WO2025107014A1 - Verfahren zur überwachung eines elektrochemischen zellensystems - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring an electrochemical cell system, wherein the electrochemical cell system comprises at least one electrochemical unit which has at least two electrochemical cells, preferably battery cells, connected in series, wherein the potential of the electrochemical cells is taken via leads at least at a first measuring point, at a second measuring point and at a third measuring point, and the measuring points are each electrically connected to at least one pole of the at least two electrochemical cells, wherein the measuring points are each electrically connected to different poles and a first voltage is measured between the first and the second measuring point and a second voltage is measured between the second measuring point and the third measuring point, wherein a first total resistance, which results from a circuit between the first measuring point and the second measuring point, and a second total resistance, which results from a circuit between the second measuring point and the third measuring point, are selected to be different sizes, and the presence of a faulty connection between components of the electrochemical cell system is assessed based on the measured voltages.
  • the electrochemical cell system comprises at least one electrochemical unit which has at
  • an electrochemical cell system comprising at least one electrochemical unit, wherein the electrochemical unit comprises at least two electrochemical cells, preferably battery cells, which are connected in series, wherein the electrochemical cell system has at least one voltage measuring unit which is or can be electrically connected to a first measuring point, a second measuring point and a third measuring point via leads, and the measuring points are each connected to at least one pole of the at least two electrochemical cells, wherein the measuring points are each electrically connected to different poles and wherein the voltage measuring unit is configured to measure a first voltage between the first and the second measuring point and a second voltage between the second measuring point and the third measuring point and wherein the voltage measuring unit is connected to an evaluation unit for supplying the measurement data, wherein a first total resistance, which results from a circuit between the first measuring point and the second measuring point, and a second total resistance, which results from a circuit between the second measuring point and the third measuring point, are different are large and that the evaluation unit is designed to assess the presence of a faulty connection between components of the electro
  • Electrochemical cells in an electrochemical cell system are often monitored by measuring their voltage.
  • the measured voltage can be used to determine the charge level of the electrochemical unit or to detect malfunctions.
  • the electrochemical cell system can in particular be a battery system or a fuel cell system.
  • the electrochemical unit can in particular comprise several battery cells connected in series or a fuel cell stack, or particularly preferably be a fuel cell stack.
  • the electrochemical cell can preferably be a battery cell or a fuel cell. Due to the large number of electrochemical cells connected in series, usually only one derivative of the potential is applied between two electrochemical cells, which is then used to measure the voltage of both adjacent electrochemical cells.
  • this faulty connection is often not detectable because the total voltage of the two adjacent electrochemical cells is distributed essentially evenly between the two voltage measurements.
  • US 2017/0266050 A1 discloses a battery system in which resistors can be connected in parallel to the voltage measuring unit by means of a switch.
  • the system is configured to activate the corresponding switch upon detection of a malfunction in an electrochemical cell, thus discharging the affected subunit via the corresponding resistor.
  • this embodiment does not support the detection of faulty connections, which often remain undetected.
  • the object of the invention is to provide a method for monitoring an electrochemical cell system and an electrochemical cell system which enables improved detection of faulty connections at the lowest possible cost and space requirements.
  • This object is achieved according to the invention in that the internal resistance of the first voltmeter and the internal resistance of the second voltmeter are selected differently.
  • the different total resistances ensure that, in the event of a faulty connection, the voltage distribution between the first and third measuring points is not uniform. This makes faulty connections easy to detect.
  • the components of the electrochemical cell system can be, for example, the electrochemical cells, the derivatives or other functional components.
  • the faulty connection is localized based on the measured voltages.
  • the voltages can also provide information about the location of the faulty connection. Localization refers to the limitation of the faulty connection to a specific area of the electrical circuit in which the faulty connection is located, or preferably, the determination of the components between which the faulty connection exists. In this sense, it is also advantageous if the evaluation unit is configured to localize the faulty connection based on the measured voltages.
  • the measuring points are each electrically connected to at least one pole of at least one electrochemical cell.
  • the potential of the measuring point thus corresponds to that of the corresponding pole or poles.
  • the measuring points are each connected to different poles, for example, the first measuring point to a positive pole of a first electrochemical cell, the second measuring point to a negative pole of the first and a positive pole of a second electrochemical cell, and the third measuring point to the negative pole of the second electrochemical cell.
  • the three measuring points thus measure the potentials at three different locations in the series circuit of the electrochemical cells.
  • more than three measuring points may be provided. In this case, the voltages between different measuring points can be compared.
  • One measuring point can be used for one measurement on the one hand as a second measuring point and on the other hand, it can also be used as the first measuring point, depending on which areas of the electrochemical cell system are to be checked.
  • the potential along the series circuit of electrochemical cells is measured at least at a first measuring point, a second measuring point, and a third measuring point.
  • the first measuring point, the second measuring point, and the third measuring point are preferably arranged along the series circuit. This means that along the series circuit, the second measuring point lies between the first and third measuring points.
  • the circuits are each connected in parallel to at least one electrochemical cell.
  • a circuit is an electrical circuit which, during normal operation, is connected in parallel to the electrochemical cell or cells connected between the respective measuring points. Normal operation means that no faulty connections occur. A faulty connection can inadvertently disconnect a circuit from a measuring point.
  • the circuit typically includes a voltmeter to measure the voltage between the two measuring points. It may also include other elements such as resistors, low-pass filters, or similar.
  • resistance means electrical resistance and preferably ohmic resistance, unless explicitly stated otherwise.
  • the total resistance refers to the electrical resistance resulting from the circuit connected in parallel to at least one electrochemical cell between the respective measuring points. If the circuit only has a voltmeter, the total resistance is simply the internal resistance of the voltmeter. If an adapter resistor is connected in parallel to a voltmeter, the total resistance is the product of the adapter resistance and the internal resistance, divided by the sum of the adapter resistance and the internal resistance.
  • Incorrect connections within the meaning of the invention are faulty electrical connections between components. During manufacture or use of the electrochemical cell system, an electrical connection may be mistakenly not established or broken. Such incorrect connections can lead to faulty function or even inoperability of the electrochemical cell system.
  • the first and second voltages do not necessarily have to be measured simultaneously. It is possible to measure one voltage first and then the other. In any case, it is advantageous to perform the measurements as close together as possible to prevent misinterpretation due to changes in the charge level of the electrochemical cells.
  • all electrochemical cells are identically designed and/or all electrochemical cells have the same output voltage.
  • each electrochemical cell has at least one, particularly preferably exactly one, battery cell.
  • the electrochemical cells may also comprise multiple battery cells, one battery module, or multiple battery modules.
  • each electrochemical cell may also have at least one, particularly preferably exactly one, fuel cell.
  • a series or parallel circuit refers to an electrical circuit.
  • the negative pole of a first electrochemical cell is connected to the positive pole of a second electrochemical cell.
  • At least one additional measuring point that is electrically connected to at least one pole of at least one electrochemical cell, with the measuring points each being electrically connected to different poles.
  • the voltage measurements as described for the first and second voltages, as well as their evaluation, can then be carried out analogously between the available plurality of measuring points, for example, between the third and the additional measuring point or between the additional measuring points.
  • the first voltage and the second voltage are compared with each other, and the presence of a faulty connection between components is assessed based on the comparison of the voltages.
  • the evaluation unit can be configured to compare the first voltage and the second voltage with each other and to assess the presence of a faulty connection between components based on the comparison of the voltages.
  • the absolute voltage difference can be used for the assessment.
  • a first threshold value for the difference between the first voltage and the second voltage is specified, that the difference between the first voltage and the second voltage is compared with the first threshold value and the presence of a faulty connection is assessed as positive if the difference lies on a first side, in particular above, the first threshold value, and is assessed as negative if the difference lies on a second side, in particular below, the first threshold value.
  • the evaluation unit is configured to compare the difference between the first voltage and the second voltage with a predetermined first threshold value and to assess the presence of a faulty connection as positive if the difference is on a first side, in particular above the first threshold value, and to assess it as negative if the difference is on a second side, in particular below the first threshold value.
  • a second threshold value is specified for a value of the first voltage and/or the second voltage, that the first voltage and/or the second voltage is compared with the second threshold value and the presence of a faulty connection is assessed as positive if the first voltage and/or the second voltage is on a first side, in particular above, the second threshold value, and is assessed as negative if the first voltage and/or the second voltage is on a second side, in particular below, the threshold value.
