Beschreibung

Titel

Verfahren zur Überwachung eines Enerqiespeichersvstems

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichersys- tems mit einer Mehrzahl von Energiespeichersträngen, umfassend eine Mehrzahl von pa- rallelgeschalteten elektrochemischen Energiespeichern, einem elektrochemischen Ener- giespeichersystem, einer Verwendung des Energiespeichersystems sowie einer Verwen- dung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Um möglichst flexibel Batteriesysteme an bestimmte Anforderungen anpassen zu können, werden häufig Batterieverbunde oder Module eingesetzt, die aus einer Pa- rallel- und Serienschaltung einer Vielzahl von Batteriezellen aufgebaut sind. Nach dem Stand der Technik kommen dabei in zahlreichen Anwendungen zylindrische

Batteriezellen, beispielsweise vom Typ 18650, zum Einsatz. Die Module verfügen neben den Batteriezellen über eine eigene Überwachung, beispielsweise einer Mes- sung von Batteriezellspannungen.

Je nach Auslegung können weitere Komponenten zusätzlich integriert sein, insbe- sondere ein Steuergerät zur Durchführung weiterer Funktionen, wie beispielsweise eine Berechnung von Batteriezuständen.

Diese Module können entweder alleine in einem elektrischen Antriebsstrang inte griert werden oder in Form eines größeren Batteriesystems durch Parallel- und/oder Serienschaltung dieser Module.

Ein solches Modul besteht üblicherweise aus einer Vielzahl von Einzelbatteriezellen Insbesondere bei Vorliegen von Strängen mit parallel geschalteten Batteriezellen, im Folgenden als Parallelstränge bezeichnet, wird ausschließlich die elektrische Spannung des Parallelstrangs zur Überwachung gemessen. Die Messung ermög- licht zunächst keine Prüfung, ob tatsächlich alle Batteriezellen niederohmig an den Batteriezellverbund elektrisch angeschlossen und noch voll funktionsfähig sind.

Nachteilig an solchen Modulen ist also, dass nach dem Stand der Technik eine si- chere Einzelzellüberwachung innerhalb eines Parallelstrangs nur schwer darstellbar ist. Je höher die Anzahl der Batteriezellen in den Parallelsträngen jeweils ist, desto schwieriger ist es, innerhalb eines solchen Parallelstrangs zu erkennen, ob noch alle Batteriezellen intakt und korrekt elektrisch angebunden sind.

Wird der Ausfall einzelner Zellkontakte vom Steuergerät nicht erkannt, kann dies im schlimmsten Fall zu einem thermischen Durchgehen („Thermal Runaway“) einzelner Batteriezellen führen, da sich der Gesamtstrom in einem Parallelstrang auf weniger Batteriezellen verteilt und die Batteriezellen daher unerkannt außerhalb der Spezifi- kation betrieben werden könnten.

Die Druckschrift US 2004/0001996 offenbart ein Batteriepack, das eine Vielzahl von parallelen Blöcken enthält, von denen jeder eine Vielzahl von parallel geschalteten Zellen aufweist, bei dem die Spannung und die Kapazität jedes parallelen Blocks des Batteriepakets vor und nach der Entladung bestimmt wird und eine Anomalie der Zellen basierend auf der Änderung der Spannung jedes parallelen Blocks be- stimmt wird.

Die Druckschrift JP 2009/216448 offenbart eine Anomalieerkennungsvorrichtung für ein Batteriepack, das die Trennung oder den Bruch von Zellverbindern erkennt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Stand der Technik weiter zu verbes- sern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren zur Überwachung, insbesondere einer On-Board-Über- wachung, eines Energiespeichersystems eine zuverlässige Überwachung der elekt- rochemischen Energiespeicher erfolgt. So kann erkannt werden, falls einzelne Ener- giespeicher ausfallen, beispielsweise durch mechanische Belastungen von elektri schen Verbindungen zwischen den Energiespeichern.

