Elektrisches Energiespeichersystem mit einer über eine Diode mit einem

Stromerfassungsmittel elektrisch leitend verbundenen Querverbindung mehrerer paralleler Energiespeicherstränge und Verfahren zur Detektion eines Leitungsfehlers

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem elektrischen Energiespeichersystem, einem Verfahren zur Detektion eines Leitungsfehlers, einer Vorrichtung und einer Verwendung des elektrischen Energiespeichersystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.

Stand der Technik

Heutzutage werden, insbesondere im Bereich des automobilen Fahrzeugbaus, elektrische Energiespeichersysteme meist mittels einer Serienschaltung einer Vielzahl von einzelnen elektrischen Energiespeichereinheiten aufgebaut. Gegebenenfalls wird, um beispielsweise die Reichweite oder Leistung zu erhöhen, eine Parallelschaltung mehrerer einzelner Zellen durchgeführt.

Aufgrund von Anforderungen an die Sicherheit eines elektrischen Energiespeichersystems werden die einzelnen elektrischen Energiespeichereinheiten in ei- ner Serienschaltung einzeln bezüglich bestimmter physikalischer Größen, beispielsweise Strom und Spannung, überwacht. Wird nun eine Parallelschaltung mehrerer Stränge, d.h. eine Parallelschaltung von mehreren Serienschaltungen einer Vielzahl von einzelnen elektrischen Energiespeichereinheiten, durchgeführt, so ist auch eine zuverlässige und die Sicherheitsanforderungen erfüllende Überwachung der einzelnen Zellen zu gewährleisten.

In der Druckschrift DE 10 2011 115 550 AI wird eine Lithium-Ionen-Batterie beschrieben, die eine Mehrzahl von in parallelen Strängen angeordneten Zellen aufweist mit einer Überstromschutzeinrichtung, wobei die Überstromschutzein- richtung mehrere elektronische Schalter aufweist, die in quer zu den parallelen

Strängen verlaufenden Querverbindungen eingebaut sind. In der Druckschrift FR 3 013 902 wird eine Vorrichtung umfassend eine Batterie beschrieben, wobei in Querverbindungen von Batteriezellen Leistungsschalter eingebaut sind.

Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung

Es wird ein elektrisches Energiespeichersystem, umfassend mindestens zwei in Parallelschaltung verschaltete Stränge, wobei die Stränge jeweils mindestens zwei in Serienschaltung verschaltete elektrische Energiespeichereinheiten aufweisen, ein Verfahren zur Detektion eines Leitungsfehlers, eine Vorrichtung und eine Verwendung des elektrischen Energiespeichersystems mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt.

Dabei ist in dem elektrischen Energiespeichersystem mindestens eine erste elektrisch leitfähige Querverbindung zwischen sich auf einem gleichen ersten elektrischen Potenzial befindenden elektrischen Energiespeichereinheiten in den in Parallelschaltung verschalteten Strängen über mindestens eine Diode mit einem Mittel zur Erfassung eines elektrischen Stromes und einer steuerbaren elektrischen Energiequelle elektrisch leitend verbunden, wobei die Diode nicht in die erste elektrisch leitfähige Querverbindung eingebaut ist. Dadurch kann die erste elektrisch leitfähige Querverbindung auf verschiedene Fehlerfälle, beispielsweise einen Bruch in der ersten elektrisch leitfähigen Querverbindung, überwacht werden. Dies ist vorteilhaft, da durch die erste elektrisch leitfähige Querverbindung auch ohne eine Einzelzellüberwachung der über die erste Querverbindung elektrisch leitend verbundenen Energiespeichereinheiten die Anfor- derungen an die Sicherheit erfüllt werden, weshalb eine korrekte Funktion der ersten elektrisch leitfähigen Querverbindung für die Sicherheit des elektrischen Energiespeichersystems sehr relevant ist.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegen- stand der Unteransprüche. Zweckmäßigerweise ist die mindestens eine erste elektrisch leitfähige Querverbindung mit mindestens einer zweiten elektrisch leitfähigen Querverbindung zwischen sich auf einem gleichen zweiten elektrischen Potenzial befindenden elektrischen Energiespeichereinheiten in den in Parallelschaltung verschalteten Strängen über die mindestens eine Diode elektrisch leitend verbunden, wobei das erste elektrische Potenzial und das zweite elektrische Potenzial unterschiedlich sind. Durch die elektrische Verbindung über die Diode können die beiden Querverbindungen auf einfache Weise auf einen möglichen Leitungsfehler überwacht werden. Dies kann gegebenenfalls auf gleiche Weise für weitere elektrisch leitfähige Querverbindungen fortgeführt werden.