  • the second threshold may be above the maximum voltage of the respective electrochemical cell or cells. If this threshold is exceeded, it is clear that the measured voltage is not only the actual voltage of the respective electrochemical cell or cells, but that a faulty connection is causing a voltage to be measured that does not correspond to the actual voltage at the respective electrochemical cell or cells.
  • the evaluation unit is set up to compare the first voltage and/or the second voltage with a predetermined second threshold value and to detect the presence of a faulty connection to be assessed as positive if the first voltage and/or the second voltage is on a first side, in particular above, the second threshold value, and to be assessed as negative if the first voltage and/or the second voltage is on a second side, in particular below, the threshold value.
  • the first, second and third measuring points are electrically connected to poles of two electrochemical cells connected directly one after the other in series. In this sense, it can also be provided that the first, second and third measuring points are electrically connected to poles of two electrochemical cells connected directly one after the other in series. This means that no third electrochemical cell is connected between them.
  • the first measuring point is preferably connected to a positive pole of a first electrochemical cell, the second measuring point to the negative pole of the first and the positive pole of a second electrochemical cell, and the third measuring point to the negative pole of the second electrochemical cell.
  • the presence of a faulty connection of leads for measuring the potentials from the measuring points is assessed based on the measured voltages.
  • “Leader” refers to the electrical connection between the measuring point and the voltage-measuring unit, usually the voltage measuring unit.
  • the lead is usually an electrical line such as a cable or a conductor. If a measuring point is connected to two poles of different electrochemical cells - for example, because they are connected directly in series, the measuring point can serve to measure the potential of both poles. Since usually only one lead is provided per measuring point, if the lead is faulty, the potential of neither pole can be identified due to an interrupted lead.
  • connection of the lead to the measuring point, the lead itself, or even its connection to the voltage measuring unit may be faulty, for example, disconnected.
  • the different total resistances according to the invention make a faulty lead easy to identify. In this sense, it is also advantageous if the evaluation unit is set up to assess the presence of a misconnection of leads for taking the potentials from the measuring points and based on the measured voltages.
  • the first voltage is measured by means of a first voltmeter and the second voltage is measured by means of a second Voltmeter.
  • the voltage measuring unit has a first voltmeter connected between the first measuring point and the second measuring point, and a second voltmeter connected between the second measuring point and the third measuring point.
  • a voltmeter is any type of voltage measuring device that can directly or indirectly determine the voltage between two measuring points.
  • the internal resistance of the first voltmeter and the internal resistance of the second voltmeter are selected to be different. Accordingly, it is also advantageous for the internal resistance of the first and second voltmeters to be different. Even in simple circuits consisting only of the voltmeter, this ensures that the total resistances are different.
  • At least one adapter resistor is connected between the first measuring point and the second measuring point and/or the second measuring point and the third measuring point.
  • at least one adapter resistor is connected between the first measuring point and the second measuring point and/or between the second measuring point and the third measuring point.
  • "between the respective measuring points” preferably means a parallel connection of the resistor to the voltage measuring unit, but a series connection can also be provided.
  • one pole of the resistor is connected directly to one measuring point and another pole of the resistor is connected directly to the other measuring point, i.e. preferably no other electrical component is arranged in between.
  • the adapter resistor is arranged in the area of the voltage measuring unit and, particularly preferably, connected in parallel to the voltage measuring unit. Furthermore, the adapter resistor can be part of the voltage measuring unit. This ensures that the connection to the adapter resistor is not also severed in the event of faulty discharge.
  • At least one first adapter resistor is connected in parallel to the first measuring point and the second measuring point, and at least one second adapter resistor is connected in parallel to the second measuring point and the third measuring point, and that the first and second adapter resistors are selected to be different values.
  • At least one adapter resistor is permanently connected between the first measuring point and the second measuring point and/or between the second measuring point and the third measuring point. Permanently connected means that it cannot be disconnected by, for example, a relay or other switching element. This simplifies the design and ensures that the adapter resistor is always available for a voltage measurement and adjusts the total resistances accordingly.
  • the electrochemical unit has at least three electrochemical cells, preferably battery cells, connected in series, and that the potentials are taken at measuring points of the end poles of the electrochemical unit and at measuring points of the electrically connected poles of neighboring electrochemical cells, and the voltages are measured at the measuring points that are electrically connected to the two poles of an electrochemical cell, and that the total resistances resulting from a circuit between these measuring points are selected to be different from the total resistances between the measuring points that are electrically connected to the poles of their neighboring electrochemical cell or electrochemical cells, and that the presence of a faulty connection between components of the electrochemical cell system is assessed based on the measured voltages.
  • This allows the individual electrochemical cells to be monitored particularly well.
  • At least one adapter resistor has an ohmic resistance of at least 1,000 k ⁇ , preferably at least 5,000 k ⁇ , and particularly preferably at least 10,000 k ⁇ .
  • Such high resistances do not significantly discharge the battery cells, but they do change the ratio of the total resistances sufficiently to enable detection of faulty connections.
  • Fig. 1 is a circuit diagram of an electrochemical cell system according to the invention for use of the method according to the invention during normal operation
  • Fig. 2 is a circuit diagram of an electrochemical cell system according to the invention for use of the method according to the invention in the event of a faulty connection
  • Fig. 3 is a diagram showing the actual voltage of the battery cells of the embodiment compared to the measured voltages during the faulty connection according to Fig. 2.
  • Fig. 1 shows a schematic circuit diagram of an electrochemical cell system comprising an electrochemical unit 1 having a total of four electrochemical cells 2.
  • each electrochemical cell 2a-2d is designed as an individual battery cell, which has, for example, a nominal output voltage U1-U4 of 3 V.
  • the electrochemical cells 2a-2d can also be designed, for example, as a battery module, battery pack, or fuel cell.
  • the electrochemical cell system also has a voltage measuring unit 3, which has a voltmeter 4a-4d for each electrochemical cell 2.
  • each voltmeter 4a-4d is shown as an ideal voltmeter 4a"-4d" (i.e., with infinitely high ohmic resistance) and a real internal resistance 4a'-4d' connected in parallel.
  • the positive pole of the first electrochemical cell 2a is electrically connected to a measuring point 5a. This positive pole represents one output pole of the electrochemical unit 1.
  • the negative pole of the last electrochemical cell 2d is electrically connected to a measuring point 5e. This negative pole represents the other output pole of the electrochemical unit 1.
  • the remaining poles of the electrochemical cells 2a - 2d are each electrically connected in series with the oppositely polarized pole of the adjacent electrochemical cell 2a - 2d.
  • a measuring point 5b - 5d is also electrically connected to each of these pole pairs.
  • Each measuring point 5a - 5e is electrically connected to one lead 6a - 6e.
  • Each voltmeter 4a - 4d is electrically connected by its two poles to two adjacent leads 6a - 6e, resulting in a series connection of the voltmeters 4a - 4d.
  • Adapter resistors 7a, 7b are each connected in parallel to the first or third voltmeter 4a, 4c. This results in an adapter resistor 7a, 7b connected between measuring point 5a and measuring point 5b, as well as between measuring point 5c and measuring point 5d, if the contact is intact.
  • the adapter resistors 7a, 7b are connected in close proximity to the respective voltmeter 4a, 4c, so that their parallel connection to the voltmeter 4a, 4c is subject to a low risk of incorrect contact.
  • This wiring creates a first circuit 8a between measuring point 5a and measuring point 5b, which is connected in parallel to the first electrochemical cell 2a and consists of the first voltmeter 4a and the first adapter resistor 7a connected in parallel.
  • the first total resistance of the first circuit 8a is thus obtained by the parallel connection of the first adapter resistor 7a and the internal resistance 4a' of the first voltmeter 4a.
  • a second circuit 8b is formed, which is connected in parallel to the second electrochemical cell 2b and consists solely of the second voltmeter 4b.
  • the second total resistance of the second circuit 8b is thus determined by the internal resistance 4b' of the second voltmeter 4b.
  • the third circuit 8c Analogous to the first circuit 8a, the third circuit 8c, between measuring point 5c and measuring point 5d, which is connected in parallel to the third electrochemical cell 2c, consists of the third voltmeter 4c and the second adapter resistor 7b connected in parallel.