Dazu weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte auf:

a. Kontinuierliches Überwachen, ob ein aktueller Lade- oder Entladestrom mindes- tens einen vorgegebenen Stromschwellenwert für eine bestimmte Zeitspanne überschreitet;

b. Vergleichen von erfassten Energiespeicherstrangspannungen und/oder von

Spannungsverläufen der Energiespeicherstrangspannungen untereinander und/oder Vergleichen mit vorherigen Energiespeicherstrangspannungen und/o- der vorherigen Spannungsverläufen des Energiespeicherstrangs bei einem ver- gleichbaren Lade- oder Entladestrom;

c. Erkennen eines Fehlers in den Energiespeichersträngen in Abhängigkeit von vor- gegebenen Kriterien für eine Spannungsänderung in den Energiespeichersträn- gen, insbesondere eines Kontaktierungsfehlers durch Vergleichen einer Differenz aus Spannungsänderungen der Energiespeicherstränge und einem Mittelwert der Spannungsänderungen der Energiespeicherstränge mit einem vorgegebenen Schwellenwert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgenden Schritt: d. Einleiten von Maßnahmen, insbesondere Reduzierung eines maximal zuläs- sigen Lade- oder Entladestrom, um Sicherzustellen, dass das Energiespei- chersystem in zulässigen Betriebsgrenzen betrieben wird.

Dadurch kann das Energiespeichersystem in einen sicheren Betriebszustand versetzt werden und beispielsweise einer verstärken Alterung der Energiespeicher entgegen- gewirkt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst ferner folgenden Schritt:

e. Erkennen eines Fehlers, wenn ein Ladungsausgleichsbedarf zwischen den Ener- giespeichersträngen einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und/oder der Ladungsausgleichsbedarf sich abrupt ändert.

Dadurch kann ein anhand der Schritte a bis c des erfindungsgemäßen Verfahrens erkannter Fehler plausibilisiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die dargestellte Reihenfolge der Aus- führungsform beschränkt. Vielmehr können die Schritte c bis e in beliebiger Reihen- folge, wiederholt, zeitlich nacheinander und/oder gleichzeitig erfolgen.

Der Ladungsausgleichsbedarf zwischen den Energiespeichersträngen wird anhand eines resistiven, kapazitiven und/oder und induktiven Ladungsausgleichsverfahrens ermittelt.

Das erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichersystem, mit einer Mehrzahl von Energiespeichersträngen, umfassend eine Mehrzahl von parallelgeschalteten elektrochemischen Energiespeichern, mindestens einen Sensor zur Erfassung einer elektrischen Spannung sowie mindestens ein Mittel, insbesondere ein elektronisches Batteriemanagementsteuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des erfindungs- gemäßen Verfahrens durchzuführen.

Vorteilhafterweise umfasst das Batteriemanagementsteuergerät ein Computerpro- gramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass das elektrochemische Energiespei- chersystem das erfindungsgemäße Verfahren ausführen kann. Das Computerpro- gramm ist vorteilhafterweise auf einem maschinenlesbaren Speichermedium gespei- chert.

Das erfindungsgemäße elektrochemische Energiespeichersystem wird vorteilhafter- weise für Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge, Plug-In-Hybridfahrzeuge, Brennstoffzel- len-Fahrzeuge, beispielsweise mit einem Energiespeicher zum Boosten, Pedelecs oder E-Bikes, für portable Einrichtungen zur Telekommunikation oder Datenverarbei- tung, für elektrische Handwerkzeuge oder Küchenmaschinen, sowie in stationären Speichern zur Speicherung insbesondere regenerativ gewonnener elektrischer Ener- gie verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines Energiespeichersystems wird vorteilhafterweise für eine Band-Ende-Kontrolle eines elektrochemischen Ener- giespeichersystems verwendet. Dadurch kann eine Qualitätskontrolle eines Herstel- lungsprozesses des elektrochemischen Energiespeichersystems erfolgen, um bei- spielsweise Schweißprozesse von elektrischen Verbindungen zwischen elektrochemi- schen Energiespeichern zu überprüfen.