Zweckmäßigerweise befindet sich die mindestens eine zweite elektrisch leitfähige Querverbindung bezogen auf ein definiertes Bezugspotenzial auf einem höheren elektrischen Potenzial als die mindestens eine erste elektrisch leitfähige Querverbindung. Dabei ist die mindestens eine Diode in Durchlassrichtung zwischen der mindestens einen ersten elektrisch leitfähigen Querverbindung und der mindestens einen zweiten elektrisch leitfähigen Querverbindung eingebaut. Somit ist ein Stromfluss von der ersten elektrisch leitfähigen Querverbindung zu der zweiten elektrisch leitfähigen Querverbindung möglich, ohne dass es zu einem Kurzschluss und in der Folge zu einem ungewollten Entladen der elektrischen

Energiespeichereinheiten kommt.

Zweckmäßigerweise befinden sich die Diode und die elektrisch leitfähige Verbindung mit dem Mittel zur Erfassung eines Stromes an unterschiedlichen Enden der zweiten elektrisch leitfähigen Querverbindung. Somit ist insbesondere sichergestellt, dass sowohl die erste als auch die zweite Querverbindung überwacht werden können, da der elektrische Pfad zu dem Mittel zur Erfassung eines Stromes immer beide elektrisch leitfähige Querverbindungen einschließt. Zweckmäßigerweise ist die steuerbare elektrische Energiequelle eine Stromquelle. Somit werden die elektrisch leitfähigen Querverbindungen durch Erzeugung eines geringen Stromes, zum Beispiel im Bereich von 0 mA bis 20 mA, bevorzugt im Bereich 0 mA bis 10 mA, beispielsweise auf einen Leitungsfehler, insbesondere auf einen Leitungsbruch, überwacht. Durch den Einsatz einer Strom- quelle wird der unerwünschte Einfluss elektromagnetischer Strahlung reduziert. Vorteilhafterweise kann unter der elektrischen Energiespeichereinheit insbesondere eine elektrochemische Batteriezelle und/oder ein Batteriemodul mit mindestens einer elektrochemischen Batteriezelle und/oder ein Batteriepack mit mindestens einem Batteriemodul verstanden werden. Zum Beispiel kann die elektrische Energiespeichereinheit eine lithiumbasierte Batteriezelle oder ein lithiumbasiertes Batteriemodul oder ein lithiumbasiertes Batteriepack sein. Insbesondere kann die elektrische Energiespeichereinheit eine Lithium-Ionen-Batteriezelle oder ein Lithium-Ionen-Batteriemodul oder ein Lithium-Ionen-Batteriepack sein. Weiterhin kann die Batteriezelle vom Typ Lithium-Polymer-Akkumulator, Nickel-Metallhydrid-Akkumulator, Blei-Säure-Akkumulator, Lithium-Luft-Akkumulator oder Lithium- Schwefel-Akkumulator beziehungsweise ganz allgemein ein Akkumulator beliebiger elektrochemischer Zusammensetzung sein.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung ein Verfahren zur Detektion eines Leitungsfehlers in einem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystem, wobei mindestens ein erster Stromsignalverlauf mit einem Mittel zur Erfassung eines Stromes erfasst wird, der erfasste mindestens eine erste Stromsignalverlauf mit einem durch eine steuerbare elektrische Energiequelle vorgegebenen zweiten Stromsignalverlauf verglichen wird und ein Signal über die Detektion eines Leitungsfehlers in dem elektrischen Energiespeichersystem bei Überschreiten eines vordefinierten Signalabweichungsschwellenwertes erzeugt wird. Durch Auswertung der Stromsignalverläufe werden neben einer einfachen Leitungs- bruchdetektion weitergehende Diagnosemöglichkeiten ermöglicht. Beispielsweise können potentielle Fehler bereits vor ihrem eigentlichen Auftreten detektiert werden durch Vergleich mit geeigneten Signalabweichungsschwellenwerten. Die Signalabweichungsschwellenwerte können dabei zum Beispiel aus einem Verschieben von Extrempunkten, beispielsweise Hoch-, Tief- oder Wendepunkten, in dem ersten Stromsignalverlauf oder auch durch die über eine oder mehrere Perioden integrierte Differenz zwischen dem ersten Stromsignalverlauf und dem durch die Energiequelle vorgegebenen zweiten Stromsignalverlauf berechnet werden. Dabei ist es nicht erforderlich, dass der zweiten Stromsignalverlauf mit einem Mittel zur Erfassung eines Stromes erfasst wird, da er als bekannt vorausgesetzt wird und daher einfach, beispielsweise„intern" in einer Berechnungseinheit, verwendet werden kann. Zweckmäßigerweise wird die steuerbare elektrische Energiequelle in dem Verfahren derart angesteuert, dass sie einen pulsförmigen zweiten Stromsignalverlauf erzeugt. Dadurch sind insbesondere Änderungen im Stromsignalverlauf gut erkennbar.

