WO2024088683A1 - Detektionsvorrichtung für einen elektrischen energiespeicher eines kraftfahrzeugs mit dynamikplausibilisierung - Google Patents

Detektionsvorrichtung für einen elektrischen energiespeicher eines kraftfahrzeugs mit dynamikplausibilisierung Download PDF

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Andreas Maerkl
Julian WIESMEIER
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Definitions

  • the invention relates to a detection device for an electrical energy storage device of a motor vehicle for detecting a fault in at least one energy storage cell of a circuit of energy storage cells of the energy storage device.
  • the detection device has a current sensor device for detecting current values of the circuit and a voltage sensor device for detecting cell voltage values of the energy storage cells.
  • the invention also relates to a method for detecting a fault in an energy storage cell, an electrical energy storage device and a motor vehicle.
  • the focus is on electrical energy storage devices that can be used, for example, as traction batteries for electrified motor vehicles.
  • Such electrical energy storage devices usually have at least one circuit of energy storage cells that is arranged in the interior of a storage housing of the electrical energy storage device.
  • the energy storage cell can degas, which transports heat and particles into the interior of the storage housing. This can damage other storage components, for example other energy storage cells. It is therefore desirable to be able to detect such faults or cell defects.
  • the energy storage device is usually equipped with a detection device for monitoring the energy storage cells, which has sensor devices for detecting parameters of the electrical energy storage device.
  • sensor devices are, for example, current sensor devices for detecting current values of the energy storage cells and cell voltage sensors for detecting cell voltage values of the energy storage cells.
  • a defective energy storage cell can be detected by comparing the detected cell voltage values with a predetermined voltage target value.
  • the voltage behavior in the unloaded state a defective energy storage cell is compensated by the other energy storage cells. This means that a fault cannot be detected or cannot always be detected by comparison.
  • the voltage behavior of the energy storage cells can change due to age, so that the voltage target value must be adjusted over time to prevent a false diagnosis.
  • additional sensor devices are usually provided, for example temperature sensor devices for detecting a temperature in the interior of the storage housing and/or the energy storage cells, pressure sensor devices for detecting a pressure in the interior of the storage housing, light sensor devices for detecting flames in the interior of the storage housing, etc., which primarily serve to observe fault characteristics that indicate an obvious defect in an energy storage cell.
  • additional sensor devices increase the costs and weight of the electrical energy storage device.
  • a detection device for an electrical energy storage device of a motor vehicle serves to detect a fault in at least one energy storage cell of a circuit of energy storage cells of the energy storage device.
  • the detection device has a current sensor device for detecting current values of the circuit and a voltage sensor device for detecting cell voltage values of the energy storage cells.
  • the detection device has a storage and evaluation device which is designed to receive the current values and the cell voltage values and to temporarily store them over a predetermined period of time, to compare a respective dynamic of cell voltage curves obtained from the temporarily stored cell voltage values of a period of time with a dynamic of the cell voltage curves obtained from the temporarily stored To compare the current values of the current curve obtained over a period of time and to use the comparison to detect a fault in at least one energy storage cell.
  • the invention also includes a method for detecting a fault in at least one energy storage cell in a circuit of energy storage cells in an electrical energy storage device.
  • current values of the circuit and cell voltage values of the energy storage cells are recorded. These current values and cell voltage values are received and temporarily stored over a predetermined period of time.
  • a respective dynamic of cell voltage curves obtained from the temporarily stored cell voltage values of a period of time is then compared with a dynamic of the current curve obtained from the temporarily stored current values of the period of time, and a fault in at least one energy storage cell is detected based on the comparison.
  • An electrical energy storage device comprises a circuit of electrical energy storage cells and a detection device according to the invention.
  • the electrical energy storage device is in particular a high-voltage energy storage device and serves as a rechargeable traction battery for an electrified motor vehicle.
  • the electrical energy storage device has a plurality of energy storage cells or battery cells, for example prismatic cells, round cells or pouch cells, which are interconnected and arranged in an interior of a storage housing of the electrical energy storage device.
  • the circuit of energy storage cells preferably has at least one parallel circuit or a parallel connection of at least two energy storage cells.
  • the electrical energy storage device has the detection device for monitoring the energy storage cells.
  • the detection device is designed to detect an error in at least one energy storage cell, i.e. a cell defect, based on the measured current values of the energy storage cells and the measured cell voltage values of the energy storage cells.
