten Zeitpunkt und einem bereitgestelltem weiteren zweiten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem zweiten Zeitpunkt, wobei der zweite Zeitpunkt eine vorgegebene Zeitspanne (Δt) nach dem ersten Zeitpunkt liegt. Es wird eine Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔUk <-> k-1) ermittelt und die Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔUk <-> k-1) mit einem Schwellwert (THconst, TH) verglichen.

Description

202200827 Beschreibung Diagnoseverfahren für eine Batterie Es wird ein Diagnoseverfahren und eine Diagnosesteuereinheit für eine Batterie beschrieben. Des Weiteren wird ein Batte- riesystem, ein Computerprogramm und ein Computerprogrampro- dukt beschrieben. Lithium-Ionen-Batterien weisen eine sehr hohe Leistungsdichte auf. Daher sind Lithium-Ionen-Batterien insbesondere bei Au- tomotiv-Anwendungen häufig anzutreffen. Jedoch erfordert das chemisch instabile Verhalten der Batteriezellen der Lithium- Ionen-Batterien unter kritischen Bedingungen einen vorsichti- gen Umgang mit den Lithium-Ionen-Batterien. Batterien umfassen meist mehrere Batteriemodule, die wiederum mehrere Batteriezellen aufweisen, zum Beispiel 16 Batterie- zellen. Um den Zustand einer Batterie zu überwachen und die Sicherheit des Betriebs zu gewährleisten, werden in den über- wiegenden Fällen Batteriemanagementsysteme mit Batteriezel- len-Controller eingesetzt. Die Batteriezellen-Controller wer- den genutzt, um Sicherheitsrisiken zu eliminieren oder zumin- dest zu reduzieren, indem sie kritische Eigenschaften von Li- Ionen-Batteriezellen (Spannungen, Temperaturen, Ströme) genau kontrollieren und eingebettete Ausgleichsfunktionen zusammen mit einer umfassenden Systemdiagnose bieten. Des Weiteren ist in der Regel jede Batteriezelle mit einem Batteriezellen-Controller verbunden, um die Batteriezellen zu symmetrieren. Solch eine Anordnung kann fehlerhaft sein, was zu einer Unsymmetrie des Batteriemoduls führen kann, insbe- sondere während des Ladens, Entladens oder des Symmetrierens 202200827 des Batteriemoduls. Dies wiederum kann zur Folge haben, dass das Batteriemodul als Ganzes beschädigt wird. Außerdem können möglicherweise in diesem Fall fehlerhafte Messwerte von Zellspannungen für die Überwachung der Zellspannungsgrenzen verwendet werden und hierdurch eine zu hohe oder zu niedrige Zellspannung nicht detektiert werden, was ebenfalls zu Schä- digungen der Batterie führen kann. Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Diagnoseverfahren für eine Batterie anzugeben, das ein Detektieren eines Feh- lers in Verbindungen zwischen Batteriezellen und einer Batte- riezellüberwachungseinheit zuverlässig und kostengünstig er- möglicht. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Un- teransprüchen gekennzeichnet. Gemäß einem ersten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe ge- löst durch ein Diagnoseverfahren für eine Batterie, wobei die Batterie eine Mehrzahl an Batteriezellen aufweist, die in Se- rie geschaltet sind. Die Batteriezellen sind in einem fehler- freien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen mit einer Batteriezellüberwachungseinheit verbunden und die Batterie- zellüberwachungseinheit weist Kondensatoren zur Zellspan- nungserfassung auf, die den angeschlossenen Batteriezellen parallelgeschaltet sind. Die Batteriezellen können als Einzelzellen ausgebildet sein. Alternativ kann eine Batteriezelle einen Batteriezellverbund, bei dem sämtliche Einzelzellen parallel geschaltet sind, um- fassen. 202200827 Die Batteriezellüberwachungseinheit umfasst vorzugsweise ei- nen oder mehrere integrierte Schaltkreise („Chips“) zur Bat- teriezellüberwachung. Die Kondensatoren der Batterieüberwa- chungseinheit sind Teil der Batteriezellüberwachungseinheit, sind aber vorzugsweise außerhalb der Chips angeordnet. Es können für die Batterie auch mehrere getrennte Batteriezell- überwachungseinheiten eingesetzt werden, die jeweils einem Teil der Zellen zugeordnet sind. Bei dem Diagnoseverfahren wird eine erste Zellspannungsdiffe- renz zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle abhängig von einem ersten Signal, das repräsen- tativ ist für eine Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt, und einem zweiten Signal, das reprä- sentativ ist für eine Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem ersten Zeitpunkt, ermittelt. Ferner wird eine zweite Zellspannungsdifferenz zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle abhängig von einem weiteren ersten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem zweiten Zeitpunkt, und einem weiteren zweiten Signal, das repräsenta- tiv ist für die Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem zweiten Zeitpunkt, ermittelt. Hierbei liegt der zweite Zeit- punkt eine vorgegebene Zeitspanne nach dem ersten Zeitpunkt. Hierbei ist zu beachten, dass das erste Signal und zweite Signal vorzugsweise gleichzeitig erfasst werden. Allerdings kann der erste Zeitpunkt und der zweite Zeitpunkt jeweils ei- nen vorgegebene Toleranzzeitbereich aufweisen. Der jeweilige Toleranzzeitbereich ist jedoch kleiner als die Zeitspanne. Der Toleranzzeitbereich umfasst insbesondere weniger als 10% der Zeitspanne. Die Zeitspanne kann auch als Diagnosezeitin- tervall bezeichnet werden. 