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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speichern eines Fehlers eines Lithium-Ionen-Akkumulators in einem Fehlerspeicher. Weiter betrifft die Erfindung einen Lithium-Ionen-Akkumulator.
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In elektrisch angetriebenen Fahrzeugen wird als Energiequelle typischerweise ein Akkumulator eingesetzt. Häufig werden Lithium-Ionen-Akkumulatoren eingesetzt, da diese die größte bisher verfügbare Energiedichte bei geringstem Gewicht aufweisen. Jedoch sind diese Akkumulatoren sehr empfindlich bezüglich Überladung wie auch Tiefentladung. Bei einer Überladung über einen gewissen Spannungswert pro Zelle, typischerweise um 4,25 V, wird die Zelle instabil und es kann ein sich selbst verstärkender Erwärmungsprozess (thermisches Runaway) initiiert werden. Auch Entladung unter eine gewisse Schwelle fördert ungünstige chemische Prozesse in der Zelle, die zu deren irreversibler Verschlechterung führen. Aus diesem Grunde gibt es ein Akkumulator-Management-System, welches mittels einer Steuereinrichtung des Akkumulators und mittels Zellenüberwachungsschaltkreisen an einzelnen Zellen des Akkumulators, häufig an allen Zellen, die Zellspannungen überwacht und an der Auslösung von Gegenmaßnahmen beteiligt sein kann. Beispielsweise wird Über- und Unterladung durch Öffnen einer Hauptschalteinrichtung, die etwa ein oder mehrere Lade- bzw. Hauptlastschütze umfassen kann, unterbunden. Dies wird als Tiefentladeschutz bezeichnet. Im Betrieb eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs kann es zu einer Situation kommen, in der der eingebaute Akkumulator durch den Fahrbetrieb erschöpft ist, z.B. infolge von längeren Umleitungen, erhöhtem Energieverbrauch, Fehlfunktion einer angesteuerten Ladestation oder dergleichen. Diese Erschöpfung des Akkumulators äußert sich darin, dass eine untere Spannungsschwelle einer oder mehrerer Zellen erreicht wird, was mittels den mit den Zellen verbundenen Zellenüberwachungsschaltkreisen detektiert werden kann und woraufhin der Tiefentladungsschutz aktiviert wird. Nachteilig daran ist, dass, selbst wenn der Tiefentladeschutz greift, also die Hauptschalteinrichtung zu allen externen Verbrauchern geöffnet ist, die Stromversorgung der Zellenüberwachungsschaltkreise unter bestimmten Bedingungen weiterhin aufrechterhalten wird, z. B. bei einem Unfall mit mechanischer Beschädigung der Batteriesteuerungselektronik, elektromigrationsbedingten Kurzschlüssen. Softwarefehlern im Akkumulator-Managementsystem oder dergleichen. Die Zellenüberwachungsschaltkreise zählen nicht zu den externen Verbrauchern, sondern bleiben mit den jeweiligen elektrochemischen Zellen verbunden, auch, wenn z.B. ein Hauptschütz geöffnet ist. Typischerweise werden die Zellenüberwachungsschaltkreise nicht durch den Tiefentladeschutz, sondern mittels eines Schlafbefehls in ihren Schlafmodus versetzt, was fehlschlagen kann. In dieser Situation verbrauchen die Zellenüberwachungsschaltkreise weiterhin Strom aus dem Akkumulator. Insbesondere, wenn dies über eine längere Zeit stattfindet, besteht eine akute Gefahr der Tiefentladung, zumal der Akkumulator nach längerem Fahrbetrieb ohnehin schon in einem Zustand maximaler zulässiger Entladung sein kann.
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Gleiches kann auch stattfinden, wenn der Lithium-Ionen-Akkumulator nach dem Ausschalten des Elektromotors in einen Schlafmodus versetzt wird. Dabei fahren Endverbraucher im Niedervoltbereich ihren Strombedarf herunter und die Steuereinrichtung sendet, insbesondere, wenn sie dies feststellt, einen Schlafbefehl zu den Zellenüberwachungsschaltkreisen. Wenn ein Zellenüberwachungsschaltkreis fehlerhaft nicht in den Schlafmodus versetzt wird, droht eine Tiefentladung, wie vorstehend beschrieben ist.
