Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen des thermischen Durchgehens von Batterieeinzelzellen eines Batteriemoduls nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Grundlegend ist es bekannt, dass Batterieeinzelzellen in Batteriemodulen das Risiko eines thermischen Durchgehens, eines sogenannten Thermal Runaway bzw. einer Thermal Propagation, aufweisen. Dies gilt insbesondere für die in vielen Hochvoltbatterien heute üblichen Lithium-Ionen-Zellen. Aus diesem Grund sind die Batterieeinzelzellen und typischerweise auch ein Batteriemodul aus den Batterieeinzelzellen umgegebenes Modulgehäuse mit Berstelementen versehen, um im Zweifelsfall bei einem durch das thermische Durchgehen verursachten Druckanstieg diesen Druckanstieg abzubauen und kritische Gase aus dem Batteriemodul abzugeben. Dieser Vorgang wird auch als Venting bezeichnet.

Die EP 3 840 083 A1 beschreibt in diesem Zusammenhang ein System, um ein thermisches Durchgehen zu erfassen. Hierfür werden die Berstelemente in den Batterieeinzelzellen direkt überwacht, was sehr aufwändig ist.

Da das thermische Durchgehen lokal und zeitlich sehr schnell ablaufen kann, ist eine Überwachung über Temperatur und Spannung nur mit zum Teil erheblicher Verzögerung möglich. Im Stand der Technik der Technik werden daher andere Möglichkeiten wie zum Beispiel eine Drucküberwachung genutzt. Eine solche Drucküberwachung erfolgt dabei mit Drucksensoren, die ein Venting der Batterieeinzelzellen aufgrund des damit verbundenen Druckanstiegs detektieren können. Dabei werden typischerweise Absolutdruck-Sensoren eingesetzt. Da der Druck in dem Batteriemodul jedoch mit den Umgebungsbedingungen schwanken kann, kann ein Auslösen bei einem festen Schwellenwert zur einer verschlechterten Detektion und/oder einer erhöhten Falsch- Positivrate der Alarmierungen führen.

In diesem Zusammenhang beschreibt die US 9,083,064 B2 ein verbessertes System, welches sich dieser Herausforderung der Drucküberwachung stellt. Die Druckmessung wird dafür in einzelne Teile zerlegt und dann wird individuell der Verlauf eines Druckpeaks mathematisch angenähert und hieraus wird dann ein entsprechendes Signal generiert. Dies ist jedoch außerordentlich aufwändig in der Durchführung und der Berechnung. Beim Einsatz eines Batteriemoduls als Traktionsbatterie oder Teil einer Traktionsbatterie in einem Fahrzeug ist es in der Praxis jedoch häufig so, dass die verfügbaren Rechenkapazitäten deutlich eingeschränkt sind, sodass ein derartig komplexes Verfahren außerordentlich aufwändig und teuer in der Umsetzung oder durch die begrenzten Ressourcen entsprechend fehleranfällig oder erst gar nicht möglich ist.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Verfahren zum Erkennen des thermischen Durchgehens von Batterieeinzelzellen eines Batteriemoduls basierend auf einem Druckwert anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 , und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 , gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei außerordentlich einfach und verzichtet auf komplexe Berechnungen einschließlich der an sich sinnvollen Berechnung von Druckgradienten, um ein sehr einfaches und robustes System zu schaffen, welches mit minimaler Rechenkapazität auskommt und dabei wenig fehleranfällig ist. Dabei ist es nämlich so, dass neben dem rechnerischen Aufwand zum Erstellen von Druckgradienten auch das in den Druckwerten prinzipbedingt vorliegende Rauschen und Auftreten von Artefakten sehr kritisch sein kann. Durch ein solches Rauschen können beispielsweise trotz im Mittel real ansteigender Werte bei der Gradientenbildung vorübergehend abfallende Werte festgestellt werden, was zu einer weiteren Fehleranfälligkeit von der Gradientenbildung führt. Die hohe Effizienz und Robustheit gegen Fehler wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass der erfasste Druckwert mit wenigstens einem Filter gefiltert wird, um seine Dynamik zu verringern. Aus einem ersten gefilterten Wert und einem zweiten anders gefilterten oder ungefilterten Wert wird dann wenigstens ein Differenzwert gebildet, wobei der erste Wert bezüglich der Dynamikverringerung stärker als der zweite Wert gefiltert ist. Der zweite Wert kann ebenfalls gefiltert sein, jedoch mit einer bezüglich der Dynamikverringerung geringeren Filterung. Alternativ dazu kann dieser zweite Wert auch ungefiltert bleiben.