202200827 Die erste und zweite Batteriezelle sind vorzugsweise unmit- telbar benachbart und haben eine gemeinsame Verbindungslei- tung zu der Batteriezellüberwachungseinheit. Bei dem Diagnoseverfahren wird anschließend eine Änderung der Zellspannungsdifferenzen abhängig von der ersten Zellspan- nungsdifferenz und der zweiten Zellspannungsdifferenz ermit- telt und die Änderung der Zellspannungsdifferenzen mit einem Schwellwert verglichen. Wenn die Änderung der Zellspannungs- differenzen größer ist als der Schwellwert, wird ein Fehler erkannt. In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt um- fasst das Erkennen des Fehlers eine Bereitstellung eines Feh- lersignals, das eingerichtet ist, zu signalisieren, dass eine Verbindungsleitung, die die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle im fehlerfreien Zustand mit einem Ein- gang der Batteriezellüberwachungseinheit verbindet, unterbro- chen ist. Es kann somit sehr schnell und zuverlässig erkannt werden, dass eine Verbindungleitung beziehungsweise eine Leitung, die eine Batteriezelle mit der Batteriezellüberwachungseinheit verbindet, unterbrochen ist. Es können so geeignete Maßnahmen eingeleitet werden, die eine Unsymmetrie der Batteriezellen insbesondere während des Ladens, Entladens oder des Symmet- rieren der Batteriezellen reduzieren oder verhindern und da- mit einer Schädigung der Batterie vorbeugen. Außerdem kann verhindert werden, dass fehlerhafte Messwerte von Zellspan- nungen für die Überwachung der Zellspannungsgrenzen verwendet werden und hierdurch eine zu hohe oder zu niedrige 202200827 Zellspannung nicht detektiert wird, was ebenfalls zu Schädi- gungen der Batterie führen kann. In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist der Schwellwert einen vorgegebenen konstanten Wert auf. In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird der Schwellwert abhängig von einer mittleren Zellspan- nungsänderung zumindest eines Teils der Batteriezellen der Batterie ermittelt. Die Batterie kann mit mehreren Batterie- zellüberwachungseinheiten verbunden sein. Für die Mittelwert- berechnung können alle oder ein Teil der Zellen der Batterie verwendet werden, auch solche, die nicht mit der betrachteten Batteriezellüberwachungseinheit verbunden sind. Hierbei wird die mittlere Zellspannungsänderung abhängig von Zellspannungsänderungen der jeweiligen Batteriezellen zwi- schen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt ermit- telt. Die mittlere Zellspannungsänderung ist umso größer, je größer ein Gradient des Stromes, der durch die Batteriezellen fließt, ist, und je größer der mittlere Innenwiderstand der Batteriezellen ist. Vorteilhafterweise ermöglicht dies eine zuverlässigere Fehlererkennung bei hoher Dynamik, bei der der Betrag des Stromgradienten sehr hoch ist, sowie bei tiefen Batteriezelltemperaturen, bei welchen der Innenwiderstand der Batteriezellen hoch ist. So kann insbesondere verhindert wer- den, dass in einem fehlerfreien System eine Fehlerkennung ei- ner unterbrochenen Verbindungsleitung erfolgt, weil sich durch hohe Stromgradienten und/oder hohe Batteriezellinnenwi- derstände große Änderungen der betrachteten Zellspannungsdif- ferenz zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeit- punkt ergeben. 202200827 In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird der Schwellwert abhängig von einer Streuung von Zellin- nenwiderständen der Batteriezellen und/oder abhängig von ei- ner maximalen Temperaturdifferenz zwischen aufeinanderfolgen- den Batteriezellen und/oder von Ladezustandsabweichungen zwi- schen aufeinanderfolgenden Batteriezellen und/oder einer Al- terung der Batteriezellen ermittelt. In wenigstens einer Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt wird der Schwellwert abhängig von einem bereitgestellten Kor- rekturfaktor ermittelt und der Schwellwert wird zumindest ab- schnittsweise durch eine lineare Funktion in Abhängigkeit der mittleren Zellspannungsänderung repräsentiert, wobei die Steigung der linearen Funktion abhängig ist