DE102009002465A1

DE102009002465A1 - Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle einer Traktionsbatterie bei Einsatz von resistivem Zellbalancing

Info

Publication number: DE102009002465A1
Application number: DE102009002465A
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-04-17
Filing date: 2009-04-17
Publication date: 2010-10-21
Also published as: EP2419750A1; CN102395896A; US20120032681A1; WO2010118909A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle (1a) einer Batterie (1), insbesondere einer Traktionsbatterie, das sowohl bei Ladevorgängen als auch bei Entladevorgängen als auch in Phasen anwendbar ist, in den die Batterie (1) einschließlich der Batteriezelle (1a) keine elektrische Leistung abgibt oder aufnimmt, wobei in der Batterie (1) ein resistives Zellbalancing zum Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen (1a) ausgeführt wird, bei dem der Batteriezelle (1a) über einen Widerstand (2) Energie entnommen wird. Erfindugnsgemäß sind ein erstes Steuermodul (3) zum Bestimmen einer an der Batteriezelle (1a) anliegenden ersten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle fließenden ersten Stroms zu einem ersten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme bzw. Ladungszufuhr und zum Bestimmen einer an der Batteriezelle (1a) anliegenden zweiten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle (1a) fließenden zweiten Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme bzw. Ladungszufuhr, und eine Recheneinheit (4) zum Berechnen des Innenwiderstands der Batteriezelle (1a) als den Quotienten der Differenz der zweiten Spannung und der ersten Spannung mit der Differenz des zweiten Stroms und des ersten Stroms vorgesehen.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6.
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, z. B. bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe Batterie und Batteriesystem dem üblichen Sprachgebrauch angepasst, für Akkumulator bzw. Akkumulatorsystem verwendet.
Der prinzipielle funktionale Aufbau eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik ist in 4 dargestellt. Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erzielen, werden in einer Batteriezelle 1 einzelne Batteriezellen 1a in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Für eine Serienschaltung von Batteriezellen ist das Prinzipschaltbild einer sogenannten Traktionsbatterie für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge in 5 dargestellt. Zwischen den Batteriezellen 1a und den Polen des Batteriesystems befindet sich eine sogenannte Safety&Fuse-Einheit 16, welche z. B. das Zu- und Abschalten der Batterie 1 an externe Systeme und die Absicherung des Batteriesystems gegen unzulässig hohe Ströme und Spannungen übernimmt sowie Sicherheitsfunktionen bereitstellt wie z. B. das einpolige Abtrennen der Batteriezellen 1a von den Batteriesystempolen bei Öffnen des Batteriegehäuses. Eine weitere Funktionseinheit bildet das Batteriemanagement 17, welches neben der Batteriezustandserkennung 17a auch die Kommunikation mit anderen Systemen sowie das Thermomanagement der Batterie 1 durchführt.
Die in 4 dargestellte Funktionseinheit Batteriezustandserkennung 17a hat die Aufgabe, den aktuellen Zustand der Batterie 1 zu bestimmen sowie das künftige Verhalten der Batterie 1 vorherzusagen, z. B. eine Lebensdauervorhersage und/oder eine Reichweitenvorhersage. Die Vorhersage des künftigen Verhaltens wird auch als Prädiktion bezeichnet. Der prinzipielle Aufbau einer modellbasierten Batteriezustandserkennung ist in 6 dargestellt. Die dargestellte modellbasierte Batteriezustandserkennung und -prädiktion basiert auf einer Auswertung der elektrischen Größen Batteriestrom und -spannung sowie der Temperatur der Batterie 1 mittels eines Beobachters 17b und eines Batteriemodells 17c in bekannter Weise. Die Batteriezustandserkennung kann für einzelne Zellen 1a einer Batterie 1 erfolgen, wobei dies dann auf Basis der entsprechenden Zellspannung, des Zellstroms sowie der Zelltemperatur erfolgt. Weiter kann die Batteriezustandserkennung auch für die gesamte Batterie 1 erfolgen. Dies erfolgt dann – je nach Anspruch an die Genauigkeit – entweder durch Auswertung der Zustände der einzelnen Zellen 1a der Batterie 1 und einer darauf basierenden Aggregation für die gesamte Batterie 1 oder direkt durch Auswertung der gesamten Batteriespannung, des Batteriestroms und der Batterietemperatur. Allen Verfahren gemäß Stand der Technik ist dabei gemein, dass die im normalen Betrieb der Batterie 1 auftretenden Strom-, Spannungs- und Temperaturverläufe für die Ermittlung des Batteriezustands sowie für die Prädiktion des künftigen Verhaltens herangezogen werden.
