DE102019212909A1 - Method for detecting a fault in a battery system as well as battery system and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers in einem Batteriesystem (11), wobei in dem Batteriesystem (11) mehrere Batteriekomponenten (13), von denen jede zumindest eine komponenteneigene Überwachungseinheit (14) aufweist, sowie eine Recheneinrichtung (15) bereitgestellt sind. Die Erfindung sieht vor, dass durch die Recheneinrichtung (15) aus jeder der Batteriekomponenten (13) ein jeweiliges Überwachungssignal (17) der jeweiligen zumindest einen komponenteneigenen Überwachungseinheit (14) empfangen wird, sodass mehrere Überwachungssignale (17) aus unterschiedlichen der Batteriekomponenten (13) in der Recheneinrichtung (15) vorliegen, und mittels einer vorbestimmten korrelationsbasierten Klassifikationsmethode (18) ein aus den Überwachungssignalen (17) gebildeter Überwachungswert eines statistischen Maßes plausibilisiert wird.The invention relates to a method for detecting a fault in a battery system (11), several battery components (13), each of which has at least one component-specific monitoring unit (14), and a computing device (15) being provided in the battery system (11). The invention provides that the computing device (15) receives a respective monitoring signal (17) from each of the at least one component-specific monitoring unit (14) from each of the battery components (13), so that several monitoring signals (17) from different ones of the battery components (13) are received. are present in the computing device (15), and a monitoring value of a statistical measure formed from the monitoring signals (17) is checked for plausibility by means of a predetermined correlation-based classification method (18).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers in einem Batteriesystem. Das Verfahren nutzt die Tatsache, dass in dem Batteriesystem mehrere Batteriekomponenten vorhanden sind, von denen jede zumindest eine komponenteneigenen Überwachungsschaltung oder Überwachungseinheit aufweist, deren Überwachungssignale miteinander korreliert sind. Die Erfindung betrifft auch ein Batteriesystem, mittels welchem das Verfahren durchgeführt werden kann, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.The invention relates to a method for detecting a fault in a battery system. The method uses the fact that a plurality of battery components are present in the battery system, each of which has at least one component-specific monitoring circuit or monitoring unit, the monitoring signals of which are correlated with one another. The invention also relates to a battery system by means of which the method can be carried out, and to a motor vehicle with such a battery system.
Ein Batteriesystem kann auf einer parallelen und seriellen Verschaltung von einzelnen Batteriezellen beruhen. In der Regel wird der Gesamtstrom aller verschalteten Batteriezellen gemessen, und die Temperatur wird an mehreren Stellen in Batteriemodulen ermittelt, in welchen jeweils einige der Batteriezellen zusammengefasst sind. Die Zellspannung aller einzelnen Batteriezellen wird jeweils einzeln in jeder Batteriezelle oder an einem Strang parallel geschalteter Batteriezellen gemessen. Durch die Messungen sollen Batteriezellen, insbesondere solche auf Basis von Lithium-Ionen-Technologie, auf kritische Zustände hin, wie beispielsweise eine Überspannung oder Unterspannung, zuverlässig überwacht werden. Die Messungen können durch ein zentrales Batteriemanagementsystem (BMS) oder in einzelnen Steuerschaltungen der Batteriemodule oder der Batteriezellen ausgewertet werden. Durch die Auswertung werden die Batteriezellen in der Regel auf Basis verfügbarer Spannungs-, Strom- und Temperaturgrenzen überwacht.A battery system can be based on a parallel and serial connection of individual battery cells. As a rule, the total current of all interconnected battery cells is measured, and the temperature is determined at several points in battery modules, in each of which some of the battery cells are combined. The cell voltage of all individual battery cells is measured individually in each battery cell or on a string of battery cells connected in parallel. The measurements are intended to reliably monitor battery cells, in particular those based on lithium-ion technology, for critical states, such as overvoltage or undervoltage, for example. The measurements can be evaluated by a central battery management system (BMS) or in individual control circuits of the battery modules or the battery cells. The evaluation usually monitors the battery cells on the basis of the available voltage, current and temperature limits.
Bei Sammelmessungen von Strom und Temperatur an nur wenigen Messpunkten und aufgrund des einfachen Vergleichs der Messergebnisse mit Schwellenwerten hat es sich als schwierig erwiesen, solche Fehler in einem Batteriesystem frühzeitig zu detektieren, deren Einfluss mit der Zeit nur verhältnismäßig langsam ansteigt (beispielsweise über mehrere Stunden oder Tage hinweg). So ist es beispielsweise schwierig, Fehler in Bezug auf einen steigenden Innenwiderstand, einen schleichenden inneren Kurzschluss oder eine Abnahme einer Zellkapazität für die Energiespeicherung zu detektieren, bevor es zu einem Schaden in dem Batteriesystem kommt.In the case of collective measurements of current and temperature at only a few measuring points and due to the simple comparison of the measurement results with threshold values, it has proven to be difficult to detect errors in a battery system at an early stage, the influence of which increases only relatively slowly over time (for example over several hours or Days away). For example, it is difficult to detect errors relating to an increasing internal resistance, a creeping internal short circuit or a decrease in a cell capacity for energy storage before damage occurs to the battery system.