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Es ist möglich, den Schlafbefehl mit einer Bestätigungsanforderung an einen Zellenüberwachungsschaltkreis zu verbinden und eine Bestätigung des Schlafmodus' von dem Zellenüberwachungsschaltkreis zu empfangen, beispielsweise über einen CAN-Bus. Schlägt dies fehl, so kann der Schlafbefehl erneut gesendet und dies für alle Zellenüberwachungsschaltkreise, die nicht geantwortet haben, wiederholt werden, bis alle Zellenüberwachungsschaltkreise geantwortet haben. In einer Weiterbildung wird das vorgenannte Verfahren durchgeführt, während eine Hauptschalteinrichtung des Lithium-Ionen-Akkumulators, mit der elektrischer Stromfluss von und zu dem Lithium-Ionen-Akkumulator unterbrochen werden kann, geöffnet ist. Bevorzugt wird beim Öffnen der Hauptschalteinrichtung ein Signal an den Benutzer über dieses Ereignis gesendet, insbesondere, wenn die Hauptschalteinrichtung geöffnet wurde, weil ein niedriger Ladezustand des Lithium-Ionen-Akkumulators vorliegt, was dem Benutzer bevorzugt mitgeteilt wird. In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Anzahl von Schlafbefehlen und/oder Bestätigungsanforderungen an den Zellenüberwachungsschaltkreis gespeichert, insbesondere in der Steuereinrichtung, die den Schlafbefehl und/oder eine Bestätigungsanforderung an die Zellenüberwachungsschaltkreise sendet. Optional kann ein Zellenüberwachungsschaltkreis, von dem nach einer vordefinierten Anzahl von Schlafbefehlen und/oder Bestätigungsanforderungen keine Bestätigung an der Steuereinrichtung empfangen wurde, derart von seiner zu überwachenden Zelle zwangsgetrennt werden, dass diese von dem Zellenüberwachungsschaltkreis nicht weiter entladen wird, insbesondere mittels dafür vorgesehenen elektrischen Verbindungen und Unterbrechungseinrichtungen.
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Nachteilig an dem vorstehend geschilderten Verfahren ist, dass im Fahrzeug nicht nachvollziehbar ist, ob Zellenüberwachungsschaltkreise defekt und/oder Zellen zwangsabgeschaltet sind. Weil zwangsabgeschaltete Zellen typischerweise aus einem Zellenpaket genommen werden, hat dies weiter den Nachteil, dass einem Akkumulatormanagementsystem nicht mehr bekannt ist, welche Kapazität und welche Leistungsfähigkeit der Akkumulator aufweist. Unerkannt defekte Zellenüberwachungsschaltkreise können außerdem zu Tiefentladung von deren überwachten Zellen führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Speichern eines Fehlers eines Zellenüberwachungsschaltkreises eines Lithium-Ionen-Akkumulators in einem Fehlerspeicher vorgeschlagen. Der Zellenüberwachungsschaltkreis überwacht eine elektrisch-chemische Zelle des Lithium-Ionen-Akkumulators. Wenn der Lithium-Ionen-Akkumulator in einen Schlafzustand übergeht, wird von einer Steuereinrichtung ein Schlafbefehl an wenigstens einen, vorzugsweise an alle Zellenüberwachungsschaltkreise gesendet. In einer Variante wird der Schlafbefehl nur an die Zellenüberwachungsschaltkreise gesendet, für die kein Eintrag im Fehlerspeicher vorhanden ist. Mit dem Senden des Schlafbefehls ist eine Bestätigungsanforderung verbunden, die etwa einzeln gesendet oder in dem Zellenüberwachungsschaltkreis als Reaktion auf einen Schlafbefehl implementiert sein kann oder dergleichen. Wird eine solche Bestätigung von einem Zellenüberwachungsschaltkreis nicht empfangen, bedeutet dies in den meisten Fällen, dass er nicht in den