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TECHNISCHES GEBIET
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Diese Anmeldung bezieht sich im Allgemeinen auf Batteriezellentladen oder -abflussdetektion für Fahrzeuge.
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STAND DER TECHNIK
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Ein Hybridelektro- oder Vollelektrofahrzeug enthält eine Traktionsbatterie, die aus mehreren Batteriezellen in Reihe und/oder parallel aufgebaut ist. Die Traktionsbatterie stellt Leistung zum Fahrzeugvortrieb und für Zubehörmerkmale bereit. Während des Betriebs kann die Traktionsbatterie auf Basis von Betriebszuständen geladen oder entladen werden.
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KURZDARSTELLUNG
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Ein Batteriemanagementsystem eines Fahrzeugs enthält eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass eine Spannungsänderungsrate während des Entladens einer Batteriezelle öfter als eine vorbestimmte Anzahl von Malen über eine vordefinierte Dauer einen ersten Schwellenwert überschreitet, ein Fehlersignal auszugeben, und als Reaktion darauf, dass die Änderungsrate einen zweiten Schwellenwert, der größer als der erste ist, das Fehlersignal auszugeben.
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Ein Fahrzeugbatteriemanagementsystem enthält eine Steuerung, die dazu ausgelegt ist, als Reaktion darauf, dass eine Spannungsänderungsrate einer Batteriezelle einen ersten Schwellenwert überschreitet, während die Batteriezelle während eines Wiederaufladeereignisses teilweise entladen wird, oder als Reaktion darauf, dass eine Anzahl von Malen, in denen die Änderungsrate einen zweiten Schwellenwert überschreitet, der kleiner als der erste Schwellenwert ist, einen Zählschwellenwert überschreitet, ein Fehlersignal auszugeben.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesatzes für ein Fahrzeug beinhaltet das Entladen einer Batteriezelle, wenn die Batteriezelle einen Ladezustandsschwellenwert überschreitet, und als Reaktion darauf, dass eine Spannungsänderungsrate der Batteriezelle einen ersten Schwellenwert öfter als eine vorbestimmte Anzahl von Malen während einer vordefinierten Entladedauer überschreitet oder dass die Änderungsrate einen zweiten Schwellenwert, der größer als der erste Schwellenwert ist, ein Störungssignal auszugeben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Diagramm eines Hybridfahrzeugs, das typische Antriebsstrang- und Energiespeicherkomponenten veranschaulicht.
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2 ist ein Diagramm einer möglichen Batteriesatzanordnung, die aus mehreren Zellen besteht und von einem Batterieenergiesteuermodul (BECM, Battery Energy Control Module) überwacht und gesteuert wird.
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3A ist eine grafische Darstellung einer Spannung einer Batteriezelle in Bezug auf die Zeit.
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3B ist eine grafische Darstellung einer Spannungsänderung einer Batteriezelle in Bezug auf die Zeit (dV/dt).
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4A ist eine grafische Darstellung einer Spannung einer Batteriezelle in Bezug auf einen Ladezustand (SOC) der Batteriezelle.
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4B ist eine grafische Darstellung einer Spannungsänderung einer Batteriezelle in Bezug auf eine Ladungsänderung der Batterie (dV/dQ).
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5 ist ein Flussdiagramm der Batteriezellstörungsdetektion auf Basis davon, dass eine Batteriezellspannungsänderung in Bezug auf eine Zeit- oder Ladungsänderung oder darauf, dass der SOC einen Schwellenwert überschreitet.
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6 ist ein Flussdiagramm der Batteriezellstörungsdetektion auf Basis davon, dass eine Batteriezellspannungsänderung einen oberen Schwellenwert überschreitet oder einen unteren Schwellenwert eine Anzahl von Malen überschreitet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Hier werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es versteht sich allerdings, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und dass andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder verkleinert dargestellt sein, um Details spezieller Komponenten zu zeigen. Daher sollen hier offenbarte spezielle strukturelle und funktionale Einzelheiten nicht als beschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung auf verschiedene Art und Weise einzusetzen ist. Für einen Durchschnittsfachmann liegt auf der Hand, dass verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf irgendeine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden können, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Die Kombinationen veranschaulichter Merkmale stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Es könnten jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, für bestimmte Anwendungen oder Umsetzungsformen erwünscht sein.
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Die Traktionsbatterien, wie zum Beispiel Li-Ionen-Batterien, sind eine integrale Komponente von Hybrid-, Plug-in-Hybrid- und Batterieelektrofahrzeugen (HEVs, PHEVs bzw. BEVs). Batterien sind typischerweise aus mehreren einzelnen Batteriezellen aufgebaut, in denen die Batteriezellen dazu konzipiert sind, für einen spezifizierten Zeitrahmen, typischerweise mehrere Jahre, oder eine spezifizierte Meilenzahl der Nutzung durch Kunden, zu arbeiten. Die Detektion jedes vorzeitigen Ausfalls oder Funktionsverlusts einer Zelle im Batteriesatz ist erwünscht, um eine Warnmeldung für einen Besitzer bereitzustellen, so dass das Fahrzeug vor irgendeinem Funktionalitätsverlust in die Werkstatt gebracht werden kann. Ein Ausfall oder ein Funktionsverlust kann durch mehrere Mechanismen verursacht werden, einschließlich einem hochohmigen internen Kurzschluss, einem niederohmigen internen Kurzschluss und Li-Plating auf Komponenten im Innern einer Zelle. Zu einem anderen Mechanismus von übermäßigem Kapazitätsverlust zählen beschleunigte chemische Änderungen in einer Zelle. Die Detektion eines unmittelbar bevorstehenden Zellausfalls mit konventionellen Mitteln ist nicht zuverlässig, und das Wesen von Zellausfallereignissen stellt zusammen mit der relativ niedrigen Ausfallrate Herausforderungen für die eindeutige Detektion dar.
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Hier werden Systeme und Verfahren vorgestellt, um verschiedene Mechanismen von vorzeitigem Zellfunktionsverlust oder Zellausfallereignissen zu detektieren. Das prädiktive Wesen dieses Merkmals warnt den Nutzer vor dem unmittelbar bevorstehenden Funktionalitätsverlust. Zu diesen Ereignissen können ein hochohmiger interner Kurzschluss aufgrund von Zellherstellungsmängeln bei einem Zulieferer, ein niederohmiger interner Kurzschluss aufgrund von Zellherstellungsmängeln bei einem Zulieferer, Li-Plating während des Ladens des Fahrzeugs bei niedrigen Umgebungstemperaturen, beschleunigter Kapazitätsverlust aufgrund von unerwarteten chemischen Änderungen im Innern der Zelle zählen. Während dieser Ereignisse spiegeln Änderungen einer Zellspannung unter bekannten oder gesteuerten Bedingungen die vorher erwähnten, verknüpften Ereignisse wider. Durch Detektieren solcher Spannungsänderungen während des Zellbetriebs in den Kundenfahrzeugen kann Zellfunktionsverlust oder Zellausfall prognostiziert werden. Diese Systeme und Verfahren stellen eine ausführliche diagnostische Beschreibung der funktionalen Mängel bereit, die helfen, eine fehlerhafte Traktionsbatterie zu identifizieren, bevor ein Kunde liegenbleibt oder bevor eine Batterie zu einem Sicherheitsrisiko wird.
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Fahrzeugtraktionsbatterien können ein Batterieenergiesteuermodul (BECM) enthalten, das sich im Innern eines Batteriesatzes befindet, das die Batteriezellspannung, den Batteriestrom und wahlweise eine Batteriezelltemperatur oder eine Batteriezellmodultemperatur überwacht. Auch steuert das BECM entweder direkt oder indirekt die Menge des Ladestroms oder den Laststrom, der in die Batterie hinein oder aus ihr heraus fließt. Das BECM kann dazu ausgelegt sein, Diagnostikprüfungen laufen zu lassen, um die Batteriesatzgesundheit durch Detektion von unmittelbar bevorstehenden Zellausfällen zu bewerten. Solche Diagnostiktests können das Durchführen eines kontinuierlichen Entlade- oder Ladetests bei einer Rate von 1 C oder anderen niedrigen Raten einbeziehen, gefolgt von Analyse eines Spannungsgefälles (z. B. dV/dt, dV/dQ, dV/dSOC) oder Widerstandswerts (dV/dI), während nach Signaturen oder Anzeichen für eine anormale Änderung der Werte gesucht wird.