Ein solche Batteriesystem mit Einzelspannungsmessung an jeder Batteriezelle und einer Sammelmessung für die Stromstärke in einzelnen Strängen von seriell verschalteten Batteriezellen ist beispielsweise aus der
Aus der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Batteriesystem eine Fehlerdetektion für Fehler in einzelnen Batteriekomponenten bereitzustellen.The invention is based on the object of providing fault detection for faults in individual battery components in a battery system.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.The object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous embodiments of the invention are described by the dependent claims, the following description and the figures.
Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Detektieren eines Fehlers in einem Batteriesystem bereitgestellt. Das Verfahren geht davon aus, dass in dem Batteriesystem mehrere Batteriekomponenten bereitgestellt sind, von denen jede zumindest eine komponenteneigene Überwachungsschaltung oder Überwachungseinheit aufweist. Eine solche Batteriekomponente kann beispielsweise eine einzelne Batteriezelle sein, oder es kann sich um ein Batteriemodul handeln, in welchem einige der Batteriezellen des Batteriesystems zusammengefasst sind. Eine Überwachungseinheit kann beispielsweise eine Messschaltung mit einem Sensor oder mehreren Sensoren aufweisen. Eine Überwachungseinheit kann eine elektronische Schaltung mit zumindest einem Mikrocontroller und/oder zumindest einem Mikroprozessor aufweisen, um beispielswiese ein Zustandsmodell der überwachten Batteriekomponente zu betreiben.The invention provides a method for detecting a fault in a battery system. The method is based on the fact that a plurality of battery components are provided in the battery system, each of which has at least one component-specific monitoring circuit or monitoring unit. Such a battery component can be, for example, a single battery cell, or it can be a battery module in which some of the battery cells of the battery system are combined. A monitoring unit can, for example, have a measuring circuit with one sensor or a plurality of sensors. A monitoring unit can have an electronic circuit with at least a microcontroller and / or at least one microprocessor, for example to operate a state model of the monitored battery component.
Das Verfahren kann durch eine Recheneinrichtung durchgeführt werden, die ebenfalls Bestandteil des Batteriesystems ist. Sie kann auf zumindest einem Mikrocontroller und/oder zumindest einem Mikroprozessor beruhen. Die Recheneinheit kann eine zentrale Recheneinheit für das Batteriesystem sein und diese zentrale Recheneinheit kann Überwachungssignale aller Batteriezellen empfangen. Die Recheneinrichtung empfängt also aus jeder der Batteriekomponenten ein jeweiliges Überwachungssignal der jeweiligen zumindest einen komponenteneigenen Überwachungseinheit der jeweiligen Batteriekomponente. Ein solches Überwachungssignal kann analog oder digital einen jeweiligen zeitlichen Verlauf einer Überwachungsgröße (z.B. einer Zustandsgröße oder Messgröße) beschreiben. Da die Recheneinrichtung aus jeder der Batteriekomponenten zumindest ein Überwachungssignal empfängt, liegen insgesamt mehrere Überwachungssignale aus unterschiedlichen Batteriekomponenten in der Recheneinrichtung vor. Die Recheneinrichtung nutzt nun diese Überwachungssignale, um auf der Grundlage einiger oder aller der Überwachungssignale zumindest einen Überwachungswert eines vorbestimmten statistischen Maßes (z.B. einer Korrelation) zu berechnen und für den zumindest einen Überwachungswert auf der Grundlage von in der Recheneinrichtung gespeicherten Korrelationsdaten ein Erwartungsintervall oder einen Erwartungskorridor vorzugeben. Das statistische Maß ist insbesondere von einem Korrelationsgrad der Überwachungssignale abhängig. Es wird also nicht der exakte zeitliche Verlauf des zumindest einen Überwachungssignals überprüft, sondern ein statistisches Verhalten, für das ein Erwartungsintervall oder Erwartungskorridor vorgegeben wird, innerhalb welchem der jeweilige Überwachungswert liegt, falls kein Fehler vorliegt, also für den Fall der Abwesenheit des Fehlers. Der Erwartungskorridor wird auf der Grundlage von in der Recheneinrichtung gespeicherten Korrelationsdaten vorgegeben. Zum Berechnen und Überprüfen des zumindest einen Überwachungswerts nutzt die Recheneinrichtung eine korrelationsbasierte Klassifikationsmethode. Selbst wenn sich also aus zumindest einem der Überwachungssignale kein exakter Verlauf für den fehlerfreien Fall angeben ermitteln lässt, so werden dennoch die Korrelationsdaten genutzt, um mittels der korrelationsbasierten Klassifikationsmethode abzuschätzen oder vorzugeben, in welchem Erwartungskorridor, also innerhalb welcher Grenzen oder innerhalb welches Intervalls, der zumindest eine Überwachungswert, der zu dem statistischen Maß berechnet wurde, liegen sollte oder verlaufen sollte, falls kein Fehler in dem Batteriesystem vorliegt. Bei dem statistischen Maß handelt es sich um ein korrelationsbasiertes statisches Maß, also eine statistische Größe, die einen statistischen Zusammenhang zwischen unterschiedlichen der Überwachungssignale beschreibt, beispielswiese deren Korrelationskoeffizienten.The method can be carried out by a computing device which is also part of the battery system. It can be based on at least one microcontroller and / or at least one microprocessor. The processing unit can be a central processing unit for the battery system and this central processing unit can receive monitoring signals from all battery cells. The computing device thus receives a respective monitoring signal of the respective at least one component-specific monitoring unit of the respective battery component from each of the battery components. Such a monitoring signal can describe, in