Schlafzustand gegangen ist. Daraufhin kann die Steuereinrichtung einen Schlafbefehl erneut senden, insbesondere an die Zellenüberwachungsschaltkreise, die auf den zuvor versendeten Schlafbefehl keine Bestätigung gesendet haben. Nach einer vordefinierten Anzahl von Schlafbefehlen und/oder Bestätigungsanforderungen, auf die keine Bestätigung empfangen wurde, wird erfindungsgemäß eine Fehlerinformation in dem Fehlerspeicher gespeichert, wobei vorzugsweise anhand der Fehlerinformation ein bestimmter defekter Zellenüberwachungsschaltkreis identifizierbar ist. Eine Fehlerinformation kann beispielsweise bedeuten, dass ein Zellenüberwachungsschaltkreis defekt ist oder nicht automatisch in den Schlafzustand versetzt worden ist. Der vorstehend beschriebene Verfahrensablauf wird insbesondere beim Ausschalten eines Elektromotors oder eines Fahrzeugs, in dem ein Elektromotor eingebaut ist, ausgeführt. Ein solches Ausschalten des Fahrzeugs oder Elektromotors kann auch automatisch durchgeführt werden. Der Schlafzustand kann von der Steuereinrichtung aktiviert werden, wenn nach dem Ausschalten des Fahrzeugs oder des Elektromotors von dem Lithium-Ionen-Akkumulator versorgte Endverbraucher in dem Fahrzeug, wie etwa Steuerungsmodule oder dergleichen, ihren Strombedarf im Niedervoltbereich verringern, insbesondere auf ein Minimum. Insbesondere kann die Steuereinrichtung den Abfall der Auslastung detektieren, woraufhin sie den Schlafbefehl sendet. Denkbar ist auch, den Schlafbefehl zu senden, wenn die Leistungsabgabe der Batterie unter eine vordefinierte Schwelle sinkt. Die Schwelle ist dabei durch den Stromverbrauch der Fahrzeugkomponenten im Stillstand des Fahrzeugs definiert. Der Schlafbefehl und/oder die Bestätigung können zum Beispiel über einen CAN-Bus gesendet werden. Zwischen der Entscheidung, ob eine Bestätigung des Schlafbefehls nicht vorliegt und dem erneuten Senden eines Schlafbefehls wird ein Zeitintervall abgewartet, welches variiert werden kann. Insbesondere kann es dahingehend variiert werden, dass das Zeitintervall mit der Anzahl der gesendeten Schlafbefehle kürzer wird. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht es, Fehler schon zu detektieren, bevor eine Tiefentladung eintritt. Außerdem ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass ein Fehler behoben wird, bevor Tiefentladung eintritt.
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Wenn alle Zellenüberwachungsschaltkreise in den Schlafmodus versetzt worden sind und/oder, nachdem sie sich nicht haben in den Schlafmodus versetzen lassen, zwangsabgeschaltet worden sind, versetzt sich die Steuereinrichtung vorzugsweise selbst in einen Schlafzustand. Gleichzeitig zählt ein Zähler die Anzahl der gesendeten Schlafbefehle, wobei der Zählwert gespeichert wird. Dies kann beispielsweise mittels Software stattfinden, indem der Wert in einer Variablen gespeichert wird, oder mittels Hardware, beispielsweise mittels Zähler-Flipflops. Übersteigt dieser Zählwert einen vordefinierten Wert, zum Beispiel die Werte 3 oder 4, so erfolgt eine Zwangsabschaltung der noch nicht in den Schlafmodus versetzten Zellenüberwachungsschaltkreise, beispielsweise hardwaretechnisch mit Hilfe eines Relais oder Schalters durch Unterbrechen der Mess- und Versorgungsleitungen zwischen den betroffenen Zellenüberwachungsschaltkreisen und ihren zugehörigen Zellen bzw. zugehörigen Modulen, die die jeweils zugehörige Zelle umfassen.