Der so erzeugte ersten Differenzwert zwischen dem ersten und den zweiten Wert, welcher auf dem erfassten Druckwert basieren aber von denen zumindest einer zur Verringerung seiner Dynamik gefiltert wird, lässt sich dann ein Datenwert schaffen, welcher mit einem positiven oder negativen Grenzwert, welcher fest vorgegeben werden kann, verglichen wird. Im Falle eines Überschreitens des positiven Grenzwerts oder eines Unterschreitens des negativen Grenzwerts wird dann eine entsprechende Warnmeldung generiert, dass ein thermisches Durchgehen von Batterieeinzelzellen in dem Batteriemodul erkannt worden ist.

Diese besondere Art, die Werte bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verarbeiten und zu vergleichen, lässt sich dabei außerordentlich einfach programmieren und kann mit minimalem Rechenaufwand auch auf Steuergeräten mit begrenzten Ressourcen einfach, effizient und zuverlässig durchgeführt werden. Die Detektion des thermischen Durchgehens lässt sich so sehr einfach aber gleichzeitig zuverlässig und robust gegen potenzielle Fehler, insbesondere gegen Falsch-Positiv-Warnungen, umsetzen.

Als Filter können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise Tiefpassfilter zum Einsatz kommen. Diese können insbesondere als Filter mit einer unendlichen Impulsantwort, als sogenannte IIR-Filter, umgesetzt werden.

Bei der Ausgestaltungsvariante der Filter als Tiefpassfilter wird der erfasste Druckwert mit wenigstens zwei Tiefpassfiltern unterschiedlicher Grenzfrequenzen in einen ersten Wert, einen zweiten Wert und einen dritten Wert überführt. Die Dynamikverringerung ist dabei beim ersten Wert größer als beim zweiten Wert und beim zweiten Wert größer als beim dritten Wert. Der dritte Wert kann dabei auch ungefiltert sein, also den erfassten Druckwert unmittelbar darstellen. Da derartige erfasste Druckwerte jedoch kritisch hinsichtlich eines Rauschens und hinsichtlich von Artefakten sein können, kann hier ein weiterer Tiefpassfilter zur Eindämmung des Rauschens eingesetzt werden. Die Tiefpassfilter könnten dann entsprechende Grenzfrequenzen von beispielsweise 1 Hz für den ersten Wert, 10 Hz für den zweiten Wert und beispielsweise 100 Hz für den dritten Wert aufweisen.

Alternativ zu einer solchen Ausgestaltung der Filter als Tiefpassfilter sind auch sogenannte Rate-Limiter möglich, welche also den Ausgabewert in seiner Dynamik entsprechend einschränken. Dabei kann es nun ebenfalls vorgesehen sein, dass der erfasste Druckwert mit einem ersten Rate-Limiter in einen ersten Wert und mit einem zweiten Rate-Limiter in einen dritten Wert überführt wird. In diesem Fall wird dann der zweite Wert ungefiltert genutzt, oder wird über einen Tiefpassfilter oder einen weiteren Rate-Limiter ausschließlich zur Rauschunterdrückung in dem erfassten Druckwert gefiltert.