  • the detection device is designed to detect the error only based on the measured current values and the measured cell voltage values, without using sensor data from other sensor devices and without comparing the measured values with predetermined target values.
  • the detection device has the voltage sensor device, which has in particular one voltage sensor for measuring cell-specific cell voltage values per energy storage cell, and the current sensor device, which has in particular at least one Current sensor for measuring a current flowing through the circuit. The current flowing through the circuit corresponds to a current flowing through the individual energy storage cells.
  • the current values and cell voltage values recorded by the current sensor device and the voltage sensor devices are transmitted to the storage and evaluation device of the detection device and temporarily stored or buffered there for a predetermined period of time, for example for a maximum of a few seconds.
  • the storage and evaluation device can, for example, be integrated into an energy storage internal control unit and be connected to the current sensor device and the voltage sensor device in terms of communication technology, for example via a cable.
  • the storage and evaluation device has in particular a buffer or an intermediate storage device for temporarily storing the current values and cell voltage values, which is designed to store the current values and cell voltage values continuously over the predetermined period of time. Current and cell voltage values are therefore continuously stored in the buffer over the predetermined period of time, whereby the oldest value can be deleted again for each new, current value that arrives.
  • the buffer therefore has in particular a fixed window width, whereby the window width corresponds to the time period.
  • the buffer therefore contains the current current and cell voltage values as well as a predetermined number of previous current and cell voltage values recorded in the past.
  • a current curve or current signal and cell voltage curves or cell voltage signals can be determined using the current values and cell voltage values temporarily stored over the period of time.
  • the cell voltage curves are then compared with the current curve.
  • the invention is based on the knowledge that the dynamics of the cell voltage curves in faultless energy storage cells should follow the dynamics of the current curve. If the dynamics of a cell voltage curve deviate from the dynamics of the current curve, this indicates a defect in the associated energy storage cell. For cell monitoring, the dynamics of the cell voltage curves are checked for plausibility using the dynamics of the current curve.
  • the storage and evaluation device is designed to
  • a positive gradient of the current signal, which results from increasing current values, should therefore be followed by a positive gradient of the cell voltage signal, which results from increasing cell voltage values, in the error-free case.
  • a negative gradient of the current signal which results from decreasing current values, should be followed by a negative gradient of the cell voltage signal, which results from decreasing cell voltage values, in the error-free case. If the gradient of a cell voltage signal deviates in sign from the gradient of the current signal, at least partially, the error of the associated energy storage cell is recognized.
  • the method carried out using the detection device in which only the dynamics of the current curve and the cell voltage curves are checked for plausibility in relation to one another for fault detection, is particularly advantageous because it is independent of age-related changes in the voltage behavior of the energy storage cells. This means that no target values need to be provided and continuously calibrated.
  • the method also detects defects that could not be detected based on the voltage behavior alone due to the defect-compensating parallel connection of the energy storage cells.
  • the invention also includes a motor vehicle with an electrical energy storage device according to the invention.
  • the motor vehicle is an electrically driven motor vehicle in the form of an electric or hybrid vehicle and has the electrical energy storage device as a traction battery.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an electrical energy storage device of a
  • Fig. 2a-2c Current and cell voltage curves of faultless energy storage cells of the electrical energy storage system.
  • Fig. 3 Current and cell voltage curves of a faultless and a faulty energy storage cell.
  • Fig. 1 shows an electrical energy storage device 1 for a motor vehicle.
  • the electrical energy storage device 1 has a storage housing 2, in the interior 3 of which at least one circuit 4 made up of energy storage cells 5 is arranged.
  • the electrical energy storage device 1 also has a detection device 7 which has a voltage sensor device 8 and a current sensor device 9.
  • the voltage sensor device 8 here has a voltage sensor 10 for each energy storage cell 5 for measuring cell voltage values of the respective energy storage cell 5.
  • the current sensor device 9 here has a current sensor 11 for each circuit 4 for measuring current values of the circuit 4.
  • the detection device 7 also has a storage and evaluation device 12 which is coupled to the voltage sensor device 8 and the current sensor device 9 and to which the detected cell voltage values and current values are transmitted.
  • the transmitted cell voltage values and current values are temporarily stored by the storage and evaluation device 12 over a predetermined time period ⁇ t1, ⁇ t2, ⁇ t3.
