WO2022189221A2 - Verfahren zur überwachung eines batteriesystems - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring a battery system according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • Battery systems with at least one battery module, which is based on a plurality of individual battery cells, are known from the prior art. Such battery systems can be used stationary. They are increasingly being used as traction batteries to power an at least partially electrically powered vehicle. In order to achieve a high power density, the individual battery cells in the battery systems are often constructed using lithium-ion technology.
  • this technology allows a high energy content of the individual battery cells, on the other hand, the high energy content means that the risk potential is relatively high in the event of a defect.
  • the battery in particular the temperature, the voltage and other variables, is therefore typically monitored via a battery management system. A thermal runaway can then be detected early enough and appropriate responses can be initiated to actively counteract serious damage or a serious hazard from the battery.
  • sensor arrangements can record measured values of the battery and at least compare them with default values with a far lower energy requirement than that of the battery management system. If critical values occur here, this is recognized accordingly and the battery management system can be woken up via a wake-up signal in order to then initiate further monitoring and, if necessary, the initiation of countermeasures.
  • the cited publication further describes that the sensor arrangement has its own memory in order to provide the battery management system with a corresponding database after it has been woken up from sleep mode, in order to be able to assess the situation as quickly as possible.
  • threshold values for generating a wake-up signal can be specified. If these threshold values are set to the generally customary limits of, for example, 2 volts per cell and/or 80° C., then the battery management system will wake up extremely late in the event that an actual thermal runaway is present. Since a certain amount of time is also required to fully “boot up” the battery management system, valuable time is lost, which in the event of a thermal runaway can mean that countermeasures initiated by the battery management system are often implemented too late to actually prevent the thermal runaway .
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the object of the present invention is therefore to create an improved method for monitoring a battery system with a wake-up of the battery management system, which allows a very high level of security with acceptable energy efficiency. According to the invention, this object is achieved by a method having the features in claim 1, and here in particular in the characterizing part of claim 1. Advantageous refinements and developments result from the dependent subclaims.
  • the method according to the invention for monitoring a battery system with at least one battery module with a plurality of individual battery cells includes a battery management system and a sensor arrangement, which is typically embodied in the form of sensors and an application-specific integrated circuit. In the real structure, several of these sensor arrangements are provided, which respectively monitor one or some of the individual battery cells accordingly. If the battery system is not used, for example because a vehicle in which the battery system is used according to a preferred application as a traction battery is not moving, then the battery management system goes into a sleep mode to save energy, in which it typically does not require its own electrical energy. Meanwhile, the at least one sensor arrangement continues to record at least one measured value for monitoring the battery system. In particular, these measured values can include voltages and temperatures. The measured values recorded are compared with default values and, in the event of a deviation, a wake-up signal is generated for the battery management system and this is woken up or activated again. All of this is known in principle from the prior art.
  • the invention now provides that, in addition to a wake-up signal due to a violation of a default value by the at least one measured value the wake-up signal is also triggered by the expiry of a specified wake-up time, in which case, in the event that the wake-up signal is triggered by the specified wake-up time having expired, a new wake-up time and new default values are determined and specified by the battery management system before the battery management system goes into sleep mode again changes.
  • the battery management system is woken up and an emergency mode is started.
  • the method according to the invention thus makes it possible to wake up the battery management system not only in an emergency, but also as a function of a wake-up time to be determined. This makes it possible to track the default values as closely as possible as threshold values for monitoring the battery system in order to ensure that the battery management system is woken up as early as possible in the event of an emergency. This can then verify the emergency in emergency mode and initiate appropriate measures in order to be able to react extraordinarily quickly and efficiently to a potential emergency, so that a thermal runaway of the battery system can still be intercepted in good time in almost all cases that occur.
  • gradients of the time profile of the at least one measured value and/or fixed changes of the at least one measured value are included in the determination of the new wake-up times and/or the new default values.
  • predictions about the course of the measured values to be expected based on the gradients can be used to track the limits for waking up the battery management system in an emergency.
  • the actual curve to be expected then runs below or above this gradient, so that normally the new default value is not to be expected to be exceeded before the new wake-up time is reached. If this nevertheless occurs, an emergency must be assumed.
  • This variant therefore offers the possibility of tracking the limits very closely. On the one hand, this reduces the occurrence of unwanted false alarms and, on the other hand, if the limits are violated, an emergency can be identified relatively quickly by waking up the battery management system and verifying the potential emergency. This creates time to be able to react very quickly, for example by switching off cell modules, ramping up the cooling or similar measures. In most cases, this reliably prevents the thermal runaway from spreading to the entire battery system.
  • a new wake-up time and new default values are individually determined and specified for each sensor arrangement.
  • Each of the Sensor arrays typically monitor one or a few individual battery cells.
  • a permitted change in the measured value is defined on the basis of the current values in order to determine the new wake-up times and the new default values.
  • the highest and/or the lowest value detected by the sensor arrangement for an individual battery cell is determined.
  • a measured value limit is then calculated for the next wake-up and a gradient of the measured value is calculated at the current point in time. From these limit values in combination with the gradient, a wake-up time can then be calculated as the new wake-up time at which the gradient reaches the calculated limit of the measured value.
  • the limit as the default value and the wake-up time as the new wake-up time are then used to "instruct" the respective sensor arrangement individually, according to the embodiment described above, in order to then put the battery management system, which has carried out these calculations, back into sleep mode .
  • the battery management system can carry out further diagnoses and calculations to validate and/or check the plausibility of the determined values, ie the new wake-up time and the new default values, in order to identify and intercept potential incorrect calculations.
  • thermo runaway can already be determined using these values today.
  • the method can be improved in the sense described above due to the close tracking according to the invention of the limits for detecting such a thermal runaway.
  • other values are fundamentally also conceivable, for example the pressure value described in the prior art mentioned at the outset or the like.
  • the measured value limit can be calculated by adding or subtracting the specified change to the current measured value.
  • the sum or difference can also be calculated with an offset value, which is based, for example, on measurements within the battery system, such as the current state of charge, or is specified depending on the characteristics of the battery system.
  • This offset value can also be calculated for the battery system via the battery management system, if this is active, and can adapt over time or to different situations, such as states of charge.
  • This value can preferably be generated individually for each of the sensor arrangements in order to be able to take into account different aging effects in the individual cells of the battery system or its battery modules.
  • the emergency mode includes further measurements and/or diagnostics by the battery management system, with countermeasures being initiated and a warning message being generated in the event of a confirmed emergency, and with the Battery management system is kept awake and the at least one measured value is monitored with closely specified default values. Keeping the battery management system awake after a potential but unconfirmed emergency increases safety so that the battery system can then be actively monitored using the measurement methods available in the battery management system, such as impedance measurement or the like. In this way, it can be ruled out that the unconfirmed emergency was already the indication of an emergency, which, however, occurred at a very early stage condition is that it could not be verified by the battery management system either. By keeping the battery management system awake in such a case and closely monitoring the battery system, it is now possible to react quickly if the supposed but unconfirmed emergency turns into an actual emergency.