Die so aufbereiteten Werte können dann, egal ob sie über eine Tiefpassfilterung oder über die Filterung mit Rate-Limitern aufbereitet worden sind, genutzt werden, um aus dem ersten Wert und dem zweiten Wert einen ersten positiven Differenzwert zu bilden und aus dem zweiten Wert und dem dritten Wert einen zweiten negativen Differenzwert. Der erste Differenzwert kann dann mit einem positiven Grenzwert und der zweite Differenzwert mit einem negativen Grenzwert verglichen werden. Der erste Differenzwert zeigt also einen Druckanstieg in dem System an, während der zweite mit dem negativen Grenzwert verglichene Differenzwert einen Druckabfall anzeigt. Der Druckanstieg beispielsweise im Gehäuse eines Batteriemoduls deutet darauf hin, dass die Berstelemente einzelner Batterieeinzelzellen aufgrund eines thermischen Ereignisses geöffnet haben und somit Gase aus den Batterieeinzelzellen in das Innere des Batteriemoduls strömen und für einen Druckanstieg sorgen. Dieser erfolgt mit einer hohen Dynamik, wobei die Dynamik des Druckanstiegs jedoch kleiner ist als die sich typischerweise anschließende Dynamik des Druckabfalls, welcher dann auftritt, wenn das typischerweise weitaus größere, also mit einem größeren durchströmbaren Querschnitt versehene Berstelement des Batteriemoduls selbst öffnet und die sogenannten Venting-Gase in die Umgebung des Batteriemoduls abgegeben werden. Die Dynamik des ersten Differenzwerts ist also entsprechend geringer als die des zweiten Differenzwerts. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es daher vorgesehen sein, dass die Warnung ausgelöst wird, wenn der zweite Differenzwert den negativen Grenzwert unterschreitet. Dieser Wert wird also als der Wert eingesetzt, welcher zum Erkennen des thermischen Ereignisses tatsächlich genutzt wird. Ungeachtet dessen können entsprechende Vorwarnungen auch beim Überschreiten des positiven Grenzwerts durch den ersten Grenzwert bereits ausgelöst werden.

Um die Gefahr von Falsch-Positiven-Warnmeldungen über erkannte thermische Ereignisse noch weiter zu reduzieren, kann es gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch vorgesehen sein, dass in der zeitlichen Reihenfolge aufeinander zuerst der erste Differenzwert den positiven Grenzwert überschritten haben muss, bevor der zweite Differenzwert den negativen Grenzwert unterschreitet, und dass nur bei einem Überschreiten und Unterschreiten der entsprechenden Grenzwerte in eben dieser Reihenfolge die Warnung ausgelöst wird. Eine weitere Möglichkeit, welche alternativ oder ergänzend zur Überwachung des ersten Differenzwerts genutzt werden kann, um die Gefahr falscher Warnungen, insbesondere falsch-positiver Warnungen zu reduzieren, besteht darin, einen vorgegebenen Differenzdruck zum Umgebungsdruck um das Batteriemodul herum mit zu überwachen und die Warnmeldung nur dann auszulösen, wenn sowohl der zweite Differenzwert seinen vorgegebenen negativen Grenzwert unterschreitet und zuvor entweder der erste Differenzwert seinen vorgebebenen positiven Grenzwert überschritten hatte und/oder eine vorgegebene Druckdifferenz gegenüber dem Umgebungsdruck von dem gemessenen Druckwert oder einem lediglich hinsichtlich des Rauschens gefilterten Druckwert, also insbesondere dem dritten Wert im Sinne der oben dargelegten Ausführungsvarianten, überschritten wurde.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei wie oben bereits mehrfach erwähnt eine deutliche Reduzierung hinsichtlich der benötigten Kapazitäten und des Rechenaufwands. Dennoch kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen werden, dass die Filterung und Verarbeitung der entsprechenden Werte überhaupt nur dann startet, sobald der erfasste Druckwert über einem vorgegebenen Aufwachniveau liegt. Dieses Aufwachniveau kann als fester Wert vorgegeben werden, bevorzugt kann auch dieses Aufwachniveau dynamisch angepasst werden. Beispielsweise lässt sich ein Basisdruck in dem Batteriemodul oder der Umgebungsdruck des Batteriemoduls entsprechend nachführen, indem alle fünf Sekunden ein gleitender Durchschnittswert ermittelt wird. Wird dieser gleitende Durchschnittswert um eine vorgegebene Differenz überschritten, dann wäre das Aufwachdruckniveau in dieser Konstellation erreicht, und das erfindungsgemäße Verfahren mit seiner Filterung und Verarbeitung des erfassten Druckwerts nimmt seine Arbeit zur Detektion eines potenziellen thermischen Ereignisses auf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Umsetzung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.