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Auf diese Weise werden irreversible Schäden an der Zelle wahrscheinlicher vermieden. Dann entstehen keine Standzeiten aufgrund erforderlicher Reparaturen, etwa des Austauschs von Zellen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine Fehlerinformation in einem Fehlerspeicher gespeichert, der zu der Steuereinrichtung des Akkumulators gehört und/oder die Fehlerinformation wird in einem Fehlerspeicher gespeichert, der Teil eines Fahrzeugsteuergerätes ist. Besonders bevorzugt wird die Fehlerinformation in beiden genannten Fehlerspeichern gespeichert, um durch Redundanz mehr Sicherheit zu schaffen, zum Beispiel gegenüber Kurzschlüssen oder Überlastungen des Batteriesystems.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Zwangsabschaltung von Zellen, die infolge des Versagens der Zellenüberwachungsschaltkreise, in den Schlafmodus zu wechseln, zwangsabgeschaltet sind, wieder rückgängig gemacht, wenn ein Elektrofahrzeug, das den Akkumulator umfasst, oder ein Elektromotor als Verbraucher gestartet wird oder wenn Batteriefunktionalitäten überprüft werden. Dabei werden die Versorgungsleitungen der zwangsabgeschalteten Zellenüberwachungsschaltkreise wieder durchgängig geschaltet und noch weitere, vorzugsweise alle übrigen Elektronik-Überwachungskomponenten aus dem Schlafmodus in einen Aktivitätsmodus versetzt. Eine solche Überprüfung kann insbesondere bei längeren Standzeiten vorgenommen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens geht mit der Zwangsabschaltung von Zellenüberwachungsschaltkreisen das Senden einer Information über die Zwangsabschaltung an einen Empfänger einher, der nicht der aktuelle Benutzer des Lithium-Ionen-Akkumulators bzw. des Fahrzeugs ist, in den dieser eingebaut ist, nämlich insbesondere ein externer Empfänger wie etwa eine Werkstatt, ein Notdienst, der Hersteller des Akkumulators und/oder ein Fahrzeughersteller. Vorzugsweise wird die Nachricht über Mobilfunk gesendet. Insbesondere werden Informationen aus dem Fehlerspeicher gesendet, insbesondere welche Zellenüberwachungsschaltkreise betroffen sind und welcher Art der hinterlegte Fehler ist. Mit Hilfe dieser Informationen kann ein defekter Zellenüberwachungsschaltkreis einfacher ausgetauscht oder repariert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden die Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Darstellung eines Verfahrensablaufs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt schematisch den Ablauf einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Speichern eines Fehlers eines Zellenüberwachungsschaltkreises eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Der nicht dargestellte Zellenüberwachungsschaltkreis ist mittels Stromversorgungs- und/oder Messverbindungen mit einer Zelle des Akkumulators verbunden, um deren Zustand zu überwachen, insbesondere deren Zellenspannung. Von dem Zellenüberwachungsschaltkreis können über eine oder mehrere Signalverbindungen Zustandsinformationen der Zelle zu einer Steuereinrichtung des Akkumulators gesendet werden, insbesondere über CAN-Bus. Die Steuereinrichtung überwacht den Zustand des Akkumulators mittels der Zellenüberwachungsschaltkreise. Die Steuereinrichtung kann einen Schlafbefehl an die Zellenüberwachungsschaltkreise senden, um diese in einen Schlafmodus zu versetzen, in dem deren Stromverbrauch reduziert oder unterbunden ist. Durch diesen Schlafmodus kann verhindert werden, dass der Versorgungsstrom für die Zellenüberwachungsschaltkreise die Ladung in den von ihnen überwachten Zellen verringert. Eine solche Situation kann z.B. kritisch sein, wenn ein elektrisch betreibbares Fahrzeug, in das der Akkumulator eingebaut ist, dessen Energie bis zu einer kritischen Schwelle verbraucht hat. Insbesondere kann auch das Abstellen des Fahrzeugs kritisch sein, wenn die Abstellzeit dafür ausreicht, dass der Versorgungsstrom für einen Zellenüberwachungsschaltkreis den Ladungszustand einer Zelle unter eine Tiefentladungsschwelle bringt. Das Verfahren wird dadurch ausgelöst, dass ein Elektromotor, der von dem Lithium-Ionen-Akkumulator versorgt wird, ausgeschaltet wird, beispielsweise, weil ein Fahrzeug, in das der Elektromotor und der Akkumulator eingebaut sind, abgestellt werden soll. Der Beginn des Verfahrens nach der zweiten Ausführungsform ist der Schritt S13, in dem der Elektromotor abgeschaltet wird. In einem nachfolgenden Schritt S14 werden weitere Verbraucher, die aus dem Lithium-Ionen-Akkumulator versorgt werden, heruntergefahren. Dies sind beispielsweise Endverbraucher, die mit Spannungen im Niedervoltbereich versorgt werden. Durch das Herunterfahren verringert sich der Stromverbrauch dieser Verbraucher. Der Stromverbrauch kann noch weiter verringert werden, indem eine Hauptschalteinrichtung, die den Akkumulator mit seinen Verbrauchern verbindet, geöffnet wird. Während einer Standzeit wird somit der Akkumulator weniger stark entladen. Sodann geht das Verfahren zum Schritt S4 über, in dem die Steuereinrichtung (BCU) einen Schlafbefehl zu jedem der Zellenüberwachungsschaltkreise sendet. Dies wird insbesondere dadurch ausgelöst, dass der beim Abstellen abfallende Stromverbrauch von Stromverbrauchern in der Peripherie des Akkumulators erkannt wird, insbesondere, wenn diese in einen Schlafmodus versetzt werden.