analog or digital form, a respective temporal course of a monitoring variable (e.g. a state variable or measured variable). Since the computing device receives at least one monitoring signal from each of the battery components, there are a total of several monitoring signals from different battery components in the computing device. The computing device now uses these monitoring signals to calculate at least one monitoring value of a predetermined statistical measure (e.g. a correlation) on the basis of some or all of the monitoring signals and to calculate an expectation interval or an expectation corridor for the at least one monitoring value on the basis of correlation data stored in the computing device to pretend. The statistical measure depends in particular on a degree of correlation of the monitoring signals. It is not the exact time course of the at least one monitoring signal that is checked, but a statistical behavior for which an expectation interval or expectation corridor is specified, within which the respective monitoring value lies if there is no error, i.e. in the case of the absence of the error. The expectation corridor is specified on the basis of correlation data stored in the computing device. To calculate and check the at least one monitoring value, the computing device uses a correlation-based classification method. Even if it is not possible to determine an exact course for the error-free case from at least one of the monitoring signals, the correlation data are nevertheless used to estimate or specify in which expectation corridor, i.e. within which limits or within which interval, the at least one monitoring value that was calculated for the statistical measure should lie or should run if there is no fault in the battery system. The statistical measure is a correlation-based statistical measure, that is to say a statistical variable which describes a statistical relationship between different ones of the monitoring signals, for example their correlation coefficients.
Nun kann überprüft werden, ob der zumindest eine Überwachungswert tatsächlich im Erwartungskorridor liegt oder verläuft. Das Prüfungsergebnis wird hier als Klassifikationsergebnis bezeichnet. Die Recheneinrichtung ermittelt also das Klassifikationsergebnis, das angibt, ob der zumindest eine Überwachungswert gemäß einem vorbestimmten Abweichkriterium von dem für diesen Überwachungswert ermittelten Erwartungskorridor abweicht. Falls gemäß dem Klassifikationsergebnis das Abweichkriterium erfüllt ist (also eine Abweichung vom Erwartungskorridor gemäß dem Abweichkriterium vorliegt), wird durch die Recheneinrichtung ein Fehlersignal erzeugt, das signalisiert, dass eine fehlerhafte Batteriekomponente vorliegt, also ein Batteriekomponente einen Fehler aufweist.It can now be checked whether the at least one monitoring value actually lies or runs within the expectation corridor. The test result is referred to here as the classification result. The computing device thus determines the classification result which indicates whether the at least one monitoring value deviates from the expectation corridor determined for this monitoring value in accordance with a predetermined deviation criterion. If, according to the classification result, the deviation criterion is met (i.e. there is a deviation from the expected corridor according to the deviation criterion), the computing device generates an error signal that signals that a faulty battery component is present, i.e. a battery component has a fault.
Das Verfahren basiert auf den besagten Korrelationsdaten. Bei diesen kann es sich beispielsweise um einen jeweiligen Korrelationskoeffizienten zwischen jeweils zwei Überwachungssignalen handeln. Die Berechnung eines Korrelationskoeffizienten ist an sich bekannt. Liegt nun der zeitliche Verlauf der Überwachungssignale sowie des Korrelationskoeffizienten vor, so kann mittels des Erwartungskorridors aus den Korrelationsdaten erkannt werden, ob sich die Überwachungssignale gemäß dem zugrunde gelegten statistischen Maß so verhalten, wie es für den fehlerfreien Fall zu erwarten ist. Werden also zwei Überwachungssignale in fehlerfreiem Zustand des Batteriesystems korreliert, so dass der Korrelationskoeffizient für den fehlerfreien Zustand bekannt ist, so kann anschließend bei unbekanntem Fehlerzustand des Batteriesystems ein zeitlicher Verlauf eines der Überwachungssignale gemessen werden und dann mittels des Korrelationskoeffizienten überprüft werden, ob das statistische Verhalten im Erwartungskorridor liegt. Liegt der zumindest eine Überwachungswert außerhalb des Erwartungskorridors, so ergibt sich also ein veränderter Korrelationskoeffizient, so kann dies als Hinweis auf einen Fehler gedeutet werden.The method is based on said correlation data. These can be, for example, a respective correlation coefficient between two monitoring signals. The calculation of a correlation coefficient is known per se. If the time course of the monitoring signals and the correlation coefficient is now available, the expectation corridor can be used to identify from the correlation data whether the monitoring signals behave in accordance with the underlying statistical measure as is to be expected in the error-free case. If two monitoring signals are correlated when the battery system is in a fault-free state, so that the correlation coefficient for the fault-free state is known, then, if the fault state of the battery system is unknown, a time curve of one of the monitoring signals can be measured and then checked using the correlation coefficient to determine whether the statistical behavior is in the expectation corridor. If the at least one monitoring value lies outside the expectation corridor, then a changed correlation coefficient results, this can be interpreted as an indication of an error.