  • the emergency mode can be terminated after a specified period of time in which the narrow specified threshold values have not been violated, so that after a sufficient period of monitoring, the battery management system returns to the sleep mode of the battery system with continuous monitoring returns solely through the sensor arrays, and is therefore extraordinarily energy-efficient.
  • FIG. 1 shows a block diagram to clarify the sequence of the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a block diagram to explain the process of limit tracking for each sensor arrangement
  • FIG. 3 shows a diagram of the cell voltage over time to clarify the method using the example of monitoring the cell voltage
  • FIG. 5 shows a representation analogous to that in FIG. 4 when the battery system is warmed up.
  • the basic course of the method according to the invention is shown in a block diagram.
  • the actual limit monitoring i.e. the acquisition of the measured values from a Battery system and monitoring whether these measured values violate specified default values, which are also referred to below as limits. If this is the case, the ASIC generates a wake-up signal by activating the box marked "wake up".
  • the BMS battery management system is then activated accordingly and, if no emergency is detected and verified by the BMS battery management system, the limits are updated, which leads on the one hand to a new limit or default value and on the other hand to a new wake-up time based on this default value.
  • the new default values are sent to the limit monitor of the respective ASICs, with the tracking of the limits being carried out individually for each ASIC sensor arrangement installed in the battery system.
  • the wake-up time is set accordingly so that a time-controlled wake-up signal can be sent to the BMS battery management system as an alternative and in addition to a wake-up signal from limit monitoring.
  • the battery management system BMS then returns to sleep mode and remains there until either a violation of the closely tracked limits has been detected by the limit monitor or the next wake-up time has been reached, which leads to a renewed awakening and typically tracking of the limits in the battery management system BMS leads.
  • the tracking of the limits is specified in more detail in a conceivable exemplary embodiment in a further block circuit diagram.
  • the boundary conditions from a thermal point of view for example the cooling, the ambient temperature and the like, are taken into account and the maximum cell temperature for each individual sensor arrangement or its ASIC is determined accordingly.
  • This temperature monitoring then leads to a determination and prediction of the temperature course to be expected using a gradient.
  • value changes ⁇ T th and ⁇ T th.max are specified accordingly.
  • the sleep duration is calculated and a new wake-up time is set and new temperature limits are calculated, which, as already explained in the block diagram above, are then sent to the ASICs and set there accordingly.
  • the entire sequence is preferably carried out individually for each ASIC.
  • a comparable sequence for the cell voltage is described in the lower half of the block circuit diagram in FIG.
  • the basis is the determination of the minimum Cell voltage per sensor arrangement or the ASIC assigned to it.
  • a gradient is determined on the basis of the measured value and a parameter for the maximum change in voltage ⁇ U th is specified accordingly.
  • a sleep duration is then calculated and a wake-up time is set, and a new voltage limit is calculated as the default value and sent to the respective ASIC, where it is used accordingly for future limit monitoring.
  • FIGS. 3 to 5 now show the voltage over time and temperatures over time in various exemplary cases to explain the basic process sequence.
  • the measured values are shown with a dash-dotted line, the gradients in the respective points are shown with the thin solid lines and a potential deviation of the respective measured value in the last third of the curve with the thick solid line, which causes the battery management system to wake up due to a Exceeding the limit leads and thus triggers an emergency mode of the battery management system BMS, in particular to prevent a thermal runaway of the battery system.
  • the starting position of the battery system is that the cell voltage U relaxes after a load.
  • the curve can be described as the sum of e-functions, with another very small change occurring as a result of the self-discharge. If the situation is such that one of the battery cells sinks more than the remaining ones, then a critical condition may exist. However, permanent monitoring and a comparison of all battery cells is not possible, otherwise the
  • the BMS battery management system is then switched back to sleep mode.
  • steps 1 to 5 described are repeated accordingly. If necessary, further diagnoses and calculations are possible.
  • the voltage threshold value ⁇ Uth is a design parameter to be specified, which can be chosen to be constant for all areas, for example. However, it is advantageously selected differently for the individual areas depending on the shape of the idling characteristic curve. Then, in areas with a flat characteristic curve, for example a state of charge of approximately 50%, a lower value would be selected, for example 5 mV, compared to higher or lower states of charge of, for example, less than 20% or more than 90%. As already mentioned above, it is used to calculate the corresponding wake-up time ⁇ t tW akeu using the determined voltage gradient.
  • the diagram in FIG. 3 shows that, for example at the end of the wake-up time ⁇ tW akeu i , the distance U re m of the actual voltage from the set voltage threshold ⁇ U th is sufficiently small so that if the voltage deviates, the wake-up would take place relatively quickly . If the voltage does not deviate unexpectedly, as is the case here at points L, t 2 and h, then, as described above, the wake-up takes place at the respective point in time at which the gradient at point L, t 2 exceeds the corresponding voltage limit Uiim .i , m, 2 reached. During the course of the third wake-up period At wa keu 3, the voltage drops more than expected, as shown by the solid line.
  • the battery management system BMS is therefore woken up by a limit violation at time tn, when the actual value reaches the voltage limit Uiim,3, in this case 3.6 V. Compared to entering a standardized voltage limit of typically 2 V, the battery management system BMS wakes up much earlier, which provides the time required to be able to react in an emergency mode. Such an emergency mode is described in more detail after FIGS. 3 to 5 with its possibilities.
  • FIG. 4 now shows a comparable scenario taking into account the cell temperature T, in this case when the battery system is cooling down.
  • the starting point is that a change in temperature occurs, for example, due to a change in the ambient temperature.
  • the cells of the battery system therefore cool down.
  • heating or cooling of the battery system could also be a cause. It should be noted that the rate of temperature change is severely limited due to the relatively large thermal mass of the battery system.
  • the approach to monitoring the battery system based on the temperature T when the battery system cools down is now again based on the definition of a change value in the temperature AT th at which a regular wake-up should take place.
  • the procedure then includes the following steps:
  • the BMS battery management system is switched back to sleep mode.
  • the temperature value T am b in the representation of the diagram in FIG. 4 symbolizes the ambient temperature.
  • the value ⁇ T th.max serves to intercept a certain amount of noise in the temperature signal.
  • the limit could be set to the current temperature T, since the temperature T falls as time t progresses during cooling. However, if there is noise in the measured value of the temperature T, an unwanted emergency alarm is triggered very quickly, so that this offset value ⁇ T th.max leads to a better result here. If, which is also conceivable, the value were (additionally) calculated with the defined change value ⁇ T t h, cooling down with a correspondingly small temperature change could result in an extraordinarily long sleep duration, which means that waking up due to a limit violation only occurs at a very large temperature difference, which could already be critical due to the small rate of temperature change.
  • the BMS battery management system is switched back to sleep mode.
