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DE102010045514B4 - Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, der eine elektrische Spannung für eine elektrische Maschine eines Kraftwagens bereitstellt - Google Patents

Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, der eine elektrische Spannung für eine elektrische Maschine eines Kraftwagens bereitstellt Download PDF

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DE102010045514B4
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Abstract

Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers (10), der eine Spannung für eine elektrische Maschine eines Kraftwagens bereitstellt, wobei der Energiespeicher (10) eine Mehrzahl von mindestens drei elektrochemischen Zellen (12, 14, 16, 18) umfasst, für welche jeweils eine Klemmenspannung mittels jeweiligen, den elektrochemischen Zellen zugeordneten Spannungssensoren (28, 30, 32, 34) gemessen wird, wobei bei Ausfall eines Sensors (28, 30, 32, 34) die Klemmenspannung der dem Sensor (28, 30, 32, 34) zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) auf Grundlage der Klemmenspannung der übrigen elektrochemischen Zellen (12, 14, 16, 18) des Energiespeichers (10) abgeschätzt wird, wobei bei Ausfall eines Spannungssensors (20, 22, 24, 26) die Klemmenspannung der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) als Differenz zwischen einer Gesamtklemmenspannung des Energiespeichers (10) und den Klemmenspannungen der übrigen Zellen (12, 14, 16, 18) abgeschätzt wird, wobei aus einer vor Ausfall des Spannungssensors (20, 22, 24, 26) gemessenen Klemmenspannung oder einem vor Ausfall des Spannungssensors (20, 22, 24, 26) gemessenen Klemmenspannungsverlauf der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) ein Korrekturfaktor zum Korrigieren der geschätzten Klemmenspannung der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers, der eine Spannung für eine elektrische Maschine eines Kraftwagens bereitstellt, nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3.
  • Für Kraftwagen mit elektrischem Antriebsaggregat, wie beispielsweise rein elektrischen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, sind elektrische Energiespeicher mit hoher Speicherkapazität und der Fähigkeit zu hoher Leistungsabgabe notwendig. Solche Energiespeicher bestehen in der Regel aus einer Mehrzahl von elektrochemischen Zellen, die in Reihe geschaltet sind, um die notwendigen hohen Spannungen von bis zu 650 V bereitzustellen. Auch Reihenschaltungen von parallel geschalteten Zellen zur Erhöhung der Kapazität sind bekannt.
  • Aufgrund der hohen Leistungsabgabe des Energiespeichers im Betrieb eines solchen Kraftwagens müssen die einzelnen elektrochemischen Zellen des Energiespeichers überwacht werden, um Beschädigungen durch Überhitzung, Tiefentladung oder dergleichen zu vermeiden. Den einzelnen elektrochemischen Zellen sind daher üblicherweise Sensoren zum Messen ihrer Klemmenspannung und/oder ihrer Zellentemperatur zugeordnet. Beim Ausfall eines solchen Sensors stehen der Batteriesteuerung keine Informationen über die betreffende Zelle mehr zur Verfügung. Um in diesem Zustand zuverlässig Beschädigungen zu vermeiden, wird der Kraftwagen üblicherweise in einen kurzfristigen Notlaufzustand versetzt oder gleich vollständig deaktiviert. Selbst wenn ein Notlaufbetrieb vorgesehen ist, so genügt dieser oftmals nicht, den Kraftwagen zu einer Werkstatt zu bringen und das Problem beheben zu lassen. Für den Fahrer des Kraftwagens sind solche Sensorausfälle daher mit erheblichem Aufwand, Kosten und Komforteinbußen verbunden.
  • Ein Verfahren zum Überwachen von Einzelzellen einer Batterie ist beispielsweise aus der US 6 563 291 B2 bekannt. Die Einzelzellen der Batterie werden durch Vergleich jeder Klemmenspannung mit Spannungsgrenzwerten auf Über- bzw. Unterladung überwacht. Wird von einer einzelnen Zelle ein solcher Grenzwert über- bzw. unterschritten, so wird zunächst versucht, die Zelle entsprechend verstärkt zu laden oder zu entladen. Bleibt der Fehler trotzdem nach einer vorgegebenen Zeit bestehen, so geht die Batteriesteuerung von einem dauerhaften Fehler aus und schaltet die Batterien ab.