Zweckmäßigerweise wird das Verfahren für mindestens einen vordefinierten Zeitraum durchgeführt. Der vordefinierte Zeitraum kann dabei ein ganzzahliges Vielfaches einer Periodendauer des Stromsignals sein. Somit lassen sich Veränderungen in der Position von Extrempunkten im Stromsignalverlauf einfach erken- nen und es ist nicht notwendig, das Verfahren kontinuierlich, d.h. in Endlosschleife durchzuführen. Somit kann das Verfahren mit relativ geringen Rechenzeit- und Speicheranforderungen durchgeführt werden.

Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Vorrichtung, die ein erfindungs- gemäßes elektrisches Energiespeichersystem und eine elektronische Steuereinheit, die eingerichtet ist, alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, umfasst. Somit können sowohl die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise seiner Umsetzung in einer elektronischen Steuereinheit als auch die Vorteile des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespei- chersystems erzielt werden. Die Kombination erzielt den Systemvorteil, dass das

Verfahren auf den vom dem Mittel zur Erfassung eines Stromes erfassten Stromsignalverlauf angewendet werden kann und dadurch in dem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystem ein Leitungsfehler detektiert werden kann. Weiterhin ist Gegenstand der Offenbarung eine Verwendung des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und stationären elektrischen Energiespeichereinheiten sowie elektrisch betriebenen Handwerkzeugen. Das erfindungsgemäße elektrische Energiespeichersystem ist somit flexibel einsetzbar und nicht auf einen bestimmten Anwen- dungsbereich festgelegt. Somit werden die oben genannten Vorteile auf die angegebenen Verwendungsbereiche übertragen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher ausgeführt. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystem gemäß einer ersten Ausführungsform;

Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems gemäß einer zweiten Ausführungsform; Figur 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen

Energiespeichersystems gemäß einer dritten Ausführungsform;

Figur 4 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform;

Figur 5 eine schematische Darstellung der innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Stromsignalverläufe gemäß einer ersten Ausführungsform; und Figur 6 eine schematische Darstellung der innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Stromsignalverläufe gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponenten oder gleiche Verfahrensschritte. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das elektrische Energiespeichersystem 1 umfasst dabei zwei in Parallelschaltung verschaltete Stränge STR1, STR2, wobei die Stränge STR1, STR2 jeweils zwei in Serienschaltung verschaltete elektrische Energiespeichereinheiten 15 aufweisen. Eine erste elektrisch leitfähige Querverbindung 11 zwischen sich auf einem glei- chen ersten elektrischen Potenzial befindenden elektrischen Energiespeichereinheiten 15 in den in Parallelschaltung verschalteten Strängen STR1, STR2 ist über eine Diode 12 mit einem Stromsensor 13, beispielsweise einem Hallsensor oder einem shuntbasierten Stromsensor, sowie einer elektrischen Energiequelle 14 elektrisch leitend verbunden.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeichersystems 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das elektrische Energiespeichersystem 1 umfasst dabei die zwei in Parallelschaltung verschalteten Strängen STR1, STR2, wobei die Stränge STR1, STR2 jeweils um eine elektrische Energiespeichereinheit 15 ergänzt wurden und somit drei in Serienschaltung verschalteten elektrische Energiespeichereinheiten 15 aufweisen. Zwischen sich auf einem gleichen ersten elektrischen Potenzial befindenden Energiespeichereinheiten 15 ist die erste elektrisch leitfähige Querverbindung 11 vorhanden. Die erste elektrisch leitfähige Querverbindung 11 ist mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Querverbindung 21, welche sich auf einem zweiten elektrischen Potenzial befindende elektrische Energiespeichereinheiten 15 verbindet, über die Diode 12 elektrisch leitend verbunden. Die zweite elektrisch leitfähige Querverbindung 21 ist mit dem Stromsensor 13 und der elektrischen Energie- quelle 14 verbunden. Die Diode 12 und die elektrisch leitfähige Verbindung mit dem Stromsensor 13 befinden sich dabei an unterschiedlichen Enden der zweiten elektrisch leitfähigen Querverbindung 21.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen elektri- sehen Energiespeichersystems 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. Dabei weist das elektrische Energiespeichersystem 1 drei parallel geschaltete Stränge STR1, STR2, STR3 auf. Die gestrichelten Linien in der Darstellung der Stränge STR1, STR2, STR3 zeigen dabei an, dass das in der Figur 1 und in der Figur 2 dargestellte Prinzip prinzipiell auf Stränge mit einer mehr oder weniger beliebigen Anzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten 15 erweitert werden kann.