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Interne Batteriezellkurzschlüsse können als ein Mikrokurzschluss, ein harter Kurzschluss oder ein weicher Kurzschluss kategorisiert werden. Ein Mikrokurzschluss ist ein vorübergehender interner Kurzschluss (z. B. ein Kurzschluss wird hergestellt und unterbrochen innerhalb einer Zeitspanne), der genug thermische Energie freisetzt, um den Separator zu beschädigen, jedoch nicht genug Energie, um zu thermischer Instabilität zu führen. Ein harter Kurzschluss ist ein permanenter, niederohmiger interner Kurzschluss, der zu thermischer Instabilität führen könnte, abhängig vom Ladezustand der Zelle. Ein weicher Kurzschluss ist ein permanenter, hochohmiger interner Kurzschluss, der zu einer Selbstentladungsrate führt, die höher ist als normal, der aber kein Überhitzen einer Zelle bewirkt. Sowohl harte wie auch weiche Kurzschlussereignisse führen zu einer Reduzierung einer Leerlaufspannung (OCV, Open Cell Voltage) für die betroffene Batteriezelle und können den Batteriezellbetrieb beeinträchtigen.
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Die internen Kurzschlüsse einer Zelle treten möglicherweise selten auf und sind typischerweise schwierig zu detektieren. Abhängig von den Entwicklungsmechanismen des Kurzschlusses und davon, welche internen Zellkomponenten miteinander in Kontakt stehen, kann der Kurzschluss ein relativ gutartiger hochohmiger interner Kurzschluss oder ein gefährlicherer niederohmiger interner Kurzschluss werden. Ein hochohmiger interner Kurzschluss führt zu einer Selbstentladungsrate, die höher als normal ist; während ein niederohmiger interner Kurzschluss schnell zu einem thermischen Instabilitätsereignis führen kann. Eine Theorie ist, dass mehrere hochohmige interne Kurzschlüsse häufig einem niederohmigen internen Kurzschluss vorausgehen. Daher ist die Detektion von hochohmigen internen Kurzschlüssen von Vorteil, um die Möglichkeit eines unmittelbar bevorstehenden, gefährlicheren niederohmigen internen Kurzschlusses zu prognostizieren.
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Ein Verfahren beinhaltet das Überwachen von dV/dI. Normale Zellspannungsänderungen sind proportional zum Strom, wobei die Proportionalitätskonstante der Widerstandswert ist (V = IR). Die Proportionalitätskonstante oder der Widerstandswert ist eine Funktion eines Ladezustands (SOC) der Batteriezelle und einer Temperatur der Batteriezelle. Bei Kenntnis dieser Parameter ist eine Bestimmung über eine Spannungsantwort der Zelle auf eine dynamische Stromeingabe (z. B. Laden oder Entladen, Impuls oder kontinuierlich) möglich, wenn der Bereich der erwarteten Spannungsantworten innerhalb der Messtoleranzen liegt. Zum Beispiel kann eine Spannungsantwort, die für eine gegebene Stromrichtung und -größe kleiner als erwartet ist, in Echtzeit ein Auftreten eines niederohmigen internen Kurzschlusses angeben, der einen parallelen Weg zum Durchfließen des Stroms bereitstellt. Nach diesem Ereignis kann sich einer der beiden Wege anschließen, erstens kann sich für die Zelle eine schnelle thermische Instabilität (innerhalb von zig Sekunden) ergeben, oder zweitens kann ein niederohmiger Kurzschluss ein offener Stromkreis werden, der karbonisiertes Separatormaterial hinterlässt, was zu einem hochohmigen Kurzschluss zwischen der Anode und der Kathode führen kann.
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Ein anderes Verfahren beinhaltet das Überwachen von dV/dt und der Zellausgleichsraten oder -frequenz. Das Verfolgen einer Änderungsrate einer Batteriespannung, während kein Strom fließt, gestattet die Identifizierung einer Zelle mit einer höheren Selbstentladerate als normal. Falls Steuerschaltungsanordnungen den SOC der Zellen eines Batteriesatzes ausgleichen, kann die Höhe der Ausgleichsaktivität eine Zelle angeben, die eine höhere Selbstentladerate als normal aufweist, verursacht durch einen hochohmigen internen Kurzschluss. Jede Detektion eines hochohmigen internen Kurzschlusses kann als eine Funktion der Betriebsdauer für jede Zelle gespeichert werden. Um falsche Gesundheitszustandsalarmmeldungen zu vermeiden, können Software-Merker so eingegrenzt werden, dass sie nur gesetzt werden, wenn eine gefilterte Trendlinie für die Detektion von hochohmigen internen Kurzschlüssen einen vorbestimmten Wert überschreitet, nach dem das BECM dann eine Warnmeldung ausgeben kann.
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In einer anderen Ausführungsform wurde eine Verzögerung von ungefähr 25 Sekunden zwischen einem anfänglichen Anzeichen der Spannungssignatur für einen internen Kurzschluss (auf Basis einer Batteriezellspannungsänderung) zu einem Entlüftungszustand der Zelle aufgrund von thermischer Instabilität festgestellt. Der Entlüftungszustand kann typischerweise auf den starken Abfall im Zellspannungssignal folgen, das durch einen harten Kurzschluss induziert wird, wie er durch eine zweite negative dV/dt-Spitze signalisiert wird. Indem die Spannungssignatur während des Entladens oder des Ladens einer verdächtigen Zelle innerhalb eines Batteriesatzes detektiert wird, kann eine frühe Detektion eines Zellausfallereignisses möglich sein. Es sei angemerkt, dass eine Unterscheidung zwischen den hochohmigen und den niederohmigen internen Kurzschlüssen auf Basis der Bedingung |dV/dt|Hard Short > |dV/dt|Soft Short erfolgen kann, wobei sich |dV/dt| auf einen Absolutbetrag der Ableitung bezieht.
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Eine Überlegung zur Umsetzung kann die Detektion dieses Ausfallmodus während einer Zeit beinhalten, zu der die Batterie im Lademodus ist. Hier treten die Batteriesteuerung und der Batteriesatz in einen Lademodus ein, während die Steuerung dem Batteriesatz einen konstanten Ladestrom bereitstellt. Während des Lademodus können Batteriemessungen vorgenommen werden, und eine Spannung der Batterie kann aufgezeichnet werden. Auch können Werte der Batteriespannungsänderung in Bezug auf die Zeit (dV/dt) aufgezeichnet werden. Jede negative Spannungsspitze in Bezug auf die Zeit (–dV/dt), während ein positiver Ladestrom fließt, gibt die Entwicklung eines momentanen internen Kurzschlusses an.
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Weiterhin können diese Techniken zur Detektion von Li-Plating im Innern einer Batteriezelle verwendet werden. Li-Plating tritt typischerweise an der negativen Elektrode während des Zellladens bei niedrigen Umgebungstemperaturen auf, wie zum Beispiel 0 °C bis –40 °C. Obwohl Batteriesteueralgorithmen die Ladeleistung bei niedrigen Temperaturen typischerweise begrenzen, um Lithium-Plating zu verhindern, ist die Wirkung kumulierend. Die Fähigkeit zum Überwachen der Batteriezellen, um zu bestimmen, ob irgendwelche Plating-Schwellenwerte überschritten worden sind, kann von Vorteil sein. Eine Batteriezellspannung während des Entladens kann ein Anzeichen eines Plateaus in einem hohen SOC-Bereich aufgrund von Li-Plating an der negativen Elektrode darstellen. Das Spannungsgefälle kann durch eine breite Spitze im hohen SOC-Bereich angegeben werden, die Li-Plating für dV/dQ > Schwellenwert angibt. Gleichermaßen kann Analyse von dV/dSOC verwendet werden, weil sie ähnliche Ergebnisse liefert und zur Li-Plating-Analyse verwendet werden kann. Die Detektion dieser Signatur unter Verwendung eines Entladeprofils durch eine Steuerung gestattet die Detektion eines potentiellen Vorhandenseins von Li-Plating, was eine Alarmmeldung hinsichtlich der Möglichkeit eines Zellausfalls aufgrund eines internen Kurzschlusses gestattet, der durch das Wachstum eines Lithium-Dendriten in der Batterie verursacht wird.