  • the third total resistance of the third circuit 8c results from the parallel connection of the second adapter resistor 7b and the internal resistance 4c' of the third voltmeter 4c.
  • all voltmeters 4a - 4d have essentially the same internal resistances 4a' - 4d'.
  • the fourth circuit 8d Analogous to the second circuit 8b, the fourth circuit 8d, which is connected in parallel to the fourth electrochemical cell 2d, consists only of the fourth voltmeter 4d.
  • the fourth total resistance of the fourth circuit 8d is thus determined by the internal resistance 4d' of the fourth voltmeter 4d.
  • Circuits 8a-8d are all connected in series. For clarity, circuits 8a-8d are only highlighted in Fig. 2.
  • the voltmeters 4a - 4d can be used to monitor the voltages Ul - U4 of the individual electrochemical cells 2a - 2d.
  • the voltages UV1 - UV4 dropped across the individual voltmeters 4a - 4d can be measured. Since all leads 6a - 6e are intact, the voltages Ul - U4 of the electrochemical cells 2a - 2d correspond to the measured voltages UV1 - UV4.
  • the voltmeters 4a - 4d are connected via data lines to an evaluation unit 9, which receives and evaluates the measured voltages UV1 - UV4 of the voltmeters 4a - 4d.
  • Fig. 2 shows the same embodiment when one lead, in this case the third lead 6c, is faulty. Here, it is completely interrupted. If, according to the invention, the potential is supposedly taken from measuring point 5c via lead 6c, this is not done correctly because lead 6c is defective.
  • the total voltage U2 + U3 from the second and third electrochemical cells 2b, 2c is divided between the second and third circuits 8b, 8c depending on their two ohmic total resistances.
  • the second adapter resistor 7b reduces the total resistance of the third circuit 8c.
  • the resulting different total resistances create a voltage difference between the measured voltages UV2 and UV3.
  • measuring point 5b is used as the first measuring point
  • measuring point 5c as the second measuring point
  • measuring point 5d as the third measuring point
  • voltage UV2 represents a first voltage and voltage UV3 a second voltage, which have a significant voltage difference.
  • This voltage difference is visible in Fig. 3. While the measured voltage UV1 is essentially identical to the actual voltage Ul at the first electrochemical cell 2a, the measured voltage UV2 is significantly higher, while UV3 is significantly lower.
  • This voltage difference is preferably compared by the evaluation unit with a first threshold value, which is preferably selected to be below the measured voltage difference. This allows the evaluation unit to detect a faulty connection.
  • measuring point 5a is used as the first measuring point, measuring point 5b as the second measuring point, and measuring point 5c as the third measuring point, voltage UV1 represents the first voltage and voltage UV2 the second voltage.
  • a voltage difference is visible, but this is lower than the voltage difference between UV2 and UV3 and preferably lower than the first threshold value.
  • measuring point 5c can also be used as the first measuring point, measuring point 5d as the second measuring point, and measuring point 5e as the third measuring point.
  • UV2 exceeds a specified second threshold value 10.
  • the evaluation unit can determine that the third derivative 6c is defective.
  • Difference values between UV1 and UV2, between UV2 and UV3, and between UV3 and UV4 can also be calculated and compared with a first threshold value.
  • the first threshold value is preferably set such that the difference between UV2 and UV3 lies above it, but the other differences are Not. Even so, the evaluation unit, which can calculate these differences, can determine that a faulty connection exists and also locate it, namely in this case at the third derivative 6c.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines elektrochemischen Zellensystems, wobei das elektrochemische Zellensystem zumindest eine elektrochemische Einheit (1) umfasst, welche zumindest zwei in Serie geschaltete elektrochemische Zellen (2a - 2d), vorzugsweise Batteriezellen, aufweist, wobei von den elektrochemische Zellen (2a - 2d) zumindest an einem ersten Messpunkt (5a - 5e), an einem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und an einem dritten Messpunkt (5a - 5e) das Potential über Ableitungen (6a - 6e) abgenommen wird und eine erste Spannung (UV1 - UV4) zwischen dem ersten und dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) gemessen wird und eine zweite Spannung (UV1 - UV4) zwischen dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und dem dritten Messpunkt (5a - 5e) gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Summenwiderstand, und ein zweiter Summenwiderstand, unterschiedlich groß gewählt werden und das Vorhandensein einer Fehlverbindung zwischen Bauteilen des elektrochemischen Zellensystems basierend auf den gemessenen Spannungen (UV1 - UV4) beurteilt wird.

Description

Verfahren zur Überwachung eines elektrochemischen Zellensystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines elektrochemischen Zel- lensystems, wobei das elektrochemische Zellensystem zumindest eine elektroche- mische Einheit umfasst, welche zumindest zwei in Serie geschaltete elektrochemi- sche Zellen, vorzugsweise Batteriezellen, aufweist, wobei von den elektrochemi- schen Zellen zumindest an einem ersten Messpunkt, an einem zweiten Messpunkt und an einem dritten Messpunkt das Potential über Ableitungen abgenommen wird und die Messpunkte mit jeweils zumindest einem Pol der zumindest zwei elektro- chemischen Zellen elektrisch verbunden sind, wobei die Messpunkte jeweils mit unterschiedlichen Polen elektrisch verbunden sind und eine erste Spannung zwi- schen dem ersten und dem zweiten Messpunkt gemessen wird und eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Messpunkt und dem dritten Messpunkt gemessen wird, wobei ein erster Summenwiderstand, der sich durch eine Schaltung zwischen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt ergibt und ein zweiter Sum- menwiderstand, der sich durch eine Schaltung zwischen dem zweiten Messpunkt und dem dritten Messpunkt ergibt, unterschiedlich groß gewählt werden und das Vorhandensein einer Fehlverbindung zwischen Bauteilen des elektrochemischen Zellensystems basierend auf den gemessenen Spannungen beurteilt wird.
Sie betrifft auch ein elektrochemisches Zellensystem umfassend zumindest eine elektrochemische Einheit, wobei die elektrochemische Einheit zumindest zwei elek- trochemische Zellen, vorzugsweise Batteriezellen, umfasst, welche in Serie ge- schaltet sind, wobei das elektrochemische Zellensystem zumindest eine Span- nungsmesseinheit aufweist, welche mit einem ersten Messpunkt, einem zweiten Messpunkt und einem dritten Messpunkt über Ableitungen elektrisch verbunden oder verbindbar ist, und die Messpunkte mit jeweils zumindest einem Pol der zu- mindest zwei elektrochemischen Zellen verbunden sind, wobei die Messpunkte je- weils mit unterschiedlichen Polen elektrisch verbunden sind und wobei die Span- nungsmesseinheit dazu eingerichtet ist, eine erste Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Messpunkt und eine zweite Spannung zwischen dem zweiten Messpunkt und dem dritten Messpunkt zu messen und wobei die Spannungsmess- einheit mit einer Auswerteeinheit zur Versorgung der Messdaten verbunden ist, wobei ein erster Summenwiderstand, der sich durch eine Schaltung zwischen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt ergibt und ein zweiter Summenwi- derstand, der sich durch eine Schaltung zwischen dem zweiten Messpunkt und dem dritten Messpunkt ergibt, unterschiedlich groß sind und dass die Auswerteein- heit dazu eingerichtet ist, das Vorhandensein einer Fehlverbindung zwischen Bau- teilen des elektrochemischen Zellensystems basierend auf den gemessenen Span- nungen zu beurteilen.
Elektrochemische Zellen eines elektrochemischen Zellensystems werden häufig durch Messung ihrer Spannung überwacht. Dabei kann anhand der gemessenen Spannung erkannt werden, in welchem Ladezustand sich die elektrochemische Ein- heit befindet oder Fehlfunktionen erkannt werden. Das elektrochemische Zellen- system kann insbesondere ein Batteriesystem oder ein Brennstoffzellensystem sein. Die elektrochemische Einheit kann insbesondere mehrere in Reihe geschal- tete Batteriezellen oder einen Brennstoffzellenstack umfassen oder besonders be- vorzugt ein Brennstoffzellenstack sein. Die elektrochemische Zelle kann vorzugs- weise eine Batteriezelle oder eine Brennstoffzelle sein. Durch die Vielzahl an elek- trochemischen Zellen in Serienschaltung wird in der Regel nur eine Ableitung des Potentials zwischen zwei elektrochemischen Zellen angelegt, welche dann für die Spannungsmessung beider benachbarter elektrochemischer Zellen verwendet wird.