von dem Korrek- turfaktor. Der Korrekturfaktor wird insbesondere abhängig von der Streu- ung der Zellinnenwiderstände der Batteriezellen und/oder ab- hängig von der maximalen Temperaturdifferenz zwischen den aufeinanderfolgenden Batteriezellen und/oder von den Ladezu- standsabweichungen zwischen den aufeinanderfolgenden Batte- riezellen und/oder der Alterung der Batteriezellen ermittelt und für das Diagnoseverfahren bereitgestellt. Gemäß einem zweiten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe ge- löst durch eine Diagnosesteuereinheit für eine Batterie, wo- bei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen mit einer Batteriezellüberwachungseinheit verbunden sind, die Batteriezellüberwachungseinheit Kondensatoren zur Zellspan- nungserfassung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezel- len parallelgeschaltet sind und die Diagnosesteuereinheit 202200827 ausgebildet ist, das Diagnoseverfahren gemäß dem ersten As- pekt auszuführen. Gemäß einem dritten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe ge- löst durch ein Computerprogramm, das, wenn es von einem Pro- zessor oder Controller einer Diagnosesteuereinheit ausgeführt wird, die Diagnoseeinheit veranlasst, das Diagnoseverfahren gemäß dem ersten Aspekt auszuführen. Gemäß einem vierten Aspekt wird die oben genannte Aufgabe ge- löst durch ein Computerprogrammprodukt umfassend ein Compu- terprogramm gemäß dem dritten Aspekt. Gemäß einem fünften Aspekt wird die oben genannte Aufgabe ge- löst durch ein Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug, wobei das Batteriesystem eine Batterie, zumindest eine Batterie- zellüberwachungseinheit und eine Diagnosesteuereinheit gemäß dem zweiten Aspekt aufweist und wobei die Batterie eine Mehr- zahl von Batteriezellen aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen in einem fehlerfreien Zustand je- weils über Verbindungsleitungen mit der zumindest einen Bat- teriezellüberwachungseinheit verbunden sind und die Batterie- zellüberwachungseinheit Kondensatoren zur Zellspannungserfas- sung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezellen paral- lelgeschaltet sind. Die zumindest eine Batteriezellüberwa- chungseinheit ist ferner ausgebildet, das erste Signal, das weitere erste Signal, das zweite Signal und das weitere zweite Signal bereitzustellen. Die Batterie kann einen oder mehrere Batteriezellstränge auf- weisen, die jeweils mehrere Batteriezellen aufweisen, wobei die Batteriezellen eines jeweiligen Batteriestrangs in Serie geschaltet sind. Die Batteriezellstränge können teilweise 202200827 parallel geschaltet oder vollständig parallel geschaltet sein. Das Verfahren kann somit für einen Teil eines Batterie- zellstrangs oder einen gesamten Batteriezellstrang oder je- weils für mehr als einen Batteriezellstrang ausgeführt wer- den. Optionale Ausgestaltungen des ersten Aspekts können auch ent- sprechend bei den weiteren Aspekten vorhanden sein und ent- sprechende Wirkungen aufweisen. Das Computerprogramm kann als computerlesbarer Anweisungscode in jeder geeigneten Programmiersprache wie beispielsweise in JAVA, C++ etc. implementiert sein. Das Computerprogramm kann auf einem computerlesbaren Speichermedium (CD-ROM, DVD, Blu- ray Disk, Wechsellaufwerk, flüchtiger oder nicht-flüchtiger Speicher, eingebauter Speicher/Prozessor etc.) abgespeichert sein. Der Anweisungscode kann einen Computer oder andere pro- grammierbare Geräte, wie insbesondere ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug, derart programmieren, dass die gewünschten Funktionen ausgeführt werden. Ferner kann das Computerpro- gramm in einem Netzwerk wie beispielsweise dem Internet be- reitgestellt werden, von dem es bei Bedarf von einem Nutzer heruntergeladen werden kann. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen können - soweit technisch sinnvoll – miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden. Zum Beispiel können Variationen oder Modifikationen, die im Hinblick auf eines 202200827 der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderwei- tig angegeben. Es zeigen: Figur 1 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild für eine Ver- bindung von Batteriezellen mit einer Batteriezell- überwachungseinheit, Figur 2 beispielhafte Zellspannungsverläufe zweier benach- barter Batteriezellen, Figur 3 ein beispielhaftes Diagramm zur Dimensionierung ei- nes Schwellwertes für ein Diagnoseverfahren zur De- tektion einer offenen Verbindungsleitung und Figur 4 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm für ein Diagno- seprogramm. In den Figuren werden für Elemente mit im Wesentlichen glei- cher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet, diese Elemente müssen jedoch nicht in allen Einzelheiten identisch sein. Nachfolgend werden Details ausgeführt, um eine ausführlichere Erklärung der beispielhaften Ausführungsbeispiele bereitzu- stellen. Für Fachleute auf dem Gebiet ist es jedoch offen- sichtlich, dass Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. Spezielle oder allgemeine Werte, Bemessungsdaten, Hinzufügungen sowie der Einschluss oder Ausschluss von Komponenten sind nicht dazu bestimmt, den Schutzbereich der Erfindung zu beeinflussen. 