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Weitere Verbesserung der Detektion und Prognose von Li-Plating kann eine Erfassung einer Reihe von Messungen beinhalten. Die Reihe von Messungen kann Trenddaten bereitstellen, die verwendet werden können, um eine Änderung im Plating zu bestimmen. Zum Beispiel können Trendinformationen auf Basis von zahlreichen Datensätzen, die zu unterschiedlichen Zeiten erfasst worden sind, in Bezug auf die Spannungssignatur im Vergleich zu früheren Daten Informationen in Bezug auf Plating bereitstellen.
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Eine weitere Überlegung zur Umsetzung von permanenter Plating-Bestimmung beinhaltet eine Schätzung auf Basis von Vergangenheitsdaten, die während des Entladeprozesses erfasst worden sind. Wenn das Plating zunimmt, wird sich die Größe der Spitze von dV/dQ (oder dV/dSOC) erhöhen, was das Identifizieren eines möglichen Zellstörungsszenarios gestattet.
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Wenn das Plating zunimmt, wird sich die Spitze von dV/dQ oder dV/dSOC erhöhen. Eine Überlegung zum Aufbau kann während der Begin-of-Life-Batterieprüfung einen oberen Kalibrierschwellenwert und einen Vergleich beinhalten, ob der obere Kalibrierschwellenwert jemals bei einer gewissen Temperatur, einem gewissen Stromfluss oder einem gewissen Batterieladezustand jemals überschritten wird. Falls der Schwellenwert überschritten wird, dann kann das Batterie-Plating ein kritisches Niveau erreicht haben. In einer anderen Ausführungsform, kann eine Überlegung zum Aufbau einen unteren Kalibrierschwellenwert und eine Anzahl von Malen enthalten, zu denen der untere Kalibrierschwellenwert bei einem gewissen Temperaturbereich oder bei einem gewissen Stromflussbereich oder bei einem gewissen Batterieladezustandsbereich überschritten worden ist. Auch ist Li-Plating ausnahmslos von der Verschlechterung der intrinsischen Zellkapazität begleitet. Mit beschleunigtem Li-Plating kann eine schnellere Abnahme der Zellkapazität erwartet werden.
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Die Analyse von Merkmalen der Spitzen in diesem Artikel beruht auf den numerischen Werten für Spannung, Zeit, Ladung und SOC, die von der Steuerung verwendet oder gemessen werden. Manchmal können diese Signale verrauscht sind, und es würden Filtertechniken eingesetzt werden, um die gewünschten Informationen zu ermitteln. Die Größe der Spitzenwerte für dV/dt, dV/dQ und dV/dSOC wäre dementsprechend anders und wird verständlicherweise zur Zellstörungsanalyse, zur Detektion und weiteren zu ergreifenden Maßnahmen verwendet.
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Andere Ereignisse von übermäßigem Zellkapazitätsverlust können aufgrund von beschleunigten chemischen Änderungen im Innern der Zelle auftreten, die das Ergebnis des Zellalterungsprozesses sein können. Die Zellkapazität kann bestimmt werden, indem ein Entladetest oder ein Ladetest bei einer bekannten festen Rate, wie zum Beispiel 1 C, durchgeführt wird. Eine C-Rate ist ein Maß einer Rate, mit der eine Batterie in Bezug auf ihre maximale Kapazität entladen wird. Eine Rate von 1 C bedeutet, dass der Entladestrom die Batterie vollständig in 1 Stunde entladen wird. Zum Beispiel ist bei einer Batterie mit einer Kapazität von 10 Amperestunden eine Rate von 1 C ein Entladestrom von 10 A für eine Stunde, eine Rate von 0,5 C sind 5 A für ein zweistündiges Entladen, und eine Rate von 2 C sind 20 A für ein halbstündiges Entladen. Eine Steuerung kann die Zellkapazität auswerten und auf Basis der Detektion einer Kapazität von geringem Niveau ein Signal ausgeben, wie zum Beispiel eine Warnmeldung. Wenn irgendein Kapazitätswert unter einen vorbestimmten Wert fällt (z. B. 0,7·CapBOL), kann die Steuerung ein Signal ausgeben. Diese Kapazitätsprüfung kann an einzelnen Batteriezellen, Batteriezell-Clustern oder einem Batteriesatz durchgeführt werden. Die Zellkapazität kann von einer Steuerung auch opportunistisch bestimmt werden, wenn zwei qualifizierte SOC-Messwerte bezogen werden, woraufhin die Steuerung die Ladung, die zwischen den beiden SOC-Messwerten geflossen ist, durch die Differenz der SOC-Messwerte dividieren kann. Auch können die Kapazitätsdaten für jede Zelle über eine Zeitspanne protokolliert werden, und Trends können beobachtet und aufgezeichnet werden. Wenn der Kapazitätsbetrag oder die Kapazitätsänderungsrate einen vorbestimmten Schwellenwert überschreiten, kann von der Steuerung ein Signal ausgegeben werden.
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1 zeigt ein typisches Plug-in-Hybridelektrofahrzeug (PHEV). Ein typisches Plug-in-Hybridelektrofahrzeug 112 kann eine oder mehrere Elektromaschinen 114 umfassen, die mechanisch mit einem Hybridgetriebe 116 gekoppelt sind. Die Elektromaschinen 114 können in der Lage sein, als ein Motor oder als ein Generator zu arbeiten. Zusätzlich ist das Hybridgetriebe 116 mechanisch mit einem Verbrennungsmotor 118 gekoppelt. Das Hybridgetriebe 116 ist auch mit einer Antriebswelle 120 mechanisch gekoppelt, die mit den Rädern 122 mechanisch gekoppelt ist. Die Elektromaschinen 114 können Vortriebs- und Verlangsamungsfähigkeit bereitstellen, wenn der Verbrennungsmotor 118 ein- oder ausgeschaltet ist. Die Elektromaschinen 114 können auch als Generatoren fungieren und können Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffwirtschaftlichkeit bereitstellen, indem sie Energie zurückgewinnen, die in einem Friktionsbremssystem normalerweise als Wärme verloren gehen würde. Die Elektromaschinen 114 können auch Fahrzeugemissionen reduzieren, indem sie es dem Verbrennungsmotor 118 gestatten, bei effizienteren Drehzahlen zu arbeiten, und indem sie es dem Hybridelektrofahrzeug 112 gestatten, unter gewissen Bedingungen im elektrischen Modus mit ausgeschaltetem Verbrennungsmotor 118 betrieben zu werden.
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Eine Traktionsbatterie oder ein Batteriesatz 124 speichert Energie, die von den Elektromaschinen 114 verwendet werden kann. Ein Fahrzeugbatteriesatz 124 stellt typischerweise eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe bereit. Die Traktionsbatterie 124 kann elektrisch mit einem oder mehreren Leistungselektronikmodulen gekoppelt sein. Einer oder mehrere Schützkontakte 142 können die Traktionsbatterie 124 von anderen Komponenten entkoppeln, wenn sie geöffnet sind, und die Traktionsbatterie 124 mit anderen Komponenten verbinden, wenn sie geschlossen sind. Das Leistungselektronikmodul 126 kann ebenfalls mit den Elektromaschinen 114 elektrisch gekoppelt sein und stellt die Fähigkeit zur bidirektionalen Übertragung von Energie zwischen der Traktionsbatterie 124 und den Elektromaschinen 114 bereit. Zum Beispiel kann eine Traktionsbatterie 124 eine Gleichspannung bereitstellen, während die Elektromaschinen 114 zum Funktionieren mit einem Drehstrom arbeiten können. Das Leistungselektronikmodul 126 kann die Gleichspannung in einen Drehstrom umwandeln, um die Elektromaschinen 114 zu betreiben. In einem Rekuperationsmodus kann das Leistungselektronikmodul 126 den Drehstrom aus den Elektromaschinen 114, die als Generatoren fungieren, in die mit der Traktionsbatterie 124 kompatible Gleichspannung umwandeln. Die Beschreibung hier ist gleichermaßen auf ein reines Elektrofahrzeug anwendbar. Bei einem reinen Elektrofahrzeug kann das Hybridgetriebe 116 ein Getriebe sein, das mit einer Elektromaschine 114 verbunden ist, und der Verbrennungsmotor 118 ist möglicherweise nicht vorhanden.