Dabei zeigen:

Fig. 1 einen beispielhaften Druckverlauf in einem Batteriemodul im Falle eines thermischen Ereignisses in wenigstens einer seiner Batterieeinzelzellen;

Fig. 2 einen Ansatz zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Tiefpassfiltern; und

Fig. 3 einen Ansatz zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Rate- Limitern.

In der Darstellung der Figur 1 ist in einem Diagramm des Drucks P über der Zeit t ein Druckverlauf in einem Batteriemodul im Falle eines thermischen Ereignisses in wenigstens einer seiner Batterieeinzelzellen beispielhaft dargestellt. Das Batteriemodul soll z.B. in einem Fahrzeug verbaut sein, um einen zumindest teilweise elektrischen Antrieb zu unterstützen. Der gesamte dargestellte Zeit-Ausschnitt ist dabei relativ kurz, sodass die gesamte dargestellte Zeitspanne bei in etwa 500 ms liegt. Der eigentliche relevante Abschnitt, den es zuverlässig und robust zu erfassen gilt, liegt bei einer zeitlichen Länge von etwa 200 ms.

Von einem Basisdruckniveau PO, welches zu einem Zeitpunkt 0 vorliegt, steigt der Druck P nun langsam an. Das Basisdruckniveau PO wird dabei dynamisch nachgeführt, beispielsweise indem der Umgebungsdruck um das Batteriemodul alle fünf Sekunden entsprechend gemessen und ein gleitender Durchschnitt gebildet wird. Sich verändernde Umgebungsdrücke aufgrund einer Bergfahrt, einem Transport mittels Luftfracht oder dergleichen lassen sich so also berücksichtigen, was einen entscheidenden Vorteil gegenüber einer ausschließlichen Berücksichtigung von absoluten Druckwerten darstellt. Zu dem auf der t-Achse mit (1) bezeichneten Zeitpunkt ist eine Druckdifferenz von AP1 gegenüber dem Basisdruckniveau PO aufgetreten. Zum Zeitpunkt (1) wird das System aufgeweckt. Das Aufwachniveau, ab welchem eine Überwachung mit der noch erläuterten Filterung der Druckwerte zum Zeitpunkt (1) startet, liegt also um die Differenz AP1 über dem Umgebungsdruck PO, sodass sich dieses Aufwachdruckniveau letztlich durch P0+AP1 ergibt. Die Arbeit des dann aufgeweckten Systems besteht im Wesentlichen in einer Überwachung und Filterung des Drucks P hinsichtlich eines Anstiegs und eines Abfalls sowie gegebenenfalls dem Überschreiten einer festen Druckdifferenz APx gegenüber dem Basisdruck PO.

