Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug und

Batteriemanagementvorrichtung hierfür

Technischer Hintergrund

Die Erfindung betrifft Traktionsbatterien für Kraftfahrzeuge, insbesondere das Vorsehen von Fehlerbetriebsarten für Traktionsbatterien.

Technischer Hintergrund

Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge weisen in der Regel eine Reihe von Batteriezellen auf, die in einer Kombination von Reihen und Parallelschaltungen verschaltet sind, um einen zum Antrieb eines Elektroantriebs eines Kraftfahrzeugs benötigten Strom bei einer vorgegebenen Batteriespannung zu liefern.

Um den Zustand der Traktionsbatterie festzustellen, werden Zellenspannungen der

Batteriezellen und der Batteriestrom überwacht. Dazu sind eine oder mehrere

Zellenüberwachungseinheiten vorgesehen, die jeweils einer Anzahl von Batteriezellen zugeordnet sind und eine Spannungsmessung und Überprüfung sowie ggfs. eine

Strommessung vornehmen. Weiterhin wird auf die Funktionsfähigkeit der

Zellenüberwachungseinheiten auf fehlerhafte Funktion überwacht.

Die Spannungsüberwachung der Batteriezellen ist in der Regel mit einem ASIL-Level von C belegt, so dass die Spannungsmessung über zwei getrennte Mess- und Überwachungspfade realisiert werden sollte. Fällt eine Spannungsmessung bzw. fallen beide Spannungsmessungen aus, ist vorgesehen, die gesamte Fahrzeugbatterie abzuschalten, da nicht erkannte

Fehlfunktionen oder defekte Batteriezellen ein Sicherheitsrisiko darstellen können.

Das Abschalten der gesamten Traktionsbatterie kann bei rein batteriebetriebenen

Kraftfahrzeugen zu einem Liegenbleiben führen. Dies stellt jedoch aus technischer Hinsicht eine drastische Maßnahme dar, da in den überwiegenden Fällen die Wahrscheinlichkeit eines kritischen Defekts in einer Batteriezelle bei Ausfall einer Spannungsüberwachung sehr gering ist. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb einer Traktionsbatterie zuverlässiger zu machen und die Wahrscheinlichkeit eines Abschaltens der Traktionsbatterie aufgrund eines Ausfalls der Zellenüberwachung zu reduzieren.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zum Betreiben einer Traktionsbatterie für ein

Kraftfahrzeug mit Elektroantrieb gemäß Anspruch 1 sowie durch die

Batteriemanagementvorrichtung und das Batteriesystem gemäß den nebengeordneten

Ansprüchen gelöst.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit Elektroantrieb, mit einer Traktionsbatterie, einer Batterie- Managementvorrichtung und mit einer oder mehreren Zellenüberwachungseinheiten

vorgesehen, die jeweils Zellenspannungen einer Anzahl von Batteriezellen einer

Zellenanordnung überwachen, mit folgenden Schritten:

Überwachen der einen oder der mehreren Zellenüberwachungseinheiten;

Bei Feststellen eines Fehlers in einer der Zellenüberwachungseinheiten, Einnehmen einer

Fehlerbetriebsart der Traktionsbatterie.

Das obige Verfahren betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie-Managementvorrichtung und einer oder mehreren Zellenüberwachungseinheiten, die jeweils Zellenspannungen einer Anzahl von Batteriezellen überwachen. Die Zellenüberwachungseinheiten überwachen

Zellenspannungen der zugeordneten Batteriezellen und überprüfen auch, ob diese innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereichs liegen. Es wird ein Fehler in einer

Zellenüberwachungseinheit festgestellt, indem ein Fehlersignal detektiert wird. Das Fehlersignal kann generiert werden, wenn die Spannungsüberwachung durch einen Defekt in der

betreffenden Zellenüberwachungseinheit ausfällt. Es kann auch ein Fehler festgestellt werden, wenn die Zellenüberwachungseinheit ausfällt, was von der Batterie-Managementvorrichtung durch z.B. ein Fehlen eines Signals oder durch Erkennen unplausibler Signale von der

Zellenüberwachungseinheit festgestellt werden kann.

Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, bei Auftreten eines Fehlers in mindestens einer der Zellenüberwachungseinheiten basierend auf historischen (d.h. dem zeitlichen Verlauf der) und aktuellen Zustandsdaten der der betreffenden Zellüberwachungseinheit zugeordneten Batteriezellen zu entscheiden, in welcher Betriebsart die Traktionsbatterie weiterbetrieben wird oder ob diese abgeschaltet wird.

Anhand der historischen Zustandsdaten für die betreffenden Batteriezellen kann also eine Wahrscheinlichkeit abgeschätzt werden, mit der nach dem Auftreten eines Fehlers in einer Zellenüberwachungseinheit auch ein kritischer Fehler in den zugeordneten Batteriezellen auftreten kann. Kritische Fehler in Batteriezellen, die häufig durch eine erhebliche Erhöhung des Innenwiderstands gekennzeichnet sind, können zu einer Schädigung und/oder Zerstörung der Traktionsbatterie und darüber hinaus zu einer erhöhten Brand- oder Explosionsgefahr führen und müssen daher mit sehr hoher Zuverlässigkeit vermieden werden.

Das obige Verfahren hat dabei den Vorteil, dass durch das Evaluieren des Gefahrenrisikos beim Weiterbetrieb der Batteriezellen nach dem Auftreten eines Fehlers in einer

Zellenüberwachungseinheit eine flexible Entscheidung über den Weiterbetrieb der der

Zellenüberwachungseinheit zugeordneten Batteriezellen getroffen werden kann. In vielen Fällen kann dann anstelle der üblichen vollständigen Abschaltung bzw. Deaktivierung des

Batteriesystems ein Weiterbetrieb, insbesondere in einer Fehlerbetriebsart, ohne zu einer nennenswerten Erhöhung des Gebrauchsrisikos zu führen.

Weiterhin kann bei Detektieren des Fehlersignals der Zellenüberwachungseinheit, die

Fehlerbetriebsart der Traktionsbatterie abhängig von Zustandsdaten des der betreffenden Zellenüberwachungseinheit zugeordneten Zellenmoduls eingenommen werden.

Insbesondere kann die Fehlerbetriebsart der Traktionsbatterie eingenommen werden, wenn die Zustandsdaten eine geringere Wahrscheinlichkeit eines Auftretens eines kritischen Fehlers in einer der Batteriezellen des der Zellenüberwachungseinheit zugeordneten Zellenmoduls angeben als durch einen Wahrscheinlichkeitsschwellenwert vorgegeben ist.

Es kann vorgesehen sein, dass die Zustandsdaten des Batteriesystems zuletzt erfasste

Batterieparameter und/oder historische Batterieparameter und Verläufe von Batterieparametern umfassen und insbesondere eine oder mehrere der folgenden umfassen:

einen Gesundheitszustand (SOH: State of Health) der einzelnen Batteriezellen (das definierte Lebensdauerende einer Batteriezelle liegt bei einem SOH zwischen 70 und 80%), eine gesamte Betriebsdauer der Traktionsbatterie,

einen maximalen Ladestrom oder ein Ladestromintegral des letzten Ladevorgangs, einen maximalen Entladestrom oder ein Entladestromintegral des letzten Entladevorgangs; einen durchschnittlichen Ladestrom über eine Anzahl von Ladevorgängen; einen durchschnittlichen Entladestrom über eine Anzahl von Entladevorgängen;

einen aktuellen Entladestrom;

Zeitpunkte von Verletzungen von Strom- und Spannungsgrenzen für die einzelnen Batteriezellen;

Ladezustände der einzelnen Batteriezellen, und

eine Temperatur der einzelnen der Zellenanordnungen ermittelt.