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Zusätzlich dazu, dass die Traktionsbatterie 124 Energie für den Vortrieb bereitstellt, kann sie Energie für andere elektrische Fahrzeugsysteme bereitstellen. Das Fahrzeug 112 kann ein Gleichspannungswandlermodul 128 enthalten, das die Hochspannungs-Gleichstrom-Ausgabe der Traktionsbatterie 124 in eine Niederspannungs-Gleichstrom-Versorgung umwandelt, die kompatibel mit Niederspannungs-Fahrzeuglasten ist. Ein Ausgang des Gleichspannungswandlermoduls 128 kann mit einer Hilfsbatterie 130 (z. B. einer 12-V-Batterie) elektrisch gekoppelt sein. Die Niederspannungssysteme können elektrisch mit der Hilfsbatterie gekoppelt sein. Andere Hochspannungslasten 146, wie zum Beispiel Verdichter und Elektroheizungen, können mit der Hochspannungsausgabe der Traktionsbatterie 124 gekoppelt sein. Die elektrischen Lasten 146 können eine verknüpfte Steuerung aufweisen, die die elektrische Last 146 betreibt, wenn es angemessen ist.
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Das Fahrzeug 112 kann ein Elektrofahrzeug oder ein Plug-in-Hybridfahrzeug sein, bei dem die Traktionsbatterie 124 durch eine externe Leistungsquelle 136 wieder aufgeladen werden kann. Die externe Leistungsquelle 136 kann eine Verbindung zu einer elektrischen Steckdose sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann elektrisch mit einem Ladegerät oder einer Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE) 138 gekoppelt sein. Die externe Leistungsquelle 136 kann ein elektrisches Leistungsverteilungsnetzwerk oder ein Stromnetz sein, wie es von einem Elektrizitätsversorgungsunternehmen bereitgestellt wird. Die EVSE 138 kann Schaltungsanordnungen und Steuerungen bereitstellen, um die Übertragung von Energie zwischen der Leistungsquelle 136 und dem Fahrzeug 112 zu regeln und zu managen. Die externe Leistungsquelle 136 kann der EVSE 138 elektrische Gleichstrom- oder Wechselstromleistung bereitstellen. Die EVSE 138 kann einen Ladeverbinder 140 zum Einstecken in einen Ladeport 134 des Fahrzeugs 112 aufweisen. Der Ladeport 134 kann irgendeine Art von Port sein, die dazu ausgelegt ist, Leistung aus der EVSE 138 zum Fahrzeug 112 zu übertragen. Der Ladeport 134 kann mit einem Ladegerät oder einem fahrzeugeigenen Leistungswandlungsmodul 132 elektrisch gekoppelt sein. Das Leistungswandlungsmodul 132 kann die aus der EVSE 138 zugeführte Leistung aufbereiten, um für die Traktionsbatterie 124 die richtigen Spannungs- und Strompegel bereitzustellen. Das Leistungswandlungsmodul 132 kann an die EVSE 138 angekoppelt sein, um die Zufuhr von Leistung zum Fahrzeug 112 zu koordinieren. Der EVSE-Verbinder 140 kann Pins aufweisen, die mit entsprechenden Vertiefungen des Ladeports 134 ineinandergreifen. Alternativ können verschiedene Komponenten, die als elektrisch gekoppelt oder verbunden beschrieben werden, Leistung unter Verwendung einer drahtlosen induktiven Kopplung übertragen.
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Eine oder mehrere Radbremsen 144 können zum Verlangsamen des Fahrzeugs 112 und zum Verhindern von Bewegung des Fahrzeugs 112 bereitgestellt sein. Die Radbremsen 144 können hydraulisch, elektrisch oder mit einer Kombination daraus betätigt werden. Die Radbremsen 144 können ein Teil eines Bremssystems 150 sein. Das Bremssystem 150 kann andere Komponenten enthalten, um die Radbremsen 144 zu betätigen. Zur Vereinfachung zeigt die Figur eine einzige Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und einer der Radbremsen 144. Eine Verbindung zwischen dem Bremssystem 150 und den anderen Radbremsen 144 wird vorausgesetzt. Die Bremssystemverbindungen können hydraulisch und/oder elektrisch erfolgen. Das Bremssystem 150 kann eine Steuerung enthalten, um den Betrieb der Radbremsen 144 zu überwachen und zu koordinieren. Das Bremssystem 150 kann die Bremsenkomponenten überwachen und die Radbremsen 144 zur Fahrzeugverlangsamung steuern. Das Bremssystem 150 kann auf Fahrerbefehle reagieren und kann zum Umsetzen von Merkmalen, wie zum Beispiel Stabilitätskontrolle, auch autonom arbeiten. Die Steuerung des Bremssystems 150 kann ein Verfahren zum Anlegen einer angeforderten Bremskraft umsetzen, wenn dies von einer anderen Steuerung oder Unterfunktion angefordert wird.
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Elektronikmodule im Fahrzeug 112 können über ein oder mehrere Fahrzeugnetzwerke kommunizieren. Das Fahrzeugnetzwerk kann eine Vielzahl von Kanälen zur Kommunikation enthalten. Ein Kanal des Fahrzeugnetzwerks kann ein serieller Bus sein, wie zum Beispiel ein Controller Area Network (CAN). Einer der Kanäle des Fahrzeugnetzwerks kann ein Ethernet-Netzwerk enthalten, das durch die Familie der Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802 Standards definiert ist. Zu zusätzlichen Kanälen des Fahrzeugnetzwerks können diskrete Verbindungen zwischen Modulen zählen, und sie können Leistungssignale aus der Hilfsbatterie 130 umfassen. Unterschiedliche Signale können über unterschiedliche Kanäle des Fahrzeugnetzwerks übertragen werden. Zum Beispiel können Videosignale über einen Hochgeschwindigkeitskanal (z. B. Ethernet) übertragen werden, während Steuersignale über CAN- oder diskrete Signale übertragen werden können. Das Fahrzeugnetzwerk kann irgendwelche Hardware- und Software-Komponenten enthalten, die beim Übertragen von Signalen und Daten zwischen Modulen helfen. Das Fahrzeugnetzwerk wird in 1 nicht gezeigt, aber es kann impliziert werden, dass das Fahrzeugnetzwerk mit irgendeinem elektronischen Modul, das im Fahrzeug 112 vorhanden ist, verbinden kann. Eine Fahrzeugsystemsteuerung (VSC, Vehicle System Controller) 148 kann vorhanden sein, um den Betrieb der verschiedenen Komponenten zu koordinieren.
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Eine Traktionsbatterie 124 kann aus einer Vielzahl von chemischen Formulierungen aufgebaut sein. Typische Batteriesatz-Chemien können Blei-Säure, Nickel-Metallhydrid (NiMH) oder Lithium-Ionen sein. 2 zeigt einen typischen Traktionsbatteriesatz 124 in einer einfachen Reihenanordnung aus N Batteriezellen 202. Andere Batteriesätze 124 können allerdings aus irgendeiner Anzahl von einzelnen Batteriezellen zusammengesetzt sein, die in Reihe oder parallel oder in einer Kombination daraus verbunden sind. Auch können Batteriezellen 202 aus mehreren Anoden- und Kathodenplatten aufgebaut sein, die entweder in Reihe und/oder parallel gekoppelt sind, wobei der Begriff Batteriezelle die kleineste Struktur ist, die dazu ausgelegt ist, direkt von einem Sensormodul 204 gemessen und überwacht zu werden. Ein Batteriemanagementsystem kann eine oder mehrere Steuerungen aufweisen, wie zum Beispiel ein Batterieenergiesteuermodul (BECM, Battery Energy Control Module) 206, das die Leistung der Traktionsbatterie 124 überwacht und steuert. Der Batteriesatz 124 kann Sensoren zum Messen verschiedener Satz-Pegelcharakteristika enthalten. Der Batteriesatz 124 kann einen oder mehrere Satzstrommesssensoren 208, Satzspannungsmesssensoren 210 und Satztemperaturmesssensoren 212 enthalten. Das BECM 206 kann Schaltungsanordnungen zum Ankoppeln an die Satzstrommesssensoren 208, die Satzspannungsmesssensoren 210 und die Satztemperaturmesssensoren 212 enthalten. Das BECM 206 kann nichtflüchtigen Speicher aufweisen, so dass Daten gehalten werden können, wenn sich das BECM 206 in einem Aus-Zustand befindet. Gehaltene Daten können beim nächsten Betriebszeitraum verfügbar sein.