  • the battery management system BMS can verify a critical state of the battery, if this is the case, on the basis of the detected variables, and to issue a warning and initiate countermeasures. If the battery is initially not in a critical state, the battery management system BMS can still be kept awake in emergency mode, for example for a fixed, predetermined period of time and can carry out further active diagnostics during this time, such as the measurements of the insulation resistance or impedance already mentioned. This ensures that a possible emergency, such as an imminent thermal runaway of the battery system, is overlooked.
  • the battery management system BMS can switch back to the idle mode after this period of time has elapsed. Further monitoring then takes place again via the sensor arrangements and their ASICs.
  • relative and derived quantities can be calculated from the cell voltages and temperatures recorded by the sensor arrays, which can also be used to verify a potentially critical state.
  • This can be, for example, variances in cell voltages and temperatures, gradients in cell voltages and temperatures, and a comparison of the gradients and variances in temperatures and voltages. All of this means that, due to the closely tracked limits, the battery management system BMS is woken up extremely quickly in the event of an imminent emergency, so that there is enough time to take countermeasures such as activating or deactivating parts of the battery system, starting the cooling system, switching on or switching off consumers or the like to counteract a thermal runaway of the battery.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Batteriesystem mit wenigstens einem mehrere Batterieeinzelzellen aufweisenden Batteriemodul, mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) und wenigstens einer Sensoranordnung (ASIC), wobei das Batteriemanagementsystem (BMS) in einem Ruhemodus des Batteriesystems nicht aktiv ist, wobei die Sensoranordnung (ASIC) im Ruhemodus wenigstens einen Messwert überwacht und mit Vorgabewerten vergleicht, wobei im Falle einer Abweichung des Messwerts von den Vorgabewerten der Ruhemodus beendet und das Batteriemanagementsystem (BMS) durch ein Aufwecksignal aktiviert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aufwecksignal ergänzend alternativ durch den Ablauf einer vorgegebenen Weckzeit (ΔTwakeUp) ausgelöst wird, wobei im Falle eines Auslösens des Aufwecksignals über einen Ablauf der vorgebeben Weckzeit (ΔTwakeUp) eine neue Weckzeit (ΔTwakeUp) sowie neue Vorgabewerte (Ulim, Tlim) bestimmt und vorgegeben werden, bevor das Batteriemanagementsystem (BMS) erneut in den Ruhemodus wechselt, und wobei im Falle des Auslösens des Aufwecksignals über eine Abweichung des wenigstens einen Messwerts von dem wenigstens einen Vorgabewert (Ulim, Tlim) ein Notfallmodus gestartet wird.

Description

Verfahren zur Überwachung eines Batteriesystems
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Batteriesystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Batteriesysteme mit wenigstens einem Batteriemodul, welches auf einer Mehrzahl von Batterieeinzelzellen basiert, sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige Batteriesysteme können stationär eingesetzt werden. Immer häufiger werden sie als Traktionsbatterien zum Antreiben eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs eingesetzt. Um eine hohe Leistungsdichte zu erzielen, wird in den Batteriesystemen häufig ein Aufbau der Batterieeinzelzellen in Lithium-Ionen-Technologie realisiert.
Diese Technologie erlaubt einerseits einen hohen Energieinhalt der Batterieeinzelzellen, andererseits ist es so, dass durch den hohen Energieinhalt verursacht im Falle eines Defekts das Gefahrenpotenzial relativ hoch ist. Eine der Gefahren, welche schlimmstenfalls zu einem Brand der Batterie führen kann, ist das sogenannte thermische Durchgehen (Thermal Runaway) der Batterie. Bei aktiver Batterie wird daher typischerweise über ein Batteriemanagementsystem eine Überwachung der Batterie, insbesondere der Temperatur, der Spannung und weiterer Größen, erfolgen. Ein thermisches Durchgehen lässt sich dann entsprechend früh erkennen und geeignete Reaktionen können eingeleitet werden, um einem ernsthaften Schaden oder einer ernsthaften Gefahr durch die Batterie aktiv entgegenzuwirken.
In der Praxis ist jedoch so, dass ein signifikanter Anteil von derartigen thermischen Vorfällen in Batterien nach dem Laden und während der inaktiven Phase der Batterie stattfindet. Das Batteriemanagementsystem ist dann typischerweise abgeschaltet oder befindet sich in einem Ruhemodus, sodass das thermische Durchgehen nicht erkannt wird und dementsprechend keine Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.
Neuere Entwicklungen, wie sie beispielsweise durch die DE 102019215 812 A1 bekannt sind, begegnen dieser Problematik dadurch, dass ergänzend zu dem Batteriemanagementsystem eine Sensoranordnung oder mehrere Sensoranordnungen zum Einsatz kommen. Solche Sensoranordnungen können bei weitaus geringerem Energiebedarf als dem des Batteriemanagementsystems Messwerte der Batterie erfassen und zumindest mit Vorgabewerten vergleichen. Kommt es hier zu kritischen Werten, wird dies entsprechend erkannt und über ein Aufwecksignal kann das Batteriemanagementsystem aufgeweckt werden, um dann die weitere Überwachung und gegebenenfalls das Einleiten von Gegenmaßnahmen zu initiieren. Die genannte Offenlegungsschrift beschreibt dabei weiter, dass die Sensoranordnung einen eigenen Speicher aufweist, um dem Batteriemanagementsystem, nachdem dieses aus dem Ruhemodus aufgeweckt worden ist, eine entsprechende Datenbasis zur Verfügung zu stellen, um möglichst schnell die Lage beurteilen zu können.
In der Praxis ist es so, dass derartige Sensoranordnungen mit der ihr zugeordneten Elektronik, welche typischerweise als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet ist, entsprechende Schwellenwerte zur Generierung eines Aufwachsignals vorgegeben werden können. Werden diese Schwellenwerte auf die allgemein üblichen Limits von beispielsweise 2 Volt je Zelle und/oder 80° C gesetzt, dann erfolgt das Aufwachen des Batteriemanagementsystems, für den Fall, dass ein tatsächliches thermisches Durchgehen vorliegt, außerordentlich spät. Da auch noch eine gewisse Zeit benötigt wird, um das Batteriemanagementsystem vollends „hochzufahren“, vergeht wertvolle Zeit, welche im Falle eines thermischen Durchgehens dazu führen kann, dass durch das Batteriemanagementsystem eingeleitete Gegenmaßnahmen häufig zu spät umgesetzt werden, um das thermische Durchgehen tatsächlich zu unterbinden.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zum Überwachen eines Batteriesystems mit einem Aufwecken des Batteriemanagementsystems zu schaffen, welches eine sehr hohe Sicherheit bei akzeptabler Energieeffizienz ermöglicht. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Überwachen eines Batteriesystems mit wenigstes einem Batteriemodul mit mehreren Batterieeinzelzellen umfasst ein Batteriemanagementsystem und eine Sensoranordnung, welche typischerweise in Form von Sensoren und einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung ausgebildet ist. Im realen Aufbau sind dabei mehrere dieser Sensoranordnungen vorgesehen, welche jeweils eine oder einige der Batterieeinzelzellen entsprechend überwachen. Wird das Batteriesystem nicht genutzt, beispielsweise weil ein Fahrzeug, in welchem das Batteriesystem gemäß einer bevorzugten Anwendung als Traktionsbatterie eingesetzt wird, nicht bewegt wird, dann geht das Batteriemanagementsystem zum Einsparen von Energie in einen Ruhemodus, in welchem es typischerweise keine eigene elektrische Energie benötigt. Die wenigstens eine Sensoranordnung erfasst währenddessen weiterhin wenigstens einen Messwert zur Überwachung des Batteriesystems. Diese Messwerte können insbesondere Spannungen und Temperaturen umfassen. Die erfassten Messwerte werden mit Vorgabewerten verglichen und im Falle einer Abweichung wird ein Aufwecksignal für das Batteriemanagementsystem generiert und dieses wird wieder aufgeweckt bzw. aktiviert. All dies ist soweit prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt.