Kommt es zu einer Fehlverbindung zwischen den Bauteilen, wie einer fehlerhaften Weiterleitung durch eine Ableitung, so ist diese Fehlverbindung oft nicht erkenn- bar, da sich die Gesamtspannung der beiden benachbarten elektrochemischen Zel- len im Wesentlichen gleichmäßig auf die zwei Spannungsmessungen verteilt.
In der US 2017/0266050 Al wird ein Batteriesystem offenbart, in dem Wider- stände parallel zu der Spannungsmesseinheit mittels Schalter schaltbar sind. Das System ist dazu eingerichtet, bei Erkennung einer Fehlfunktion einer elektroche- mischen Zelle den entsprechenden Schalter zu schalten und so die betroffene Subeinheit über den entsprechenden Widerstand zu entladen. Jedoch unterstützt diese Ausführungsform nicht die Erkennung von Fehlerverbindungen, welche oft unentdeckt bleiben.
In der US 62555826 Bl, JP 2007010580 A und der CN 112748367 A werden Zel- lensysteme offenbart, welche unterschiedlich große Widerstandselemente zwi- schen den Messpunkten geschaltet haben, um bei einem Kontaktfehler eine Feh- lerdetektion durch die sich dadurch ergebende Spannungsdifferenz zu ermögli- chen. Dabei machen diese Widerstände die Schaltung jedoch aufwändiger und er- höhen den Platzbedarf.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur Überwachung eines elektrochemi- schen Zellensystems sowie ein elektrochemisches Zellensystem bereitzustellen, das eine verbesserte Erkennung von Fehlverbindungen bei möglichst geringen Kosten und Platzaufwand ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Innenwiderstand des ersten Voltmeters und der Innenwiderstand des zweiten Voltmeters unter- schiedlich gewählt werden.
Sie wird auch dadurch gelöst, dass der Innenwiderstand des ersten und des zwei- ten Voltmeters unterschiedlich groß sind.
Durch die unterschiedlichen Summenwiderstände wird erreicht, dass bei einer Fehlverbindung die Spannungsverteilung zwischen dem ersten und dem dritten Messpunkt nicht gleichmäßig erfolgt. Somit können Fehlverbindungen einfach er- kannt werden.
Die Bauteile des elektrochemischen Zellensystems können beispielsweise die elek- trochemischen Zellen, die Ableitungen oder andere funktionelle Bauelemente sein.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn eine Lokalisierung der Fehlverbindung basie- rend auf den gemessenen Spannungen durchgeführt wird. Durch die Spannungen kann nämlich auch eine Aussage über den Ort der Fehlverbindung getroffen wer- den. Mit Lokalisierung ist dabei die Eingrenzung der Fehlverbindung auf einen be- stimmten Bereich der elektrischen Schaltung, in dem sich die Fehlverbindung be- findet, oder vorzugsweise die Bestimmung, zwischen welchen Bauteilen die Fehl- verbindung vorliegt, gemeint. In diesem Sinne ist auch vorteilhaft, wenn die Aus- werteeinheit dazu eingerichtet ist, eine Lokalisierung der Fehlverbindung basierend auf den gemessenen Spannungen durchzuführen.
Die Messpunkte sind mit jeweils zumindest einem Pol zumindest einer elektroche- mischen Zelle elektrisch verbunden. Damit entspricht das Potential des Messpunk- tes also dem des entsprechenden Pols oder der entsprechenden Pole. Die Mess- punkte sind jeweils mit unterschiedlichen Polen verbunden, also beispielsweise der erste Messpunkt mit einem Pluspol einer ersten elektrochemischen Zelle, der zweite Messpunkt mit einem Minuspol der ersten und einem Pluspol einer zweiten elektrochemischen Zelle und der dritte Messpunkt mit dem Minuspol der zweiten elektrochemischen Zelle. Die drei Messpunkte messen die Potentiale somit an drei unterschiedlichen Orten in der Serienschaltung der elektrochemischen Zellen.
Mit "verbunden" oder "geschaltet" wird in weiterer Folge "elektrisch verbunden" oder "elektrisch geschaltet" gemeint, außer es ist ausdrücklich anders definiert.
Insbesondere wenn mehr als zwei elektrochemische Zellen vorgesehen sind, kann vorgesehen sein, dass mehr als drei Messpunkte vorgesehen sind. In diesem Fall können die Spannungen zwischen verschiedenen Messpunkten verglichen werden. Dabei kann ein Messpunkt für eine Messung einerseits als zweiter Messpunkt und andererseits auch als erster Messpunkt verwendet werden, abhängig davon, wel- che Bereiche des elektrochemischen Zellensystems überprüft werden sollen.
Vorzugsweise wird das Potential entlang der Serienschaltung der elektrochemi- schen Zellen zumindest an einem ersten Messpunkt, an einem zweiten Messpunkt und an einem dritten Messpunkt abgenommen. Mit anderen Worten sind also vor- zugsweise der erste Messpunkt, der zweite Messpunkt und der dritte Messpunkt entlang der Serienschaltung angeordnet. Damit ist gemeint, dass entlang der Se- rienschaltung der zweite Messpunkt zwischen dem ersten und dritten Messpunkt liegt.
Die Schaltungen sind dabei jeweils parallel zu zumindest einer elektrochemischen Zelle geschaltet. Mit Schaltung ist dabei eine elektrische Schaltung gemeint, wel- che bei Normalbetrieb parallel zu der elektrochemischen Zelle oder den elektro- chemischen Zellen geschaltet ist, die zwischen den jeweiligen Messpunkten ge- schaltet ist oder sind. Mit Normalbetrieb ist dabei gemeint, dass keine Fehlverbin- dungen auftreten. Denn es kann sein, dass eine Schaltung durch eine Fehlverbin- dung ungewollterweise von einem Messpunkt getrennt ist. Die Schaltung weist in der Regel ein Voltmeter auf, mithilfe dessen die Spannung zwischen den zwei Messpunkten gemessen wird. Sie kann auch weitere Elemente wie ohmsche Wi- derstände, Low-Pass-Filter oder ähnliches umfassen.
Mit Widerstand ist im Sinne dieser Erfindung ist der elektrische Widerstand und vorzugsweise der ohmsche Widerstand gemeint, außer es ist explizit anderes an- gegeben.
Dementsprechend ist mit Summenwiderstand jener elektrische Widerstand ge- meint, der sich durch die Schaltung ergibt, welcher parallel zu der zumindest einer elektrochemischen Zelle zwischen den jeweiligen Messpunkten geschaltet ist. Weist die Schaltung bloß ein Voltmeter auf, so ist der Summenwiderstand bloß der Innenwiderstand des Voltmeters. Ist ein Adapter-Widerstand parallel zu einem Voltmeter geschaltet, so ergibt sich der Summenwiderstand aus dem Produkt von Adapterwiderstand und Innenwiderstand, dividiert durch die Summe von Adapter- widerstand und Innenwiderstand.
Fehlverbindungen im Sinne der Erfindung sind dabei fehlerhafte elektrische Ver- bindungen zwischen Bauteilen. Während der Herstellung oder während der Be- nutzung des elektrochemischen Zellensystems kann eine elektrische Verbindung fälschlicherweise nicht hergestellt werden oder getrennt werden. Solche Fehlver- bindungen können zu einer fehlerhaften Funktion oder sogar Funktionslosigkeit des elektrochemischen Zellensystems führen. Die erste und zweite Spannung müssen dabei nicht unbedingt gleichzeitig gemes- sen werden. Es kann vorgesehen sein, dass zuerst die eine und dann die andere Spannung gemessen wird. Jedenfalls ist aber vorteilhaft, wenn die Messungen möglichst zeitnah hintereinander durchgeführt werden, um Fehlinterpretationen bedingt durch zwischenzeitliche Ladezustandsänderungen der elektrochemischen Zellen zu verhindern.