  • Ferner ist aus der US 7 173 396 B2 ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie eines Hybridfahrzeugs bekannt, bei welchem bei einem Sensorausfall ein angenommener Ladezustand der Batterie auf einen vorgegebenen Minimalwert gesetzt wird, so dass das Fahrzeug noch kurzfristig fahrtauglich bleibt. Ausgehend von diesem vorgegebenen Wert wird der Ladezustand der Batterie während dieses Notlaufbetriebs weiter abgeschätzt, wobei bei Erreichen eines unteren Grenzwerts für den Ladezustand das Fahrzeug stillgelegt wird. Auch dieses Verfahren kann nicht gewährleisten, dass bei einem Sensorausfall das Fahrzeug eine Werkstatt erreichen kann, ohne abgeschleppt werden zu müssen.
  • Aus der DE 10 2005 029 096 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Batteriegröße einer Batterie mit mehreren in Serie geschalteten Zellen bekannt, wobei zum Bestimmen der Batteriegröße für eine Gruppe von Zellen, deren Bezugspotenzial ungleich Masse ist, die Batteriegröße berechnet wird, wobei die an einer ersten Gruppe von Zellen abfallende Spannung und die an einer zweiten Gruppe von Zellen, welche die erste Gruppe und eine dritte Gruppe enthält, abfallende zweite Spannung gemessen werden und die Batteriegröße der dritten Gruppe auf Grundlage der gemessenen ersten und zweiten Spannung berechnet wird.
  • Aus der US 6,320,934 B1 ist es bekannt, bei der Bildverarbeitung mittels einer Interpolators Daten eines defekten Pixels eines Sensorelements, für welches festgestellt wurde, dass dessen Sensorcharakterisierungsinformation mit einem toten Pixel korrespondiert, durch Interpolation von Daten von Sensorelementen, die mit lebenden Pixeln korrespondieren, die das tote Pixel umgeben, zu ersetzen. Ähnliche Verfahren aus der Bildverarbeitung sind bekannt aus der WO 2005/084008 A1 , der US 2003/0063203 A1 sowie der EP 2 076 020 B1 .
  • Aus der US 6 225 788 B1 ist es bekannt, für eine Batterie mit einer Mehrzahl von Einzelzellen die Temperaturen der Einzelzellen durch jeweilige zugeordnete Sensoren zu überwachen. Es ist ferner offenbart, für Zellen, denen keine Sensoren zugeordnet sind, eine Temperatur aus den gemessenen Temperaturen benachbarter Zellen abzuschätzen.
  • Aus der US 2010/185405 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen einer Batterie bekannt, bei welchem einzelne Zellen der Batterie mit zugeordneten Temperatur- und Spannungssensoren überwacht werden. Bei Ausfall eines Sensors wird die von dem Sensor für die zugeordnete Zelle gemessene Größe auf Grundlage des Messwerts eines anderen Sensors abgeschätzt, der einer weiteren Zelle zugeordnet ist, die mit der dem ausgefallenen Sensor zugeordneten Zelle elektrisch korreliert ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3 bereitzustellen, welches einen sicheren und hinreichend langen Weiterbetrieb des Kraftwagens bei Ausfall eines Sensors für eine elektrochemische Zelle ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Ausfall eines Sensors zum Messen einer Klemmenspannung und/oder Zellentemperatur einer elektrochemischen Zelle eines elektrischen Energiespeichers für einen Kraftwagen die Klemmenspannung und/oder Zellentemperatur der dem Sensor zugeordneten Zelle auf Grundlage der Zellenspannung und/oder der Zellentemperatur wenigstens einer weiteren elektrochemischen Zelle des Energiespeichers abgeschätzt. Da sich die einzelnen elektrochemischen Zellen des Energiespeichers gegenseitig beeinflussen, ist es so möglich, zumindest einen Näherungswert für die Klemmenspannung oder die Zellentemperatur der Zelle mit dem ausgefallenen Sensor zu erhalten. Solange sich dieser Näherungswert innerhalb eines vorgegebenen Rahmens bewegt, ist es daher nicht nötig, den Kraftwagen sofort stillzulegen. Damit kann gewährleistet werden, dass auch bei einem Sensorausfall im Energiespeicher des Kraftwagens genügend sichere Betriebszeit für den Kraftwagen verbleibt, dass dieser vom Benutzer zum Service gebracht werden kann. Ein Liegenbleiben des Kraftwagens allein wegen eines Sensorausfalls wird daher vermieden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird bei Ausfall eines Temperatursensors die Zellentemperatur der zugeordneten Zelle als Mittelwert der Zellentemperaturen der zu dieser Zelle benachbarten Zelle abgeschätzt. Dies ist möglich, da innerhalb des Energiespeichers ein Wärmeübergang zwischen benachbarten Zellen stattfindet. Auf diese Art kann ohne großen rechnerischen oder sensorischen Aufwand die Temperatur einer Zelle mit ausgefallenem Temperatursensor zuverlässig weiter überwacht werden.
  • Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Zellentemperaturen der benachbarten Zellen in Abhängigkeit von deren Position im Energiespeicher gewichtet werden. Auf diese Art kann ein genauerer Schätzwert für die Temperatur der Zelle mit ausgefallenem Temperatursensor erzielt werden. Es ist beispielsweise möglich, hierbei den zusätzlichen Wärmeverlust von randständigen Zellen des Energiespeichers in Betracht zu ziehen oder die Einflüsse unterschiedlicher Wärmeübergangsflächen zwischen einzelnen Zellen und einem Kühlsystem des Energiespeichers zu kompensieren.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus einer vor Ausfall des Temperatursensors gemessenen Zellentemperatur oder einem vor Ausfall des Temperatursensors gemessenen Zellentemperaturverlauf der dem ausgefallenen Temperatursensor zugeordneten Zelle ein Korrekturfaktor zum Korrigieren des Mittelwerts der Temperatur der benachbarten Zellen bestimmt. Hierdurch wird ein besonders guter Schätzwert für die Zelltemperatur der Zelle mit ausgefallenem Temperatursensor erzielt. Insbesondere können auf diese Art spezifische Eigenschaften der Zelle mit ausgefallenem Sensor in die Abschätzung mit eingehen. So würde beispielsweise der Mittelwert der benachbarten Zellen nach oben korrigiert, wenn die Zelle mit ausgefallenem Sensor vor Ausfall des Sensors bereits eine erhöhte Temperatur gezeigt hat. Hierdurch kann zuverlässig eine Überhitzung dieser Zelle verhindert werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei Ausfall eines Spannungssensors die Klemmenspannung der zugeordneten Zelle als Differenz zwischen der Gesamtklemmenspannung des Energiespeichers und den Klemmenspannungen der übrigen Zellen abgeschätzt. Auch dies ist eine besonders einfache und rechnerisch sowie sensorisch nicht aufwändige Methode, um zumindest einen Schätzwert für die Klemmenspannung der Zelle mit ausgefallenem Spannungssensor zu erhalten, welche darauf beruht, dass die einzelnen elektrochemischen Zellen des Energiespeichers in Reihe geschaltet sind, so dass die Gesamtklemmenspannung des Energiespeichers der Summe der Klemmenspannungen aller elektrochemischen Zellen im Energiespeicher entspricht.