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Wenn externe Verbraucher von dem Akkumulator abgetrennt werden, wird jedoch nicht die Stromversorgung der Zellenüberwachungsschaltkreise aus dem Akkumulator oder Messleitungen zwischen Zellenüberwachungsschaltkreisen und deren überwachter Zelle unterbrochen. Es kann somit weiterhin Strom aus dem Akkumulator durch Zellenüberwachungsschaltkreise fließen und den Akkumulator entladen. Um weiteren Stromverbrauch der Zellenüberwachungsschaltkreise zu verhindern, sendet die Steuereinrichtung in einem Schritt S4 einen Schlafbefehl an die Zellenüberwachungsschaltkreise, um diese in den Schlafmodus zu versetzen. In einem Schritt S5 erwartet die Steuereinrichtung ein Bestätigungssignal von jedem Zellenüberwachungsschaltkreis, an den ein Schlafbefehl gesendet wurde. Ist dieses Kriterium erfüllt, so schaltet sich die Steuereinrichtung in einem Schritt S6 selbst in den Schlafmodus und das Verfahren wird beendet. Auf diese Weise wird der Stromverbrauch weiter verringert.
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Wird nicht von jedem Zellenüberwachungsschaltkreis ein Bestätigungssignal empfangen, so geht das Verfahren über eine Rückkopplung von dem Schritt S5 wieder zu dem Schritt S4 über. In der Rückkopplung ist ein weiterer Schritt S7 zwischengeschaltet, in dem auf eine Information über eine Anzahl von Schlafbefehlen, die die Steuereinrichtung an Zellenüberwachungsschaltkreise gesendet hat, zugegriffen wird. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Anzahl von Durchläufen der Rückkopplung gespeichert sein, insbesondere für einzelne Zellenüberwachungsschaltkreise. Im Schritt S7 wird überprüft, wie oft der Schlafbefehl bereits gesendet worden ist. Wenn der Schlafbefehl weniger als X-mal gesendet wurde, geht das Verfahren nach einer Wartezeit Δt von Schritt S7 zu Schritt S4 über, in dem ein erneuter Schlafbefehl gesendet wird. Durch den Übergang zu Schritt S4 wird die Schleife aus den Verfahrensschritten S4, S5 und S7 geschlossen. Die Wartezeit Δt kann mit jedem erneuten Senden eines Schlafbefehls verringert werden. Jedes Senden und/oder erneute Senden wird gespeichert, insbesondere in einer Variable oder in einem Zähler, der insbesondere mit Flip-Flops arbeitet. Wird im Schritt S7 jedoch festgestellt, dass der Schlafbefehl schon X-mal gesendet wurde, so geht das Verfahren zum Schritt S8 über, in dem eine Zwangsabschaltung von Zellenüberwachungsschaltkreisen bewirkt wird, die noch nicht im Schlafmodus sind. Dies sind die Zellenüberwachungsschaltkreise, von denen ein Bestätigungssignal erwartet, jedoch trotz X-fachem Schlafbefehl nicht empfangen wurde. Die Zwangsabschaltung kann über eine Unterbrechungseinrichtung bewirkt werden, mit der eine Stromversorgung zwischen dem Akkumulator und einem Zellenüberwachungsschaltkreis unterbrochen werden kann. Die Unterbrechungseinrichtung kann von der Steuereinrichtung aus angesteuert werden, bevorzugt unabhängig von anderen Vorgängen. Vorzugsweise sind für diese Ansteuerung Signalleitungen vorgesehen, die von der normalen Kommunikation zwischen der Steuereinrichtung und den Zellenüberwachungsschaltkreisen unabhängig sind. In einem Schritt S10 wird ein externer Empfänger, etwa ein Notdienst, der Akkumulatorhersteller, eine Werkstatt oder ein Fahrzeughersteller eines Fahrzeugs, in das Akkumulator eingebaut ist, über den Zustand des Akkumulators informiert. In einem weiteren Schritt S15, der auf die Zwangsabschaltung folgt, werden Informationen über defekte Zellenüberwachungsschaltkreise in einem Fehlerspeicher gespeichert. Dieser Fehlerspeicher ist bevorzugt ein Fehlerspeicher der Steuereinrichtung oder eines Fahrzeugsteuergeräts. Um sicherzustellen, dass diese Information nicht verloren geht, zum Beispiel infolge von Kurzschlüssen oder Überlastungen des Batteriesystems, wird vorgeschlagen, die Information redundant in beiden der genannten Speicher abzulegen.