Vorzugsweise sind alle elektrochemischen Zellen gleich ausgeführt und/oder wei- sen alle elektrochemischen Zellen die gleiche Ausgangsspannung auf. Vorzugs- weise weist jede elektrochemische Zelle zumindest eine, besonders vorzugsweise genau eine Batteriezelle auf. Die elektrochemischen Zellen können auch mehrere Batteriezellen umfassen, ein Batteriemodul oder mehrere Batteriemodule umfas- sen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass jede elektrochemische Zelle zu- mindest eine, besonders bevorzugt genau eine Brennstoffzelle aufweist.
Mit einer Serien- oder einer Parallelschaltung ist dabei eine elektrische Schaltung gemeint. Bei einer Serienschaltung zweiter elektrochemischer Zellen ist also bei- spielsweise der negative Pol einer ersten elektrochemischen Zelle mit dem positi- ven Pol einer zweiten elektrochemischen Zelle verbunden.
Insbesondere wenn mehr als zwei elektrochemische Zellen vorgesehen sind, kann es vorteilhaft sein, zumindest einen weiteren Messpunkt vorzusehen, der mit zu- mindest einem Pol zumindest einer elektrochemischen Zelle elektrisch verbunden ist, wobei die Messpunkte jeweils mit unterschiedlichen Polen elektrisch verbunden sind. Die Spannungsmessungen wie beschrieben für die erste und zweite Span- nung sowie deren Auswertung kann dann zwischen den zur Verfügung stehenden Vielzahl an Messpunkten, beispielsweise zwischen dem dritten und dem weiteren Messpunkt oder zwischen den weiteren Messpunkten dann analog erfolgen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die erste Spannung und die zweite Spannung miteinander verglichen werden und das Vorhandensein einer Fehlverbindung zwi- schen Bauteilen basierend auf dem Vergleich der Spannungen beurteilt wird. In diesem Sinne kann vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die erste Spannung und die zweite Spannung miteinander zu vergleichen und das Vorhandensein einer Fehlverbindung zwischen Bauteilen basierend auf dem Vergleich der Spannungen zu beurteilen. Es kann beispielsweise die absolute Span- nungsdifferenz zur Beurteilung herangezogen werden.
Besonders vorteilhaft ist auch, wenn ein erster Schwellenwert für die Differenz der ersten Spannung und zweiten Spannung vorgegeben wird, dass die Differenz der ersten Spannung und zweiten Spannung mit dem ersten Schwellenwert verglichen und das Vorhandensein einer Fehlverbindung als positiv beurteilt wird, wenn die Differenz auf einer ersten Seite, insbe- sondere oberhalb, des ersten Schwellenwertes liegt, und als negativ beurteilt wird, wenn die Differenz auf einer zweiten Seite, insbe- sondere unterhalb, des ersten Schwellenwertes liegt.
In diesem Sinne kann auch vorteilhaft sein, wenn vorgesehen ist, dass die Aus- werteeinheit dazu eingerichtet ist, die Differenz der ersten Spannung und zweiten Spannung mit einem vorgegebenen ersten Schwellenwert zu vergleichen und das Vorhandensein einer Fehlverbindung als positiv zu beurteilen, wenn die Differenz auf einer ersten Seite, insbe- sondere oberhalb, des ersten Schwellenwertes liegt, und als negativ zu beurteilen, wenn die Differenz auf einer zweiten Seite, insbe- sondere unterhalb, des ersten Schwellenwertes liegt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass ein zweiter Schwellenwert für einen Wert der ersten Spannung und/oder der zweiten Spannung vorgegeben wird, dass die erste Spannung und/oder die zweite Spannung mit dem zweiten Schwellenwert vergli- chen und das Vorhandensein einer Fehlverbindung als positiv beurteilt wird, wenn die erste Spannung und/oder die zweite Spannung auf einer ersten Seite, insbesondere oberhalb, des zweiten Schwellenwertes liegt, und als negativ beurteilt wird, wenn die erste Spannung und/oder die zweite Spannung auf einer zweiten Seite, insbesondere unterhalb, des Schwellen- wertes liegt.
Beispielsweise kann der zweite Schwellenwert oberhalb der Maximalspannung der jeweiligen elektrochemischen Zelle oder elektrochemischen Zellen liegen. Wird sie überschritten, so ist somit klar, dass sich die gemessene Spannung nicht nur durch die tatsächliche Spannung der jeweiligen elektrochemischen Zelle oder elektroche- mischen Zellen ergibt, sondern dass durch eine Fehlverbindung eine Spannung gemessen wird, die nicht der realen Spannung an der jeweiligen elektrochemi- schen Zelle oder elektrochemischen Zellen entspricht.
In diesem Sinne kann auch vorteilhaft sein, wenn die Auswerteeinheit dazu einge- richtet ist, die erste Spannung und/oder die zweite Spannung mit einem vorgege- benen zweiten Schwellenwert zu vergleichen und das Vorhandensein einer Fehl- verbindung als positiv zu beurteilen, wenn die erste Spannung und/oder die zweite Spannung auf einer ersten Seite, insbesondere oberhalb, des zweiten Schwellenwertes liegt, und als negativ zu beurteilen, wenn die erste Spannung und/oder die zweite Spannung auf einer zweiten Seite, insbesondere unterhalb, des Schwellen- wertes liegt.
Es kann vorgesehen sein, dass der erste, zweite und dritte Messpunkt elektrisch mit Polen von zwei direkt nacheinander in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen verbunden sind. In diesem Sinne kann auch vorgesehen sein, dass der erste, zweite und dritte Messpunkt elektrisch mit Polen von zwei direkt nacheinan- der in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen elektrisch verbunden sind. Da- mit ist gemeint, dass keine dritte elektrochemische Zelle zwischen ihnen geschaltet ist. Somit ist vorzugsweise der erste Messpunkt mit einem positiven Pol einer ersten elektrochemischen Zelle, der zweite Messpunkt mit dem negativen Pol der ersten und dem positiven Pol einer zweiten elektrochemischen Zelle, sowie der dritte Messpunkt mit dem negativen Pol der zweiten elektrochemischen Zelle ver- bunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Vorhandensein einer Fehlverbindung von Ableitungen zur Abnahme der Potentiale von den Mess- punkten und basierend auf den gemessenen Spannungen beurteilt wird. Mit Ablei- tung ist dabei die elektrische Verbindung zwischen dem Messpunkt und der span- nungsmessenden Einheit, also in der Regel der Spannungsmesseinheit gemeint. Die Ableitung ist in der Regel eine elektrische Leitung wie ein Kabel oder eine Leiterbahn. Wenn ein Messpunkt mit zwei Polen von unterschiedlichen elektroche- mischen Zellen verbunden ist - etwa weil diese direkt hintereinander in Serie ge- schaltet sind, kann der Messpunkt zur Potentialabnahme beider Pole dienen. Da in der Regel nur eine Ableitung pro Messpunkt vorgesehen ist, kann bei fehlerhafter Abnahme durch eine unterbrochene Ableitung das Potential von keinem der Pole identifiziert werden. Dabei kann die Verbindung der Ableitung zum Messpunkt, die Ableitung selbst oder auch deren Verbindung zur Spannungsmesseinheit fehler- haft, beispielsweise getrennt, sein. Durch die erfindungsgemäßen unterschiedli- chen Summenwiderstände wird eine fehlerhafte Ableitung einfach identifizierbar. In diesem Sinne ist auch vorteilhaft, wenn die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, das Vorhandensein einer Fehlverbindung von Ableitungen zur Abnahme der Potentiale von den Messpunkten und basierend auf den gemessenen Spannungen zu beurteilen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Spannung mittels eines ersten Voltmeters und die zweite Spannung mittels eines zweiten Voltmeters gemessen wird. In diesem Sinne ist auch vorteilhaft, wenn die Span- nungsmesseinheit ein erstes Voltmeter aufweist, das zwischen dem ersten Mess- punkt und dem zweiten Messpunkt geschaltet ist und ein zweites Voltmeter auf- weist, das zwischen dem zweiten Messpunkt und dem dritten Messpunkt geschaltet ist. Mit Voltmeter ist dabei jede Art von Spannungsmessvorrichtung gemeint, die direkt oder indirekt die Spannung zwischen zwei Messpunkten bestimmen kann.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Innenwiderstand des ersten Voltmeters und der Innenwiderstand des zweiten Voltmeters unterschiedlich gewählt werden. Dementsprechend ist auch vorteilhaft, dass der Innenwiderstand des ersten und des zweiten Voltmeters unterschiedlich groß sind. Schon bei einfachen Schaltun- gen, die nur aus dem Voltmeter bestehen, wird so erreicht, dass die Summenwi- derstände unterschiedlich groß sind.