Wie bereits beschrieben, können die verwendeten oder benötigen Korrelationsdaten aus den Überwachungssignalen eines fehlerfreien Batteriesystems ermittelt werden. Diese können beispielsweise mittels eines fehlerfreien Prototypen des zu überwachenden Batteriesystems oder nach der Fertigstellung des Batteriesystems erzeugt werden. In einer weiteren Ausführungsform können auch gezielt nacheinander verschiedene Fehler in den Prototyp eingebracht werden, um diese fehlerhaften Verhalten zu lernen und anschließend zwischen diesen Fehlern zu klassifizieren.As already described, the correlation data used or required can be determined from the monitoring signals of a fault-free battery system. These can be generated, for example, by means of a fault-free prototype of the battery system to be monitored or after the battery system has been completed. In a further embodiment, different faults can also be introduced into the prototype in a targeted manner one after the other in order to learn this faulty behavior and then to classify between these faults.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass bereits eine Veränderung in der Korrelation der Überwachungssignale untereinander detektiert werden kann und dies als ein Hinweis auf einen Fehler genutzt wird. So kann auch ein sogenannter schleichender Fehler, der einen Weiterbetrieb des Batteriesystems erlaubt, aber sich mit der Zeit soweit verstärkt, bis es zu einem Ausfall kommt, bereits frühzeitig, bereits vor dem Ausfall des Batteriesystems oder einer der Batteriekomponenten an einem veränderten statistischen Verhalten der Überwachungssignale in Bezug auf deren Korrelation erkannt werden.The invention has the advantage that a change in the correlation of the monitoring signals with one another can already be detected and this is used as an indication of an error. A so-called insidious error that prevents continued operation of the Battery system allows, but increases over time until a failure occurs, can be recognized early on, even before the failure of the battery system or one of the battery components, from a changed statistical behavior of the monitoring signals with regard to their correlation.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.The invention also encompasses embodiments which result in additional advantages.
In einer Ausführungsform umfasst das besagte Abweichkriterium (anhand welchem die Abweichung des zumindest einen Überwachungswerts vom jeweiligen Erwartungskorridor erkannt wird), dass der jeweilige zu prüfende Überwachungswert mindestens für eine vorbestimmte Mindestzeitdauer außerhalb des Erwartungskorridors verläuft und/oder um mehr als einen vorbestimmten Toleranzwert von dem Erwartungskorridor abweicht. Die Beachtung einer Mindestzeitdauer weist den Vorteil auf, dass ein statistisch unwahrscheinlicher, aber dennoch zulässiger Schaltungszustand des Batteriesystems nicht als Fehler missinterpretiert wird. Die Mindestzeitdauer kann in einem Bereich mit einer unteren Grenze von 0,5 Sekunden bis 2 Minuten einerseits bis zu einer oberen Grenzen von 5 Minuten bis 1 Stunde andererseits liegen.In one embodiment, said deviation criterion (on the basis of which the deviation of the at least one monitoring value from the respective expectation corridor is detected) comprises that the respective monitoring value to be checked runs outside the expectation corridor for at least a predetermined minimum period of time and / or by more than a predetermined tolerance value from the expectation corridor deviates. Observing a minimum period of time has the advantage that a statistically improbable but nevertheless permissible circuit state of the battery system is not misinterpreted as an error. The minimum duration can be in a range with a lower limit of 0.5 seconds to 2 minutes on the one hand to an upper limit of 5 minutes to 1 hour on the other hand.
Der Erwartungskorridor kann als ein Toleranzintervall oder als ein Schwellenwert und/oder auf Basis eines statistischen Hypothesentests definiert sein. Das Abweichkriterium umfasst dann, dass der jeweiligen Überwachungswert außerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs und/oder über oder unter einem Schwellenwert liegt.The expectation corridor can be defined as a tolerance interval or as a threshold value and / or on the basis of a statistical hypothesis test. The deviation criterion then includes that the respective monitoring value lies outside a predetermined tolerance range and / or above or below a threshold value.
