用于识别电池组电池中的异常的方法和短路传感装置与流程

本发明涉及一种用于识别电池组电池中的异常的方法，以及一种被设立用于执行该方法的短路传感装置（Kurzschlusssensorik）和电池组系统。

背景技术：

当前的电池组管理系统用通常为20至50Hz的扫描频率来监控电池电压、电流强度和电池温度。借助于所述参量和根据实验所确定的基础知识（Vorwissen）、例如依据特性曲线，基于电池组电池的理论模型来实现监控开关电路。典型的由电池组管理系统（BMS）所确定的参量是电池组电池的充电状态（SOC，State of Charge）、内阻和健康状态（SOH，State of Health），以便例如预报可用的功率并且提出针对电池组电池的运行参数的框架规范（Rahmenvorgabe）。

在锂离子电池组中，大量的化学能和电能是潜在的危险。在被存储在阴极和阳极的活性材料中的化学能数倍于所存储的电能。在此，通过放热分解来释放化学能需要以加热为形式的激活能量。根据所使用的材料，临界温度为150-200°C。用于激起（Entfachung）所谓的热失控（Thermal Runaway）所必需的温度不仅可以通过电池组电池的外部的加热而且可以通过电池组电池的内部的加热来形成。所述外部的加热通常避开了精确的预报。所述内部的加热例如通过释放电能通过将电能转换成热来形成。尤其是，这一点可通过在阴极与阳极之间的内部的电短路来进行，所述内部的电短路例如通过金属粒子、金属树枝状结晶体或者所述活性材料彼此的电接触来完成。所述过程由电池组管理系统在监控热失控的范围内来识别。

US 2013 012 2332 A1描述了一种具有集成电路、压力传感器和通信设备的系统，所述系统可以被安装到电池组电池中。该系统用于确定电池组电池的SOC和SOH。在此，为了识别潜在的有害反应，电池内压的升高被确定，其中缓慢的升高被解释为老化，而快速的升高被评价为对严重的危险情况的提示。

DE 10 2006 000 086 A1示出了一种具有蓄电池电池组的蓄电池系统，所述蓄电池电池组包括：用于控制在控制区中的电池的充电/放电控制部分、用于检测异常的异常检测部分和异常处理部分。该异常检测部分基于电池组监控单元的阻断电压（Blockspannung）来检测电池组的微小的电池短路异常。

DE 10 2008 062 656 A1示出了一种用于保护车辆中的锂离子电池组的方法，其中为了识别电池组的热过载和/或电过载而自动地监控电池组的参数，尤其电流值、电压值、温度值和/或电池内压。

DE 10 2011 077 448 A1示出了一种用于通过将运行参量与数学模型时间离散地（zeitdiskret）进行比较来估计描述了电蓄能器的状态的状态参量的方法。运行参量是温度、负载电流和端电压。

技术实现要素：

本发明的任务是及早地识别由内部短路造成的危险情况。

本发明的优点

在按照本发明的用于识别电池组电池的异常的方法中规定：由短路传感装置在电池组电池的端电压的信号中探测如下事件，所述事件具有以微秒的时间间距连续的沿；并且由短路传感装置所探测到的时间被传输给电池组管理系统。

按照本发明的对内部短路的识别基于将端电压的特定的发展（Entwicklung）标识为时间的函数，必要时也考虑电流和/或电池内压的特定的发展。

本发明所基于的假设在于：至少多个短路不是突然地并且相同地完全被构造地出现，而是为形成阶段所决定。在“硬”短路开始电池组电池的热失控之前，出现微短路（Micro Shorts）。针对这种微短路表特征的是：短接的元件（例如金属粒子、金属树枝状结晶体或者活性材料彼此的电接触）只能在微秒的范围内的很短的时间内维持所释放的功率，而在此不熔化、不蒸发或者不升华。如果发生更长的、持续几毫秒的作用（Einwirkung），那么该短路可通过清理（Abreagieren）或者熔化形成短路的元件而可能在中期又陷入停顿。以这种方式构造了只有“小的”短路、也就是说微短路，所述微短路稍后可以通过电极的更牢固的、电持久的连接利用在受损的部位上的大的热发展（Hitzeentwicklung）来解除。计算表明：微短路可引起在几安培的范围内的通过电流。该内部的电流造成了端电压短时间地扰动（Einbruch）几mV。