Gemäß einer Ausführungsform kann bei Detektieren des Fehlers in der

Zellenüberwachungseinheit, die Traktionsbatterie abhängig von Zustandsdaten des der betreffenden Zellenüberwachungseinheit zugeordneten Zellenmoduls abgeschaltet werden.

Es kann vorgesehen sein, dass die Fehlerbetriebsart eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen umfasst:

Einschränkung der Leistungsabgabe und -aufnähme auf eine verminderte

Leistungsmaximalgrenze;

Einstellen einer Lade- oder Rekuperationssperre für die Traktionsbatterie; und

Abschalten der Traktionsbatterie.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Batteriemanagementvorrichtung zum Betreiben einer Traktionsbatterie, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit Elektroantrieb, vorgesehen, wobei die Batteriemanagementvorrichtung ausgebildet ist, um:

eine oder mehrere Zellenüberwachungseinheiten zu überwachen, die jeweils

Zellenspannungen einer Anzahl von Batteriezellen einer Zellenanordnung der

Traktionsbatterie überwachen;

bei Detektieren eines Fehlers in einer der Zellenüberwachungseinheiten, eine

Fehlerbetriebsart der Traktionsbatterie einzunehmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Batteriesystem vorgesehen, umfassend:

eine Traktionsbatterie mit einer Anzahl von Batteriezellen jeweils in einer von einer oder mehreren Zellenanordnungen,

die obige Batterie-Managementvorrichtung;

eine oder mehrere Zellenüberwachungseinheiten, die jeweils Zellenspannungen einer Anzahl von Batteriezellen einer Zellenanordnung überwachen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit einer Batterie- Managementvorrichtung, Zellüberwachungseinheiten und zugeordneten Batteriezellen; und

Figur 2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Betreiben des

Batteriesystems der Figur 1.

Beschreibung von Ausführungsformen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Batteriesystems 1 mit einer

Traktionsbatterie 2, die aus Zellmodulen 3 zusammengesetzt ist. Die Traktionsbatterie 2 kann beispielsweise zum Bereitstellen von elektrischer Energie für einen Elektroantrieb eines Kraftfahrzeugs dienen.

Die Zellenmodule 3 weisen Batteriezellen 4 auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel seriell verschaltet sind. Alternativ können die Zellenmodule 3 seriell und/oder parallel miteinander verschaltet sein, um gewünschte elektrische Parameter bzw. Eigenschaften der

Traktionsbatterie 2 bereitzustellen.

Jedes der Zellenmodule 3 ist mit einer Zellenüberwachungseinheit 5 gekoppelt, die einen Spannungsabgriff für jede der Batteriezelle 4 aufweisen kann, um so die Zellenspannung jeder der Batteriezellen 4 erfassen zu können. Auch kabellose Verfahren zur Messung der Spannung können angewendet werden. Weiterhin kann die Zellenüberwachungseinheit 5 überprüfen, ob eine der Batteriezellen 4 eine Über- oder Unterspannung aufweist, die aus einem von einem Normalbereich abweichenden Innenwiderstand der betreffenden Batteriezelle resultiert.

Die Zellenüberwachungseinheiten 5 sind jeweils mit einer Batterie-Managementvorrichtung 6 verbunden, so dass Informationen über Zellspannungen, Über- und Unterspannungen von einzelnen Batteriezellen 4 der Batterie-Managementvorrichtung 6 mitgeteilt werden können. Tritt ein Fehler in der Zellüberwachungseinheit 5 auf, der dazu führt, dass die

Spannungsmessung der Batteriezelle 4 nicht durchgeführt werden kann und/oder keine

Über-/Unterspannungsdetektion mehr durchgeführt werden kann, so wird ein entsprechendes Fehlersignal an die Batterie-Managementvorrichtung 6 weitergeleitet. Weiterhin kann die Batterie-Managementvorrichtung 6 auch Funktionen, wie eine Lastverteilung (Load-Balancing) oder dergleichen wahrnehmen.