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Zusätzlich zu den Pegelcharakteristika des Satzes kann es Pegelcharakteristika der Batteriezelle 202 geben, die gemessen und überwacht werden. Zum Beispiel können die Anschlussspannung, der Strom und die Temperatur jeder Zelle 202 gemessen werden. Ein System kann ein oder mehrere Sensormodule 204 verwenden, um die Charakteristika der Batteriezelle 202 zu messen. Abhängig von den Fähigkeiten können die Sensormodule 204 die Charakteristika einer oder mehrerer der Batteriezellen 202 messen. Der Batteriesatz 124 kann bis zu Nc Sensormodule 204 nutzen, um die Charakteristika aller Batteriezellen 202 zu messen. Jedes der Sensormodule 204 kann die Messwerte an das BECM 206 zur weiteren Verarbeitung und Koordinierung übertragen. Die Sensormodule 204 können Signale in analoger oder digitaler Form an das BECM 206 übertragen. In einigen Konfigurationen kann die Funktionalität der Sensormodule 204 intern im BECM 206 integriert sein. Das heißt: Die Hardware der Sensormodule 204 kann als Teil der Schaltungsanordnungen im BECM 206 integriert sein, und das BECM 206 kann das Verarbeiten von Rohsignalen handhaben. Das BECM 206 kann auch Schaltungsanordnungen enthalten, um an den einen oder die mehreren Schützkontakte 142 anzukoppeln, um die Schützkontakte 142 zu öffnen und zu schließen.
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3A ist eine grafische Darstellung 300 eines Profils 306 einer Spannung 302 einer Batteriezelle in Bezug auf die Zeit 304. Hier enthält die Batteriezelle die in 2 veranschaulichte Batteriezelle 202. Der Begriff Batteriezelle kann eine einzige Batteriezelle mit einer einzigen Anode und einer einzigen Kathode sein oder eine Batteriezelle mit mehreren Anoden und mehreren Kathoden, in denen die mehreren Anoden und Kathoden parallel, in Reihe oder in einer Kombination daraus gekoppelt sein können. Hier veranschaulicht das Profil 306 der Batteriezellspannung, dass zum Zeitpunkt 308 eine abrupte Spannungsänderung aufgetreten ist. Diese Spannungsänderung kann während des Ladens, des Entladens oder während die Batteriezelle im Ruhezustand ist, auftreten. Ein interner Kurzschluss wird angegeben, falls die Größe der Spannungsänderung einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Abhängig vom Energiezustand der Batteriezelle und dem Wesen des internen Kurzschlusses kann der Fluss von internem Kurzschlussstrom unterbrochen werden, und die Batteriezellspannung kann wieder ansteigen. Wiederum abhängig vom Energiezustand der Batteriezelle und der Menge an Energie, die während des internen Kurzschlussereignisses freigesetzt worden ist, kann eine thermische Instabilität innerhalb von zig Sekunden des ursprünglichen internen Kurzschlusses auftreten, wie zum Zeitpunkt 310 angegeben wird. Somit können momentane interne Kurzschlüsse Vorboten thermischer Instabilitätsereignisse sein. Die Spannungsänderungsrate der Batteriezelle kann in Bezug auf verschiedene Zustände gemessen werden, einschließlich einer Zeitänderung, einer SOC-Änderung oder einer Änderungsrate des Stromflusses zur Batteriezelle.
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In einer anderen Ausführungsform veranschaulicht das Profil 306 der Batteriezellspannung, dass während eines Entladens in eine konstante Last ein Spannungsabfall zum Zeitpunkt 308 aufgetreten ist. Nach dem Spannungsabfall zum Zeitpunkt 308 ist zum Zeitpunkt 310 der Zellausfall aufgetreten, zu welchem Zeitpunkt die Batteriezellspannung schnell abgefallen ist. Wenn eine Batteriezelle geladen wird, wird typischerweise kein Batteriezellstrom von irgendwelchen Fahrzeugkomponenten benötigt, oder eine Höhe des Stroms, der von der Batteriezelle benötigt wird, ist kleiner als ein verfügbarer Strom entweder aus einer Ladestation oder aus einer Elektromaschine. Um eine Spannungsänderung der Batterie genau zu detektieren, wie es zum Zeitpunkt 308 veranschaulicht wird, kann die Steuerung des Batteriemanagementsystems, wie zum Beispiel ein BECM 206, opportunistisch ein teilweises Entladen während eines Ladeereignisses durchführen. Während zum Beispiel ein HEV, wie zum Beispiel ein BEV oder PHEV, mit einer Ladestation gekoppelt ist, wobei es einen Ladestrom aufnimmt, kann die Steuerung die Batteriezelle opportunistisch laden oder entladen, indem sie eine Last mit bekannten Charakteristika selektiv ankoppelt. Während des Entladens zur Last kann eine Spannungsänderungsrate der Batteriezelle gemessen werden. Die Spannungsänderungsrate der Batteriezelle kann in Bezug auf verschiedene Zustände gemessen werden, einschließlich einer Zeitänderung, einer SOC-Änderung oder einer Änderungsrate des Stromflusses zur Batteriezelle.
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3B ist eine grafische Darstellung 350 eines Profils 354 einer Spannungsänderung einer Batteriezelle in Bezug auf eine Zeitänderung (dV/dt) 352, die in Bezug auf die Zeit 304 gezeigt wird. Die Spannungsänderungsrate der Batteriezelle in Bezug auf die Zeit (dV/dt) wird aufgezeichnet, um ein Profil 354 zu erstellen. Eine Steuerung kann verwendet werden, um dieses Profil zu überwachen. Die Steuerung kann dazu ausgelegt sein, einen oberen Schwellenwert mit dem Profil 354 zu vergleichen. Der obere Schwellenwert kann anhand vieler Batteriecharakteristika hergeleitet werden, einschließlich Lebensdauer der Batterie, Batteriekapazität, Batterieladezustand, Batteriestromfluss, Batteriechemie, Batteriestruktur und Batterieverwendung. Zum Beispiel gibt ein oberer Schwellenwert von 0,75 dV/dt, der für 3B gesetzt ist, an, dass im Zeitpunkt 308 die Größe von dV/dt den oberen Schwellenwert überschritten hat, und ist daher eine Signatur oder Anzeichen für eine mögliche Batteriestörung oder -fehler. Eine Steuerung, die den dV/dt der Batteriezelle von 3 überwacht, kann zum Zeitpunkt 308 ein Fehlersignal ausgeben. Das Fehlersignal kann verwendet werden, um den Bediener zu benachrichtigen, zusammen mit der Benachrichtigung kann die Steuerung die Batteriezelle sicher entladen oder die Batteriezelle überbrücken.