Um nun zu erreichen, dass das Aufwecken möglichst rechtzeitig erfolgt, um gegebenenfalls noch eingreifen zu können, sodass ein thermisches Durchgehen des Batteriesystems verhindert werden kann, ist es erfindungsgemäß nun vorgesehen, dass ergänzend zu einem Aufwecksignal aufgrund einer Verletzung eines Vorgabewerts durch den wenigstens einen Messwert das Aufwecksignal auch durch den Ablauf einer vorgegebenen Weckzeit ausgelöst wird, wobei dann, für den Fall des Auslösens des Aufwecksignals durch einen Ablauf der vorgegebenen Weckzeit, eine neue Weckzeit sowie neue Vorgabewerte durch das Batteriemanagementsystem bestimmt und vorgegeben werden, bevor das Batteriemanagementsystem erneut in den Ruhemodus wechselt. Wird das Aufwecksignal dagegen durch eine Verletzung des Vorgabewerts durch den erfassten Messwert ausgelöst, wird das Batteriemanagementsystem aufgeweckt und ein Notfallmodus gestartet. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es also, das Batteriemanagementsystem nicht nur im Notfall aufzuwecken, sondern auch in Abhängigkeit einer zu bestimmenden Weckzeit. Dadurch ist es möglich, die Vorgabewerte als Schwellenwerte zur Überwachung des Batteriesystems möglichst eng nachführen, um für den Fall eines auftretenden Notfalls ein möglichst frühes Aufwecken des Batteriemanagementsystems zu gewährleisten. Dieses kann dann im Notfallmodus den Notfall verifizieren und geeignete Maßnahmen einleiten, um so außerordentlich schnell und effizient auf einen potenziellen Notfall reagieren zu können, sodass ein thermisches Durchgehen des Batteriesystems in annähernd allen auftretenden Fällen noch rechtzeitig abgefangen werden kann.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens fließen in die Bestimmung der neuen Weckzeiten und/oder der neuen Vorgabewerte Gradienten des zeitlichen Verlaufs des wenigstens einen Messwerts und/oder festgelegte Änderungen des wenigstens einen Messwerts ein. Somit können Vorhersagen über den zu erwartenden Verlauf der Messwerte basierend auf den Gradienten genutzt werden, um die Limits für das Aufwecken des Batteriemanagementsystems im Notfall nachzuführen. Zusammen mit festgelegten Änderungswerten kann ermittelt werden, wann der Gradient diesen Änderungswert erreicht. Die zu erwartende tatsächliche Kurve verläuft dann je nach Messwert unterhalb oder oberhalb dieses Gradienten, sodass im Normalfall bis zum Erreichen der neuen Weckzeit keine Überschreitung des neuen Vorgabewerts zu erwarten ist. Tritt diese dennoch auf, muss von einem Notfall ausgegangen werden.
Diese Variante bietet also die Möglichkeit, die Limits sehr eng nachzuführen. Damit lässt sich einerseits das Auftreten unerwünschter Fehlalarme reduzieren und andererseits lässt sich bei einer Verletzung der Limits relativ schnell durch das Aufwecken des Batteriemanagementsystems und ein Verifizieren des potenziellen Notfalls ein Notfall erkennen. Dies schafft Zeit, um beispielsweise durch ein Abschalten von Zellmodulen, ein Hochfahren der Kühlung oder ähnliche Maßnahmen sehr schnell reagieren zu können. Eine Ausbreitung des thermischen Durchgehens auf das gesamte Batteriesystem lässt sich so in den meisten Fällen zuverlässig verhindern.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei auch vorgesehen sein, dass eine neue Weckzeit und neue Vorgabewerte für jede Sensoranordnung individuell bestimmt und vorgegeben werden. Jede der Sensoranordnungen überwacht typischerweise eine oder einige Batterieeinzelzellen.
Diese können auf zuvor aufgetretene Ereignisse wie beispielsweise eine Fahrt des Fahrzeugs, in welchem das Batteriesystem gemäß einer bevorzugten Verwendung als Traktionsbatterie dient, unterschiedlich reagieren. Dies hat typischerweise mit den herstellungsbedingten Toleranzen der Batterieeinzelzellen zu tun. Deshalb kann durch diese besonders günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und die individuelle Anpassung von Weckzeiten und Vorgabewerten auf solche Unregelmäßigkeiten innerhalb der Batterie reagiert werden. Damit wird sichergestellt, dass nicht einige aufgrund der Herstellungstoleranzen gegebenenfalls abweichende Batterieeinzelzellen quasi „versehentlich“ einen Notfallalarm auslösen und das Batteriemanagementsystem wecken, obwohl ihre Werte bezogen auf diese speziellen Einzelzellen noch als durchaus unkritisch anzusehen sind.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Bestimmung der neuen Weckzeiten und der neuen Vorgabewerte eine erlaubte Änderung des Messwerts auf Basis der aktuellen Werte festgelegt. Außerdem wird der höchste und/oder der niedrigste für eine Batterieeinzelzelle von der Sensoranordnung erfasste Wert ermittelt. Auf dieser Basis wird dann ein Messwertlimit für das nächste Aufwecken berechnet und es wird ein Gradient des Messwerts im aktuellen Zeitpunkt berechnet. Aus diesen Werten des Limits in Kombination mit dem Gradienten lässt sich dann eine Weckzeit als neue Weckzeit berechnen, zu welcher der Gradient das berechnete Limit des Messwerts erreicht. Das Limit als Vorgabewert und die Weckzeit als neue Weckzeit werden dann genutzt, um die jeweilige Sensoranordnung, gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung jeweils individuell, neu zu „instruieren“, um anschließend des Batteriemanagementsystem, welches diese Berechnungen durchgeführt hat, wieder in den Ruhemodus zu versetzen.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee können dabei weitere Diagnosen und Berechnungen zur Absicherung und/oder Plausibilisierung der ermittelten Werte, also der neuen Weckzeit und der neuen Vorgabewerte, von dem Batteriemanagementsystem durchgeführt werden, um potenzielle Fehlkalkulationen zu erkennen und abzufangen.