Kurzbeschreibung der Figuren

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegen- stände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Be- schreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreiben- den Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Ferner können die im Folgenden beschriebenen Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen, wenn sich aus dem Kontext nicht explizit das Gegenteil ergibt.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß dem Stand der Technik; und

Figur 2 eine schematische Darstellung eines Stromverlaufs;

Figur 3a eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen im fehlerfreien Fall;

Figur 3b eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen im fehlerhaften Fall;

Figur 4a eine schematische von Energiespeicherstrangspannungen während eines Lade- oder Entladevorgangs im fehlerfreien Fall;

Figur 4b eine schematische von Energiespeicherstrangspannungen während eines Lade- oder Entladevorgangs im fehlerhaften Fall.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in allen Figuren gleiche Vorrichtungskomponen- ten.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiespeichersystems gemäß dem Stand der Technik. Das Energiespeichersystem 100 umfasst eine Vielzahl von Energiespeichersträngen 101 , umfassend eine Mehrzahl von parallelgeschalteten elektrochemischen Energiespeichern 102. Mittels einer Vielzahl von Spannungs- sensoren Ui, U ₂ , U ₃ werden elektrische Spannungen der Energiespeicherstränge 101 erfasst.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Stromverlaufs 200. Das erfin dungsgemäße Energiespeichersystem 100 verfügt beispielsweise über ein eigenes Batteriemanagementsteuergerät, welches eingerichtet ist, die Schritte des erfindungs- gemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Energiespeicherstrangspannungen werden in einem normalen Betrieb des Energiespeichersystems 100 typischerweise fortlau- fend überwacht. Daher ist es in einer ersten Ausführungsform nur erforderlich die Energiespeicherstrangspannungen und/oder Spannungsverläufe der Energiespei- cherstrangspannungen jeweils für einen entsprechenden Zeitraum in einen Speicher des Batteriemanagementsteuergeräts abzulegen und zu bewerten, wenn geeignete Betriebsbedingungen vorliegen, beispielsweise während eines Lade- oder Entlade- vorgangs.

Eine geeignete Betriebsbedingung in der ersten Ausführungsform ist beispielsweise, wenn ein aktueller Lade- oder Entladestrom 201 für einen bestimmten Zeitraum At _o , Ati, At ₂ einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet, also eine sprungförmige Strombelastung erfolgt.

Da in der Praxis Stromsprünge nicht ohne Weiteres reproduzierbar sind und in der Regel nur sehr kurze Phasen mit konstantem Strom auftreten, werden vorzugsweise Kriterien für eine Gültigkeit eines Stromsprungs gemäß Figur 2 eingeführt. Hierbei können mehrere Schwellenwerte So, S ₂ berücksichtigt werden, die entweder nur teil- weise oder vollständig durch den Stromverlauf l(t) erfüllt sein müssen:

1 ₁ -D1 ₁ ^ I (t) ^ 1 ₁ +D1 ₁ (1 ) DIo/Ato ^ So (2)

Al ₂ /At2— S ₂ (3)

Erfüllt ein Stromsprung diese Kriterien wird eine Mittelung des elektrischen Stromes über dieses Zeitintervall vorgenommen bzw. eine Ladungsmenge berechnet.

Alternative Ausführungen hinsichtlich einer Bewertung von gültigen Bedingungen sind möglich. Betrachtet werden dann die Spannungsverläufe der Energiespeicherstrang- spannungen, die durch einen Stromsprung hervorgerufen werden.

Figur 3a zeigt eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen 302a bei einem Stromsprung 301 a für einen fehlerfreien Fall 300a des Energiespei- chersystems 100.