In einer Ausführungsform umfasst die besagte Klassifikationsmethode zumindest eine der folgenden: eine Outlier-Detection, eine künstliches neuronales Netzwerk, eine Principal-Component-Analysis (PCA - Hauptkomponentenanalyse), eine Independent-Component-Analyse (ICA - Unabhängigkeitsanalyse). Diese Klassifikationsmethode hat sich als zuverlässig erwiesen, wenn es um eine Erkennung einer Abweichung mindestens zweier Überwachungssignale voneinander geht, für die ein Zusammenhang der zeitlichen Verläufe nur im statistischen Sinne auf Basis von Korrelationsdaten beschrieben werden kann, wenn also eine Beschreibung eines deterministischen, funktionalen Zusammenhangs nicht möglich oder zu komplex ist. Da Überwachungssignale auch bei fehlerfreiem Betrieb voneinander abweichen können, ist durch die beschriebenen Klassifikationsmethoden eine zuverlässige Unterscheidung zwischen einer Abweichung aufgrund von unkritischen Einflüssen, wie beispielsweise Temperaturunterschieden zwischen den Batteriezellen und/oder eines Messrausches einerseits und einer kritischen Abweichung aufgrund eines tatsächlichen Fehlers in einer der Batteriekomponenten andererseits möglich.In one embodiment, said classification method comprises at least one of the following: an outlier detection, an artificial neural network, a principal component analysis (PCA), an independent component analysis (ICA - independence analysis). This classification method has proven to be reliable when it comes to the detection of a discrepancy between at least two monitoring signals for which a relationship between the time courses can only be described in a statistical sense on the basis of correlation data, i.e. if a description of a deterministic, functional relationship cannot possible or too complex. Since monitoring signals can deviate from one another even in fault-free operation, the classification methods described enable a reliable differentiation between a deviation due to non-critical influences, such as temperature differences between the battery cells and / or a measurement noise, on the one hand, and a critical deviation due to an actual fault in one of the battery components on the other hand possible.
Wie bereits ausgeführt, ist ein Überwachungssignal insbesondere als eine zeitliche Abfolge von einzelnen Signalwerten, nämlich Messwerten oder Zustandswerten oder Parameterwerten, zu verstehen, also allgemein eine Reihe oder Abfolge von Signalwerten. Zu einem gegebenen Zeitpunkt kann also jedem Überwachungssignal ein aktueller Signalwert entnommen werden. Wird aus einer vorbestimmten Menge von Überwachungssignalen zu einem gegebenen Messzeitpunkt der jeweils aktuelle Signalwert dieser Überwachungssignale entnommen, so kann aus diesen Einzelwerten ein Vektor gebildet werden, sodass sich also bei N-Signalwerten ein N-dimensionaler Vektor ergibt, der hier als Signalvektor beschrieben ist. N ist hierbei größer als 1, insbesondere größer als 2 oder 3.As already stated, a monitoring signal is to be understood in particular as a time sequence of individual signal values, namely measured values or status values or parameter values, that is to say generally a series or sequence of signal values. A current signal value can therefore be taken from each monitoring signal at a given point in time. If the current signal value of these monitoring signals is taken from a predetermined set of monitoring signals at a given measurement time, then a vector can be formed from these individual values so that an N-dimensional vector is obtained with N signal values, which is described here as a signal vector. N is greater than 1, in particular greater than 2 or 3.
Die Korrelationsdaten können das erwartete statistische Verhalten im fehlerfreien Fall für einen solchen Signalvektor beschreiben. Entsprechend sieht eine Ausführungsform vor, dass der zumindest eine Überwachungswert jeweils einen paarweise gebildeten Kovarianz oder Korrelationskoeffizienten der Überwachungssignale und/oder einen aus den Überwachungssignalen gebildeten T2-Wert und/oder Squared-Prediction-Error-Wert, SPE-Wert umfasst. Das Abweichkriterium umfasst dann insbesondere, dass ein Schwellenwertvergleich für die Kovarianz oder den Korrelationskoeffizienten und/oder eine Student-T-Verteilung und/oder einen T2-Wert und/oder Squared-Prediction-Error, SPE, und/oder einen statistischen Hypothesentest ermittelt wird. Zu dem aktuellen Signalvektor aus Signalwerten kann also überprüft werden, ob dieser einer vorgegebenen Statistik entspricht oder mit welcher Wahrscheinlichkeit er dieser Statistik entspricht. Geeignete Berechnungsmethoden für die genannten Werte können beispielsweise aus der Veröffentlichung D