202200827 In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform oder in einer schematischen Ansicht und nicht im Detail gezeigt, um das Verständnis der Ausführungs- beispiele zu vereinfachen. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschrei- ben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwi- schen“ versus „direkt zwischen“, „benachbart“ versus „direkt benachbart“ etc.). Figur 1 zeigt mehrere Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 einer Bat- terie, die in Serie geschaltet sind. Die Batterie ist bei- spielsweise in einem Fahrzeug, insbesondere in einem reinen Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug angeordnet. Ferner zeigt Figur 1 ein beispielhaftes Ersatzschaltbild für Eingänge einer Batteriezellüberwachungseinheit 10. Die Batte- riezellüberwachungseinheit umfasst vorzugsweise einen oder mehrere integrierte Schaltkreise („Chips“) zur Batteriezell- überwachung (in Figur 1 nicht gezeigt). Die Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 sind an die Batteriezellüberwachungseinheit 10 angeschlossen. Die Eingänge der Batteriezellüberwachungseinheit 10 sind über Verbindungsleitungen Wk+1, Wk-1 mit den Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 verbunden. 202200827 Direkt benachbarte Eingänge der Batteriezellüberwachungsein- heit 10 sind jeweils über Kondensatoren Ck, Ck-1 verbunden, so dass die Kondensatoren Ck, Ck-1 jeweils parallelgeschaltet sind zu den zugehörigen Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1. An den Kondensatoren Ck, Ck-1 fällt im fehlerfreien Fall zumindest näherungsweise die jeweilige Zellspannung Uk,Uk-1 ab. Dabei fließen Leckströme Ileak in die integrierte Schaltung für das Batteriemonitoring, welche in Zusammenhang mit der Messung der Zellspannungen erforderlich sind. In einem Fehlerfall, wenn beispielsweise eine Batteriezelle Zk+1, Zk, Zk-1 eine of- fene Verbindungsleitung Werr zu der Batterieüberwachungsein- heit 10 aufweist, führt der zugehörige Leckstrom Ileak zu ei- nem Laden des Kondensators Ck und zu einem Entladen des Kon- densators Ck-1 und die Spannungsabfälle an den Kondensatoren Ck, Ck-1 sind nicht gleich. Aber auch Unsymmetrieen bei den Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 können zu solchen Effekten füh- ren, jedoch sind die Effekte normalerweise nicht so groß wie im Fehlerfall einer offenen Verbindungsleitung Werr. Figur 1 zeigt beispielhalft eine Batteriezellüberwachungsein- heit 10 mit drei Anschlüssen, bei dem der mittlere Anschluss eine offene Verbindungsleitung Werr aufweist, d. h. die zuge- hörige Batteriezelle Zk ist nicht angeschlossen. Dies führt dazu, dass die gemessene Zellspannung Uk der Batteriezelle mit dem Index k mit der Zeit ansteigt und die gemessene Zellspannung Uk-1 der Batteriezelle mit dem Index k-1 über der Zeit abfällt. Eine Zellspannungsdifferenz ^^↔^^^ der beiden Zellspannungen Uk,Uk-1 steigt über die Zeit ebenfalls an. Figur 2 zeigt zeitliche Verläufe der Zellspannungen Uk,Uk-1 zweier unmittelbar benachbarter Batteriezellen Zk, Zk-1. Im fehlerfreien Fall weisen beide Zellen Zk, Zk-1 eine konstante Spannung auf, zum Beispiel eine Spannung von 2V. Zum 202200827 Zeitpunkt t_0 wird die Verbindungsleitung, die einen ersten Pol der k-ten Batteriezelle und einen zweiten Pol der (k-1)- ten Batteriezelle mit dem korrespondieren Eingang der Batte- riezellüberwachungseinheit 10 verbindet, unterbrochen. Der entsprechende Leckstrom Ileak führt dazu, dass die Zellspan- nung Uk der k-ten Zelle ansteigt und die Zellspannung Uk-1 der (k-1)-ten Zelle abfällt. Nach einer gewissen Zeit, zum Beispiel nach 100 ms beträgt die Zellspannungsdifferenz ^^↔^^^ 400 mV. Für die Fehlerdetektion, die fortlaufend ausgeführt werden kann, wird die Änderung beziehungsweise der Gradient der Zellspannungsdifferenzen ∆^^↔^^^ ausgewertet. Beispielsweise wird jeweils die Zellspannungsdifferenz ^^↔^^^ in einem Diag- nosezeitintervall von beispielsweise 100 ms ermittelt und für das jeweilige Diagnosezeitinterfall die Änderung der Zellspannungsdifferenzen ∆^^↔^^^ ermittelt und ausgewertet. Wenn die Änderung