短路传感装置被设立用于识别所述微短路、也就是说被设立用于探测如下事件，所述事件具有以几微秒（尤其是从0.1μs到10ms、优选地从0.1μs到1ms、进一步优选地从0.1到100μs、特别优选地0.5到10μs）的时间间距连续的沿，其中端电压的振幅在mV范围内波动。所探测到的连续的沿例如包括下降沿和紧随其后的上升沿，这在下文也被称作电压扰动。

所探测到的事件由短路传感装置或者在传输之后由电池组管理系统配备时间戳并且此后被存储在存储元件中。

电池组管理系统依据所探测到的事件来确定电池组电池的异常。该电池组管理系统例如可以在所探测到的事件的情况下进行电池组电池、电池组模块或者整个电池组的紧急切断或者将关于该事件的信息提供给如下车辆控制系统，所述车辆控制系统就进一步的反应做决定。

优选地，此外还执行所探测到的事件的合理性检查（Plausibilisierung）。

根据一优选的实施方式，为了进行合理性检查而执行已在其上确定了该事件的电池组电池的性能（Verhalten）与其它的电池组电池的性能的比较，所述其它的电池组电池与所述电池组电池电接线。

可替换于此地或者除此之外地，为了对所述事件进行合理性检查而进行对电池组电池的内压的测量。所述电池组电池的内压由短路传感装置以被限定的扫描频率来执行。所述内压的测量值可以或者持续地被传输或者仅当已经探测到事件时才被传输。在这种情况下，该短路传感装置具有用于该内压的值的中间存储器。电池组管理系统在分析该内压的情况下依据所确定的事件来识别电池组电池的异常。在此，在其中已确定所述事件的电池组电池中的电池内压的突发的升高是对肯定地（positiv）被探测到的微短路进行支持的特征。由于局部出现的高温而使材料（例如电解质）蒸发或者分解成气态的反应产物。微短路的出现被耦合到电池外壳内的压力升高上。微短路的强度由通过电流的大小、通过电流的持续时间和被分解的材料的量来限定。大量被分解的材料导致了电池组电池中的压力升高。在此，从小的短路到硬短路的过渡可以流畅地进行。因而，压力升高、尤其是在初始阶段中的压力升高可能很少失效，而且取决于可探测到的极限。

根据一有利的实施方式，电池组管理系统使短路传感装置运行，用于利用不同的参数来探测在充电阶段的状态下、在休眠阶段的状态下和在运行阶段的状态下的事件。以这种方式提出了一种自适应的方法，所述自适应的方法使得可能对在不同的阶段中的测量信号有意义地分类。

充电阶段

在CC/CV方法中的充电阶段的特征在于：电池组电池初始加载有恒定的电流强度（CC阶段：恒定电流（Constant Current））。在达到充电终止电压时减小电流强度，以便避免超过该电压（CV阶段：恒定电压（Constant Voltage））。如果充电电流强度低于极限值、例如低于初始充电电流的十分之一的大小，那么充电过程被视为结束。依据CV阶段的时间延长也可以推断出电池老化。接着，由于自放电的升高而必须在充电时耗费越来越多的能量。在电池组管理系统中进行对通过电流的观察和调节。

在电池组电池中出现微短路时，所涉及的电池组电池的端电压由于所描述的原因而短时间地扰动。短路传感装置识别该扰动。为此，例如端电压的信号借助于微分器（Differenzierer）被放大，其中在充电阶段的状态下，微分电压监控的放大因子在相对于休眠阶段的状态的正的电压方向上被提高，例如被提高直到噪声极限（Rauschgrenze）上。

在电池组电池中出现微短路时，充电调节器或其输出电容器通过提高电流强度来补偿电压的扰动。在微短路没有涉及到的电池组电池中，电流强度的提高导致了端电压的升高。所述电压升高被减小了电池组电池相对于所述扰动的部分（Anzahl），然而对所有的电池组电池起作用。