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform sieht hierzu vor, dass zu mehreren vorbestimmten Messzeitpunkten oder Überprüfungszeitpunkten jeweils die aktuellen Signalwerte der Überwachungssignale erfasst oder ausgelesen werden und die aktuellen Signalwerte zu dem besagten Signalvektor zusammengefasst werden und mittels PCA-Basisvektoren, die durch die Korrelationsdaten vorgegeben sind, dieser Signalvektor in Principal-Components oder Hauptkomponenten umgewandelt wird. Mittels der PCA werden also die Koeffizienten der Hauptkomponenten in an sich bekannter Weise berechnet. Für einige oder alle dieser Hauptkomponenten wird der besagte T2-Wert für die Student-T-Verteilung als Überwachungswert berechnet und/oder für einige oder alle der Hauptkomponenten wird der besagte SPE-Wert als Überwachungswert berechnet. Für den jeweiligen Wert (T2-Wert und/oder SPE-Wert) wird ein Schwellenwertvergleich mit einem jeweiligen vorbestimmten Schwellenwert durchgeführt und das Abweichkriterium ist erfüllt, falls für eine vorbestimmte Anzahl an Überprüfungszeitpunkten der jeweilige Schwellenwert überschritten wird. Es kann also eine Überprüfung für einen einzigen Schwellenwert (T2-Wert oder SPE-Wert) oder für zwei Schwellenwerte (T2-Wert und SPE-Wert) die Prüfung des jeweiligen Signalvektors erfolgen. Dieser Test hat sich als besonders robust gegen Fehlauslösungen (false positive) und gegen übersehene Fehler (false negative) erwiesen.A particularly preferred embodiment provides for this that several predetermined Measurement times or checking times, the current signal values of the monitoring signals are recorded or read out and the current signal values are combined to form said signal vector and this signal vector is converted into principal components or main components by means of PCA base vectors that are specified by the correlation data. The coefficients of the main components are thus calculated in a manner known per se by means of the PCA. For some or all of these principal components, said T 2 value is calculated as a monitoring value for the Student T-distribution and / or for some or all of the principal components said SPE value is calculated as a monitoring value. For the respective value (T 2 value and / or SPE value), a threshold value comparison is carried out with a respective predetermined threshold value and the deviation criterion is met if the respective threshold value is exceeded for a predetermined number of checking times. The respective signal vector can therefore be checked for a single threshold value (T 2 value or SPE value) or for two threshold values (T 2 value and SPE value). This test has proven to be particularly robust against false tripping (false positive) and against overlooked errors (false negative).
In einer Ausführungsform wird als der besagte Fehler zumindest einer der folgenden signalisiert: ein steigender Innenwiderstand, ein steigender Kontaktierungswiderstand, eine absinkende Speicherkapazität, ein innerer Kurzschluss in der fehlerhaften Batteriekomponente; ein Zellfehler (interner/ externer Kurzschluss, generell Parameteränderung); ein Isolierungsfehler; eine Abweichung vom gewöhnlichen Verhalten (z.B. größere SOC oder Temperaturunterschiede als gemäß einem Normverhalten vorgegeben). Dieser Fehlertyp lässt sich als erstes, bevor es zu einem Ausfall der jeweiligen Batteriekomponente kommt, bereits durch eine Abweichung in der Korrelation von Signalwerten unterschiedlicher Batteriekomponenten ermitteln.In one embodiment, at least one of the following is signaled as said fault: a rising internal resistance, a rising contacting resistance, a falling storage capacity, an internal short circuit in the faulty battery component; a cell error (internal / external short circuit, general parameter change); an insulation failure; a deviation from the usual behavior (e.g. larger SOC or temperature differences than specified according to a standard behavior). This type of error can first be determined, before the respective battery component fails, by means of a deviation in the correlation of signal values from different battery components.
In einer Ausführungsform wird eine Lokalisierung des Fehlers (also nicht nur dessen Detektion, sondern auch die Angabe des Ortes oder fehlerhaften Batteriekomponente) durchgeführt, indem erkannt wird, welches der Überwachungssignale die Erfüllung des Abweichkriterium verursacht und diejenige Batteriekomponente, deren Überwachungseinheit dieses Überwachungssignal erzeugt hat, als die fehlerhafte Batteriekomponente identifiziert. Mit anderen Worten wird also bei erfülltem Abweichkriterium rückverfolgt, welches der Überwachungssignale die Abweichung verursacht. Da dieses Überwachungssignal aus einer Überwachungseinheit einer der Batteriekomponenten kommt, kann davon ausgegangen werden, dass diese Batteriekomponente die fehlerhafte ist.In one embodiment, the fault is localized (i.e. not only its detection, but also the indication of the location or faulty battery component) by recognizing which of the monitoring signals causes the deviation criterion to be met and which battery component whose monitoring unit has generated this monitoring signal, identified as the faulty battery component. In other words, if the deviation criterion is met, it is traced back which of the monitoring signals caused the deviation. Since this monitoring signal comes from a monitoring unit of one of the battery components, it can be assumed that this battery component is the faulty one.