Es kann auch vorgesehen sein, dass zur Einstellung des ersten und/oder zweiten Summenwiderstands zumindest ein Adapter-Widerstand zwischen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt und/oder dem zweiten Messpunkt und dem dritten Messpunkt geschaltet wird. In diesem Sinne kann auch vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt und/oder zwischen dem zweiten Messpunkt und dem dritten Messpunkt zumindest ein Ad- apter-Widerstand geschaltet ist. Dabei ist mit zwischen den jeweiligen Messpunk- ten vorzugsweise eine parallele Schaltung des Widerstands zur Spannungsmess- einheit gemeint, es kann aber auch eine serielle Schaltung vorgesehen sein. Vor- zugsweise ist ein Pol des Widerstandes direkt mit dem einen und ein anderer Pol des Widerstandes direkt mit dem anderen Messpunkt verbunden, es ist also vor- zugsweise kein anderes elektrisches Bauteil dazwischen angeordnet.
Vorzugsweise ist der Adapter-Widerstand im Bereich der Spannungsmesseinheit angeordnet und besonders vorzugsweise parallel zu der Spannungsmesseinheit geschaltet. Weiters kann vorgesehen sein, dass der Adapter-Widerstand Teil der Spannungsmesseinheit ist. So kann sichergestellt werden, dass die Verbindung zum Adapter-Widerstand bei fehlerhafter Ableitung nicht auch gekappt wird.
Besonders vorteilhaft ist, wenn zur Einstellung des ersten und zweiten Summen- widerstands zumindest ein erster Adapter-Widerstand parallel zu dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt geschaltet wird und zumindest ein zweiter Adapter-Widerstand parallel zu dem zweiten Messpunkt und dem dritten Mess- punkt geschaltet wird und dass der erste und der zweite Adapter-Widerstand un- terschiedlich groß gewählt werden. In diesem Sinne kann auch vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt und zwischen dem zweiten Messpunkt und dem dritten Messpunkt jeweils zumindest ein Adap- ter-Widerstand geschaltet ist und dass die Adapter-Widerstände unterschiedlich sind.
Besonders vorteilhaft ist, wenn zumindest ein Adapter-Widerstand dauerhaft zwi- schen dem ersten Messpunkt und dem zweiten Messpunkt und/oder zwischen dem zweiten Messpunkt und dem dritten Messpunkt geschaltet ist. Mit dauerhaft ist dabei gemeint, dass er nicht durch beispielsweise ein Relais oder ein anderes Schaltelement trennbar ist. Dies vereinfacht die Ausführungsform und stellt sicher, dass der Adapter-Widerstand stets bei einer Spannungsmessung bereitsteht und die Summenwiderstände entsprechend einstellt.
Weiters ist besonders vorteilhaft, wenn die elektrochemische Einheit zumindest drei in Serie geschaltete elektrochemische Zellen, vorzugsweise Batteriezellen, aufweist und dass an Messpunkten der Endpole der elektrochemischen Einheit so- wie an Messpunkten der elektrisch verbundenen Pole von benachbarten elektro- chemischen Zellen die Potentiale abgenommen werden und die Spannungen je- weils an den Messpunkten gemessen wird, die mit den zwei Polen einer elektro- chemischen Zelle elektrisch verbunden sind und dass die Summenwiderstände, die sich durch eine Schaltung zwischen diesen Messpunkten ergeben, gegenüber den Summenwiderständen zwischen den Messpunkten, die mit den Polen ihrer benach- barten elektrochemischen Zelle oder elektrochemischen Zellen elektrisch verbun- den sind, unterschiedlich groß gewählt werden und dass das Vorhandensein einer Fehlverbindung zwischen Bauteilen des elektrochemischen Zellensystems basie- rend auf den gemessenen Spannungen beurteilt wird. So können die einzelnen elektrochemischen Zellen besonders gut überwacht werden.
Insbesondere weist zumindest ein Adapter-Widerstand einen ohmschen Wider- stand von mindestens 1.000 kQ, vorzugsweise mindestens 5.000 kQ und beson- ders vorzugsweise mindestens 10.000 kQ auf. Durch solche hohen Widerstände werden die Batteriezellen nicht wesentlich entladen, jedoch das Verhältnis der Summenwiderstände ausreichend verändert, um eine Detektion von Fehlverbin- dungen zu ermöglichen.
In weiterer Folge wird die Erfindung anhand einer nicht einschränkenden Ausfüh- rungsform in den Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen- systems zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wäh- rend des Normalbetriebs; Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Zellen- systems zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Fehlverbindung;
Fig. 3 ein Diagramm darstellend die tatsächliche Spannung der Batterie- zellen der Ausführungsform im Vergleich zu den gemessenen Span- nungen bei der Fehlverbindung gemäß Fig. 2.
In Fig. 1 wird ein elektrochemisches Zellensystem als schematisches Schaltbild gezeigt, das eine elektrochemische Einheit 1 aufweist, welche insgesamt vier elek- trochemische Zellen 2 aufweist. Jede elektrochemischen Zelle 2a - 2d ist in der dargestellten Ausführungsform als einzelne Batteriezelle ausgeführt, welche bei- spielsweise eine Nennausgangsspannung U1-U4 von 3 V hat. Alternativ können die elektrochemische Zellen 2a-2d beispielsweise auch als Batteriemodul, Batterie- pack oder Brennstoffzelle ausgebildet sein. Das elektrochemisches Zellensystem weist auch eine Spannungsmesseinheit 3 auf, welche für jede elektrochemische Zelle 2 je ein Voltmeter 4a - 4d aufweist. Schematisch ist jedes Voltmeter 4a - 4d als ideales Voltmeter 4a" - 4d" (also mit unendlich hohem ohmschen Widerstand) und einem parallel dazu geschalteten realen Innenwiderstand 4a' - 4d' dargestellt.
Der Pluspol der ersten elektrochemischen Zelle 2a ist mit einem Messpunkt 5a elektrisch verbunden. Dieser Pluspol stellt einen Ausgangspol der elektrochemi- schen Einheit 1 dar. Der Minuspol der letzten elektrochemischen Zelle 2d ist mit einem Messpunkt 5e elektrisch verbunden. Dieser Minuspol stellt den anderen Aus- gangspol der elektrochemischen Einheit 1 dar.
Die übrigen Pole der elektrochemischen Zellen 2a - 2d sind jeweils gemäß einer Serienschaltung mit dem andersgepolten Pol der benachbarten elektrochemischen Zelle 2a - 2d elektrisch verbunden. Auch mit jedem dieser Polpaare ist jeweils ein Messpunkt 5b - 5d elektrisch verbunden.
Jeder Messpunkt 5a - 5e ist mit je eine Ableitung 6a - 6e elektrisch verbunden. Jedes Voltmeter 4a - 4d ist mit seinen beiden Polen mit je zwei benachbarten Ab- leitungen 6a - 6e elektrisch verbunden, womit sich eine Serienschaltung der Volt- meter 4a - 4d ergibt.
Adapter-Widerstände 7a, 7b sind jeweils parallel zu dem ersten oder dritten Volt- meter 4a, 4c geschaltet. Dadurch ergibt sich bei intakter Kontaktierung, dass je- weils ein Adapter-Widerstand 7a, 7b zwischen Messpunkt 5a und Messpunkt 5b sowie zwischen Messpunkt 5c und Messpunkt 5d geschaltet ist. Die Adapter-Wi- derstände 7a, 7b sind dabei in räumlicher Nähe zu dem jeweiligen Voltmeter 4a, 4c geschaltet, sodass deren Parallelschaltung zu dem Voltmeter 4a, 4c einer ge- ringen Gefahr der Fehlkontaktierung ausgesetzt ist. Durch diese Beschaltung ergibt sich zwischen Messpunkt 5a und Messpunkt 5b eine erste Schaltung 8a, welche parallel zu ersten elektrochemischen Zelle 2a ge- schaltet ist und aus dem ersten Voltmeter 4a und dem parallel dazu geschalteten ersten Adapter-Widerstand 7a besteht. Der erste Summenwiderstand der ersten Schaltung 8a ergibt sich dadurch durch die Parallelschaltung vom ersten Adapter- Widerstand 7a und Innenwiderstand 4a' des ersten Voltmeters 4a.