Als die zu überwachenden Messwerte werden dabei gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zumindest die Temperaturen und/oder die Zellspannungen überwacht. Über diese Werte kann auch heute bereits ein thermisches Durchgehen ermittelt werden. Allerdings kann durch die erfindungsgemäße enge Nachführung der Limits zum Erkennen eines solchen thermischen Durchgehens das Verfahren im oben beschriebenen Sinn verbessert werden. Neben diesem besonders wichtigen Werten der Temperatur und der Zellspannung sind grundlegend auch weitere Werte denkbar, beispielsweise dem im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Druckwert oder dergleichen.
Die Berechnung des Messwertlimits kann dabei, je nach Messwert, auf einer Addition oder Subtraktion der festgelegten Änderung zu dem aktuellen Messwert erfolgen. Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee kann die Summe oder Differenz außerdem mit einem Offsetwert verrechnet werden, welcher beispielsweise auf Messungen innerhalb des Batteriesystems, wie zum Beispiel dem aktuellen Ladezustand, beruht oder je nach Charakteristik des Batteriesystems vorgegeben wird. Dieser Offsetwert kann auch über das Batteriemanagementsystem, wenn dieses aktiv ist, für das Batteriesystem berechnet werden und kann sich im Laufe der Zeit oder an verschiedene Situationen, wie zum Beispiel Ladezustände, anpassen. Damit entsteht quasi ein selbstlernender Offsetwert, welcher in der Lage ist, beispielsweise Alterungseffekte in dem Batteriesystem entsprechend abzubilden und zu berücksichtigen. Dieser Wert kann dabei vorzugsweise individuell für jede der Sensoranordnungen generiert werden, um so auch unterschiedliche Alterungseffekte in den Einzelzellen des Batteriesystems oder seiner Batteriemodule berücksichtigen zu können.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei so, dass der Notfallmodus weitere Messungen und/oder Diagnosen durch das Batteriemanagementsystem umfasst, wobei im Falle eines bestätigten Notfalls Gegenmaßnahmen eingeleitet und eine Warnmeldung erzeugt wird, und wobei im Falle eines nicht bestätigten Notfalls das Batteriemanagementsystem wachgehalten wird und der wenigstens eine Messwert mit eng vorgegebenen Vorgabewerten überwacht wird. Dieses Wachhalten des Batteriemanagementsystems nach einem potenziellen aber nicht bestätigten Notfall erhöht die Sicherheit, um dann aktiv durch die im Batteriemanagementsystem vorliegenden Messmethoden wie beispielsweise eine Impedanzmessung oder dergleichen das Batteriesystem weiterhin eng überwachen zu können. Hierdurch kann ausgeschlossen werden, dass der nicht bestätigte Notfall bereits die Andeutung eines Notfalls war, welcher sich allerdings in einem noch so frühen Zustand befindet, dass er auch durch das Batteriemanagementsystem nicht verifiziert werden konnte. Indem das Batteriemanagementsystem in einem solchen Fall wachgehalten wird und das Batteriesystem eng überwacht, kann nun schnell reagiert werden, falls sich der vermeintliche aber nicht bestätigte Notfall doch noch zu einem tatsächlichen Notfall auswächst.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann dabei nach Ablauf einer festgelegten Zeitspanne, in welcher die engen vorgegebenen Schwellenwerte nicht verletzt worden sind, der Notfallmodus beendet werden, sodass nach einer ausreichenden Zeitspanne der Überwachung das Batteriemanagementsystem wieder in den Ruhemodus des Batteriesystems mit einer fortlaufenden Überwachung ausschließlich durch die Sensoranordnungen, und damit außerordentlich energieeffizient, zurückkehrt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Bockdiagramm zur Verdeutlichung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Ablaufs der Limitnachführung je Sensoranordnung;
Fig. 3 ein Diagramm der Zellspannung über der Zeit zur Verdeutlichung des Verfahrens am Beispiel der Überwachung der Zellspannung;
Fig. 4 ein Diagramm der Zelltemperatur über der Zeit zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Temperatur beim Abkühlen des Batteriesystems; und
Fig. 5 eine Darstellung analog zur der in Fig. 4 beim Aufwärmen des Batteriesystems.
In der Darstellung der Figur 1 ist in einem Blockdiagramm der prinzipielle Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Über eine Sensoranordnung, welche hier durch ihre anwendungsspezifische integrierte Schaltung ASIC bezeichnet wird, erfolgt die eigentliche Limitüberwachung, also die Erfassung der Messwerte aus einem Batteriesystem und die Überwachung, ob diese Messwerte festgesetzte Vorgabewerte, welche nachfolgend auch als Limits bezeichnet werden, verletzen. Ist dies der Fall, generiert die ASIC ein Aufwecksignal, indem die mit „aufwecken“ bezeichnete Box angesteuert wird. Das Batteriemanagementsystem BMS wird dann entsprechend aktiviert und es erfolgt, sofern durch das Batteriemanagementsystem BMS kein Notfall detektiert und verifiziert wird, ein Nachführen der Limits, was einerseits zu einem neuen Limit bzw. Vorgabewert und andererseits zu einer auf diesem Vorgabewert basierenden neuen Weckzeit führt. Die neuen Vorgabewerte werden an die Limitüberwachung der jeweiligen ASICs gesendet, wobei das Nachführen der Limits individuell pro in dem Batteriesystem verbauter Sensoranordnung ASIC durchgeführt wird. Parallel dazu wird die Weckzeit entsprechend gesetzt, sodass zeitgesteuert alternativ und ergänzend zu einem Aufwecksignal aus der Limitüberwachung ein zeitgesteuertes Aufwecksignal an das Batteriemanagementsystem BMS gesendet werden kann. Das Batteriemanagementsystem BMS versetzt sich danach wieder in den Ruhemodus und verbleibt dort, bis entweder von der Limitüberwachung eine Verletzung der eng nachgeführten Limits erkannt worden ist oder die nächste Weckzeit erreicht worden ist, was zu einem erneuten Aufwecken und typischerweise Nachführen der Limits in dem Batteriemanagementsystem BMS führt.
In Figur 2 ist nun in einem weiteren Blockschaltdiagramm das Nachführen der Limits an einem denkbaren Ausführungsbeispiel näher spezifiziert. Dabei werden die Randbedingungen in thermischer Hinsicht, also beispielsweise die Kühlung, die Umgebungstemperatur und dergleichen, berücksichtigt und es wird die maximale Zelltemperatur für jede einzelne Sensoranordnung bzw. deren ASIC entsprechend bestimmt. Diese Temperaturüberwachung führt dann zu einem Bestimmen und Vorhersagen des zu erwartenden Temperaturverlaufs anhand eines Gradienten. Dazu werden Werteänderungen ÄTth und ÄTth.max entsprechend vorgegeben. Auf Basis dieser Daten und des Gradienten wird die Schlafdauer berechnet und eine neue Weckzeit gesetzt und es werden neue Temperaturlimits berechnet, welche, wie es in dem oben dargestellten Blockschaltdiagramm schon ausgeführt war, dann an die ASICs gesendet und dort entsprechend gesetzt werden. Der ganze Ablauf erfolgt dabei vorzugsweise für jeden ASIC individuell.