In zumindest einer Ausführungsform erzeugt die zumindest eine Überwachungseinheit jeder der Batteriekomponenten ein jeweiliges Überwachungssignal mit Signalwerten (also Sensorwerte und/oder Zustandswerte zu einzelnen Überwachungszeitpunkten), betreffend zumindest eine der folgenden Betriebsgrößen: eine elektrische Spannung, einen elektrischen Strom, eine Temperatur, einen Innenwiderstand. Falls das Überwachungssignal keine Messwerte betrifft, sondern z.B. Modellparameter oder Zustandsdaten, können die Überwachungsdaten betreffen: Parameterdaten zumindest eines der folgenden Parameter: Innenwiderstand, Kapazität, Ruhespannung, Zell-Zeitkonstanten; und/oder Zustandsdaten zumindest eines der folgenden Zustände: Ladezustand, Polarisationsspannung, Polarisationsstrom, Alterungszustand. Diese Typen von Überwachungsdaten haben sich in Bezug auf die Auswertung mittels einer korrelationsbasierten Klassifikationsmethode als zuverlässig erwiesen.In at least one embodiment, the at least one monitoring unit of each of the battery components generates a respective monitoring signal with signal values (i.e. sensor values and / or status values at individual monitoring times) relating to at least one of the following operating variables: an electrical voltage, an electrical current, a temperature, an internal resistance. If the monitoring signal does not relate to measured values but, for example, model parameters or status data, the monitoring data can relate to: parameter data at least one of the following parameters: internal resistance, capacitance, open circuit voltage, cell time constants; and / or status data of at least one of the following statuses: charge status, polarization voltage, polarization current, aging status. These types of monitoring data have proven to be reliable in terms of evaluation using a correlation-based classification method.
Durch die Erfindung ist auch ein Batteriesystem bereitgestellt, welches mittels einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Fehler hin überwacht werden kann. Das Batteriesystem ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, beispielsweise als Traktionsbatterie oder Hochvolt-Batterie (HV - elektrische Spannung größer als 60 Volt). In dem Batteriesystem sind in an sich bekannter Weise mehrere Batteriekomponenten bereitgestellt, von denen jede zumindest eine komponenteneigene Überwachungseinheit aufweist. Das Batteriesystem weist des Weiteren eine Recheneinrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die Recheneinrichtung kann hierbei auf zumindest einem Mikroprozessor und/oder zumindest einem Mikrocontroller beruhen. Die Recheneinrichtung kann einen Datenspeicher aufweisen, in welchem Programmdaten oder Programminstruktionen gespeichert sind, die bei Ausführen durch die Recheneinrichtung diese veranlassen, die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.The invention also provides a battery system which can be monitored for a fault by means of an embodiment of the method according to the invention. The battery system is intended for a motor vehicle, for example as a traction battery or high-voltage battery (HV - electrical voltage greater than 60 volts). A plurality of battery components are provided in the battery system in a manner known per se, each of which has at least one component-specific monitoring unit. The battery system also has a computing device which is set up to carry out the embodiment of the method according to the invention. The computing device can be based on at least one microprocessor and / or at least one microcontroller. The computing device can have a data memory in which program data or program instructions are stored which, when executed by the computing device, cause the computing device to carry out the embodiment of the method according to the invention.
Die Erfindung stellt auch ein Kraftfahrzeug bereit, in welchem eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems bereitgestellt ist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The invention also provides a motor vehicle in which an embodiment of the battery system according to the invention is provided. The motor vehicle according to the invention is preferably designed as a motor vehicle, in particular as a passenger vehicle or truck, or as a passenger bus or motorcycle.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes the combinations of the features of the described embodiments.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems; -
2 ein Diagramm mit einem schematisierten Verlauf einer Fehlergröße über der Zeit; -
3 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen mehrerer Überwachungssignale über der Zeit; -
4 . eine Skizze zur Veranschaulichung einer Anwendung einer Hauptkomponentenanalyse auf Signalwerte; -
5 Diagramme zur Veranschaulichung einer korrelationsbasierten Klassifikationsmethode mit einem Abweichkriterium auf Basis eines T2-Werts und eines SPE-Werts; -
6 ein Flussschaudiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und -
7 ein Flussschaudiagramm zur Veranschaulichung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Fehlerlokalisation.
-
1 a schematic representation of an embodiment of the motor vehicle according to the invention with an embodiment of the battery system according to the invention; -
2 a diagram with a schematic course of an error size over time; -
3rd a diagram with schematized courses of several monitoring signals over time; -
4th . a sketch to illustrate an application of a principal component analysis to signal values; -
5 Diagrams to illustrate a correlation-based classification method with a deviation criterion based on a T 2 value and an SPE value; -
6th a flow chart to illustrate an embodiment of the method according to the invention; and -
7th a flow chart to illustrate an embodiment of the method according to the invention with an error localization.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention which are to be considered independently of one another and which also further develop the invention in each case independently of one another. Therefore, the disclosure is also intended to include combinations of the features of the embodiments other than those illustrated. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention already described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference symbols denote functionally identical elements.