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Gleichermaßen kann die Steuerung dazu ausgelegt sein, einen Zählwert eines unteren Schwellenwerts mit dem Profil 354 zu vergleichen. Der untere Schwellenwert kann anhand vieler Batteriecharakteristika hergeleitet werden, einschließlich Lebensdauer der Batterie, Batteriekapazität, Batterieladezustand, Batteriestromfluss, Batteriechemie, Batteriestruktur und Batterieverwendung. Zum Beispiel gibt ein unterer Schwellenwert von 0,25 dV/dt, der für 3B gesetzt ist, an, dass vor dem Zeitpunkt 308 die Größe von dV/dt den unteren Schwellenwert 5 Mal überschritten hat, und ist daher eine andere Signatur oder Anzeichen für eine mögliche Batteriestörung oder -fehler. Eine Steuerung, die den dV/dt der Batteriezelle von 3 überwacht, kann, sobald die Batteriezelle den unteren Schwellenwert öfter als eine vorbestimmte Anzahl von Malen (z. B. einen vorbestimmten Zählwert von 5) überschreitet, wie zum Beispiel zum Zeitpunkt 308, ein Fehlersignal ausgeben. Das Fehlersignal kann verwendet werden, um den Bediener zu benachrichtigen, zusammen mit einer Benachrichtigung kann die Steuerung die Batteriezelle sicher entladen oder die Batteriezelle überbrücken. Zusammen mit dem Überwachen und dem kontinuierlichen Aufaddieren des Zählwerts kann die Steuerung dazu ausgelegt sein, den dV/dt der Batteriezelle zu überwachen, und sobald der Zählwert die vorbestimmte Anzahl von Malen (z. B. einen vorbestimmten Zählwert von 5) innerhalb einer vorbestimmten Dauer (z. B. einem 10-Sekunden-Fenster) überschreitet, ein Fehlersignal ausgeben, die Batteriezelle sicher entladen oder die Batteriezelle überbrücken.
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4A ist eine grafische Darstellung 400 eines Profils 406 einer Spannung 402 einer Batteriezelle in Bezug auf einen Ladezustand 404 der Batteriezelle. Hier tritt ein Abfall der Zellspannung 402 um 3,5 Volt am Punkt 408 auf. Das Profil 406 ist im Wesentlichen glatt, und es kann von daher schwierig sein, irgendwelche Signaturen für potentielle Störungen zu interpretieren.
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4B ist eine grafische Darstellung 410 eines Profils 414 einer Spannungsänderung einer Batteriezelle in Bezug auf eine Ladungsänderung der Batterie (dV/dQ) oder einer Ladezustandsänderung der Batterie (dV/dSOC) 412, gezeigt in Bezug auf den Ladezustand 404 der Batterie. Die Spannungsänderungsrate der Batteriezelle in Bezug auf die Ladung dV/dQ wird aufgezeichnet, um ein Profil 414 zu erstellen. Auch wird die Spannungsänderungsrate der Batteriezelle in Bezug auf den Ladezustand dV/dSOC aufgezeichnet, um ein Profil 414 zu erstellen. Eine Steuerung kann verwendet werden, um dieses Profil 414 zu überwachen. Die Steuerung kann dazu ausgelegt sein, einen oberen Schwellenwert mit dem Profil 414 zu vergleichen. Der obere Schwellenwert kann anhand vieler Batteriecharakteristika hergeleitet werden, einschließlich Lebensdauer der Batterie, Batteriekapazität, Batterieladezustand, Batteriestromfluss, Batteriechemie, Batteriestruktur und Batterieverwendung. Zum Beispiel gibt ein oberer Schwellenwert von 2,0 dV/dQ, der für 4B gesetzt ist, an, dass bei einem Batteriezellladezustand von ungefähr 0,75 kurz nach dem Punkt 408 die Größe von dV/dQ (oder dV/dSOC) den oberen Schwellenwert überschritten hat und daher eine Signatur oder Anzeichen für eine mögliche zukünftige Batteriestörung oder -fehler ist. Eine Steuerung, die den dV/dQ (oder dV/dSOC) der Batteriezelle von 4B überwacht, kann zu dem Zeitpunkt, der mit der Zellspannung von 3,4 Volt verknüpft ist, ein Fehlersignal ausgeben. Das Fehlersignal kann verwendet werden, um den Bediener zu benachrichtigen, zusammen mit einer Benachrichtigung kann die Steuerung die Batteriezelle sicher entladen oder die Batteriezelle überbrücken.
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Die 3A, 3B, 4A und 4B veranschaulichen anormale Profile oder Signaturen für ein Spannungsgefälle dV/dt, dV/dQ oder dV/dSOC während der anfänglichen Stufen eines internen Kurzschlusses bzw. bei Li-Plating-Ereignissen. Weiterhin könnte die Zellkapazität während übermäßigem Kapazitätsverlust unter die Marke von ungefähr 70 % einer Zellkapazität zu einem Beginning-of-Life (BOL) der Batteriezelle abfallen. Somit wird gezeigt, dass eine Steuerung einen Lade- oder Entladetest an Batteriezellen durchführen kann und nach Signaturen für dV/dt, dV/dQ, dV/dSOC oder niedrige Kapazitäten für Zellen suchen und Warnmeldungen ausgeben kann, die potentielle Zellstörungen angeben können. Ähnlich wie ein Entladetest kann ein Ladetest durchgeführt werden, in dem eine Steuerung eine Spannungsänderungsrate einer Batteriezelle während des Batterieladens in Bezug auf eine Zeitänderung, eine SOC-Änderung oder eine Batteriezellstromänderung überwacht.
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Eine Steuerung kann verwendet werden, um einen internen Kurzschluss einer Batteriezelle durch Überwachen einer Spannungsänderungsrate einer Batteriezelle zu detektieren. Die Steuerung kann die Spannungsänderungsrate überwachen, während kein Lade-/Entladestrom fließt, oder während ein konstanter, sich nicht ändernder Strom fließt. Allerdings können ähnliche dV/dt-, dV/dQ- oder dV/dSOC-Schwellenwert-Messtechniken während Perioden des dynamischen Stromflusses angewendet werden, falls zeitgleich dI/dT-Messungen vorgenommen werden.
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Der Unterschied zwischen Mikrokurzschlüssen (z. B. temporärer Kurzschluss) und einem harten Kurzschluss (z. B. dauerhafter Kurzschluss) ist, dass ein Mikrokurzschluss typischerweise nur ungefähr wenige Millisekunden oder ein paar Sekunden dauert, wonach die Zellspannung auf das Niveau zurückkehrt, das vor dem Einsetzen eines Mikrokurzschlussereignisses zu erkennen war. Allerdings erholt sich die Zellspannung bei einem harten Kurzschluss oder einem weichen Kurzschluss nicht. Hier wird ein Verfahren zum Detektieren von harten Kurzschlüssen oder weichen Kurzschlüssen über die Messung von dV gezeigt. Die Verfahren beinhalten die Bestimmung und Detektion einer Spannungsänderungsrate einer Batteriezelle, die auch als Spannungssignaturen bezeichnet werden.
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Eine Spannungssignatur kann eine gemessene Spannungsänderungsrate in Bezug auf die Zeit beinhalten (dV/dt), die einen gewissen Schwellenwert überschreitet, der typischerweise in Volt pro Sekunde ausgedrückt wird (z. B. 0,5 V/s). Die Steuerung kann weiterhin dazu ausgelegt sein, sobald eine Spannungssignatur detektiert worden ist, Statistiken zu messen und aufzuzeichnen, die in Beziehung zur Spannungssignatur stehen. Zum Beispiel kann im Speicher des Batterieüberwachungssystems eine Gesamtanzahl von Spannungssignaturen für eine gegebene Zelle aufgezeichnet sein. Weiterhin kann die Größe der Spannungssignatur durch das Aufzeichnen einer dV-Spitze charakterisiert sein (auch als die Größe des Ereignisses beschrieben). Falls der Ereigniszählwert zu hoch ist oder die Spitzenwerthöhe signifikant ist, dann kann die Steuerung ein Störungssignal ausgeben, das einen potentiellen unmittelbar bevorstehenden harten oder weichen Kurzschluss angibt.
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5 ist ein Flussdiagramm 500 der Batteriezellstörungsdetektion auf Basis davon, dass eine Batteriezellspannungsänderung einen Schwellenwert überschreitet. In der Operation 502 führt eine Steuerung einen Batteriezellentladetest oder einen Batteriezellladetest durch. Der Entladetest kann das Koppeln einer Last an eine Batteriezelle beinhalten, so dass ein Strom in die Last fließt. Idealerweise weist die Last bekannte Charakteristika auf, und daher sollte die elektrische Antwort der Batterie einfach zu prognostizieren sein. Alternativ kann die Steuerung einen Ladetest durchführen, bei dem der Batteriezelle eine bekannte und geregelte Leistungsversorgung bereitgestellt wird.