beziehungsweise der Gradient der Zellspan- nungsdifferenzen ∆^^↔^^^ einen bestimmten Schwellwert THconst, TH überschreitet, ist von einem Fehler in Form von einer of- fenen Verbindungsleitung Werr auszugehen. Im Folgenden sind Gleichungen angegeben, die für die Berech- nung der Änderung der Zellspannungsdifferenzen ∆^^↔^^^ und die Bestimmung des Schwellwerts THconst, TH genutzt werden können, so dass eine zuverlässige Fehlerdetektion möglich ist. Für die Zellspannung der k-ten Batteriezelle gilt: ^^ = ^^,^ + ^ ∙ ^^ (Laden I > 0; Entladen I < 0) Gl. (1), 202200827 wobei Rk der Zellinnenwiderstand der k-ten Zelle, I der Strom, der in die Batteriezelle fließt, und U0,k die Ruhespan- nung der k-ten Batteriezelle ist. Im Falle eines Ladens der Batterie ist der Strom I größer Null und im Falle des Entla- dens der Batteriezelle ist der Strom I kleiner Null. Analog gilt für die benachbarte Batteriezelle:
Figure imgf000015_0001
(Laden I > 0; Entladen I < 0) Gl. (2) und somit für die Zellspannungsdifferenz:
Figure imgf000015_0002
Für die Diagnose wird eine Änderung der Zellspannungsdiffe- renzen der jeweils unmittelbar benachbarten Batterie- zellen Zk, Zk-1 in einem vorgegebenen Diagnosezeitintervall ausgewertet. Hierzu wird die Zellspannungsdifferenz ^^↔^^^ zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeit- punkt, der um eine vorgegebene Zeitspanne ^t später liegt als der erste Zeitpunkt, ermittelt. Die Zeitspanne ^t, die zwischen der Erfassung der Zellspannungen liegt, entspricht somit dem Diagnosezeitintervall. Es gilt somit:
Figure imgf000015_0003
Beim Ermitteln des Schwellwertes THconst, TH ist zum einen zu berücksichtigen, dass der Schwellwert THconst, TH kleiner zu wählen ist als eine minimale Änderung Zellspannungsdifferenz ∆^^↔^^^;^^^ im Diagnosezeitintervall ^t im Fehlerfall, um eine zuverlässige Fehlererkennung zu ermöglichen. 202200827 Zum anderen muss der Schwellwert THconst, TH ausreichend groß sein, so dass auch bei großen Stromgradienten nicht fälschli- cherweise ein Fehler in Form einer offenen Verbindungsleitung Werr detektiert wird, da durch die unterschiedlichen Innenwi- derstände der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 ebenfalls Änderun- gen der Zellspannungsdifferenz auftreten können. Figur 3 ein Diagramm, das die Dimensionierung des Schwellwer- tes veranschaulicht. Entlang einer ersten Achse ist die mittlere Zellspannungsän- derung ∆^^^^^,^^^^ der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 aufgetragen. Beim Ermitteln der mittleren Zellspannungsänderung ∆^^^^^,^^^^ können sämtliche Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 einer Batterie oder ein Teil der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 berücksichtigt werden. Die mittlere Zellspannungsänderung ^Ucell,mean repräsentiert ei- nen Mittelwert der Änderungen der Zellspannungen in einem je- weiligen Diagnosezeitintervall. Für die Zellspannungsänderung der Zelle k in dem Diagnose- zeitintervall gilt
Figure imgf000016_0001
Für die mittlere Zellspannungsänderung in dem Diagnosezeitin- tervall gilt
Figure imgf000016_0002
202200827 wobei N die Anzahl der berücksichtigten Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1, ∆^ die Änderung des Stromes I, der durch die Batte- riezellen Zk+1, Zk, Zk-1 fließt, innerhalb des Diagnosezeitin- tervalls und Rmean der mittlere Zellwiderstand der berücksich- tigten Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 ist. Entlang der zweiten Achse, die senkrecht auf der ersten Achse steht, ist die Änderung der Zellspannungsdifferenzen
Figure imgf000017_0001
zweier unmittelbar benachbarter Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 in dem Diagnosezeitintervall aufgetragen. Die gestrichelte Gerade repräsentiert die minimale Änderung der Zellspannungsdifferenzen ∆^^↔^^^;^^^ im Fehlerfall für die Batteriezelle mit dem Index k. Die minimale Änderung der Zellspannungsdifferenzen ∆^^ ↔^^^;^^^ im Fehlerfall für die Batteriezelle mit dem Index k ist je- doch nicht konstant sondern hängt auch ab von Änderungen der Zellspannungen der anderen Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1. Wenn die Zellspannungen der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 der Batte- rie in einem betrachteten Diagnosezeitintervall ansteigen und damit die mittlere Zellspannungsänderung ^Ucell,mean eine posi- tiven Wert annimmt, wird die minimale Änderung der Zellspan- nungsdifferenzen ∆^^ ↔^^^;^^^ ebenfalls größer. Sinken dagegen die Zellspannungen der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1der Batte- rie in einem betrachteten Diagnosezeitintervall ( ^Ucell,mean <0), wird die minimale