Figur 3b zeigt eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen 302b im fehlerhaften Fall 300b des Energiespeichersystems 100, bei dem genau ein Energiespeicher 102 in einem bestimmten Energiespeicherstrang 101 fehlt oder voll- ständig defekt ist. Der Energiespeicherstrang 101 mit dem fehlenden Energiespeicher 102 zeigt

- einen signifikant höheren Spannungseinbruch 302b(1 ) bei einem Stromsprung 301 b als die anderen Strangspannungen 302b und

- eine deutliche Abweichung im Vergleich zu den Spannungsverläufen 302a im fehlerfreien Fall zuvor.

Der Vergleich von Spannungsverläufen eines Energiespeicherstrangs 101 bei jeweils gültigen Stromsprüngen zu unterschiedlichen Zeitpunkten soll dann erfolgen, wenn

jeweils dieselbe bzw. eine ähnliche hohe Ladungsmenge entnommen oder einge- bracht wurde. Hierbei kann eine Schwelle eingeführt werden, dass sich die Ladungs- mengen unterscheiden dürfen, beispielsweise um maximal 10 Prozent.

Dann werden sowohl die potentiell unterschiedlichen Spannungsverläufe der Vielzahl an vorliegenden parallelen Energiespeichersträngen 101 zum aktuellen Zeitpunkt im wechselseitigen Vergleich betrachtet, als auch Änderungen in der Historie der Span- nungsverläufe jedes einzelnen Energiespeicherstrangs 101.

In der Ausführungsform werden beispielsweise der Spannungseinbruch zu Beginn eines Stromsprunges, der Spannungsverlauf während einer Strombelastung und die Spannungszunahme nach Abnahme der Strombelastung berücksichtigt.

Eine Bewertung, ob eine Veränderung im Spannungsverlauf ihre Ursache im Fehlen einer Einzelzelle im Strang hat, erfolgt wie folgt:

- Fehlt ein Energiespeicher 102 im Energiespeicherstrang 101 , verändert sich der Innerwiderstand dieses Energiespeicherstrangs 101 , was sich insbeson- dere bei einem Stromsprung bemerkbar. Der Spannungseinbruch in diesem Energiespeicherstrang 101 ist deutlich größer als in den vergleichbaren Ener- giespeicherstrang 101 des Energiespeichersystems 100. Um die Bewertung abzusichern kann es sinnvoll sein, einen Mittelwert M(T) der Spannungsein- brüche dU aller Energiespeicherstränge 101 zu einem bestimmten Zeitpunkt T zu berechnen.

Besonders aussagekräftig ist dieser Mittelwert, wenn zuvor ein Ladungsaus- gleich zwischen den Energiespeichersträngen 101 durchgeführt wurde. Wird ein Schwellenwert S vorgegeben, kann mittels des Vergleichs dU-M(T) > S

entschieden werden, ob im jeweiligen Energiespeicherstrang 101 alle Ener- giespeicher 102 elektrisch kontaktiert sind.

- Fehlt ein Energiespeicher 102 in einem Energiespeicherstrang 101 , entlädt oder lädt sich der jeweilige Energiespeicherstrang 101 schneller als die weite- ren Energiespeicherstränge 101 des Energiespeichersystems 100. Die Ener- giespeicherstrangspannung eines Energiespeicherstrangs 101 mit einer gerin- geren Anzahl an elektrisch kontaktieren Energiespeichern 102 nimmt daher schneller ab.

Figur 4a zeigt eine schematische von Energiespeicherstrangspannungen 402a, 402a(1 ), 402a(4), 402a(6) während eines Lade- oder Entladevorgangs im fehlerfreien Fall 400a des Energiespeichersystems 100 und Figur 4b eine schematische Darstellung von Energiespeicherstrangspannungen 402b, 402b(6) während eines Lade- oder Entladevorgangs im fehlerhaften Fall 400b des Energiespeichersystems 100.