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In der Operation 504 überwacht die Steuerung eine Spannungsänderungsrate (dV) über der Batteriezelle als Reaktion auf den Batteriezellbetriebstest 502. Die Steuerung überwacht und misst die Spannungsänderungsrate (dV) über der Batteriezelle und zeichnet sie auf. Die Spannungsänderungsrate (dV) über der Batteriezelle kann in Bezug auf eine verknüpfte Zeitänderung oder eine verknüpfte Ladungs-(oder SOC-)Änderung der Batteriezelle gemessen werden. Weiterhin kann eine Signatur einer niedrigen Kapazität der Batteriezelle überwacht, gemessen und aufgezeichnet werden.
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In der Operation 506 vergleicht die Steuerung die Spannungsänderungsrate über der Batteriezelle in Bezug auf eine verknüpfte Zeit (dV/dt) mit einem vorbestimmten dV/dt-Schwellenwert (z. B. 1 V/s). Die Steuerung vergleicht dann die Spannungsänderungsrate über der Batteriezelle in Bezug auf eine verknüpfte Ladung oder SOC der Batteriezelle (dV/dQ oder dV/dSOC) mit einem vorbestimmten dV/dQ- oder dV/dSOC-Schwellenwert. Und die Steuerung vergleicht dann die Batteriezellkapazität (CapCELL) mit einem vorbestimmten Prozentsatz der Batteriezellkapazität zum Begin of Life der Batteriezelle (CapBOL). Falls entweder (dV/dt) den vorbestimmten dV/dt-Schwellenwert überschreitet, dV/dQ (oder dV/dSOC) den vorbestimmten dV/dQ-(oder dV/dSOC-)Schwellenwert überschreitet oder (CapCELL) kleiner als der vorbestimmte Prozentsatz von (CapBOL) ist, wird die Steuerung mit der Operation 508 fortfahren.
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In der Operation 508 gibt die Steuerung das Störungssignal aus. Das Störungssignal kann an ein optisches Display in der Sicht eines Bedieners des Fahrzeugs ausgegeben, an ein Audiosystem ausgegeben, um eine hörbare Warnmeldung für den Bediener des Fahrzeugs bereitzustellen, oder an ein System fern vom Fahrzeug für weitere Diagnosen übertragen werden. Zusammen mit der Ausgabe des Störungssignals kann die Steuerung die Batteriezelle entladen oder die Batteriezelle überbrücken.
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Falls zum Beispiel bestimmt wird, dass eine Batteriezellstörung ein inakzeptables Risiko für sicheren Betrieb des Batteriesatzes darstellt, kann der Energiezustand einer einzelnen Zelle oder des gesamten Satzes durch Entladen über den gleichen Ableitwiderstand (oder -widerstände) reduziert werden, der/die zum Ausgleichen des SOC von Zellen innerhalb des Batteriesatzes verwendet wird/werden, unter Verwendung bereits vorhandener Schaltanordnungen, wodurch das Risiko eines thermisches Ereignisses abgeschwächt wird.
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Falls die Funktionalität einer einzelnen Zelle die Funktionalität des gesamten Batteriesatzes, der aus vielen ansonsten akzeptabel arbeitenden Zellen besteht, einschränkt, kann gleichermaßen die einzelne fehlerhafte Zelle elektrisch von ihren nächsten Nachbarn getrennt werden, und eine elektrisch leitende Brücke könnte anstelle der Zelle eingefügt werden. Dies würde das Vorhandensein von elektronischen oder mechanischen Schaltern erfordern, die in der Lage sind, den verknüpften Strom zu handhaben.
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In einer alternativen Ausführungsform kann das Störungssignal an ein Batteriediagnosemodul (BDM) gesendet werden. Das BDM ist eine Steuereinheit, die Kurzzeit- und Langzeitgesundheitszustände der Batterie diagnostiziert, einschließlich der Gesundheit von Batterie-Hardware-Komponenten, wie zum Beispiel Stromsensoren, Spannungssensoren, Temperatursensoren, Schützkontakten, ebenso wie die Gesundheit von Batteriezellen, einschließlich der Zellkapazität. Das Batteriediagnosemodul kann sich elektrisch innerhalb eines BECM befinden, oder es kann eine separate ECU sein, die mit dem BECM über Kommunikationsmittel, wie zum Beispiel LIN, CAN-Netzwerk, serielle RS232-Kommunikation, oder über drahtlose Kommunikation verbunden ist. Das BDM kann Zustände der Batterie aufzeichnen.
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Sobald eine Spannungssignatur identifiziert ist, kann die Steuerung über eine Verzögerung für eine vorbestimmte Zeit warten, zum Beispiel für 2 Sekunden, bevor sie irgendwelche zusätzlichen Spannungssignaturen aufzeichnet. Die Verzögerung erfolgt wegen eines Zustands, bei dem ein einzelnes Ereignis eine Reihe von dV-Spitzen erzeugt, von denen nur die erste relevant ist, um das Vorhandensein eines Ereignisses oder einer Batteriezellstörung anzugeben.
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6 ist ein Flussdiagramm 600 der Batteriezellstörungsdetektion auf Basis davon, dass eine Änderungsrate einer Batteriezellspannung einen oberen Schwellenwert überschreitet oder einen unteren Schwellenwert eine Anzahl von Malen überschreitet.
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In der Operation 602 führt eine Steuerung einen Batteriezellladetest oder einen Batteriezellentladetest durch. Der Ladetest kann das Koppeln mit einer bekannten und geregelten Leistungsversorgung mit der Batteriezelle beinhalten, so dass ein Strom in die Batteriezelle fließt. Alternativ kann der Entladetest das Koppeln einer Last mit einer Batteriezelle beinhalten, so dass ein Strom in die Last fließt. Idealerweise weist die Last bekannte Charakteristika auf, und daher sollte die elektrische Antwort der Batterie einfach zu prognostizieren sein.
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In der Operation 604 überwacht die Steuerung eine Spannungsänderungsrate (dV) über der Batteriezelle als Reaktion auf den Batteriezellbetriebstest 602. Die Steuerung überwacht und misst die Spannungsänderungsrate (dV) über der Batteriezelle und zeichnet sie auf. Die Spannungsänderungsrate (dV) über der Batteriezelle kann in Bezug auf eine verknüpfte Zeitänderung, eine Ladungsänderung oder eine verknüpfte SOC-Änderung der Batteriezelle gemessen werden. Weiterhin kann eine Signatur einer niedrigen Kapazität der Batteriezelle überwacht, gemessen und aufgezeichnet werden.
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In der Operation 606 wird eine Spitzen-Spannungsänderungsrate über der Batteriezelle in Bezug auf eine verknüpfte Ladung (oder SOC) der Batteriezelle dV/dQ (oder dV/dSOC) innerhalb eines gegebenen SOC-Bereichs aufgezeichnet. In der Operation 608 zeichnet die Steuerung den dV/dQ (oder den dV/dSOC) im Speicher auf. Die Daten werden als Tabelle aufgezeichnet gezeigt; allerdings kann das Aufzeichnen andere Formen von Datenstrukturen verwenden.
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In der Operation 610 bestimmt die Steuerung, ob der Ladetest oder der Entladetest abgeschlossen ist, falls der Test nicht abgeschlossen ist, wiederholt die Steuerung die Operationen 604, 606, 608 und 610. Falls der Test abgeschlossen ist, fährt die Steuerung mit der Operation 612 fort.
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In der Operation 612 vergleicht die Steuerung einen ursprünglichen SOC auf Basis des dV/dQ (oder dV/dSOC), der mit einem SOC-Niveau ähnlich dem aktuellen SOC verknüpft ist, mit einem aktuellen dV/dQ (oder dV/dSOC) beim aktuellen SOC. In der Operation 614 prüft die Steuerung den Vergleich der Operation 612, falls eine Differenz besteht, die kleiner als eine vorbestimmte Größe ist, beendet die Steuerung mit der Operation 628. Falls eine Differenz besteht, die größer als eine vorbestimmte Größe ist, fährt die Steuerung mit der Operation 616 fort.