Änderung der Zellspannungsdifferenzen ∆^^ ↔^^^;^^^ kleiner. Der Punkt A repräsentiert den Fall, wenn die Zellspannungen der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 sich nicht ändern. Der Schwellwert THconst, TH wird vorzugsweise so gewählt, dass er unterhalb der Kurve, die die minimale Änderung der 202200827 Zellspannungsdifferenzen ∆^^↔^^^;^^^ im Fehlerfall repräsen- tiert, liegt beziehungsweise verläuft. Nur so kann sicherge- stellt werden, dass eine offene Verbindungsleitung Werr zuver- lässig detektiert werden kann. Bei der Dimensionierung des Schwellwertes THconst, TH ist fer- ner zu beachten, dass sich in einem Diagnosezeitintervall der Strom ändern kann. Insbesondere bei großen Stromgradienten können zusätzliche Zellspannungsdifferenzen ^^↔^^^ auftreten. Der Schwellwert THconst, TH ist daher vorzugsweise größer als eine maximale Zellspannungsänderung, die im fehlerfreien Fall bei hohen Stromgradienten auftritt, zu wählen. Die zweite gestrichelte Linie (abwechselnd Punkte und Stri- che), die parallel verläuft zur ersten Achse, repräsentiert einen beispielhaft angenommen konstanten Schwellwert THconst, zum Beispiel bei 250 mV. Es zeigt sich jedoch, dass mit zunehmender Stromänderung ^I im Diagnosezeitintervall beziehungsweise mit zunehmender mittleren Spannungsänderung ^Ucell,mean dieser konstante Schwellwert THconst zu niedrig sein kann, was zu einer fälsch- lichen Detektion einer offenen Verbindungsleitung Werr bezie- hungsweise Leitung führen kann. Der Punkt P in dem Diagramm repräsentiert solch eine Falscherkennung, bei der bei ^Ucell,mean = 800mV eine Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔUk ^ k-1 in dem Diagnosezeitintervall von 260mV ermittelt wurde. 202200827 Vorteilhaft ist daher, wenn der Schwellwert TH nicht als fester Wert vorgegeben sondern abhängig von der mittleren Zellspannungsänderung ^Ucell,mean ermittelt wird. Hierzu wird zunächst die maximale Änderung der Zellspannungsdifferenzen für den fehlerfreien Fall abgeschätzt. Hierzu wird angenommen, dass der Zellinnenwiderstand mit ± ^R um den Mittelwert Rmean variiert. ^^ = ^^^^^ + ∆^ Gl. (7) ^^^^ = ^^^^^ − ∆^ Gl. (8). Dies Annahme berücksichtigt quasi den Worst-Case-Fall. Für den Gradienten der Zellspannungsdifferenzen
Figure imgf000019_0001
zweier benachbarte Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 gilt unter dieser Annahme: ∆^^↔^^^ = ∆^ ∙ (^^ − ^^^^) = 2 ∙ ∆^ ∙ ∆^ Gl. (9). Die Variation ∆^ des Zellinnenwiderstand der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 kann vereinfacht abhängig von dem mittleren Zellinnenwiderstand und einem Korrekturfaktor K angenommen werden ^R = K ^ Rmean Gl. (10). Der Korrekturfaktor K wird beispielsweise abhängig von einer Streuung von initialen Zellinnenwiderstände der 202200827 Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 und/oder abhängig von einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 und/oder von Ladezustandsabweichungen zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 und/oder abhängig von einer Alterung der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 der Batterie ermittelt oder festgelegt. Der Korrekturfaktor kann somit im laufenden Betrieb jeweils erneut ermittelt werden oder als feste Zahl gewählt und vorgeben werden, wobei die zuvor genannten Einflüsse unter Worst Case-Bedingungen bei der Wahl des Korrekturfaktors berücksichtigt werden. Für die Änderung der Zellspannungsdifferenzen
Figure imgf000020_0001
zweier benachbarte Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 im Diagnosezeitintervall gilt dann im Worst case:
Figure imgf000020_0002
Gl. (12). Dies bedeutet, dass die mögliche Zellspannungsänderung im fehlerfreien System mit Hilfe der mittleren Zellspannungsänderung im Diagnosezeitintervall unter Berücksichtigung des Korrekturfaktors K abgeschätzt werden kann. Eine entsprechend Gl. (12) gewählter Schwellwert TH ist in Fig. 3 mit gepunkteten Geraden dargestellt, wobei ein symmetrischer Verlauf des Schwellwerts TH bei positiver und negativer mittlerer Zellspannungsänderung angewandt wird. Um eine zuverlässige Fehlerdetektion zu ermöglichen, wird beispielsweise der Schwellwert TH bei kleinen Stromgradient konstant gewählt. Sobald jedoch der Gradient der Zellspannungsdifferenzen ∆^^↔^^^ gemäß Gl. (12) den 202200827 konstanten Schwellwert übersteigt, wird der Schwellwert gemäß Gl. 12 gewählt. Beispielsweise können fünf Bereiche unterschieden werden: Bereich I: f < ^Ucell,mean < e Bereich II: e < ^Ucell,mean ≤ d Bereich III: d < ^Ucell,mean ≤ c Bereich IV : c < ^Ucell,mean ≤ b Bereich V: b < ^Ucell,mean ≤ a Für die Diagnoseschwelle gilt somit in den Bereichen: Im