Die Kurve der Energiespeicherstrangspannung 402b(6) schneidet die Kurven der anderen Energiespeicherstrangspannungen 402b bei längeren Entlade- oder Ladevorgängen daher regelmäßig. Die Anzahl von Schnittpunkten 403(0), 403(1 ), 403(2) eignet sich als Detektionsmetode für einen Verlust ein- zelner Energiespeicher 102. Vorteilhafterweise muss kein Ladungsausgleich zwischen den Energiespeichersträngen 101 erfolgt sein.

Wird ein Fehler erkannt, leitet das Batteriemanagementsteuergerät vorzugsweise Maßnahmen ein, um auf das Fehlen eines Energiespeichers 102 im Energiespei- cherstrang 101 zu reagieren und entgegen zu wirken. So kann beispielsweise durch eine Reduzierung eines zulässigen Maximalstromes mittels eines Gewichtungsfak- tors, der von der Anzahl der elektrisch nicht mehr angebundenen Energiespeicher 102 abhängt, sichergestellt werden, dass das Energiespeichersystem 100 weiterhin in seinen zulässigen Grenzen betrieben wird und kein Energiespeicher 102 in einen

der Energiespeicherstränge 101 infolge einer verringerten Anzahl der Energiespei- cher 102 überlastet wird. Dies wirkt sich zudem positiv auf die Alterung der anderen Energiespeicher 102 des betroffenen Energiespeicherstrangs 101 aus.

Besonders vorteilhaft kann im realen Betrieb des Energiespeichersystems 100 außer- dem beim Laden mit einer externen Quelle gezielt ein definierter Stromsprung er- zeugt werden, der für ein bestimmtes, kurzes Zeitintervall höher ist als der maximal zulässige Dauerladestrom und auf dieser Basis das oben beschriebene Verfahren an- gewendet wird. Vorteilhaft ist hierbei auch, dass so regelmäßig geeignete Betriebsbe- dingungen eingestellt werden können zur Realisierung einer kontinuierlichen Überwa- chung. Vorteilhaft ist eine Auswertung während des Ladens, da meist zunächst für eine längere Phase mit konstantem Strom geladen wird. Ein Fehler kann erkannt wer- den, wenn eine Spannung der Stränge eine abweichende Steigung aufweist.

Im Falle einer Band-Ende-Kontrolle werden Stromsprünge nahe oder exakt am maxi- mal zulässigen Stromwert verwendet, um somit eine maximale Trennschärfe zwi- schen elektrisch korrekt und elektrisch nicht oder schlecht angebundenen Energie- Speichern 102 zu erzielen. Werden beispielsweise elektrische Verbindungen zwi- schen den Energiespeichern 102 mittels Schweißen realisiert, kann so eine Qualitäts- kontrolle des Schweißprozesses durchgeführt werden.

Weiterhin kann ein Ladungsausgleichsbedarf, ermittelt aus der Zeit für einen La- dungsausgleichsbedarf der einzelnen Energiespeicherstränge 101 als zusätzliches Kriterium zur Fehlerbeurteilung herangezogen werden oder auch als alleinstehender Bewertungsmaßstab verwendet werden. Hierzu wird im einem Speicher des Batte- riemanagementsteuergeräts aufgezeichnet wie häufig und wie lange bei den einzel- nen Energiespeichersträngen 101 ein Ladungsausgleichsbedarf erfolgt, also das Aus- gleichen der Strangspannungen durch resistive, kapazitve oder induktive Verfahren.

Ein Fehler wird erkannt, wenn

- der Ladungsausgleichsbedarf zwischen den einzelnen Strängen den für die Bat- terie üblichen Wert wiederholt deutlich überschreitet oder

- sich der Ladungsausgleichsbedarf aufgrund des Kontaktabbruchs einer Zelle un- erwartet und abrupt ändert.

Wird ein Fehler erkannt kann das Batteriemanagementsystem Maßnahmen einleiten, insbesondere Reduzierung eines maximal zulässigen Lade- oder Entladestrom, um Sicherzustellen, dass das Energiespeichersystem in zulässigen Betriebsgrenzen be- trieben wird.