In 7 ist das Funktionsprinzip einer Anordnung für das sogenannte resistive Balancing von Batteriezellen 1a dargestellt. Aufgabe des Zellbalancings ist, bei einer Serienschaltung von mehreren Einzelzellen 1a dafür zu sorgen, dass die Zellen 1a alle den gleichen Ladezustand bzw. die gleiche Zellspannung aufweisen. Aufgrund der prinzipiell vorhandenen Unsymmetrien der Batteriezellen 1a, z. B. geringfügig unterschiedliche Kapazität, geringfügig unterschiedliche Selbstentladung, wäre dies ohne zusätzliche Maßnahmen bei Betrieb der Batterie nicht gegeben. Beim resistiven Zellbalancing können die Batteriezellen 1a über Zuschaltung eines parallel zu der Zelle angeordneten ohmschen Widerstands 2 entladen werden. In 6 wird der Widerstand 2 mit dem Wert R_{Bal_n} über den Transistor 10 (T_{Bal_n}) parallel zur Zelle 1a mit der Nummer n zugeschaltet. Durch Entladung jener Zellen 1a, die einen höheren Ladezustand bzw. eine höhere Spannung aufweisen, als die Zellen 1a mit Nummern n mit geringstem Ladezustand bzw. geringster Spannung kann eine Symmetrierung der Ladezustände bzw. Spannungen über alle Zellen 1a der Batterie 1 herbeigeführt werden. Die an einer Zelle 1a anliegende Spannung wird zur Auswertung über einen aus zwei Widerständen 11, 12 und einem Kondensator 13 bestehenden Filter und einen A/D-Wandler 14 einer Steuer- und Auswerteeinheit 15 zugeführt, die für jede Zelle 1a vorhanden ist und mit einer übergeordneten zentralen Steuereinheit, z. B. der Batteriezustandserkennung 17a kommuniziert. Bei Lithium-Ionen-Batterien, die aus einer Serienschaltung mehrerer Einzelzellen 1a bestehen, ist der Einsatz von resistivem Zellbalancing Stand der Technik. Weiter existieren auch andere Verfahren für das Zellbalancing, welche prinzipbedingt verlustfrei arbeiten können, z. B. das sogenannte induktive Zellbalancing.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein neues Konzept für die Ermittlung des Innenwiderstands der Einzelzellen eines Batteriesystems vorzustellen, mit dem die Batteriezustandserkennung und -prädiktion gegenüber dem heutigen Stand der Technik robuster, genauer und unabhängig vom Betriebszustand der Batterie realisiert werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 weisen demgegenüber den Vorteil auf, dass sie zur Bestimmung des Innenwiderstands von Batteriezellen bei Batteriesystemen mit resistivem Zellbalancing ohne oder mit lediglich geringem zusätzlichen elektronischen Schaltungsaufwand zum Einsatz kommen können. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung haben gegenüber dem heutigen Stand der Technik den Vorteil, dass zur Bestimmung des Innenwiderstands immer wieder der gleiche Betriebablauf herbeigeführt werden kann und dadurch eine besonders robuste und genaue Bestimmung möglich wird. Darüber hinaus haben das neue Verfahren und die neue Vorrichtung den Vorteil, dass sie auch in Betriebsphasen eingesetzt werden können, in denen die Batterie an ihren Polen keine Leistung abgibt oder aufnimmt, also z. B. bei abgestelltem Fahrzeug. Dies ist bei den aktuell bekannten Verfahren nicht möglich.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt umfassen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung, dass der erste Zeitpunkt so gewählt ist, dass der erste Strom gleich Null ist, und der zweite Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während der folgenden Entladephase bzw. Ladephase der Batteriezelle ist.