Zwischen Messpunkt 5b und Messpunkt 5c ergibt sich eine zweite Schaltung 8b, welche parallel zu zweiten elektrochemischen Zelle 2b geschaltet ist und nur aus dem zweiten Voltmeter 4b besteht. Der zweite Summenwiderstand der zweiten Schaltung 8b ergibt sich dadurch durch den Innenwiderstand 4b' des zweiten Volt- meters 4b.
Analog zur ersten Schaltung 8a besteht die dritte Schaltung 8c zwischen Mess- punkt 5c und Messpunkt 5d, welche parallel zur dritten elektrochemischen Zelle 2c geschaltet ist, aus dem dritten Voltmeter 4c und dem parallel dazu geschalteten zweiten Adapter-Widerstand 7b. Der dritte Summenwiderstand der dritten Schal- tung 8c ergibt sich dadurch durch die Parallelschaltung von zweiten Adapter-Wi- derstands 7b und Innenwiderstand 4c' des dritten Voltmeters 4c. In der Regel weisen alle Voltmeter 4a - 4d im Wesentlichen die gleichen Innenwiderstände 4a' - 4d' auf.
Analog zur zweiten Schaltung 8b besteht die vierte Schaltung 8d, welche parallel zur vierten elektrochemischen Zelle 2d geschaltet ist, nur aus dem vierten Volt- meter 4d. Der vierte Summenwiderstand der vierten Schaltung 8d ergibt sich da- durch durch den Innenwiderstand 4d' des vierten Voltmeters 4d.
Die Schaltungen 8a-8d sind alle seriell hintereinandergeschaltet. Zur besseren Übersicht sind die Schaltungen 8a - 8d nur in der Fig. 2 hervorgehoben.
Im Normalbetrieb, wie in Fig. 1 dargestellt, kann mittels der Voltmeter 4a - 4d überwacht werden, welche Spannung Ul - U4 die einzelnen elektrochemischen Zellen 2a - 2d aufweisen. Dazu können die Spannungen UV1 - UV4, die an den einzelnen Voltmeter 4a - 4d abfallen, gemessen werden. Da sämtliche Ableitungen 6a - 6e intakt sind, entsprechen die Spannungen Ul - U4 der elektrochemischen Zellen 2a - 2d den gemessenen Spannungen UV1 - UV4.
Die Voltmeter 4a - 4d sind über Datenleitungen mit einer Auswerteeinheit 9 ver- bunden, welche die gemessenen Spannungen UV1 - UV4 der Voltmeter 4a - 4d empfängt und auswertet.
In Fig. 2 ist die gleiche Ausführungsform gezeigt, wenn eine Ableitung, in diesem Fall die dritte Ableitung 6c, fehlerhaft ist. Hier ist sie vollständig unterbrochen. Wird also erfindungsgemäß von Messpunkt 5c vermeintlich das Potential über Ab- leitung 6c abgenommen, so erfolgt dies nicht korrekterweise, da die Ableitung 6c defekt ist.
Somit teilt sich die Summenspannung U2 + U3 aus der zweiten und dritten elek- trochemischen Zelle 2b, 2c auf die zweite und dritte Schaltung 8b, 8c abhängig von deren beiden ohmschen Summenwiderständen auf. Der zweite Adapter-Wi- derstand 7b senkt den Summenwiderstand der dritten Schaltung 8c. Durch die sich dadurch ergebenden unterschiedlichen Summenwiderstände wird eine Span- nungsdifferenz zwischen den gemessenen Spannungen UV2 und UV3 erreicht.
Wird nun der Messpunkt 5b als erster Messpunkt, Messpunkt 5c als zweiter Mess- punkt und Messpunkt 5d als dritter Messpunkt verwendet, so stellt Spannung UV2 eine erste Spannung und Spannung UV3 eine zweite Spannung dar, welche eine wesentliche Spannungsdifferenz aufweisen.
In Fig. 3 ist diese Spannungsdifferenz sichtbar. Während die gemessene Spannung UV1 der realen Spannung Ul an der ersten elektrochemischen Zelle 2a im Wesent- lichen ident ist, ist die gemessene Spannung UV2 wesentlich höher, während UV3 wesentlich niedriger ist. Diese Spannungsdifferenz wird vorzugsweise von der Aus- werteeinheit mit einem ersten Schwellenwert verglichen, welcher vorzugsweise so gewählt ist, dass er unter der gemessenen Spannungsdifferenz liegt. Somit kann die Auswerteeinheit eine Fehlverbindung feststellen.
Wird Messpunkt 5a als erster Messpunkt, Messpunkt 5b als zweiter Messpunkt und Messpunkt 5c als dritter Messpunkt verwendet, so stellt Spannung UV1 die erste Spannung und Spannung UV2 die zweite Spannung dar. Auch hier ist eine Span- nungsdifferenz sichtbar, jedoch ist diese niedriger als die Spannungsdifferenz zwi- schen UV2 und UV3 und vorzugsweise niedriger als der erste Schwellenwert. Dies kann ebenso zur Beurteilung des Vorhandenseins einer Fehlverbindung, insbeson- dere bei der Lokalisierung der Fehlverbindung, verwendet werden. Dementspre- chend kann auch der Messpunkt 5c als erster Messpunkt, Messpunkt 5d als zweiter Messpunkt und Messpunkt 5e als dritter Messpunkt verwendet werden.
UV2 übersteigt einen festgelegten zweiten Schwellenwert 10. Somit kann durch die Auswerteeinheit festgestellt werden, dass die dritte Ableitung 6c defekt ist.