Die Batterie-Managementvorrichtung 6 wertet die Informationen der angeschlossenen

Zellenüberwachungseinheiten 5 aus und speichert ggfs. historische Werte der

Zellenspannungen.

Weiterhin führt die Batterie-Managementvorrichtung 6 eine Fehlerbehandlung durch, die anhand des Flussdiagramms der Figur 2 näher erläutert wird.

In Schritt S1 wird das Batteriesystem 1 durch die Batterie-Managementvorrichtung 6 in herkömmlicher Weise betrieben. Dabei werden Zustandsdaten des Batteriesystems 1 regelmäßig erfasst, und darüber hinaus eine Historie von einer oder mehreren der

Zustandsdaten aufgezeichnet. Die Zustandsdaten können umfassen:

einen Gesundheitszustand (SOH: State of Health) der einzelnen Batteriezellen 4, einen Ladezustand und/oder einen Verlauf des Ladezustands

der gesamten Betriebsdauer der Traktionsbatterie 2,

einen maximalen Ladestrom und/oder ein Ladestromintegral des letzten Ladevorgangs, einen maximalen Entladestrom und/oder ein Entladestromintegral des letzten

Entladevorgangs;

des Ladestroms des letzten Ladevorgangs,

einen durchschnittlichen Ladestrom über eine Anzahl von Ladevorgängen;

einen durchschnittlichen Entladestrom über eine Anzahl von Entladevorgängen;

der Entladestrom des letzten Entladevorgangs;

Zeitpunkte von Verletzungen von Strom- und Spannungsgrenzen für die einzelnen

Batteriezellen

den Ladezustand der einzelnen Batteriezellen und

die Temperatur der einzelnen Batteriezellen 4 bzw. der Zellenanordnungen 3, deren Verlauf und/oder einer Temperaturintegrationsgröße,

eine Gesamtbetriebsdauer, und

eine Leerlaufzeitdauer.

Die Batterie-Managementvorrichtung 6 kann darüber hinaus die Traktionsbatterie 2 abschalten bzw. deaktivieren oder Fehlerbetriebsarten einstellen. Die Fehlerbetriebsart sieht vor, die maximal abrufbare Entladeleistung zu beschränken und/oder die maximal zuführbare

Ladeleistung zu beschränken. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende

Maximalleistungsvorgabe an die Fahrzeugsteuerung erfolgen. In Schritt S2 wird überprüft, ob ein Fehler in einer der Zellenüberwachungseinheiten 5 feststellbar ist. Ein Fehler kann z.B. als ein Fehlersignal, d.h. ein Signal, das einen Fehler anzeigt, bereitgestellt werden. Ein solches Fehlersignal kann z.B. in der entsprechenden Zellenüberwachungseinheit 5 generiert werden, wenn eine dort implementierte Funktion einen Fehler feststellt. Auch kann ein Signalabriss von kontinuierlich oder regelmäßig an die Batterie- Managementvorrichtung 6 übermittelte Datensignale oder Auswertesignale (z.B.

Auswertesignale, die ein Überschreiten oder Unterschreiten einer vorgegebenen

Zellenspannungsschwelle angeben) als ein solches Fehlersignal betrachtet werden. Ferner kann in der Batterie- Managementvorrichtung 6 ein sogenannter Watchdog vorgesehen sein, der ein Ausbleiben periodischer Signale, die bei korrekter Funktion der

Zellenüberwachungseinheit 5 bereitgestellt werden, als Fehlersignal werten.

Wird festgestellt, dass ein Fehler in einer der Zellenüberwachungseinheiten 5 vorliegt

(Alternative: Ja), wird das Verfahren mit Schritt S3 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird zu Schritt S1 zurückgesprungen.

Nachdem ein Fehler festgestellt worden ist, wird in Schritt S3 überprüft, ob das Fehlersignal mehr als eine vorbestimmte Anzahl von Malen aufgetreten ist. Die vorbestimmte Anzahl von Malen kann„1 " betragen oder größer als„1 " vorgegeben sein.