In der unteren Hälfte des Blockschaltdiagramms der Figur 2 ist ein vergleichbarer Ablauf für die Zellspannung beschrieben. Basis ist dabei das Bestimmen der minimalen Zellspannung je Sensoranordnung bzw. dem ihr zugeordneten ASIC. Auch hier wird wieder ein Gradient auf Basis des Messwerts bestimmt und ein Parameter für die maximale Spannungsänderung ÄUth entsprechend vorgegeben. Auch auf Basis dieses Gradienten und dieses Vorgabewerts wird dann eine Schlafdauer berechnet und eine Weckzeit gesetzt sowie ein neues Spannungslimit als Vorgabewert berechnet und an den jeweiligen ASIC gesendet und dort für die zukünftige Limitüberwachung entsprechend eingesetzt.
Die Diagramme der Figuren 3 bis 5 zeigen nun die Spannung über der Zeit und Temperaturen über der zeit bei verschieden beispielhaften Fällen zur Erläuterung des prinzipiellen Verfahrensablaufs. Mit strichpunktierter Linie sind dabei jeweils die Messwerte entsprechend dargestellt, mit den dünnen durchgezogenen Linien die Gradienten in den jeweiligen Punkten und mit der dicken durchgezogenen Linie jeweils im zeitlich letzten Drittel des Verlaufs eine potenzielle Abweichung des jeweiligen Messwerts, welche zu einem Aufwecken des Batteriemanagementsystems aufgrund einer Limitüberschreitung führt und damit einen Notfallmodus des Batteriemanagementsystems BMS auslöst, um insbesondere ein thermisches Durchgehen des Batteriesystems zu verhindern.
In der Darstellung der Figur 3 ist als Messwert nun die Spannung U dargestellt. Die Situation ist die folgende:
Die Ausgangslage des Batteriesystems ist nun die, dass die Zellspannung U nach einer Belastung relaxiert. Der Verlauf ist prinzipiell als Summe von e-Funktionen beschreibbar, wobei eine weitere sehr geringe Änderung durch die Selbstentladung auftritt. Ist die Situation nun so, dass eine der Batteriezellen stärker absinkt als die verbleibenden, dann kann ein kritischer Zustand vorliegen. Eine dauerhafte Überwachung und ein Vergleich aller Batteriezellen ist jedoch nicht möglich, da ansonsten das
Batteriemanagementsystems BMS durchgehend wachgehalten werden müsste, was aus den oben beschriebenen Gründen der Energieeffizienz nicht gewünscht ist. Also wird ein wakeUp-fähiger Front-End-ASIC mit der Sensoranordnung entsprechend genutzt. Der Ansatz zur Überwachung des Batteriesystems definiert nun einen Änderungswert für die Spannung U. Dieser ist in der Darstellung der Figur mit ÄUth bezeichnet. Nachfolgend werden dann die folgenden Schritte durchgeführt: 1. Bestimmen der niedrigsten Zellspannung je verbauter Sensoranordnung (ASIC).
2. Setzen eines Spannungslimits Uiim,x = U-ÄUth für das nächste Aufwecken des Batteriemanagementsystems BMS (wakeUp).
3. Ermitteln des Spannungsgradienten im Zeitpunkt tx.
4. Berechnen der Zeitspanne Ätwakeu ,x bis zum nächsten Aufwecken des Batteriemanagementsystems BMS aus dem Gadinaten und den Änderungswert ÄUth. Das nächste reguläre Aufwecken des Batteriemanagementsystems BMS dient dann dazu das Spannungslimit Uiim,x nachzuführen.
5. Das Batteriemanagementsystem BMS wird anschließend wieder in den Ruhemodus versetzt.
Kommt es nun zu einem Aufwecken des Batteriemanagementsystems BMS nach Ablauf der vorgegebenen Weckzeit Ätwakeu , dann werden die beschriebenen Schritte 1 bis 5 entsprechend wiederholt. Bei Bedarf sind ergänzend weitere Diagnosen und Berechnungen möglich.
Der Spannungsschwellenwert ÄUth ist dabei ein vorzugebender Designparameter der beispielsweise für alle Bereiche konstant gewählt werden kann. In vorteilhafter Weise wird er jedoch in Abhängigkeit der Leerlaufkennlinienform für die einzelnen Bereiche unterschiedlich gewählt. Dann würde in Bereichen mit flacher Kennlinie, beispielsweise einem Ladezustand von in etwa 50%, ein geringerer Wert gewählt werden, beispielsweise 5 mV, im Vergleich zu höheren oder niedrigeren Ladezuständen von beispielsweise weniger als 20% oder mehr als 90%. Wie oben bereits erwähnt wird er genutzt, um mit dem ermittelten Spannungsgradienten die entsprechende Aufweckzeit ÄttWakeu zu berechnen.
Im Diagramm der Figur 3 ist dabei gezeigt, dass beispielsweise zum Ablauf der Aufweckzeit ÄtWakeu i der Abstand Urem der tatsächlichen Spannung von der gesetzten Spannungsschwelle ÄUth ausreichend klein ist, sodass im Falle einer Abweichung der Spannung das Aufwecken relativ schnell erfolgen würde. Weicht die Spannung entsprechend nicht unerwartet ab, wie es hier bei den Punkten L, t2 und h, der Fall ist, dann erfolgt wie oben beschrieben das Aufwecken zum jeweiligen Zeitpunkt, an dem der Gradient im Punkt L , t2 das entsprechende Spannungslimit Uiim.i , m, 2 erreicht. Während des Zeitlaufs der dritten Aufweckzeitspanne Ätwakeu 3 kommt es nun, wie es mit durchgezogener Linie dargestellt ist, zu einem stärkeren Abfall der Spannung als erwartet. Das Aufwecken des Batteriemanagementsystems BMS erfolgt also durch eine Limitverletzung zum Zeitpunkt tn, wenn der tatsächliche Wert das Spannungslimit Uiim,3, in diesem Fall von 3,6 V, erreicht. Im Vergleich zur Eingabe eines standardisierten Spannungslimits von typischerweise 2 V erfolgt so das Aufwecken des Batteriemanagementsystems BMS sehr viel früher, was die erforderliche Zeit liefert, in einem Notfallmodus reagieren zu können. Ein solcher Notfallmodus wird im Anschluss an die Figuren 3 bis 5 mit seinen Möglichkeiten noch näher beschrieben.