Es können auch Differenzwerte zwischen UV1 und UV2, zwischen UV2 und UV3 sowie UV3 und UV4 berechnet werden und diese mit einem ersten Schwellenwert verglichen werden. Der erste Schwellenwert ist dabei vorzugsweise so festgelegt, dass die Differenz von UV2 und UV3 darüber liegt, die anderen Differenzen jedoch nicht. Auch so kann durch die Auswerteeinheit, welche diese Differenzen berech- nen kann, feststellen, dass eine Fehlverbindung vorliegt und diese auch lokalisie- ren, nämlich in diesem Fall bei der dritten Ableitung 6c.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Überwachung eines elektrochemischen Zellensystems, wobei das elektrochemische Zellensystem zumindest eine elektrochemische Einheit (1) umfasst, welche zumindest zwei in Serie geschaltete elektrochemische Zellen (2a - 2d), vorzugsweise Batteriezellen, aufweist, wobei von den elektrochemischen Zellen (2a - 2d) zumindest an einem ersten Mess- punkt (5a - 5e), an einem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und an einem dritten Messpunkt (5a - 5e) das Potential über Ableitungen (6a - 6e) abgenommen wird und die Messpunkte (5a - 5e) mit jeweils zumindest einem Pol der zumindest zwei elektrochemischen Zellen (2a - 2d) elektrisch verbunden sind, wobei die Messpunkte (5a - 5e) jeweils mit unterschiedlichen Polen elektrisch ver- bunden sind und eine erste Spannung (UV1 - UV4) zwischen dem ersten und dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) gemessen wird und eine zweite Spannung (UV1 - UV4) zwischen dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und dem dritten Messpunkt (5a - 5e) gemessen wird, wobei ein erster Summenwiderstand, der sich durch eine Schaltung (8a - 8d) zwi- schen dem ersten Messpunkt (5a - 5e) und dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) ergibt und ein zweiter Summenwiderstand, der sich durch eine Schaltung (8a - 8d) zwi- schen dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und dem dritten Messpunkt (5a - 5e) ergibt, unterschiedlich groß gewählt werden und das Vorhandensein einer Fehlverbindung zwischen Bauteilen des elektroche- mischen Zellensystems basierend auf den gemessenen Spannungen (UV1 - UV4) beurteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand (4a' - 4d') des ersten Voltmeters (4a - 4d) und der In- nenwiderstand (4a' - 4d') des zweiten Voltmeters (4a - 4d) unterschiedlich gewählt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung (UV1 - UV4) und die zweite Spannung (UV1 - UV4) miteinander verglichen werden und das Vorhandensein einer Fehlverbindung zwischen Bauteilen basierend auf dem Vergleich der Spannungen (UV1 - UV4) beurteilt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Schwellenwert für die Differenz der ersten Spannung (UV1 - UV4) und zwei- ten Spannung (UV1 - UV4) vorgegeben wird, dass die Differenz der ersten Spannung (UV1 - UV4) und zweiten Spannung (UV1 - UV4) mit dem ersten Schwellenwert verglichen und das Vorhandensein einer Fehlverbindung als positiv beurteilt wird, wenn die Differenz auf einer ersten Seite, insbe- sondere oberhalb, des ersten Schwellenwertes liegt, und als negativ beurteilt wird, wenn die Differenz auf einer zweiten Seite, ins- besondere unterhalb, des ersten Schwellenwertes liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Schwellenwert (10) für einen Wert der ersten Spannung (UV1 - UV4) und/oder der zweiten Spannung (UV1 - UV4) vorgegeben wird, dass die erste Spannung (UV1 - UV4) und/oder die zweite Spannung (UV1 - UV4) mit dem zweiten Schwellenwert verglichen und das Vorhanden- sein einer Fehlverbindung als positiv beurteilt wird, wenn die erste Spannung (UV1 - UV4) und/oder die zweite Spannung (UV1 - UV4) auf einer ersten Seite, insbesondere oberhalb, des zweiten Schwellenwertes liegt, und als negativ beurteilt wird, wenn die erste Spannung (UV1 - UV4) und/ oder die zweite Spannung (UV1 - UV4) auf einer zweiten Seite, insbe- sondere unterhalb, des Schwellenwertes liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste, zweite und dritte Messpunkt (5a - 5e) elektrisch mit Polen von zwei direkt nacheinander in Serie geschalteten elektrochemischen Zellen (2a - 2d) verbunden sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhandensein einer Fehlverbindung zumindest einer Ableitung (6a - 6e) zur Abnahme der Potentiale von den Messpunkten (5a - 5e) basie- rend auf den gemessenen Spannungen (UV1 - UV4) beurteilt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung (UV1 - UV4) mittels eines ersten Voltmeters (4a - 4d), und die zweite Spannung (UV1 - UV4) mittels eines zweiten Volt- meters (4a - 4d) gemessen wird.
-. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des ersten und/oder zweiten Summenwiderstands zu- mindest ein Adapter-Widerstand (7a, 7b) parallel zu dem ersten Messpunkt (5a - 5e) und dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und/oder dem zweiten Mess- punkt (5a - 5e) und dem dritten Messpunkt (5a - 5e) geschaltet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des ersten und zweiten Summenwiderstands zumindest ein erster Adapter- Widerstand (7a) parallel zu dem ersten Messpunkt (5a -5e) und dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) geschaltet wird und zumindest ein zweiter Adapter- Widerstand (7b) parallel zu dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und dem drit- ten Messpunkt (5a - 5e) geschaltet wird und dass der erste und der zweite Adapter-Widerstand (7a, 7b) unterschiedlich groß gewählt werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Einheit zumindest drei in Serie geschaltete elek- trochemische Zellen (2a - 2d), vorzugsweise Batteriezellen, aufweist und dass an Messpunkten (5a - 5e) der Endpole der elektrochemische Einheit so- wie an Messpunkten (5a - 5e) der elektrisch verbundenen Pole von benach- barten elektrochemische Zellen (2a - 2d) die Potentiale abgenommen werden und die Spannungen (UV1 - UV4) jeweils an den Messpunkten gemessen wird, die mit den zwei Polen einer elektrochemischen Zelle (2a - 2d) elek- trisch verbunden sind und dass die Summenwiderstände, die sich durch eine Schaltung (8a - 8d) zwischen diesen Messpunkten (5a - 5e) ergeben, gegen- über den Summenwiderständen zwischen den Messpunkten (5a - 5e), die mit den Polen ihrer benachbarten elektrochemischen Zelle (2a - 2d) oder elek- trochemische Zellen (2a - 2d) elektrisch verbunden sind, unterschiedlich groß gewählt werden und dass das Vorhandensein einer Fehlverbindung zwischen Bauteilen des elektrochemischen Zellensystems basierend auf den gemesse- nen Spannungen (UV1 - UV4) beurteilt wird.
11. Elektrochemisches Zellensystem umfassend zumindest eine elektrochemi- sche Einheit, wobei die elektrochemische Einheit zumindest zwei elektroche- mische Zellen (2a - 2d), vorzugsweise Batteriezellen, umfasst, welche in Serie geschaltet sind, wobei das elektrochemische Zellensystem zumindest eine Spannungsmesseinheit (3) aufweist, welche mit einem ersten Messpunkt (5a - 5e), einem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und einem dritten Messpunkt (5a - 5e) über Ableitungen (6a - 6e) elektrisch verbunden oder verbindbar ist, und die Messpunkte (5a - 5e) mit jeweils zumindest einem Pol der zumin- dest zwei elektrochemische Zellen (2a - 2d) verbunden sind, wobei die Mess- punkte (5a - 5e) jeweils mit unterschiedlichen Polen elektrisch verbunden sind und wobei die Spannungsmesseinheit (3) dazu eingerichtet ist, eine erste Spannung (UV1 - UV4) zwischen dem ersten und dem zweiten Mess- punkt (5a - 5e) und eine zweite Spannung (UV1 - UV4) zwischen dem zwei- ten Messpunkt (5a - 5e) und dem dritten Messpunkt (5a - 5e) zu messen und wobei die Spannungsmesseinheit (3) mit einer Auswerteeinheit zur Versor- gung der Messdaten verbunden ist, wobei ein erster Summenwiderstand, der sich durch eine Schaltung (8a - 8d) zwischen dem ersten Messpunkt (5a - 5e) und dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) ergibt und ein zweiter Summenwider- stand, der sich durch eine Schaltung (8a - 8d) zwischen dem zweiten Mess- punkt (5a - 5e) und dem dritten Messpunkt (5a - 5e) ergibt, unterschiedlich groß sind und dass die Auswerteeinheit (9) dazu eingerichtet ist, das Vorhan- densein einer Fehlverbindung zwischen Bauteilen des elektrochemischen Zel- lensystems basierend auf den gemessenen Spannungen (UV1 - UV4) zu be- urteilen, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand (4a' - 4d') des ersten und des zweiten Voltmeters (4a - 4d) unterschiedlich groß sind.
12. Elektrochemisches Zellensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich- net, dass die Spannungsmesseinheit (3) ein erstes Voltmeter (4a - 4d) auf- weist, das zwischen dem ersten Messpunkt (5a - 5e) und dem zweiten Mess- punkt (5a - 5e) geschaltet ist und ein zweites Voltmeter (4a - 4d) aufweist, das zwischen dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und dem dritten Messpunkt (5a - 5e) geschaltet ist.
13. Elektrochemisches Zellensystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, da- durch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Messpunkt (5a - 5e) und dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und/oder zwischen dem zweiten Mess- punkt (5a - 5e) und dem dritten Messpunkt (5a - 5e) zumindest ein Adapter- Widerstand (7a, 7b) geschaltet ist.
14. Elektrochemisches Zellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich- net, dass zwischen dem ersten Messpunkt (5a - 5e) und dem zweiten Mess- punkt (5a - 5e) und zwischen dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und dem dritten Messpunkt (5a - 5e) jeweils zumindest ein Adapter-Widerstand (7a, 7b) geschaltet ist und dass die Adapter-Widerstände (7a, 7b) unterschiedlich sind.
15. Elektrochemisches Zellensystem nach Anspruch 13 oder 14, dadurch ge- kennzeichnet, dass zumindest ein Adapter-Widerstand (7a, 7b) dauerhaft zwischen dem ersten Messpunkt (5a - 5e) und dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und/oder zwischen dem zweiten Messpunkt (5a - 5e) und dem drit- ten Messpunkt (5a - 5e) geschaltet ist.
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