Um die besagte Versorgungsspannung in dem Batteriesystem
Jede Batteriekomponente
In dem Batteriesystem
Die Recheneinrichtung
Zur Veranschaulichung des von der Recheneinrichtung
Der Fehler wächst hier innerhalb eines Zeitintervalls
Die Hauptkomponenten
Als zweites statistisches Überprüfungsverfahren
Im untersten Diagramm ist dargestellt, wie eine UND-Verknüpfung anzeigt, dass sowohl der Schwellenwertvergleich
Ist das Abweichkriterium
Anstelle der korrelationsbasierten Klassifikationsmethode
Es kann dann dasjenige Überwachungssignal ausgewählt werden, das über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg, also für einen oder mehrere Überprüfungszeitpunkte, dafür gesorgt hat, dass das Abweichkriterium
Im Folgenden ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben.A particularly preferred exemplary embodiment is described below.
Im SmartCell-Konzept (Batteriekomponenten mit Überwachungseinheit) sind also Spannungs-, Temperatur- und Stromsensoren an jeder Einzelzelle vorgesehen. Dadurch können diese Signale zellindividuell überwacht werden. Durch die Betrachtung der Gesamtheit dieser Messdaten sollen nun Zellen mit ungewöhnlichem (d.h. von der Mehrheit der Zellen abweichendem) Verhalten lokalisiert werden. Fehlerdetektionsalgorithmen können somit Zelldefekte identifizieren, die auf Basis der Signale einer Einzelzellvermessung nicht sichtbar sind, sondern erst durch Vergleich der Signale aller Zellen des Batteriesystems. Die Menge detektierbarer Fehler steigt (z.B. steigender Innenwiderstand, absinkende Kapazität, innere Kurzschlüsse). Gleichzeitig können diese Fehler des Gesamtbatteriesystems auch auf einzelne Batteriezellen zurückgeführt werden.In the SmartCell concept (battery components with monitoring unit) voltage, temperature and current sensors are provided on each individual cell. In this way, these signals can be monitored for each individual cell. By considering the entirety of these measurement data, cells with unusual behavior (i.e. behavior that deviates from the majority of cells) should now be localized. Fault detection algorithms can thus identify cell defects that are not visible on the basis of the signals from a single cell measurement, but only by comparing the signals from all cells of the battery system. The number of detectable errors increases (e.g. increasing internal resistance, decreasing capacitance, internal short circuits). At the same time, these errors in the overall battery system can also be traced back to individual battery cells.
Kernelemente sind die Erfassung von Strom-, Temperatur-, Spannungssignalen sowie weiterer auf Zellebene erfasster Signale und die Detektion von ungewöhnlichem Verhalten mittels z.B. Klassifikationsverfahren (Robust Outlier Detection, Künstliche neuronale Netze, Principal Component Analysis, u.a.) und dann die Detektion von Zellfehlern auf Basis des Klassifikationsergebnisses.Core elements are the acquisition of current, temperature and voltage signals as well as other signals acquired at the cell level and the detection of unusual behavior by means of, for example, classification methods (Robust Outlier Detection, Artificial Neural Networks, Principal Component Analysis, etc.) and then the detection of cell defects on the basis of the classification result.
Der Vergleich der Batteriezellen untereinander (korrelationsbasierter Ansatz) ermöglicht die Detektion der Veränderung (vgl.
Ergänzend zu Sensorwerten (z.B. Spannung, Strom, Temperatur) können auch Parameter (z.B. Innenwiderstand, Kapazität, Ruhespannung, Zell-Zeitkonstanten) und Zustände (z.B. Ladezustand, Polarisationsspannungen bzw. -ströme, Alterungszustand) für die datengetriebenen Klassifikationsverfahren herangezogen werden.In addition to sensor values (e.g. voltage, current, temperature), parameters (e.g. internal resistance, capacitance, open-circuit voltage, cell time constants) and states (e.g. state of charge, polarization voltages or currents, state of aging) can also be used for the data-driven classification process.
Das Klassifikationsverfahren basiert insbesondere auf der Hauptkomponentenanalyse (Principle Component Analysis, PCA). Es handelt sich dabei aber nur um ein mögliches Verfahren. Grundsätzlich sind andere Verfahren aus dem Bereich des process monitoring anwendbar, darunter - Anpassungen der Standart-PCA: Dynamic PCA (DPCA), Kernel PCA (KPCA), Multiscale PCA (MSPCA), Multiblock PCA (MBPCA) - Independent Component Analysis (ICA) - Partial Least Squares (PLS) - Fisher Discriminant Analysis (FDA) - Subspace Ansatz - Support Vector Machines (SVM) - Neuronale Netze.The classification procedure is based in particular on Principle Component Analysis (PCA). However, this is only one possible procedure. In principle, other processes from the field of process monitoring can be used, including - Adjustments to the standard PCA: Dynamic PCA (DPCA), Kernel PCA (KPCA), Multiscale PCA (MSPCA), Multiblock PCA (MBPCA) - Independent Component Analysis (ICA) - Partial Least Squares (PLS) - Fisher Discriminant Analysis (FDA) - Subspace approach - Support Vector Machines (SVM) - Neural networks.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Fehlerdetektion und Fehlerlokalisierung durch eine Sensorik bereitgestellt werden kann.Overall, the examples show how the invention can provide error detection and error localization by means of a sensor system.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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