  • Fig. 2a, Fig. 2b and Fig. 2c show a current profile I of the circuit 4 progressing with the current time t1*, t2*, t3* and two cell voltage profiles U1, U2 progressing with the current time t1*, t2*, t3 of two faultless Energy storage cells 5 over time t.
  • a buffer window Pt1, Pt2, Pt3 of width B which runs from the current time t1*, t2*, t3* is shown, the width B of the buffer window Pt1, Pt2, Pt3 corresponding to the respective time period At1, At2, At3 within which the values measured by the sensor devices 8, 9 are temporarily stored in the storage and evaluation device 12 and analyzed.
  • the current buffer window Pt1, Pt2, Pt3, which includes the current and cell voltage values of the current time t1*, t2*, t3* and the current and cell voltage values from the past in the current time period At1, At2, At3, is considered.
  • a "past" of the current values and cell voltage values which covers a predetermined period of time is continuously evaluated.
  • the dynamics of the cell voltage curves U1, U2 are compared with the dynamics of the current curve I.
  • the dynamics of the cell voltage curves U1, U2 can also be compared with one another and thus checked for plausibility against one another.
  • the dynamics of the cell voltage curves U1, U2 are the same as the dynamics of the current curve I.
  • a sequence of the gradients of the cell voltage curves U1, U2 and the current curve I within the respective time period At1, At2, At3 can be considered.
  • the gradients of the curves U 1, U2, I in section At1 a of the first time period At1 each have negative signs and in the following section At1b of the first time period At1 each have positive signs.
  • the gradients of the curves U1, U2, I have negative signs and in the following section At1d they have positive signs again.
  • the sequence of sections with negative and positive gradients for the cell voltage signals U1, U2 and the current signal I is also the same.
  • all curves U1, U2, I have a gradient of 0, so that here too the gradients of all curves U1, U2, I have the same sign.
  • the dynamics are the same and the energy storage cells 5 are classified as faultless.
  • Fig. 3 shows the cell voltage curve U2' for a defective energy storage cell 5.
  • the dynamics of the cell voltage curve U2' deviates from the dynamics of the current signal I. This is evident in the section At1d, in which the gradient of the current signal I is positive, while the gradient of the cell voltage signal U2' is at least partially negative.
  • the gradient of the cell voltage signal U2' is therefore directed opposite to the gradient of the current signal I.
  • This deviation of the dynamics of the cell voltage curve U2' from the dynamics of the current curve I is detected by the storage and evaluation device 12 and the energy storage cell 5 belonging to the cell voltage curve U2' is classified as faulty or defective.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung (7) für einen elektrischen Energiespeicher (1) eines Kraftfahrzeugs zum Detektieren eines Fehlers (6) zumindest einer Energiespeicherzelle (5) einer Verschaltung (4) aus Energiespeicherzellen (5) des Energiespeichers (1), aufweisend: - eine Stromsensoreinrichtung (9) zum Erfassen von Stromwerten der Verschaltung (4), - eine Spannungssensoreinrichtung (8) zum Erfassen von Zellspannungswerten der Energiespeicherzellen (5), und - eine Speicher- und Auswerteeinrichtung (12), welche dazu ausgelegt ist, die Stromwerte und die Zellspannungswerte zu empfangen und über eine vorbestimmte Zeitspanne (Δt1, Δt2, Δt3) zwischenzuspeichern, eine jeweilige Dynamik von aus den zwischengespeicherten Zellspannungswerten einer Zeitspanne (Δt1, Δt2, Δt3) erhaltenen Zellspannungsverläufen (U1, U2, U2') mit einer Dynamik des aus den zwischengespeicherten Stromwerten der Zeitspanne (Δt1, Δt2, Δt3) erhaltenen Stromverlaufs (I) zu vergleichen und anhand des Vergleiches einen Fehler (6) zumindest einer Energiespeicherzelle (5) zu erkennen.