  • Auch hier ist es zweckmäßig, aus einer vor Ausfall des Spannungssensors gemessenen Klemmenspannung oder einem vor Ausfall des Spannungssensors gemessenen Klemmenspannungsverlauf der zugeordneten Zelle einen Korrekturfaktor zum Korrigieren der geschätzten Klemmenspannung der zugeordneten Zelle zu bestimmen. Dies ermöglicht es, Fehler, die beispielsweise durch den Widerstand der elektrischen Leitungen im Energiespeicher hervorgerufen werden, zu kompensieren, sodass ein sehr genauer Schätzwert erhalten wird.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird bei Ausfall eines Temperatur- und/oder Spannungssensors eine maximale Leistungsabgabe des Energiespeichers auf einen vorgegebenen Wert beschränkt. Hierdurch wird vermieden, dass die Zelle mit ausgefallenem Sensor überlastet wird, so dass ein sicherer Notlaufbetrieb mit nur geringem Beschädigungsrisiko für den Energiespeicher gewährleistet ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Darstellung einer Batterie eines Kraftwagens zur Durchführung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Batterie zur Spannungsversorgung eines elektrischen Antriebsaggregats eines Kraftwagens umfasst mehrere elektrochemische Zellen 12, 14, 16, 18, denen jeweils ein Spannungssensor 20, 22, 24, 26 zugeordnet ist, mittels welchem die Klemmenspannung der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18 überwacht wird. Zusätzlich ist jeder elektrochemischen Zelle 12, 14, 16, 18 ein Temperatursensor 28, 30, 32, 34 zugeordnet, mit denen die Zellentemperaturen gemessen werden. Die Spannungssensoren 20, 22, 24, 26 sowie die Temperatursensoren 28, 30, 32, 34 sind über Leitungen 36, 38 mit einem Batteriesteuergerät 40 verbunden, welches die Messwerte der Sensoren 20 bis 34 registriert und speichert.
  • Über- bzw. unterschreiten die Zellentemperaturen oder Klemmenspannungen der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18 vorgegebene Grenzwerte, so wird durch das Batteriesteuergerät 40 ein Warnsignal generiert und gegebenenfalls entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen. Hierzu kann beispielsweise die Leistungsentnahme durch die Verbraucher des Kraftwagens limitiert werden, um die Belastung der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18 zu senken. Auch eine verstärkte Kühlung der Batterie 10, Änderungen im Ladezyklus der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18, und dergleichen sind denkbar.
  • Bei Ausfall eines der Sensoren 20 bis 34 besteht die Gefahr, dass derartige Grenzwertüber- bzw. -unterschreitungen für eine der elektrochemischen Zellen 12, 14, 16, 18 nicht erkannt werden, wodurch es zu Beschädigungen der Batterie 10 kommen kann. Aus diesem Grund versucht das Batteriesteuergerät 40 in diesem Fall auf Grundlage der Messwerte der übrigen Sensoren 20 bis 34 einen Schätzwert für die normalerweise vom ausgefallenen Sensor gemessene Größe zu ermitteln.
  • Fällt beispielsweise der Spannungssensor 22 der elektrochemischen Zelle 14 aus, so kann für die Klemmenspannung der elektrochemischen Zelle 14 noch immer ein Schätzwert ermittelt werden, indem die Klemmenspannungen der übrigen Zellen 12, 16, 18 addiert und dieser Wert von einer Gesamtklemmenspannung der Batterie 10 subtrahiert wird. Der so ermittelte Wert ist nur eine Näherung, da aufgrund der Leitungswiderstände der elektrischen Leitungen in der Batterie 10 Abweichungen auftreten können. Das Batteriesteuergerät 40 kann daher in diesem Fall auf Grundlage der vor dem Ausfall des Sensors 22 gemessenen Klemmenspannung der elektrochemischen Zelle 14 Korrekturfaktoren ermitteln, um so einen genaueren Schätzwert für die Klemmenspannung der elektrochemischen Zelle 14 zu erhalten. Auch eine Messung der Stromstärke kann genutzt werden, um die Schätzung zu verbessern.
  • Beim Ausfall des Temperatursensors 30, der der elektrochemischen Zelle 14 zugeordnet ist, kann das Batteriesteuergerät 40 einen Schätzwert für die Zellentemperatur der elektrochemischen Zelle 14 durch Mittelung der von den Sensoren 28 und 32 erfassten Zellentemperaturen der elektrochemischen Zellen 12 und 16 bestimmen. Dies ist möglich, da die Zellen 12, 14, 16 in der Batterie 10 geometrisch benachbart zueinander angeordnet sind, so dass ein Wärmeübergang zwischen ihnen stattfindet. Auch hier ist eine Korrektur auf Grundlage der vom Sensor 30 vor seinem Ausfall gemessenen Zellentemperatur der elektrochemischen Zelle 14, bzw. auf Grundlage eines vom Sensor 30 gemessenen Temperaturverlaufes möglich, um so genauere Werte zu erhalten.