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In der Operation 616 vergleicht die Steuerung die Spannungsänderungsrate über der Batteriezelle in Bezug auf eine verknüpfte Ladung (oder SOC) der Batteriezelle dV/dQ (oder dV/dSOC) mit einem vorbestimmten unteren dV/dQ-(oder dV/dSOC-)Schwellenwert. Alternativ kann die Steuerung die Spannungsänderungsrate über der Batteriezelle in Bezug auf eine verknüpfte Zeit (dV/dt) mit einem vorbestimmten unteren dV/dt-Schwellenwert vergleichen. Falls dV/dQ (oder dV/dSOC) nicht den vorbestimmten unteren dV/dQ-(oder dV/dSOC-)Schwellenwert überschreitet oder alternativ dV/dt nicht den vorbestimmten unteren dV/dt-Schwellenwert überschreitet, wird die Steuerung zum Beenden mit der Operation 628 fortfahren. Falls dV/dQ (oder dV/dSOC) den vorbestimmten unteren dV/dQ-(oder dV/dSOC-)Schwellenwert überschreitet oder alternativ dV/dt den vorbestimmten unteren dV/dt-Schwellenwert überschreitet, wird die Steuerung mit der Operation 618 fortfahren.
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In der Operation 618 vergleicht die Steuerung die Spannungsänderungsrate über der Batteriezelle in Bezug auf eine verknüpfte Ladung (oder SOC) der Batteriezelle dV/dQ (oder dV/dSOC) mit einem vorbestimmten oberen dV/dQ-(oder dV/dSOC-)Schwellenwert. Alternativ kann die Steuerung die Spannungsänderungsrate über der Batteriezelle in Bezug auf eine verknüpfte Zeit (dV/dt) mit einem vorbestimmten oberen dV/dt-Schwellenwert vergleichen. Falls dV/dQ (oder dV/dSOC) den vorbestimmten oberen dV/dQ-(oder dV/dSOC-)Schwellenwert überschreitet oder alternativ dV/dt den vorbestimmten oberen dV/dt-Schwellenwert überschreitet, wird die Steuerung mit der Operation 620 fortfahren. Falls dV/dQ (oder dV/dSOC) nicht den vorbestimmten unteren dV/dQ-(oder dV/dSOC-)Schwellenwert überschreitet oder alternativ dV/dt nicht den vorbestimmten unteren dV/dt-Schwellenwert überschreitet, wird die Steuerung mit der Operation 622 fortfahren.
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In der Operation 622 inkrementiert die Steuerung einen Zähler und fährt mit der Operation 624 fort. In der Operation 624 vergleicht die Steuerung den Zähler mit einem Zählschwellenwert (z. B. 5 Instanzen von dV/dQ (oder dV/dSOC), die den vorbestimmten unteren dV/dQ-(oder dV/dSOC-)Schwellenwert überschreiten). Falls der Zählwert kleiner oder gleich dem Zählschwellenwert ist, wird die Steuerung zum Beenden mit der Operation 628 fortfahren. Falls der Zählwert größer als der Zählschwellenwert ist, wird die Steuerung mit der Operation 626 fortfahren. Der Zählschwellenwert ist wichtig, denn wenn es häufiger Spannungssignaturereignisse in einer besonderen Zelle gibt, kann diese besondere Zelle schließlich einen harten oder weichen Kurzschluss aufweisen, der zur Zellstörung führt.
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In der Operation 620 und auch in der Operation 626 gibt die Steuerung das Störungssignal aus. Das Störungssignal kann an ein optisches Display in der Sicht eines Bedieners des Fahrzeugs ausgegeben, an ein Audiosystem ausgegeben, um eine hörbare Warnmeldung für den Bediener des Fahrzeugs bereitzustellen, oder an ein System fern vom Fahrzeug übertragen werden. Zusammen mit der Ausgabe des Störungssignals kann die Steuerung die Batteriezelle entladen oder die Batteriezelle überbrücken.
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Weitere Verbesserungen von Detektion und Prognose von übermäßigem Zellkapazitätsverlust können durch Erfassung einer Reihe von Messwerten erfolgen, wie in 6 umrissen ist, wobei ein Trend bestimmt werden kann, ob übermäßiger Kapazitätsverlust zunimmt. Zum Beispiel ist es möglich zahlreiche Datensätze (an unterschiedlichen Daten erfasst) unter Verwendung der in 6 gezeigten Kriterien und für die gleiche Zellspannung oder SOC zu verwenden, es werden dV/dt und/oder dV/dQ (oder dV/dSOC) verglichen, und es ist zu erkennen, ob die Signatur im Vergleich zu früheren Daten zunehmend signifikant ist. Prognosen können auf Basis einer solchen Beobachtung erfolgen.
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Zu einem Beispiel für opportunistisches Testen unter Verwendung eines teilweisen Entladens während eines Ladeereignisses (über ein Stromnetz oder während des Fahrzeugbetriebs) zählt, wenn der Batteriezell-SOC größer als 50 % ist, wie zum Beispiel ein Fahrzeug bei 90 % SOC. Der Fahrzeugbetrieb beinhaltet eine Zeit, in der das Fahrzeug auf einer Fahrbahn fährt, entweder durch einen Motor mit innerer Verbrennung, eine Elektromaschine oder eine Kombination daraus angetrieben, oder eine Zeit, zu der das Fahrzeug sich in einem Schlüssel-Ein-Zustand befindet. Im Allgemeinen gibt bei einer Li-Ionen-Batteriezelle mit einer Nennspannung von 3,7 V eine Spannungsänderungsrate der Batteriezelle von über 3 V (z. B. 80 % der Zellnennspannung) eine Störung an, daher kann ein oberer Schwellenwert auf 3 V gesetzt werden. Eine Spannungsänderungsrate der Batteriezelle zwischen 1–2 V (25 % bis 50 % der Zellnennspannung) gibt einen Warnzustand oder einen unteren Schwellenwert an. Falls die Batteriezelle den unteren Schwellenwert öfter als eine vorbestimmte Anzahl von Malen überschreitet (z. B. 10 Mal), kann dies ein Anzeichen für eine Störung sein.
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Die hier offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können an eine Verarbeitungseinrichtung, eine Steuerung oder einen Computer, zu denen irgendeine bereits vorhandene programmierbare elektronische Steuereinheit oder eine dedizierte elektronische Steuereinheit zählen können, lieferbar sein oder durch sie umgesetzt werden. Ebenso können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten und Anweisungen, die durch eine Steuerung oder einen Computer ausführbar sind, in vielen Formen gespeichert werden, darunter unter anderem Informationen, die auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie etwa ROM-Einrichtungen, permanent gespeichert sind, und Informationen, die auf beschreibbaren Speichermedien, wie etwa Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM-Einrichtungen und anderen magnetischen und optischen Medien, veränderbar gespeichert sind. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem als Software ausführbaren Objekt umgesetzt werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen im Ganzen oder zum Teil unter Verwendung von geeigneten Hardware-Komponenten umgesetzt werden, wie zum Beispiel von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (Application Specific Integrated Circuits – ASICs), Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderen Hardware-Komponenten oder -Vorrichtungen oder einer Kombination aus Hardware-, Software- und Firmware-Komponenten.
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Wenngleich vorstehend beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst werden. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke dienen eher der Beschreibung als der Einschränkung, und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht sind. Obwohl verschiedene Ausführungsformen so beschrieben worden sein können, dass sie Vorteile gegenüber anderen Ausführungsformen oder Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer erwünschter Charakteristika bereitstellen bzw. diesen vorzuziehen sind, erkennen Durchschnittsfachleute, dass Kompromisse hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale oder Charakteristika eingegangen werden können, um gewünschte Gesamteigenschaften des Systems zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Umsetzungsform abhängig sind. Zu diesen Merkmalen können Kosten, Festigkeit, Langlebigkeit, Lebensdauerkosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging, Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. zählen, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Von daher liegen Ausführungsformen, die hinsichtlich eines oder mehrerer Charakteristika als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen bzw. als Umsetzungsformen nach dem Stand der Technik beschrieben worden sind, nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für spezielle Anwendungen erwünscht sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) 802 Standards [0035]