Description

Detektionsvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs mit Dynamikplausibilisierung
Die Erfindung betrifft eine Detektionsvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs zum Detektieren eines Fehlers zumindest einer Energiespeicherzelle einer Verschaltung aus Energiespeicherzellen des Energiespeichers. Die Detektionsvorrichtung weist eine Stromsensoreinrichtung zum Erfassen von Stromwerten der Verschaltung und eine Spannungssensoreinrichtung zum Erfassen von Zellspannungswerten der Energiespeicherzellen auf. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers einer Energiespeicherzelle, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Energiespeicher, welche beispielsweise als Traktionsbatterien für elektrifizierte Kraftfahrzeuge eingesetzt werden können. Solche elektrischen Energiespeicher weisen üblicherweise zumindest eine Verschaltung aus Energiespeicherzellen auf, welche in einem Innenraum eines Speichergehäuses des elektrischen Energiespeichers angeordnet ist. Im Falle eines Fehlers einer Energiespeicherzelle, beispielsweise eines zellinternen Kurzschlusses, kann es zu einer Entgasung der Energiespeicherzelle kommen, durch welche Hitze und Partikel in den Innenraum des Speichergehäuses transportiert werden. Dadurch können weitere Speicherkomponenten, beispielsweise weitere Energiespeicherzellen, geschädigt werden. Daher ist es wünschenswert, solche Fehler bzw. Zelldefekte erkennen zu können.
Hierfür wird der Energiespeicher üblicherweise mit einer Detektionsvorrichtung zum Überwachen der Energiespeicherzellen ausgestattet, welche Sensoreinrichtungen zum Erfassen von Kenngrößen des elektrischen Energiespeichers aufweist. Solche Sensoreinrichtungen sind beispielsweise Stromsensoreinrichtungen zum Erfassen von Stromwerten der Energiespeicherzellen und Zellspannungssensoren zum Erfassen von Zellspannungswerten der Energiespeicherzellen. Beispielsweise kann durch Vergleich der erfassten Zellspannungswerten mit einem vorbestimmten Spannungssollwert eine defekte Energiespeicherzelle erkannt werden. Insbesondere in einer Parallelverschaltung von Energiespeicherzellen wird jedoch im unbelasteten Zustand das Spannungsverhalten einer defekten Energiespeicherzelle durch die anderen Energiespeicherzellen ausgeglichen. Somit kann anhand des Vergleiches ein Fehler nicht oder nicht immer erkannt werden. Außerdem kann es vorkommen, dass sich das Spannungsverhalten der Energiespeicherzellen alterungsbedingt ändert, sodass der Spannungssollwert zum Verhindern einer Falschdiagnose über die Zeit angepasst werden muss.
Daher sind üblicherweise weitere Sensoreinrichtungen, beispielsweise Temperatursensoreinrichtungen zum Erfassen einer Temperatur in dem Innenraum des Speichergehäuses und/oder der Energiespeicherzellen, Drucksensoreinrichtungen zum Erfassen eines Drucks in den Innenraum des Speichergehäuses, Lichtsensoreinrichtungen zum Erfassen von Flammen in dem Innenraum des Speichergehäuses, etc., vorgesehen, welche primär zur Beobachtung von Fehlermerkmalen dienen, die auf einen offensichtlichen Defekt einer Energiespeicherzelle hinweisen. Solche zusätzlichen Sensoreinrichtungen erhöhen jedoch die Kosten und das Gewicht des elektrischen Energiespeichers.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und kostengünstige Lösung zur Erkennung eines Fehlers einer Energiespeicherzelle eines elektrischen Energiespeichers für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Detektionsvorrichtung, ein Verfahren, einen elektrischen Energiespeicher sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung für einen elektrischen Energiespeicher eines Kraftfahrzeugs dient zum Detektieren eines Fehlers zumindest einer Energiespeicherzelle einer Verschaltung aus Energiespeicherzellen des Energiespeichers. Die Detektionsvorrichtung weist eine Stromsensoreinrichtung zum Erfassen von Stromwerten der Verschaltung und eine Spannungssensoreinrichtung zum Erfassen von Zellspannungswerten der Energiespeicherzellen auf. Ferner weist die Detektionsvorrichtung eine Speicher- und Auswerteeinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, die Stromwerte und die Zellspannungswerte zu empfangen und über eine vorbestimmte Zeitspanne zwischenzuspeichern, eine jeweilige Dynamik von aus den zwischengespeicherten Zellspannungswerten einer Zeitspanne erhaltenen Zellspannungsverläufen mit einer Dynamik des aus den zwischengespeicherten Stromwerten der Zeitspanne erhaltenen Stromverlaufs zu vergleichen und anhand des Vergleiches einen Fehler zumindest einer Energiespeicherzelle zu erkennen.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers zumindest einer Energiespeicherzelle einer Verschaltung aus Energiespeicherzellen eines elektrischen Energiespeichers. Bei dem Verfahren werden Stromwerte der Verschaltung und Zellspannungswerte der Energiespeicherzellen erfasst. Diese Stromwerte und Zellspannungswerte werden empfangen und über eine vorbestimmte Zeitspanne zwischengespeichert. Dann wird eine jeweilige Dynamik von aus den zwischengespeicherten Zellspannungswerten einer Zeitspanne erhaltenen Zellspannungsverläufen mit einer Dynamik des aus den zwischengespeicherten Stromwerten der Zeitspanne erhaltenen Stromverlaufs verglichen und ein Fehler der zumindest einer Energiespeicherzelle anhand des Vergleiches erkannt.
Ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher umfasst eine Verschaltung aus elektrischen Energiespeicherzellen und eine erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung. Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und dient als wiederaufladbare Traktionsbatterie für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher weist eine Vielzahl von Energiespeicherzellen bzw. Batteriezellen, beispielsweise prismatische Zellen, Rundzellen oder Pouchzellen, auf, welche miteinander verschaltet sind und in einem Innenraum eines Speichergehäuses des elektrischen Energiespeichers angeordnet sind. Vorzugsweise weist die Verschaltung aus Energiespeicherzellen zumindest eine Parallelschaltung bzw. einen Parallelverbund aus zumindest zwei Energiespeicherzellen auf.
Zur Überwachung der Energiespeicherzellen weist der elektrische Energiespeicher die Detektionsvorrichtung auf. Die Detektionsvorrichtung ist dazu ausgelegt, anhand der gemessenen Stromwerte der Energiespeicherzellen und der gemessenen Zellspannungswerte der Energiespeicherzellen einen Fehler zumindest einer Energiespeicherzelle, also einen Zelldefekt, zu erkennen. Insbesondere ist die Detektionsvorrichtung dazu ausgelegt, nur anhand der gemessenen Stromwerte und der gemessenen Zellspannungswerte, ohne die Verwendung von Sensordaten anderer Sensoreinrichtungen und ohne einen Vergleich der gemessenen Werte mit vorbestimmten Sollwerten, den Fehler zu erkennen. Dazu weist die Detektionsvorrichtung die Spannungssensoreinrichtung, welche pro Energiespeicherzelle insbesondere einen Spannungssensor zum Messen von zellspezifischen Zellspannungswerten aufweist, und die Stromsensoreinrichtung, welche pro Verschaltung insbesondere zumindest einen Stromsensor zum Messen eines durch die Verschaltung hindurchfließenden Stromes aufweist, auf. Der durch die Verschaltung fließende Strom korrespondiert dabei mit einem durch die einzelnen Energiespeicherzellen korrespondierenden Strom.
Die von der Stromsensoreinrichtung und den Spannungssensoreinrichtungen erfassten Stromwerte und Zellspannungswerte werden der Speicher- und Auswerteeinrichtung der Detektionsvorrichtung übermittelt und dort für eine vorbestimmte Zeitspanne, beispielsweise für höchstens einige Sekunden, zwischengespeichert bzw. gebuffert. Die Speicher- und Auswerteeinrichtung kann beispielsweise in ein energiespeicherinternes Steuergerät integriert sein und kommunikationstechnisch, beispielsweise leitungsgebunden, mit der Stromsensoreinrichtung und der Spannungssensoreinrichtung verbunden sein. Die Speicher- und Auswerteeinrichtung weist insbesondere einen Puffer bzw. einen Zwischenspeicher zum temporären Speichern der Stromwerte und Zellspannungswerte auf, welcher dazu ausgelegt ist, die Stromwerte und Zellspannungswerte kontinuierlich fortlaufend über die vorbestimmte Zeitspanne zu speichern. Es werden also kontinuierlich Strom- und Zellspannungswerte über die vorbestimmte Zeitspanne in dem Puffer zwischengespeichert, wobei für jeden neu eintreffenden, aktuellen Wert der älteste Wert wieder gelöscht werden kann. Der Puffer weist somit insbesondere eine fixe Fensterbreite auf, wobei die Fensterbreite der Zeitspanne entspricht. Der Puffer weist also die aktuellen Strom- und Zellspannungswerte sowie eine vorbestimmte Anzahl an zurückliegenden, in der Vergangenheit erfassten Strom- und Zellspannungswerten auf.