Elektrisch leitfähige Querverbindungen 11, 21, 31 verbinden die sich auf einem gleichen Potenzial befindenden elektrischen Energiespeichereinheiten 15. In die elektrisch leitfähigen Querverbindungen 11, 21, 31 sind elektrische Widerstandselemente 32 eingebaut, um potenziell fließende Ausgleichsströme zwischen den elektrischen Energiespeichereinheiten 15 zu begrenzen. Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform. In einem ersten Schritt Sl wird ein Stromsignalverlauf innerhalb des Stromkreises, der durch die Komponenten elektrisch leitfähige Querverbindung 11, Diode 12, Stromsensor 13, elektrische Energiequelle 14 und ei- nen entsprechenden elektrisch leitfähige Rückverbindung zu der elektrisch leitfähigen Querverbindung 11 gebildet wird, mittels des Stromsensors 13 erfasst. In einem zweiten Schritt S2 wird der erfasste Stromsignalverlauf mit einem durch die Energiequelle 14 vorgegebenen Stromsignalverlauf verglichen. Sofern keine Fehler in dem oben beschriebenen Stromkreis vorliegen, werden sich diese Stromsignalverläufe stark ähneln. In einem dritten Schritt S3 wird gegebenenfalls anschließend bei Überschreiten eines vordefinierten Signalabweichungsschwellenwertes ein Signal über die Detektion eines Leitungsfehlers in dem elektrischen Energiespeichersystem 1 beziehungsweise in dem oben beschriebenen Stromkreis erzeugt. Somit kann beispielsweise der Benutzer des elektrischen Energie- speichersystems 1 auf einen Fehler im elektrischen Energiespeichersystem 1 aufmerksam gemacht werden.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung der innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Stromsignalverläufe SIG1, SIG2 gemäß einer ers- ten Ausführungsform. Der erste Stromsignalverlauf SIG1 zeigt den durch den

Stromsensor 13 erfassten Stromsignalverlauf. Der zweite Stromsignalverlauf SIG2 zeigt dabei den durch die elektrische Energiequelle 14 vorgegebenen Stromsignalverlauf, der bekannt ist, beispielsweise weil er durch eine geeignete Programmierung auf einer elektronischen Steuereinheit vorgegeben wird. Beide Stromsignalverläufe verlaufen pulsförmigen zwischen einem ersten Stromwert II und einem zweiten Stromwert 12. Eine Zeitdifferenz Ätl2 zwischen einem ersten Zeitpunkt tl, der einen Beginn einer Stromsignalperiode festlegt, und einem zweiten Zeitpunkt t2, der ein Ende der Stromsignalperiode festlegt, stellt die Periodendauer des zweiten Stromsignals dar. Mittels des Integrals des Betrages der Differenz des ersten Stromsignalverlaufs SIG1 und des zweiten Stromsignalverlaufs SIG2 über eine Periodendauer des zweiten Stromsignals kann ein Signalabweichungswert berechnet werden, der mit einem vordefinierten Signalabweichungsschwellenwert verglichen wird, wobei bei Überschreiten des vordefinierten Signalabweichungsschwellenwertes ein Signal über die Detektion eines Lei- tungsfehlers erzeugt wird. Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung der innerhalb des erfindungsgemä- ßen Verfahrens verwendeten Stromslgnalverläufe SIGl, SIG2 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Hierbei sind die Stromsignalverläufe ebenfalls pulsförmi- gen, wobei der zweite Stromwert 12 0 mA beträgt. Eine Differenz zwischen den beiden Stromsignalverläufen SIGl, SIG2 ist in Figur 6, genauso wie in Figur 5, schraffiert dargestellt. Eine Zeitdifferenz Ät34 zwischen einem dritten Zeitpunkt t3 und einem vierten Zeitpunkt t4 legt eine Periodendauer des ersten Stromsignals fest. Anstelle des oben erwähnten Integrals als Signalabweichungswert kann alternativ eine Fouriertransformation des ersten Stromsignalverlaufs SIGl und des zweiten Stromsignalverlaufs SIG2 durchgeführt werden, wobei dann der vordefinierte Signalabweichungsschwellenwert beispielsweise als ein Maß im Phasenraum der Fouriertransformation, beispielsweise eine Leistungsdichte, festgelegt wird.