Alternativ umfassen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders bevorzugt, dass der erste Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während einer Entladephase bzw. Ladephase der Batteriezelle ist und der zweite Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während der gleichen Entladephase bzw. Ladephase der Batteriezelle ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst alternativ oder zusätzlich den Schritt der Ermittlung einer alterungsabhängigen Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle anhand einer bekannten Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle. Die korrespondierende bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst hierfür bevorzugt eine Tabelle, die eine Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle speichert, und eine erste Auswerteeinheit, die eine alterungsabhängige Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle anhand des ermittelten Innenwiderstands und einer Abfrage der Tabelle bestimmt. Alternativ zu der Tabelle kann eine zweite Recheneinheit vorgesehen sein, die die Abhängigkeit des Innenwiderstands von der während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und dem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle anhand einer oder mehrerer mathematischer Gleichung(en) wiedergibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiter alternativ oder zusätzlich den Schritt der Ermittlung einer Frequenzabhängigkeit eines ohmschen Anteils des Innenwiderstands der Batteriezelle durch eine Variation einer Frequenz einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands und/oder durch eine Variation eines Tastverhältnisses einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands. Die korrespondierende bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst hierfür ein zweites Steuermodul zur Variation einer Frequenz einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands und/oder zur Variation eines Tastverhältnisses einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands, und eine zweite Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Frequenzabhängigkeit eines ohmschen Anteils des Innenwiderstands der Batteriezelle durch Auswertung der mehreren aufeinanderfolgenden Bestimmungen des Innenwiderstands. In dieser bevorzugten Ausgestaltung wird mit dem neuen Verfahren auch der Innenwiderstand, insbesondere der ohmsche Anteil der Impedanz der Batteriezellen, in Abhängigkeit von der Frequenz der Anregung ermittelt.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle,
2 ein erstes Beispiel für die Anregung der Batteriezellen, um die Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands über eine Variation der Anregefrequenz zu ermitteln,
3 ein zweites Beispiel für die Anregung der Batteriezellen, um die Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands über eine Variation des Tastverhältnisses zu ermitteln,
4 einen funktionalen Aufbau eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik,
5 ein weiteres Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß dem derzeitigen Stand der Technik,
6 ein Prinzipschaltbild einer modellbasierten Batteriezustandserkennung und -prädiktion nach dem Stand der Technik, und
7 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung für das resistive Zellbalancing der Batteriezellen nach dem Stand der Technik.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, diese ist eine Erweiterung des in 7 dargestellten Schaltungsprinzips für das resistive Zellbalancing. Soll die Batteriezelle 1a mit der Nummer n entladen werden, weil sie z. B. einen höheren Ladezustand aufweist, als andere Zellen des Batteriesystems, wird durch Einschalten des Transistors 10 (T_{Bal_n}) der ohmsche Widerstand 2 (R_{Bal_n}) parallel zur Zelle 1a (n) geschaltet. Dadurch wird die Zelle 1a (n) entladen. In 7 ist zusätzlich auch eine Filterschaltung 11, 12, 13 zur Aufbereitung des Differenzspannungssignals der Zelle 1a (n) für einen Analog/Digital-Wandler 14 dargestellt. Über diesen wird die Zellspannung unter Einhaltung des Abtasttheorems einer Steuer- und Auswerteeinheit 15 bereitgestellt, welche diesen verarbeitet und der übergeordneten Batteriezustandserkennung 17b weiterleitet. Die für das Zellbalancing eingesetzte Schaltung wird, gegebenenfalls mit den dargestellten zusätzlichen Schaltungselementen, die aber bevorzugt auch in die Steuer- und Auswerteeinheit 15 integriert werden können, auch für die erfindungsgemäße Bestimmung des Innenwiderstands der Zelle eingesetzt. Erfindungsgemäß ist die in 7 dargestellte Schaltung für das resistive Zellbalancing um ein erstes Steuermodul 3 erweitert, mit dem die an der Batteriezelle 1a anliegende Spannung U_n und der von der Batteriezelle 1a fließende Strom (T_{Bal_n}) zu verschiedenen Zeitpunkten während der Ladungsentnahme erfasst werden. Dies kann entweder über eine direkte Strom- und Spannungsmessung, wie auch über die Steuer- und Auswerteeinheit 15 der Zelle 1a (n) erfolgen, welche zumindest die Batteriespannung U_n über den aus zwei Widerständen 11, 12 und einem Kondensator 13 bestehenden Filter und einen A/D-Wandler 14 erfasst. Das erste Steuermodul 3 ist mit einer Recheneinheit 4 verbunden, die den Innenwiderstand der Batteriezelle wie nachfolgend beschrieben als den Quotienten der Differenz von zwei erfassten Spannungswerten mit der Differenz von zwei erfassten Stromwerten berechnet.