根据一优选的实施方式，在充电阶段中被探测到的事件的情况下，如果同时在至少一个其它的电池组电池中（例如在所有与所涉及到的电池组电池接线的电池组电池中或者在多个所述与所涉及到的电池组电池接线的电池组电池中）确定端电压的电压峰值，那么电池组管理系统识别出所述电池组电池的异常。在此，所述电压峰值通过如下事件来限定，所述事件具有以微秒的时间间距连续的沿、至少具有一个上升沿和一个紧随其后的下降沿。在该上下文中，“同时”意味着在考虑电子装置、尤其是充电调节器的反应速度的情况下在从ns到μs的范围内的时间间隔。

此外，根据一优选的实施方式，在充电阶段中的被探测到的事件之后，所涉及到的电池组电池的电池内压被记录、该事件被配备时间戳并且被传输给电池组管理系统。为了辅助合理性检查，该电池内压由电池组管理系统考虑，其中小的或不可测量的压力升高表明了小的微短路，而在mbar的范围内的较大的压力升高使得推断出越来越严重的微短路的发展。

休眠阶段

在休眠阶段中，总系统处于备用模式（Standby-Modus）下。在此，负载电流近似于零。

在其中以较小的概率出现内部短路的休眠阶段中，电池组管理系统的活动性被减小到最小值，以便将静止电流消耗最小化。优选地，在休眠阶段的状态下，例如用比在充电阶段的状态下更小的扫描频率来测量电池组电池的内压。在此，典型的扫描频率是从1/s到1/min、也就是说每秒到每分钟。在此，较小的扫描频率包括1/min到1/10min、也就是说每分钟到每10分钟一次。为了确定电池组电池在休眠阶段中的异常，首先由短路传感装置探测事件，而此后由短路传感装置传输用于唤醒电池组管理系统的信号。同时，电池内压被记录，而且该事件被配备时间戳，其中后者在传输给电池组管理系统之前或者之后都可以进行。

在一有利的构建方案中，在休眠状态中被探测到的事件的情况下，如果在至少一个其它的电池组电池中确定同时的电压扰动，那么电池组管理系统排除电池组电池的异常。如果多个或者所有的电池组电池都已经探测到电压扰动，那么以高概率不存在微短路。在多个电池组电池中同时出现被视为在统计上不可能的。在这种情况下，也许涉及负载电流或者涉及故障电流。在该上下文中，“同时”意味着在从ns到μs的范围内的时间间隔。

在这种情况下，电流传感器的传感器数据此外还可以在电池组管理系统中被考虑用于合理性检查。

运行阶段

运行阶段的特点在于：所有的电池组电池都提供相同的、一般很高的负载电流。识别电压的特定的变化和识别电压的最小的瞬时的变化实际上也许是不可能的。因而，在常规运行中优选地监控压力升高并且按照例如在US 2013/0122332 A1中所说明的方法来执行向电池组管理系统的通知。

此外，按照本发明还提出一种用于识别电池组电池的异常的短路传感装置，所述短路传感装置具有：电压传感器；和分析器，其中所述分析器被设立为探测在电池组电池的端电压的信号中的具有以微秒的时间间距连续的沿的事件；和通信设备，所述通信设备被设立用于将由所述分析器所探测到的事件传输给电池组管理系统。

优选地，短路传感装置被构造和/或被设立用于执行在这一点上所描述的方法。与此相对应地，在该方法的范围中所描述的特征相对应地适用于该短路传感装置，而反之亦然，在该短路传感装置的范围中所描述的特征相对应地适用于该方法。

该分析器尤其是优选地具有在μs范围内的时间分辨率，而且此外还优选地具有在mV范围内的电压分辨率。

该分析器包括功能单元，所述功能单元可以不必在物理上彼此被分开。这样，比如当多个功能以软件来实施时，该分析器的多个功能单元可以被实现为唯一的物理单元。此外，该分析器的功能单元还可以例如通过应用专用集成电路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）而被实现为硬件、或者可以被实现为存储单元。

短路传感装置例如被布置在电池组电池的外壳的内部，其中所述通信设备具有与电池组管理系统无电缆的连接或者与电池组管理系统的电缆连接。将短路传感装置布置在电池组电池之外同样是可能的，其中至少所述必要时存在的用于检测电池内压的压力传感器优选地被布置在电池组电池的外壳的内部。该电池内压同样优选地通过通信设备被传输给电池组管理系统。