Bereich I und II: ^^^^ = −2 ∙ ^ ∙ ∆^^^^^, ^^^^ Im Bereich III: ^^^^^ = ^^^^^ Im Bereich IV und V: ^^^^ = 2 ∙ ^ ∙ ∆^^^^^, ^^^^ Die Diagnoseschwelle korrespondiert somit in den Bereichen I, II, IV und V der Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔUk ^ k-1unter der Annahme dass die Variation des Zellinnenwiderstandes mit ± ^R um den Mittelwert Rmeanmit ^R = K ^ Rmean beschrieben werden kann, was einem worst case Szenario entspricht. K ist hierbei ein Korrekturfaktor, der beispielsweise abhängig von einer Streuung von initialen Zellinnenwiderstände der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 und/oder abhängig von einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 und/oder von Ladezustandsabweichungen zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 und/oder abhängig von einer Alterung der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 der Batterie ermittelt und festgelegt wird. 202200827 In dem Bereich I ist keine sichere Fehlererkennung beziehungsweise keine Detektion einer offenen Verbindungsleitung Werr möglich, da die minimale Zellspannungsänderung im Fehlerfall unterhalb der gewählten Diagnoseschwelle liegt. Der Bereich I beschreibt Betriebsfälle für die Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1, bei denen hohe negative Stromgradienten evtl. in Kombination mit niedrigen Zelltemperaturen vorliegen. Da solch eine hohe Dynamik üblicherweise nur für kurze Zeit vorliegt, kann der Fehler im Allgemeinen in einem folgenden Diagnoseschritt erkannt werden, in dem dann eine niedrigere Diagnoseschwelle angewandt werden kann. Die Grenze zwischen Bereich I und Bereich II kann zum Beispiel mittels Simulationen ermittelt werden. Der Bereich V beschreibt entsprechend Betriebsfälle mit hohen positiven Stromgradienten, bei denen keine sichere Fehlererkennung möglich ist, da auch hier die minimale Zellspannungsänderung im Fehlerfall unterhalb der gewählten Diagnoseschwelle liegt. Der Wert f, der das untere Ende des Bereichs I repräsentiert, ist die theoretische minimale mittlere Zellspannungsänderung ^Ucell,mean,min in dem Diagnosezeitintervall, die bei einem Umschalten von „volles Laden“ auf „volles Entladen“ innerhalb des Diagnosezeitintervalls auftritt. Dieser Grenzwert ist abhängig von der Temperatur der Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1. Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Computerprogramms für eine Diagnose der Batterie. Das Computerprogramm kann von einem Prozessor oder Mikrocontroller eines Batteriemanagementsystems ausgeführt werden. 202200827 In einem Schritt S01 wird das Programm zunächst gestartet. Ferner erfolgt in dem Schritt S01 beispielsweise eine Initialisierung von Programmvariablen. In einem Schritt S03 wird eine ersten Zellspannungsdifferenz zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle ermittelt abhängig von einem bereitgestellten ersten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt und einem bereitgestellten zweiten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem ersten Zeitpunkt. In einem Schritt S05 wird eine zweiten Zellspannungsdifferenz zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle abhängig von einem bereitgestellten weiteren ersten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem zweiten Zeitpunkt und einem bereitgestelltem weiteren zweiten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem zweiten Zeitpunkt, wobei der zweite Zeitpunkt eine vorgegebene Zeitspanne ^t nach dem ersten Zeitpunkt liegt. In einem Schritt S07 wird eine Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔUk ^ k-1abhängig von der ersten Zellspannungsdifferenz und der zweiten Zellspannungsdifferenz ermittelt und die Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔUk ^ k-1 mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen THconst, TH. Wenn die Änderung der Zellspannungsdifferenzen ΔUk ^ k-1 in dem Schritt S07 größer ist als der vorgegebene Schwellwert THconst, TH wird, wird dies im Schritt S09 als Fehler erkannt und ein Befehl zur Ausgabe eines Fehlersignals generiert. 202200827 Das Programm wird insbesondere für sämtliche Batteriezellen Zk+1, Zk, Zk-1 der Batterie ausgeführt. Vorzugsweise wird das Programm in vorgegebenen Zeitschritten wiederholt ausgeführt, so dass ein fortlaufendes Monitoring der Batterie möglich ist. Die vorgegebenen Zeitschritte können beispielsweise gleich dem Diagnosezeitintervall sein. Insbesondere kann die Zeitspanne ^t, die zwischen der Erfassung der Zellspannungen liegt, dem Diagnosezeitintervall entsprechen. Das Programm wird in einem Schritt S11 beendet, beispielsweise wenn das Fahrzeug geparkt wird.