  • Bei einem derartigen Sensorausfall kann es zudem sinnvoll sein, wenn durch das Batteriesteuergerät 40 die maximale Leistungsabgabe der Batterie 10 beschränkt wird, sodass Überlastungen der einzelnen Zellen, die nicht mehr genau überwacht werden können, vermieden werden. Auf diese Art wird sichergestellt, dass der Kraftwagen mit der Batterie 10 noch in einem Notlaufbetrieb weiterbetrieben werden kann, bis ein Serviceeingriff zur Reparatur des defekten Sensors 22 oder 30 möglich ist.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers (10), der eine Spannung für eine elektrische Maschine eines Kraftwagens bereitstellt, wobei der Energiespeicher (10) eine Mehrzahl von mindestens drei elektrochemischen Zellen (12, 14, 16, 18) umfasst, für welche jeweils eine Klemmenspannung mittels jeweiligen, den elektrochemischen Zellen zugeordneten Spannungssensoren (28, 30, 32, 34) gemessen wird, wobei bei Ausfall eines Sensors (28, 30, 32, 34) die Klemmenspannung der dem Sensor (28, 30, 32, 34) zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) auf Grundlage der Klemmenspannung der übrigen elektrochemischen Zellen (12, 14, 16, 18) des Energiespeichers (10) abgeschätzt wird, wobei bei Ausfall eines Spannungssensors (20, 22, 24, 26) die Klemmenspannung der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) als Differenz zwischen einer Gesamtklemmenspannung des Energiespeichers (10) und den Klemmenspannungen der übrigen Zellen (12, 14, 16, 18) abgeschätzt wird, wobei aus einer vor Ausfall des Spannungssensors (20, 22, 24, 26) gemessenen Klemmenspannung oder einem vor Ausfall des Spannungssensors (20, 22, 24, 26) gemessenen Klemmenspannungsverlauf der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) ein Korrekturfaktor zum Korrigieren der geschätzten Klemmenspannung der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Spannungssensors (20, 22, 24, 26) eine maximale Leistungsabgabe des Energiespeichers (10) auf einen vorgegebenen Wert beschränkt wird.
  3. Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers (10), der eine Spannung für eine elektrische Maschine eines Kraftwagens bereitstelle, wobei der Energiespeicher (10) eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (12, 14, 16, 18) umfasst, für welche jeweils eine Zellentemperatur mittels jeweiligen, den elektrochemischen Zellen zugeordneten Temperatursensoren (20, 22, 24, 26) gemessen wird, wobei bei Ausfall eines Sensors (20, 22, 24, 26) die Zellentemperatur der dem Sensor (20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34) zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) auf Grundlage der Zellentemperatur wenigstens einer weiteren elektrochemische Zelle (12, 14, 16, 18) des Energiespeichers (10) abgeschätzt wird, wobei bei Ausfall eines Temperatursensors (28, 30, 32, 34) die Zellentemperatur der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) als Mittelwert der Zellentemperaturen der zu dieser Zelle (12, 14, 16, 18) benachbarten Zellen (12, 14, 16, 18) abgeschätzt wird, wobei aus einer vor Ausfall des Temperatursensors (28, 30, 32, 34) gemessenen Zellentemperatur oder einem vor Ausfall des Temperatursensors gemessenen Zellentemperaturverlauf der zugeordneten Zelle (12, 14, 16, 18) ein Korrekturfaktor zum Korrigieren des Mittelwerts der benachbarten Zellen (12, 14, 16, 18) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, die Zellentemperaturen der benachbarten Zellen (12, 14, 16, 18) in Abhängigkeit von deren Position im Energiespeicher (10) gewichtet werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall eines Temperatursensors (28, 30, 32, 34) eine maximale Leistungsabgabe des Energiespeichers (10) auf einen vorgegebenen Wert beschränkt wird.
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