Anhand der über die Zeitspanne zwischengespeicherten Stromwerte und Zellspannungswerte können ein Stromverlauf bzw. Stromsignal und Zellspannungsverläufe bzw. Zellspannungssignale bestimmt werden. Die Zellspannungsverläufe werden nun mit dem Stromverlauf abgeglichen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Dynamik der Zellspannungsverläufe bei fehlerlosen Energiespeicherzellen der Dynamik des Stromverlaufs folgen sollte. Weicht die Dynamik eines Zellspannungsverlaufs von der Dynamik des Stromverlaufs ab, so deutet dies auf einen Defekt der zugehörigen Energiespeicherzelle hin. Zur Zellüberwachung wird also die Dynamik der Zellspannungsverläufe anhand der Dynamik des Stromverlaufes plausibilisiert.
Beispielsweise ist die Speicher- und Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, zum
Bestimmen und Vergleichen der Dynamiken Gradienten der Zellspannungsverläufe und des Stromverlaufes zu bestimmen und den Fehler zumindest einer Energiespeicherzelle zu erkennen, falls der Gradient des zugehörigen Zellspannungsverlaufes zumindest abschnittsweise entgegengesetzt zu dem Gradienten des Stromverlaufes gerichtet ist. Einem positiven Gradienten des Stromsignals, welcher aus ansteigenden Stromwerten resultiert, sollte also im fehlerlosen Fall ein positiver Gradient des Zellspannungssignals, welcher aus ansteigenden Zellspannungswerten resultiert, folgen. Umgekehrt sollte einem negativen Gradienten des Stromsignals, welcher aus sinkenden Stromwerten resultiert, im fehlerlosen Fall ein negativer Gradient des Zellspannungssignals, welcher aus sinkenden Zellspannungswerten resultiert, folgen. Weicht der Gradient eines Zellspannungssignals zumindest abschnittsweise vorzeichenmäßig von dem Gradienten des Stromsignals ab, so wird der Fehler der zugehörigen Energiespeicherzelle erkannt.
Das mittels der Detektionsvorrichtung durchgeführte Verfahren, bei welchem zur Fehlerdetektion lediglich die Dynamiken des Stromverlaufs und der Zellspannungsverläufe zueinander plausibilisiert werden, ist besonders vorteilhaft, da es unabhängig von alterungsbedingten Änderungen des Spannungsverhaltens der Energiespeicherzellen ist. Es müssen also keine Sollwerte bereitgestellt und fortlaufend kalibriert werden. Außerdem werden mittels des Verfahrens auch Defekte erkannt, welche aufgrund des defektausgleichenden Parallelverbunds der Energiespeicherzellen anhand des bloßen Spannungsverhaltens nicht erkannt werden könnten.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher. Das Kraftfahrzeug ist ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug in Form von einem Elektro- oder Hybridfahrzeug und weist den elektrischen Energiespeicher als Traktionsbatterie auf.
Die mit Bezug auf die Detektionsvorrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren, für den erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen Energiespeichers eines
Kraftfahrzeugs,
Fig. 2a-2c Strom- und Zellspannungsverläufe von fehlerlosen Energiespeicherzellen des elektrischen Energiespeichers; und
Fig. 3 Strom- und Zellspannungsverläufe von einer fehlerlosen und einer fehlerbehafteten Energiespeicherzelle.
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 1 für ein Kraftfahrzeug. Der elektrische Energiespeicher 1 weist ein Speichergehäuse 2 auf, in dessen Innenraum 3 zumindest eine Verschaltung 4 aus Energiespeicherzellen 5 angeordnet ist. Zur Erkennung eines Fehlers 6 bzw. Zelldefekts einer Energiespeicherzelle 5 der Verschaltung 4, beispielsweise einer bevorstehenden Zellentgasung aufgrund eines zellinternen Kurzschlusses, weist der elektrische Energiespeicher 1 außerdem eine Detektionsvorrichtung 7 auf, welche eine Spannungssensoreinrichtung 8 und eine Stromsensoreinrichtung 9 aufweist. Die Spannungssensoreinrichtung 8 weist hier für jede Energiespeicherzelle 5 einen Spannungssensor 10 zum Messen von Zellspannungswerten der jeweiligen Energiespeicherzelle 5 auf. Die Stromsensoreinrichtung 9 weist hier pro Verschaltung 4 einen Stromsensor 11 zum Messen von Stromwerten der Verschaltung 4 auf. Die Detektionsvorrichtung 7 weist außerdem eine Speicher- und Auswerteeinrichtung 12 auf, welche mit der Spannungssensoreinrichtung 8 und der Stromsensoreinrichtung 9 gekoppelt ist und welcher die erfassten Zellspannungswerte und Stromwerte übermittelt werden. Die übermittelten Zellspannungswerte und Stromwerte werden von der Speicher- und Auswerteeinrichtung 12 über eine vorbestimmte Zeitspanne At1, At2, At3 zwischengespeichert.
Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c zeigen einen mit dem aktuellen Zeitpunkt t1*, t2*, t3* fortschreitenden Stromverlauf I der Verschaltung 4 und zwei mit dem aktuellen Zeitpunkt t1*, t2*, t3 fortschreitende Zellspannungsverläufe U1 , U2 zweier fehlerloser Energiespeicherzellen 5 über die Zeit t. Außerdem ist ein mit dem aktuellen Zeitpunkt t1*, t2*, t3* fortlaufendes Pufferfenster Pt1 , Pt2, Pt3 der Breite B gezeigt, wobei die Breite B des Pufferfensters Pt1, Pt2, Pt3 der jeweiligen Zeitspanne At1 , At2, At3 entspricht, innerhalb welcher die von den Sensoreinrichtungen 8, 9 gemessenen Werte in der Speicher- und Auswerteeinrichtung 12 zwischengespeichert und analysiert werden. Zur Fehlererkennung wird das aktuelle Pufferfenster Pt1, Pt2, Pt3, welches die Strom- und Zellspannungswerte des aktuellen Zeitpunktes t1*, t2*, t3* und die in der aktuellen Zeitspanne At1, At2, At3 zurückliegenden Strom- und Zellspannungswerte umfasst, betrachtet. Anders ausgedrückt wird eine „Vergangenheit“ der Stromwerte und Zellspannungswerte, welche einen vorbestimmten Zeitraum abdeckt, kontinuierlich bewertet.
Pro Pufferfenster Pt1 , Pt2, Pt3 werden die Dynamiken der Zellspannungsverläufe U1, U2 mit der Dynamik des Stromverlaufes I verglichen. Zusätzlich können die Dynamiken der Zellspannungsverläufe U1 , U2 auch untereinander verglichen werden und somit gegeneinander plausibilisiert werden. In Fig. 2a bis Fig. 2c sind in jedem Pufferfenster Pt1 , Pt2, Pt3 die Dynamiken der Zellspannungsverläufe U1, U2 gleich zu der Dynamik des Stromverlaufs I. Zur Dynamikplausibilisierung kann eine Abfolge der Gradienten der Zellspannungsverläufe U1 , U2 und des Stromverlaufes I innerhalb der jeweiligen Zeitspanne At1, At2, At3 betrachtet werden. Beispielsweise weisen die Gradienten der Verläufe U 1 , U2, I im Abschnitt At1 a der ersten Zeitspanne At1 jeweils negative Vorzeichen und im darauffolgenden Abschnitt At1b der ersten Zeitspanne At1 jeweils positive Vorzeichen auf. Im Abschnitt At1c weisen die Gradienten der Verläufe U1 , U2, I negative Vorzeichen auf und im darauffolgenden Abschnitt At1d wieder positive Vorzeichen auf. Auch im Pufferfenster Pt2 ist die Abfolge von Abschnitten mit negativen und positiven Gradienten bei den Zellspannungssignalen U1, U2 und dem Stromsignal I gleich. Im dritten Zeitfenster B3 weisen alle Verläufe U 1 , U2, I einen Gradienten von 0 auf, sodass auch hier die Gradienten aller Verläufe U1, U2, I dasselbe Vorzeichen aufweisen. Sobald also die Gradienten der Zellspannungsverläufe U1 , U2 und der Gradient des Stromverlaufs I in zueinander korrespondierenden Abschnitten der Zeitspannen At1 , At2, At3 gleichgerichtet sind, sind die Dynamiken gleich und die Energiespeicherzellen 5 werden als fehlerlos klassifiziert.
Fig. 3 zeigt den Zellspannungsverlauf U2‘ für eine defekte Energiespeicherzelle 5. Hier weicht im Pufferfenster Pt1 die Dynamik des Zellspannungsverlaufs U2‘ von der Dynamik des Stromsignals I ab. Dies ist ersichtlich an dem Abschnitt At1d, bei welchem der Gradient des Stromsignals I positiv ist, während der Gradient des Zellspannungssignals U2‘ zumindest teilweise negativ ist. Der Gradient des Zellspannungssignals U2‘ ist also entgegengesetzt zum Gradienten des Stromsignals I gerichtet. Diese Abweichung der Dynamik des Zellspannungsverlaufes U2‘ zu der Dynamik des Stromverlaufs I wird von der Speicher- und Auswerteeinrichtung 12 erkannt und die zu dem Zellspannungsverlauf U2‘ gehörige Energiespeicherzelle 5 wird als fehlerbehaftet bzw. defekt klassifiziert.