In der Darstellung der Figur 4 ist nun ein vergleichbares Szenario unter Berücksichtigung der Zelltemperatur T, in diesem Fall beim Abkühlen des Batteriesystems, gezeigt. Die Ausgangslage ist die, dass eine Temperaturänderung beispielsweise durch eine Veränderung der Umgebungstemperatur auftritt. Die Zellen des Batteriesystems kühlen sich also ab. Prinzipiell wäre auch ein Heizen oder Kühlen des Batteriesystems als Ursache denkbar. Dabei ist zu beachten, dass die Änderungsraten der Temperatur aufgrund der relativ großen thermischen Masse des Batteriesystems stark begrenzt sind.
Der Ansatz zur Überwachung des Batteriesystems auf Basis der Temperatur T beim Abkühlen des Batteriesystems basiert nun wieder auf der Definition eines Änderungswerts der Temperatur ÄTth zu dem ein reguläres Aufwecken stattfinden soll. Das Verfahren umfasst dann die folgenden Schritte:
1. Bestimmen der höchsten Zelltemperatur je Sensoranordnung bzw. ASIC.
2. Setzen eines Temperaturlimits T|im,x=T+ÄTth,max als Temperaturlimit für das Aufwecken im Falle einer Limitverletzung. Trotz des Abkühlens liegt das Temperaturlimit Tiim,x höher als der aktuelle Wert, da sich im Falle eines thermischen Durchgehens die Temperatur T der Einzelzellen sich entsprechend erhöht.
3. Ermitteln des Temperaturgradienten im Zeitpunkt tx.
4. Berechnen der Zeitspanne bis zum nächsten Aufwecken Ätwakeu x auf Basis des Temperaturgradienten und des definierten Änderungswerts ÄTth. Dieses reguläre Aufwecken des Batteriemanagementsystems BMS dient dann dazu, das Temperaturlimit T|im,x entsprechend nachzuführen.
5. Das Batteriemanagementsystem BMS wird wieder in den Ruhemodus versetzt. Der Temperaturwert Tamb in der Darstellung des Diagramms der Figur 4 symbolisiert dabei die Umgebungstemperatur.
Der Wert ÄTth.max dient dabei dazu, ein gewisses Rauschen im Temperatursignal abzufangen. Prinzipiell und theoretisch könnte das Limit auf die aktuelle Temperatur T gesetzt werden, da die Temperatur T beim Abkühlen mit fortschreiten der Zeit t abfällt. Kommt es dann jedoch zu einem Rauschen im Messwert der Temperatur T, wird sehr schnell ein unerwünschter Notfallalarm ausgelöst, sodass dieser Offset- Wert ÄTth.max hier zu einem besseren Ergebnis führt. Würde, was ebenfalls denkbar ist, der Wert (zusätzlich) mit dem definierten Änderungswert ÄTth berechnet, könnte sich beim Abkühlen bei einer entsprechend kleinen Temperaturänderung eine außerordentlich lange Schlafdauer ergeben, welche dazu führt, dass ein Aufwecken durch eine Limitverletzung erst bei einer sehr großen Temperaturdifferenz erfolgt, was aufgrund der kleinen Änderungsraten der Temperatur dann bereits kritisch sein könnte.
Bei einem Aufwecken nach Ablauf der Aufweckzeitspanne ÄtWakeu x werden dann die genannten Schritte 1 bis 5 entsprechend wiederholt und auch hier sind weitere Diagnosen und Berechnungen möglich.
Im Bereich der dritten Aufweckzeit ÄtWakeuP3 kommt es erneut zum Zeitpunkt tn, analog zur Erläuterung in Figur 3, zu einem Ausbrechen der Temperatur T, welche durch den mit durchgezogener fetter Linie dargestellten Temperaturanstieg gekennzeichnet ist. Sobald diese Temperatur T nun das entsprechende Temperaturlimit T|im,3, erreicht, also zum Zeitpunkt tn, wird ein Aufwecken durch eine Limitverletzung initiiert und damit der Notfallmodus des Batteriemanagementsystems BMS eingeleitet.
In der Darstellung der Figur 5 ist ein weiteres Beispiel anhand der Temperatur T als zu überwachende Größe beschrieben. Die Voraussetzungen sind hier im Wesentlichen dieselben wie bei der Darstellung in Figur 4, lediglich handelt es sich hier um ein Aufwärmen des Batteriesystems beispielsweise aufgrund einer sich ändernden Umgebungstemperatur oder eines Vorheizen eines sehr kalten Batteriesystems, sodass dessen Leistungsfähigkeit von Anfang an voll oder zumindest in einem für die jeweils geplante Strecke ausreichendem Maß zur Verfügung steht. Der Ansatz ist auch hier wieder der Folgende. Zuerst wird ein Änderungswert definiert, zu dem ein reguläres Aufwecken stattfinden soll. Dieser ist wiederum mit ÄTth bezeichnet. Das Verfahren läuft dann weitgehend analog zum oben beschriebenen Verfahren ab, sodass die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden:
1. Bestimmen der höchsten Zelltemperatur je Sensoranordnung bzw. ASIC.
2. Setzen eines Temperaturlimits Tiim,x=T+ ÄTth +ÄTth,max als Temperaturlimit für das Aufwecken im Falle einer Limitverletzung. Trotz des Abkühlens liegt das Temperaturlimit T|im,x höher als der aktuelle Wert, da sich im Falle eines thermischen Durchgehens die Temperatur T der Einzelzellen sich entsprechend erhöht.
3. Ermitteln des Temperaturgradienten im Zeitpunkt tx.
4. Berechnen der Zeitspanne bis zum nächsten Aufwecken ÄtWakeuPx auf Basis des Temperaturgradienten und des definierten Änderungswerts ÄTth. Dieses reguläre Aufwecken des Batteriemanagementsystems BMS dient dann dazu, das Temperaturlimit T|im,x entsprechend nachzuführen.
5. Das Batteriemanagementsystem BMS wird wieder in den Ruhemodus versetzt.
Beim Setzen des Temperaturlimits Tiim,x muss nun, da die Richtung der Temperaturänderung beim Aufwärmen des Batteriesystems prinzipiell dieselbe ist wie im Fale einer Überhitzung einer der Einzelzellen entsprechend zur aktuellen Temperatur T sowohl der vorgegebene Änderungswert ÄTth als auch, wie oben beschrieben, der Offset- Wert ÄTth.max addiert werden.
Der Rest verhät sich analog. Auch hier kommt es zum Zeitpunkt tn, zu einer Limitverletzung, die das Batteriemanagementsystems BMS weckt und einen Notfallmodus einleitet.