根据一实施方式，该短路传感装置具有微分器，所述微分器提供电池组电池的经微分的端电压的信号。接着，分析器在经微分的端电压的信号中探测事件。

根据一实施方式，该分析器具有阈值探测器。在此，该分析器被设立为执行数字信号处理、模拟信号处理或者数字信号处理和模拟信号处理的组合。

在数字信号处理的情况下，端电压以例如在MHz的范围内的高的数据传输率被数字化。优选地借助于阈值分析来进行对短时间的电压变化的探测。在该实施方式中，模拟电路部分的成分（Anteil）是最小的。在这种情况下，要考虑在每电池组电池从10到100mW的范围内的高的功率需求，所述高的功率需求由高的时钟频率引起并且也必会被耗费在休眠阶段中。电池组电池在完全的数字信号处理的情况下的自放电被估计达到每天大约1％。

可替换地，可以类似地进行对瞬时的电压信号的探测。为此，端电压被高通滤波并且被放大。接着，借助于类似的阈值开关可以探测特定的信号。

将由两个以类似地探测在经微分的端电压的信号中的连续的沿的征兆（Ansatz）构成的组合作为针对数字信号处理的触发信号同样是可设想的和优选的。

替换于此地或者除此之外地，比如为了合理性检查，分析器处理电池组电池的端电压的别的（anderweitig）被放大的信号。为此，该短路传感装置例如具有与电池组电池并联的电容器。该分析器优选地具有窄带宽的（schmalbandig）探测器。

电容器（C环节）与电池组电池（作为线圈的寄生特性的L环节）形成具有在从1到100MHz的范围内的谐振频率的LC振荡回路，所述LC振荡回路对于短路传感装置起到带通（Bandpass）、也就是说谐振滤波器的作用。在该解决方案中使得电池组电池的无功的电部件对于不直接地探测事件是可用的。在此考虑：电池组网络鉴于直流特性而极其低欧姆地被实施。高频特性对于电池组的首要的应用目的来说通常是次要的。充分利用电网络的高频特性，以便可以利用低耗费的电子装置来探测特定的信号。

在对电容器和探测器确定尺寸时假定：在电池组电池中，电池阻抗的由放电器（Ableiter）和电池线圈造成的电感成分通常在5到50nH之间。根据内部短路的位置，电流流经具有不同大小的电感成分的元件。瞬时的通过电流在电感元件上产生可以为几伏特的电压超高。可以借助于阈值探测来确定所述电压超高。电流脉冲或电压反应激励振荡回路。

由在微短路的情况下的电池组电池典型地射出的频谱被输送给所述窄带宽的探测器。在此，该探测器可以被构造为线性地工作的高频放大器或者可以被构造为外差接收机（Ueberlagerungsempfaenger）或者也可以被构造为数字地工作的选频接收机。尤其是在电池组电池的休眠状态下，该方法最高到在低于mV范围内是灵敏的。在此，直接的信号或者通过中间频率电路被放大的信号接着被输送给振幅测量电路和/或频谱分析装置，所述振幅测量电路和/或所述频谱分析装置不仅测量信号振幅的时间变化过程而且测量频谱的典型的时间变化过程和该频谱。这样，关于电池信号的可靠的时间和频率信息被得到。在此，所构造的微短路接着可以由分析器在振幅时间间隔和频率时间间隔中作为样本（Muster）清楚地被标识。

可替换地，探测器是被调谐到LC振荡回路的谐振频率上的窄带宽的接收器，所述窄带宽的接收器与电池组电池电磁地耦合。在这种情况下，在几MHz的范围内的信号频率和在20到50cm的范围内的有效的导体长度原则上能够实现信号的发射。

附图说明

本发明的实施例在附图中被示出并且在随后的描述中进一步被解释。

图1示出了具有电池组系统的机动车，

图2a－2d示出了不同的电池组电池的端电压在充电过程期间的变化过程，

图3示出了在电池组电池的使用寿命期间的电池内压的发展，

图4示出了微短路的具有电池组电池和用于产生电谐振的外部接线的模拟结构，和

图5a和5b示出了微短路的示例性的电流脉冲和相对应的电压反应。

在本发明的实施例的随后的描述中，相同的或者类似的部件用相同的或者类似的参考符号来标明，其中在个别情况下省去对所述部件的重复的描述。所述附图只示意性地呈现出本发明的主题。