Ausgangspunkt für die Erläuterung der Funktionsweise sei ein Betriebszustand, in dem die Batterie an ihren Klemmen keine Leistung abgibt oder aufnimmt. In diesem Zustand fließt kein Strom durch die Batteriezellen. Wird nun der Transistor 10 (T_{Bal_n}) eingeschaltet, entlädt sich die Zelle 1a (n) über den ohmschen Widerstand 2 (R_{Bal_n}). Durch das Einschalten des Transistors 10 ändert sich im Vergleich zum Ausgangszustand (keine Leistungsabgabe bzw. -aufnahme) die Zellspannung, welche mittels der in 1 dargestellten Anordnung erfasst wird. Zusätzlich ändert sich natürlich auch der Strom, der durch die Batteriezelle 1a (n) fließt. Dieser Strom kann über das ohmsche Gesetz bei bekanntem Widerstand 2 (R_{Bal_n}) einfach ermittelt werden. Aufgrund der erheblichen Temperaturunterschiede, welche bei Betrieb der Batterie in einem Fahrzeug auftreten können, empfiehlt sich eine Temperaturkorrektur des zur Ermittlung des Stroms der Batteriezelle 1a (n) herangezogenen Wertes des Widerstands 2 (R_{Bal_n}). Hierfür stehen in dem Batteriesystem üblicherweise ausreichend genaue Temperaturinformationen zur Verfügung, da die Temperatur der Batteriezellen 1a ermittelt wird und die Elektronik zur Durchführung des Zellbalancing und zur Ermittlung der Zellspannung sinnvoller Weise räumlich direkt bei den Batteriezellen 1a angeordnet wird. Somit stehen sowohl für Spannungs- und für die Stromänderung, welche sich durch das Zuschalten des ohmschen Widerstands2 (R_{Bal_n}) in der Zelle 1a (n) ergeben, Signale zur Verfügung, die jeweils eine den Anforderungen entsprechend hohe Genauigkeit aufweisen. Der temperatur-, ladezustands- und alterungsabhängige Innenwiderstand R_{i_n} der Batteriezelle 1a (n) kann damit z. B. wie folgt ermittelt werden:
Bei bekannter Abhängigkeit des Innenwiderstands von der Zelltemperatur und dem Ladezustand der Zelle, kann die alterungsabhängig Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle ermittelt werden. Hierzu ist die Recheneinheit 4 mit einer ersten Auswerteeinheit 7 verbunden, die die alterungsabhängige Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle 1a (n) anhand des ermittelten Innenwiderstands und eine Abfrage einer Tabelle 6 bestimmt, die die Abhängigkeit des Innenwiderstands von der während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zelltemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle 1a speichert. Alternativ zur Abfrage der Tabelle 6 kann eine zweite Recheneinheit angefragt werden, die die Abhängigkeit des Innenwiderstands von der Zelltemperatur und des Ladezustands anhand mathematischer Gleichungen abbildet. Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstands kann z. B. auch bei abgestelltem Fahrzeug durchgeführt werden. Dadurch wird die Bestimmung des Innenwiderstands nicht durch den überlagerten „Normalbetrieb” der Batterie 1 negativ beeinflusst. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber den bisher bekannten Verfahren dar.
Das vorgestellte erfindungsgemäße Prinzip zur Bestimmung des Innenwiderstands der Batteriezellen kann natürlich auch während des „Normalbetriebs” der Batterie 1 angewandt werden. Dann muss zur Bestimmung des Innenwiderstands der Einfluss des aktuell überlagert zu dem Balancing-Strom in der Zelle 1a fließenden Batteriestroms berücksichtigt werden. Dieses Vorgehen bietet sich aber nur in Betriebszuständen an, in denen die Batterie 1 mit geringen Strömen geladen bzw. entladen wird. Der Innenwiderstand R_{i_n} der Batteriezelle 1a (n) wird dazu wiederum aus dem Quotient der Zellspannungs- und Zellstromdifferenz zweier betrachteter Zeitpunkte ermittelt.