Eine erste Möglichkeit besteht nun darin, einen Aufbau gemäß Figur 2 mit drei unterschiedlichen Tiefpassfiltern 1, 2, 3 zu verwenden. Diesen wird der Druckwert P zugeführt. Der in der Darstellung der Figur 2 oben dargestellte Tiefpassfilter 1 soll dabei eine relativ niedrige Grenzfrequenz von beispielsweise 1 Hz haben, der mittlere Tiefpassfilter 2 eine Grenzfrequenz von 10 Hz und der untere Tiefpassfilter 3 eine relative hohe Grenzfrequenz von 100 Hz. Der gemessene Druckwert P wird also von jedem der drei Tiefpassfilter 1, 2, 3 in seiner Dynamik unterschiedlich stark verringert, wobei der Tiefpassfilter 1 die stärkste Verringerung und der Tiefpassfilter 3 die kleinste Verringerung bewirkt. Damit liegt nach dem ersten Tiefpassfilter 1 ein erster Wert P1 vor, nach dem zweiten Tiefpassfilter 2 ein zweiter Wert P2 und nach dem dritten Tiefpassfilter 3 ein dritter Wert P3. Diese werden nun zu einem ersten Differenzwert AP2 aus dem ersten Wert P1 und dem zweiten Wert P2 bzw. einem zweiten Differenzwert AP3 aus dem zweiten Wert P2 und dem dritten Wert P3 verrechnet.

In der Darstellung der Figur 1 sind diese Werte eingezeichnet. Der Wert AP2 liegt zum Zeitpunkt (2) vor und bestimmt den Anstieg des Drucks P in dem Batteriemodul 1. Der zweite Differenzwert AP3 liegt zum Zeitpunkt (5) vor und bestimmt den Druckabfall in dem Batteriemodul. Der erste Differenzwert AP2 lässt sich nun mit einem positiven Grenzwert pthpos entsprechend vergleichen, der zweite Differenzwert AP3 mit einem negativen Grenzwert pthneg. Liegt der erste Differenzwert AP2 über dem positiven Grenzwert pthpos, ist also ein entsprechender steiler Anstieg des Drucks aufgetreten, dann wird über den in Figur 2 oben dargestellten und mit 4 bezeichneten Baustein ein erstes Flag f1 gesetzt, welches einen positiven Gradienten anzeigt, ohne diesen konkret berechnen zu müssen. Vergleichbares gilt für den unten in der Darstellung der Figur 2 dargestellten Baustein 5, welcher ein zweites Flag f2 immer dann setzt, wenn der zweite Differenzwert AP3 unter dem Grenzwert pthneg liegt. Das zweite Flag f2 zeigt also an, dass ein negativer Gradient vorliegt, wiederum ohne diesen explizit zu berechnen.

In der Darstellung der Figur 1 ist der erste Differenzwert AP2 und der zweite Differenzwert AP3 eingezeichnet. Typisch ist es dabei, dass die Dynamik unterschiedlich stark ist, da der Druckanstieg um den Differenzwert AP2 entsprechend langsamer erfolgt, da hier typischerweise nur einzelne Batterieeinzelzellen betroffen sind oder mehrere der Batterieeinzelzellen nacheinander thermisch durchgehen und ihre Berstelemente bersten. Ab dem Zeitpunkt (4) birst dann das Berstelement des Batteriemoduls selbst, welches typischerweise einen relativ großen Durchmesser zum Ablassen der Venting-Gase freigibt. Dementsprechend kommt es zu einem Druckabfall um den zweiten Differenzwert AP3 mit sehr starker Dynamik, welcher hinsichtlich der Erfassung zum Zeitpunkt (5) abgeschlossen ist, bevor sich kurz danach wieder ein Druck im Bereich des Basisdruckniveaus PO einstellt.

Zum Startzeitpunkt (4) des Druckabfalls, also zu dem Zeitpunkt, zu dem das Berstelement des Batteriemoduls geborsten ist, liegt dabei der Maximaldruck Pmax in dem System vor. Daneben kann ein weiterer Druck Px definiert werden, welcher von dem Druck P erstmals zum Zeitpunkt (3) erreicht worden ist. Dieser Druck kann eine Art herkömmlicher Warndruck sein, welcher insbesondere durch seine Druckdifferenz APx gegenüber dem Umgebungsdruck bzw. Basisdruck PO definiert ist, wobei die Differenz, nicht jedoch der Absolutwert Px, fest vorgegeben sein kann.