具体实施方式

图1示出了具有电池组系统12的机动车10。

图1的机动车10可以被构建为纯电驱动的车辆或者可以被构建为附加地具有内燃机的混合动力车辆。对此，机动车10装备有电驱动系统18，所述电驱动系统18通过电动机（未示出）至少部分地电地驱动该机动车10。

电能由电池组14来提供。电池组14包括多个电池组电池22或者蓄电池电池、例如包括具有从2.8V到4.2V的电压范围的锂离子电池。术语“电池组”和“电池组电池”在本说明书中按常见的语言惯用法适配地被用于蓄电池或蓄电池电池。

电池组14通常包括一个或者多个电池组单元，利用所述一个或者多个电池组电压可以标明电池组电池22、电池组模块、模块支路或者电池组包。在电池组14中，电池组电池22优选地在空间上合并并且在电路技术上彼此相连，电池组电池22一般串联成模块或者部分也并联成模块。多个模块可以形成所谓的电池组直接转换器（BDC，Battery Direct Converter），而多个电池组直接转换器可以形成电池组直接逆变器（BDI，Battery Direct Inverter）。

电池组14是电池组系统12的部分，所述电池组系统12此外还包括电池组管理系统16。该电池组管理系统16通常包括主控制设备（BCU）和多个被分配给所述电池组模块的传感器控制设备（CSC）。

这里示例性地被布置在电池外壳38中的短路传感装置20被分配给每个电池组电池22，所述短路传感装置20在本实施例中具有电压传感器24、微分器26、分析器28、压力传感器30以及通信设备32。在可替换的（未示出的）实施方式中，该短路传感装置20可以部分地或者也可以完全被布置在电池外壳38之外。可选地存在微分器26。此外，该短路传感装置20还可具有电容器80（未示出），所述电容器80将用于进一步处理的信号提供给分析器28。尤其是由图4得知该结构。

电压传感器24检测电池组电池22的端电压。微分器26被连接在电压传感器24的下游，所述微分器26根据端电压的信号提供电池组电池22的经微分的端电压的信号。该微分器26可由电池组管理系统16控制为使得该微分器26的放大因子可以被设定、尤其是可以根据电池组14的休眠阶段、充电阶段或者运行阶段来被设定。

该微分器26将电池组电池22的经微分的端电压的信号提供给分析器28，所述分析器28根据所述电池组电池22的经微分的端电压的信号例如借助于阈值探测器来探测事件44，所述事件44具有以微秒的时间间距连续的沿。

该分析器将所探测到的事件44通过通信设备32传输给电池组管理系统16。该电池组管理系统16同样具有相对应地被设立的通信设备34。

在所示出的实施方式中，压力传感器30被连接到分析器28上，而且压力传感器30可以由电池组管理系统16通过通信设备32、34优选地尤其是以该电池组管理系统16的扫描频率来设定。在其它的、未示出的实施方式中，该压力传感器30直接与通信设备32相连，使得分析器28仅承担对事件44的探测而不承担对该压力传感器30的控制。

短路传感装置20与电池组管理系统16的通信通过通信信道36、比如SPI总线（串行外围接口总线（Serial Peripheral Interface Bus））或者CAN总线（控制器局域网络（Controller Area Network Bus））来进行。有利地，在所介绍的方法和设备中，对典型地被采用的总线（例如CAN总线）的带宽的限制是不重要的，因为大部分分析不是在电池组管理系统16中进行，而是已经可以在被分配给所述单个的电池组电池22的分析器28中进行。如果所有的测量值必会通过通信信道36来传输，那么例如对于100个彼此串联的电池组电池22的高的时间分辨率会是不可能的。

图2a－2d示出了不同的电池组电池的端电压U和电流强度I在充电过程期间相对于时间t的变化过程，其中所述充电过程具有：CI阶段40，其中所述电池组电池22加载有恒定的电流强度；和CV阶段42，其中在达到充电终止电压Uf时，电流强度被减小。CV阶段42的结束通过电流强度I下降到极限值之下、例如下降到初始值的1/10之下来确定。