Claims

Patentansprüche Detektionsvorrichtung (7) für einen elektrischen Energiespeicher (1) eines Kraftfahrzeugs zum Detektieren eines Fehlers (6) zumindest einer Energiespeicherzelle (5) einer Verschaltung (4) aus Energiespeicherzellen (5) des Energiespeichers (1), aufweisend:
- eine Stromsensoreinrichtung (9) zum Erfassen von Stromwerten der Verschaltung (4),
- eine Spannungssensoreinrichtung (8) zum Erfassen von Zellspannungswerten der Energiespeicherzellen (5), gekennzeichnet durch eine Speicher- und Auswerteeinrichtung (12), welche dazu ausgelegt ist, die Stromwerte und die Zellspannungswerte zu empfangen und über eine vorbestimmte Zeitspanne (At1 , At2, At3) zwischenzuspeichern, eine jeweilige Dynamik von aus den zwischengespeicherten Zellspannungswerten einer Zeitspanne (At1 , At2, At3) erhaltenen Zellspannungsverläufen (U1 , U2, U2‘) mit einer Dynamik des aus den zwischengespeicherten Stromwerten der Zeitspanne (At1, At2, At3) erhaltenen Stromverlaufs (I) zu vergleichen und anhand des Vergleiches einen Fehler (6) zumindest einer Energiespeicherzelle (5) zu erkennen. Detektionsvorrichtung (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungssensoreinrichtung (8) pro Energiespeicherzelle (5) einen Spannungssensor (10) aufweist. Detektionsvorrichtung (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsensoreinrichtung (9) pro Verschaltung (4) einen Stromsensor (11) aufweist. Detektionsvorrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher- und Auswerteeinrichtung (12) dazu ausgelegt ist, zum Bestimmen und Vergleichen der Dynamiken Gradienten der Zellspannungsverläufe (U1, U2, U2‘) und des Stromverlaufes (I) zu bestimmen und den Fehler (6) zumindest einer Energiespeicherzelle (5) zu erkennen, falls der Gradient des zugehörigen Zellspannungsverlaufes (U2‘) zumindest abschnittsweise entgegengesetzt zu dem Gradienten des Stromverlaufes (I) gerichtet ist. Detektionsvorrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher- und Auswerteeinrichtung (12) einen Puffer aufweist, welche dazu ausgelegt ist, die Stromwerte und Zellspannungswerte temporär und kontinuierlich fortlaufend über die vorbestimmte Zeitspanne (At1 , At2, At3) zu speichern. Verfahren zum Detektieren eines Fehlers (6) zumindest einer Energiespeicherzelle (5) einer Verschaltung (4) aus Energiespeicherzellen (5) eines elektrischen Energiespeichers (1), mit den Schritten:
- Erfassen von Stromwerten der Verschaltung (4),
- Erfassen von Zellspannungswerten der Energiespeicherzellen (5),
- Empfangen und Zwischenspeichern der Stromwerte und der Zellspannungswerte über eine vorbestimmte Zeitspanne (At1, At2, At3),
- Vergleichen einer jeweiligen Dynamik von aus den zwischengespeicherten Zellspannungswerten einer Zeitspanne (At1 , At2, At3) erhaltenen Zellspannungsverläufen (U1, U2, U2‘) mit einer Dynamik des aus den zwischengespeicherten Stromwerten der Zeitspanne (At1, At2, At3) erhaltenen Stromverlaufs (I), und
- Erkennen eines Fehlers (6) zumindest einer Energiespeicherzelle (5) anhand des Vergleiches. Elektrischer Energiespeicher (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend zumindest eine Verschaltung (4) aus elektrischen Energiespeicherzellen (5) und eine Detektionsvorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5. Elektrischer Energiespeicher (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung (4) aus Energiespeicherzellen (5) zumindest eine Parallelschaltung aus zumindest zwei Energiespeicherzellen (5) aufweist. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Energiespeicher (1) nach Anspruch 7 oder 8.
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