202200827 Bezugszeichenliste 10 Batteriezellüberwachungseinheit Ck, Ck-1 Kondensatoren ^t Zeitspanne ∆^^^^^, ^^^^ mittlere Zellspannungsänderung ΔUk ^ k-1 Änderung beziehungsweise Gradient der Zellspannungsdifferenzen Ileak Ausgleichs- beziehungsweise Leckstrom S01 … S11 Programmschritte TH Schwellwert THconst konstanter Schwellwert Uk,Uk-1 Zellspannung ^^↔^^^ Zellspannungsdifferenz Werr offene Verbindungsleitung Wk+1, Wk-1 Verbindungsleitung Zk+1, Zk, Zk-1 Batteriezellen

Claims

202200827 Patentansprüche 1. Diagnoseverfahren für eine Batterie, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen (Wk+1, Wk-1) mit einer Batteriezellüberwachungseinheit (10) verbunden sind, die Batteriezellüberwachungseinheit (10) Kondensatoren (Ck, Ck- 1) zur Zellspannungserfassung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) parallelgeschaltet sind, und das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Ermitteln einer ersten Zellspannungsdifferenz zwischen einer ersten Batteriezelle und einer zweiten Batteriezelle abhängig von einem bereitgestellten ersten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem ersten Zeitpunkt und einem bereitgestellten zweiten Signal, das repräsentativ ist für eine Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem ersten Zeitpunkt, - Ermitteln einer zweiten Zellspannungsdifferenz zwischen der ersten Batteriezelle und der zweiten Batteriezelle abhängig von einem bereitgestellten weiteren ersten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der ersten Batteriezelle zu einem zweiten Zeitpunkt und einem bereitgestelltem weiteren zweiten Signal, das repräsentativ ist für die Zellspannung der zweiten Batteriezelle zu dem zweiten Zeitpunkt, wobei der zweite Zeitpunkt eine vorgegebene Zeitspanne ( ^t) nach dem ersten Zeitpunkt liegt, - Ermitteln einer Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔUk ^ k-1) abhängig von der ersten Zellspannungsdifferenz 202200827 und der zweiten Zellspannungsdifferenz, - Vergleichen der Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔUk ^ k-1) mit einem Schwellwert (THconst, TH) und, wenn die Änderung der Zellspannungsdifferenzen (ΔUk ^ k-1) größer ist als der Schwellwert (THconst, TH), Detektion eines Fehlers. 2. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1, bei dem das Detektieren des Fehlers ein Bereitstellen eines Fehlersignals umfasst, wobei das Fehlersignal eingerichtet ist, zu signalisieren, dass eine Verbindung, die die erste Batteriezelle und die zweite Batteriezelle im fehlerfreien Fall mit einem Eingang der Batteriezellüberwachungseinheit (10) verbinden, unterbrochen ist. 3. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schwellwert (THconst) einen vorgegebenen konstanten Wert aufweist. 4. Diagnoseverfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schwellwert (TH) abhängig von einer mittleren Zellspannungsänderung ( ^Ucell,mean) zumindest eines Teils der Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) der Batterie ermittelt wird, wobei die mittlere Zellspannungsänderung ( ^Ucell,mean) abhängig von Zellspannungsänderungen der jeweiligen Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem zweiten Zeitpunkt, ermittelt wird. 5. Diagnoseverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem der Schwellwert (THconst, TH) abhängig von einer Streuung von Zellinnenwiderständen der Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) und/oder abhängig von einer maximalen Temperaturdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden 202200827 Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) und/oder von Ladezustandsabweichungen zwischen aufeinanderfolgenden Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) und/oder einer Alterung der Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) ermittelt wird. 6. Diagnoseverfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem der Schwellwert (TH) abhängig von einem bereitgestellten Korrekturfaktor ermittelt wird und der Schwellwert zumindest abschnittsweise durch eine lineare Funktion in Abhängigkeit der mittleren Zellspannungsänderung ( ^Ucell,mean) repräsentiert wird, wobei die Steigung der linearen Funktion abhängig ist von dem Korrekturfaktor. 7. Diagnosesteuereinheit für eine Batterie, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen (Wk+1, Wk-1) mit einer Batteriezellüberwachungseinheit (10) verbunden sind, die Batteriezellüberwachungseinheit (10) Kondensatoren (Ck, Ck- 1) zur Zellspannungserfassung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) parallelgeschaltet sind und die Diagnosesteuereinheit ausgebildet ist, das Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen. 8. Computerprogramm das, wenn es von einem Prozessor oder Controller einer Diagnosesteuereinheit ausgeführt wird, die Diagnoseeinheit veranlasst, das Diagnoseverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen. 9. Computerprogrammprodukt umfassend ein Computerprogramm nach Anspruch 8. 202200827 10. Batteriesystem für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Batterie, mindestens eine Batteriezellüberwachungseinheit (10) und eine Diagnosesteuereinheit gemäß Anspruch 7, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) aufweist, die in Serie geschaltet sind, die Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) in einem fehlerfreien Zustand jeweils über Verbindungsleitungen (Wk+1, Wk-1) mit der mindestens einen Batteriezellüberwachungseinheit verbunden sind, die Batteriezellüberwachungseinheit (10) Kondensatoren (Ck, Ck-1) zur Zellspannungserfassung aufweist, die den angeschlossenen Batteriezellen (Zk+1, Zk, Zk-1) parallelgeschaltet sind und die mindestens eine Batteriezellüberwachungseinheit(10) ausgebildet ist das erste Signal, das weitere erste Signal, das zweite Signal und das weitere zweite Signal bereitzustellen.
PCT/EP2023/065033 2022-06-30 2023-06-06 Diagnoseverfahren für eine batterie WO2024002631A1 (de)

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DE102022206732.0A DE102022206732A1 (de) 2022-06-30 2022-06-30 Diagnoseverfahren für eine Batterie
DE102022206732.0 2022-06-30

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