Ist dies der Fall (Alternative: Ja) wird das Verfahren mit Schritt S4 fortgesetzt, andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren über Schritt S5 mit Schritt S1 fortgesetzt.

In Schritt S5 wird ein Fehler in der Zellenüberwachungseinheit signalisiert, beispielsweise durch die Anzeige eines optischen Warnsignals.

In Schritt S4 wird der zuletzt ermittelte Gesundheitszustand (SoH) der Batteriezellen 4 der Zellenanordnung 3 überprüft. Liegt dieser über einem vorgegebenen SoH-Schwellenwert, wie z.B. von 90% (Alternative: Ja), so wird das Verfahren mit Schritt S6 fortgesetzt, andernfalls wird das Verfahren mit Schritt S7 fortgesetzt.

In Schritt S7 wird die Traktionsbatterie abgeschaltet, da das Risiko eines kritischen Zustands in einer der Batteriezellen bei fehlender Überwachung und geringen Gesundheitszustand (SoH) erhöht ist. Alternativ oder zusätzlich zu der Abfrage in Schritt S4 können Bedingungen definiert werden, die eine Schwelle einer Wahrscheinlichkeit für das Auftreten eines kritischen Fehlers in den Batteriezellen 4 der Zellenanordnung 3, die der fehlerhaften Zellenüberwachungseinheit 5 zugeordnet sind, angeben. Diese Bedingungen können weitere oder o.a. Zustandsdaten oder eine Kombination dieser Zustandsdaten betreffen.

In Schritt S6 kann eine Fehlerbetriebsart eingenommen werden, die kein vollständiges

Abschalten der Traktionsbatterie beinhaltet. Ein Abschalten der Traktionsbatterie ist nicht zweckmäßig, da die Batteriezelle bzw. die Zellanordnung eine ausreichend hohe Qualität hat und mit einem Ausfall einzelner Batteriezellen nicht zu rechnen ist. So kann auch ein

Temperaturschwellenwert definiert werden, wobei bei einer Temperatur der Traktionsbatterie über dem Temperaturschwellenwert das Verfahren mit Schritt S7 die Traktionsbatterie abschaltet und andernfalls die Fehlerbetriebsart einnimmt. Alternativ oder zusätzlich kann ein Strom- und/oder Spannungsschwellenwert für die nicht fehlerhaften

Zellenüberwachungseinheiten definiert werden, um den Gesamtzustand der Traktionsbatterie abzuleiten.

Beispielsweise kann die Fehlerbetriebsart abhängig von dem zuletzt bestimmten Ladezustand, von dem zuletzt bestimmten Gesundheitszustand, von der Temperatur der Batteriezelle bzw. der betreffenden Zellenanordnung 2, der Fahrzeit seit dem letzten Starten des Kraftfahrzeugs eingenommen werden.

Die Fehlerbetriebsart kann eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen umfassen:

Einschränkung der Leistungsabgabe auf eine verminderte Leistungsmaximalgrenze, d.h. die Leistungsmaximalgrenze ist gegenüber der Leistungsmaximalgrenze im Normalbetrieb reduziert. Durch die Reduzierung der Leistung wird der Stromfluss durch die Batteriezellen reduziert, so dass selbst bei fehlerhafter Batteriezelle mit einem erhöhten Innenwiderstand die für Batteriezellen kritischen oberen und unteren Spannungsgrenzen nicht über- bzw. unterschritten werden.

Einstellen einer Ladesperre für die Traktionsbatterie, so dass ein Aufladen der

Batteriezellen 4 verhindert wird, bis der Fehler der Zellenüberwachungseinheit 5 behoben worden ist. Bezugszeichenliste Batteriesystem

Traktionsbatterie

Zellenanordnung

Batteriezelle

Zellüberwachungseinheit

Batterie-Managementvorrichtung