Für den in den in den Figur 3 bis 5 dargestellten Diagrammen eingezeichneten Fall, bei welchem das Wecken des Batteriemanagementsystems BMS durch eine Limitüberwachung durch einen Messwert einer Sensoranordnung bzw. ihren ASIC erfolgt ist, muss typischerweise von einem Notfall ausgegangen werden, also beispielsweise einem sich abzeichnenden thermischen Durchgehen des Batteriesystems. Wenn das Batteriemanagementsystem BMS also von einem durch eine Limitüberschreitung ausgelösten Aufwecksignal durch eine der Sensoranordnungen bzw. ihren ASIC geweckt wird, dann wird das Batteriemanagementsystem BMS weitere Größen erheben, beispielsweise den Isolationswiderstand des Batteriesystems oder einzelner Module sowie eine Impedanzmessung von Einzelzellen oder einzelnen Modulen des Batteriesystems. Im Gegensatz zur reinen Überwachung über die Sensoranordnung und den ASIC erfordert dies eine aktive Messmimik, welche so nur bei aufgewecktem Batteriemanagementsystem BMS zur Verfügung steht. Dem Batteriemanagementsystem BMS ist es dann aber möglich, auf Basis der erfassten Größen einen kritischen Zustand der Batterie zu verifizieren, falls dieser vorliegt, und eine Warnung auszugeben und Gegenmaßnahmen einzuleiten. Wird erstmal kein kritischer Zustand der Batterie verifiziert, dann kann im Notfallmodus das Batteriemanagementsystem BMS dennoch wachgehalten werden, beispielsweise für eine fest vorgegebene Zeitdauer und kann während dieser Zeit weitere aktive Diagnosen, wie beispielsweise die bereits angesprochenen Messungen des Isolationswiderstands oder der Impedanz, vornehmen. Damit lässt sich sicherstellen, dass ein eventueller Notfall, wie beispielsweise ein sich abzeichnendes thermisches Durchgehen des Batteriesystems, übersehen wird.
Bleibt für den Ablauf dieser vorgegebenen Zeitdauer alles ruhig, werden also keine Messungen vorgenommen, welche auf ein Problem des Batteriesystems hindeuten, dann kann nach Ablauf dieser Zeitdauer das Batteriemanagementsystems BMS zurück in den Ruhemodus wechseln. Die weitere Überwachung erfolgt dann wieder über die Sensoranordnungen und ihre ASICs.
Ergänzend können relative und abgeleitete Größen aus den von den Sensoranordnungen erfassten Zellspannungen und Temperaturen berechnet werden, über welche ebenfalls eine Verifizierung eines potenziellen kritischen Zustands möglich ist. Dies können beispielsweise Varianzen von Zellspannungen und Temperaturen, Gradienten von Zellspannungen und Temperaturen sowie ein Vergleich der Gradienten und der Varianzen von Temperaturen und Spannungen sein. All dies führt insgesamt dazu, dass aufgrund der eng nachgeführten Limits im Falle eines sich abzeichnenden Notfalls das Batteriemanagementsystem BMS außerordentlich schnell geweckt wird, sodass ausreichend Zeit bleibt, über Gegenmaßnahmen wie ein Aktivieren oder Deaktivieren von Teilbereichen des Batteriesystems, die Aufnahme der Kühlung, das Zuschalten oder Abschalten von Verbrauchern oder dergleichen einem thermischen Durchgehen der Batterie entgegenzuwirken.

Claims

Mercedes-Benz Group AG Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen eines Batteriesystem mit wenigstens einem mehrere Batterieeinzelzellen aufweisenden Batteriemodul, mit einem Batteriemanagementsystem (BMS) und wenigstens einer Sensoranordnung (ASIC), wobei das Batteriemanagementsystem (BMS) in einem Ruhemodus des Batteriesystems nicht aktiv ist, wobei die Sensoranordnung (ASIC) im Ruhemodus wenigstens einen Messwert überwacht und mit Vorgabewerten vergleicht, wobei im Falle einer Abweichung des Messwerts von den Vorgabewerten der Ruhemodus beendet und das Batteriemanagementsystem (BMS) durch ein Aufwecksignal aktiviert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufwecksignal ergänzend alternativ durch den Ablauf einer vorgegebenen Weckzeit (Ätwakeu ) ausgelöst wird, wobei im Falle eines Auslösens des Aufwecksignals über einen Ablauf der vorgebeben Weckzeit (Ätwakeu ) eine neue Weckzeit (Ätwakeu ) sowie neue Vorgabewerte ( m, Tüm) bestimmt und vorgegeben werden, bevor das Batteriemanagementsystem (BMS) erneut in den Ruhemodus wechselt, und wobei im Falle des Auslösens des Aufwecksignals über eine Abweichung des wenigstens einen Messwerts von dem wenigstens einen Vorgabewert (Um, Tüm) ein Notfallmodus gestartet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in die Bestimmung der neuen Weckzeit (Ätwakeu ) und/oder der neuen Vorgabewerte (Uiim, T iim) Gradienten des zeitlichen Verlaufs des wenigstens einen Messwerts und/oder eine festgelegte Änderung (ÄTth, ÄUth) des wenigstens einen Messwerts einfließen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine neue Weckzeit (Ätwakeu ) und neue Vorgabewerte (Uiim, Tnm) für jede Sensoranordnung (ASIC) individuell bestimmt und vorgegeben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der neuen Weckzeit (Ätwakeu ) und der neuen Vorgabewerte (Uiim,
T um) eine erlaubte Änderung (ÄUth, ÄTth) des Messwerts auf Basis der aktuellen Werte festgelegt wird und der höchste und/oder niedrigste für eine der Batterieeinzelzellen von der Sensoranordnung (ASIC) erfasste Wert ermittelt wird, woraus ein Messwertlimit (Unm, Tnm) für das nächste Aufwecken berechnet wird, und wozu ein Gradient des Messwerts im aktuellen Zeitpunkt berechnet wird, woraus eine neue Weckzeit (ÄTwakeu ) berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Diagnosen und/oder Berechnungen zur Absicherung und/oder Plausibilisierung der ermittelten Werte für die neue Weckzeit (Ätwakeu ) und/oder die neuen Vorgabewerte (Unm, Tnm) durchgeführt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die überwachten Messwerte zumindest die Temperatur (T) und/oder die Spannung (U) des Batteriesystems oder von Batterieeinzelzellen umfassen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung des Messwertlimits (Uiim, Tiim) durch eine Addition oder Subtraktion der festgelegten Änderung (ÄUth, ÄTth) zu dem aktuellen Messwert erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe oder Differenz mit einem Offsetwert (ÄTth.tmax) verrechnet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Notfallmodus weitere Messungen und/oder Diagnosen durch das Batteriemanagementsystem (BMS) umfasst, wobei im Falle eines bestätigten Notfalls Gegenmaßnahmen eingeleitet und eine Warnung ausgegeben wird, und wobei im Falle eines nicht bestätigten Notfalls das Batteriemanagementsystem (BMS) wachgehalten und der wenigstens eine Messwert mit engen vorgegebenen Schwellenwerten überwacht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ablauf einer festgelegten Zeitspanne, in welcher die Schwellenwerte nicht verletzt worden sind, der Notallmodus beendet wird.
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