Um nun möglichst robust eine zuverlässige Warnmeldung auszulösen, welche die Gefahr einer falschen, insbesondere einer falsch-positiven Warnung reduziert, wird nun in jedem Fall der Druckabfall entsprechend detektiert. Die Warnmeldung wird also ausgegeben, wenn das Flag f2 gesetzt wird. Um die Robustheit des Systems weiter zu steigern kann zusätzlich ein gesetztes Flag f1 zeitlich vor dem Setzen des Flags f2 berücksichtigt werden und in einer weiteren Ausgestaltung kann ergänzend oder alternativ zu diesem Flag f1 auch das Erreichen des Drucks Px bzw. das Überschreiten der Druckdifferenz APx als Kriterium mitgenutzt werden.

Werden alle Kriterien mitgenutzt, muss also zuerst das Aufwachdruckniveau durch die Differenz AP1 gegenüber dem Umgebungsdruck PO überschritten worden sein, dann muss das Flag f1 gesetzt worden sein und der Differenzdruck APx muss überschritten werden. Sind all diese drei Bedingungen erfüllt und dann wird das Flag f2 gesetzt, kann mit hoher Sicherheit von einem thermischen Durchgehen wenigstens einer der Batterieeinzelzellen in dem Batteriemodul ausgegangen werden, sodass die Warnung sehr zuverlässig und robust ausgelöst werden kann.

Alternativ dazu ließen sich die Ereignisse auch zum Auslösen einer Vorwarnung vor der eigentlichen Hauptwarnung bzw. Alarmierung beim Setzen des Flags f2 durch das in Figur 2 gezeigte System nutzen.

In der Darstellung der Figur 3 ist ein alternativer Aufbau gezeigt, welcher anstelle der Tiefpassfilter 1 , 2, 3 sogenannte Rate-Limiter 6, 7 einsetzt. Für den oberen Rate-Limiter 6 wird dabei die Anstiegsrate begrenzt, sodass also der hier generierte erste Wert P1 entsprechend in seiner Dynamik verringert ist. Der zweite Wert P2 gelangt hier ungefiltert oder mit einer optionalen Rauschunterdrückung 8 gefiltert direkt zu den Summierern, der dritte Wert P3 wird über einen zweiten Rate-Limiter 7 entsprechend gefiltert. Die Rauschunterdrückung 8 kann dabei als Tiefpassfilter mit ausreichend hoher Grenzfrequenz, also ausschließlich zur Rauschunterdrückung, ohne eine nennenswerte Reduktion der Dynamik umgesetzt werden oder beispielsweise auch in Form eines Rate- Limiters mit vergleichbarer Funktionalität.

Der Rate-Limiter 6, 7 limitiert dabei die maximale Steigungsrate des von ihm generierten ersten Werts P1 bzw. dritten Werts P3, während die Steigungsrate des zweiten Werts P2 hier quasi unverändert bleibt. Die Rate-Limiter 6, 7 können dabei so eingestellt sein, dass sie beispielsweise innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne von insbesondere ca. 10 ms lediglich Druckänderungen bis zu 2 mPa passieren lassen. Der in der Darstellung der Figur 3 unten dargestellte Rate-Limiter 7 muss dabei so konzipiert sein, dass er in seiner Dynamik dem Anstieg ohne Einschränkung folgen kann und seine Auswirkung erst beim Druckabfall, also nach dem Zeitpunkt (4) in der Darstellung der Figur 1 , zu Tragen kommt. Der weitere Ablauf hinsichtlich der zu setzenden Flags f1 und f2 entspricht dann dem bereits zuvor im Rahmen der Figur 2 beschriebenen Ablauf.