在图2a中，电池组电池22是像新的一样的，使得端电压在CI阶段40中以第一近似地线性地升高而在CV阶段42中保持恒定。电流强度的变化过程在CI阶段40中是恒定的而在CV阶段42中是下降的。

图2b示出了老化的电池组电池22的端电压U和电流强度I的变化过程。相对于图2a可确定的是：CV阶段42被延长。这里也通过电流强度I下降到极限值之下来确定CV阶段42的结束。CV阶段42的延长形成了针对电池老化的指示器。

在图2c中示出了电池组电池22的端电压U和电流强度I的变化过程，在所述电池组电池22中，之前所描述的事件44（微短路）出现在CV阶段42中。在电池组电池22中出现事件44时，所涉及的电池组电池22的端电压U由于所描述的原因而短时间地扰动。充电调节器通过提高电流强度来补偿端电压的扰动。电流强度的提高导致了所示出的电流峰值48，所述电流峰值48原则上出现在所有与该电池组电池22接线的电池组电池22中并且是可探测的。

图2d示出了电池组电池22的端电压U和电流强度I的变化过程，在所述电池组电池22中出现热失控。这里，示例性地在CV阶段42中进行端电压U的不被控制的升高和电流强度I的急剧（drastisch）的下降。

图3示出了电池内压在电池组电池22的使用寿命期间的发展图。

在第一寿命段50中，由于电池组电池22的周期的和按日历的老化，电池内压P连续地升高。第二寿命段52示出了老化的电池组电池22的特性。这里，压力升高同样如在第一寿命段50中那样强烈地被构造。在第二寿命段52中，更强烈的压力升高也会是可能的。在第三寿命段54中出现如下事件44，所述事件44与突发的压力升高58相关联而且所述事件44利用本发明的措施来探测。在电池组电池22的第四寿命段56中示出了热失控，其中电池内压P的强烈的升高是可确定的，利用已知的方法可以对其做出反应。

图4示出了用于借助于开关74来模拟事件44的电路图。所示出的是电池组电池22和电容器80，其中所述电池组电池22和所述电容器80彼此并联（parallel geschaltet）。在短路时闭合开关74。

在开关74的断开状态下，电池组电池22由等效电路图60示出，所述等效电路图60包括RC环节76、串联的电阻68、两个串联的电感66、78和串联的电压源64。RC环节76具有电阻70和电容器72，所述电阻70和电容器72彼此并联。因为短路可出现在电池组电池22的任意的位置上，所以开关74被布置在两个电感66、78之间。在此，该开关74被布置在所述电感66、78与接地之间的支路中。

为了模拟内部短路，在闭合的开关74的支路中布置有电压源75和与之并联的电阻77。

为了模拟目的，曾假定如下地给所述构件确定尺寸：

电阻68：0.5mΩ

第一电感66：10nH

电阻70：0.5mΩ

电容器72：35F

电阻77：1Ω

第二电感78：10nH

电容器80：1000pF

对于在机动车10中所采用的电池组电池22来说，所述值是典型值。所述值也可分别偏差10到100倍。

图5a和5b示例性地示出了电流强度和电压在事件44的情况下的变化过程，所述事件44曾在图4中所示出的系统中用电池组电池22和电容器80来模拟。

在图5a中所示出的电流变化过程中，在为大约1.2μs的时间间隔期间示出了大小约为小于4A的脉冲（Ausschlag），这对应于对开关74的激活。在图5b中所示出的电压的第一脉冲84与上升的第一电流沿82相联系，所述第一脉冲84在约为1到3V的量级内。与下降的第二电流沿86一起可观察到端电压的第二脉冲88，在所述端电压的第二脉冲88之后是被衰减的（gedaempft）振荡。虽然在第一脉冲84时同样有振荡，但是由于通过跨接所形成的电阻，该振荡强烈地被衰减为使得其它的过零是不可见的。

在第二脉冲88上的振荡借助于分析器28来探测。为此，该分析器28包括窄带宽的探测器，例如线性地工作的高频放大器、外差接收机或者数字地工作的选频接收机。

本发明并不限于在这方面所描述的实施例和其中所突出的方面。更确切地说，在由权利要求书所说明的范围之内，在本领域技术人员的处理范围内的多个变型方案（Abwandlung）都是可能的。