In Betriebsphasen, in denen die Batterie 1 mit hohen Strömen geladen bzw. entladen wird, macht es wenig Sinn, eine zusätzliche „Anregung” der Zelle durch Belastung über den Balancing-Strom herbeizuführen. Während solcher Betriebsphasen wird erfindungsgemäß bevorzugt der Einsatz der gemäß heutigem Stand der Technik eingesetzten Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstands aus der Zellspannung und dem Zellstrom herangezogen, welche aus dem „Normalbetrieb” der Batterie 1 resultieren.
Mit dem vorgestellten Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstands der Batterie nach der Erfindung kann eine der wesentlichen Informationen, die für eine Batteriezustandserkennung und -prädiktion erforderlich sind – die temperatur-, ladezustands- und alterungsabhängige Änderung des Innenwiderstands der Batteriezellen – in allen Betriebszuständen der Batterie ermittelt werden. Bei den bisher bekannten Verfahren kann der Innenwiderstand nur in Betriebsphasen ermittelt werden, bei denen der Batteriestrom sich während des „Normalbetriebs” nennenswert ändert. Auf diese Weise gelingt es, die Ermittlung des Innenwiderstands der Batteriezellen gegenüber dem Stand der Technik wesentlich robuster und genauer durchzuführen.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt die Abhängigkeit von der Frequenz der Anregung ermittelt. Dazu werden bevorzugt folgende Vorgehensweisen eingesetzt:

• Variation der Frequenz der Anregung bei konstantem Tastverhältnis
• Variation des Tastverhältnisses der Anregung bei konstanter Frequenz
• Kombination der beiden erstgenannten

In 2 ist in den beiden Zeitverläufen für die Ansteuerung des Transistors 10 (T_{Bal_n}) beispielhaft dargestellt, wie die Abhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezellen von der Frequenz der Anregung ermittelt werden kann. Das Tastverhältnis der Anregung ist in 2 symmetrisch dargestellt, d. h., Einschaltdauer und Ausschaltdauer des Transistors sind gleich. Grundsätzlich ist das Verfahren auch mit unsymmetrischen Tastverhältnissen realisierbar. Die Frequenz der Anregung wird zur Bestimmung der Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstandes variiert. In 2 sind die Verläufe für 2 Frequenzen dargestellt. Zusätzlich sind in 2 die Messzeitpunkte als nach oben weisende Pfeile eingezeichnet, bei denen der Innenwiderstand gemäß Gleichung (1) ermittelt werden kann. Die Messzeitpunkte sind hier jeweils vor und nach einer Änderung des Schaltzustands des Transistors 10 (T_{Bal_n}) gewählt.
In 3 ist eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung des frequenzabhängigen Innenwiderstands der Batteriezellen dargestellt. Dabei wird das Tastverhältnis der Anregung bei konstant gehaltener Frequenz variiert. Auch bei diesem Vorgehen sind die als nach oben weisende Pfeile dargestellten Messzeitpunkte jeweils vor und nach einer Änderung des Schaltzustands des Transistors 10 (T_{Bal_n}) gewählt. Der frequenzabhängige Innenwiderstand der Batteriezellen wird wiederum gemäß Gleichung (1) ermittelt.
Grundsätzlich sind natürlich auch Kombinationen der beiden beschriebenen Methoden möglich, um den Innenwiderstand in Abhängigkeit von der Anregung zu beschreiben. Die erfindungsgemäßen Verfahren erlauben es, ähnlich der Vorgehensweise bei der sogenannten Impedanzspektroskopie, die Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands zu ermitteln. Im Gegensatz zur Impedanzspektroskopie sind die erfindungsgemäßen Verfahren ohne aufwändige zusätzliche Messelektronik realisierbar. Lediglich an die Erfassung der Zellspannungen sind gegenüber den üblicherweise in Batteriesystemen eingesetzten Schaltungen gegebenenfalls erhöhte Anforderungen hinsichtlich Dynamik und Abtastfrequenz zu stellen.
Um die Frequenz und/oder das Tastverhältnis der Anregung zu ändern, ist erfindungsgemäß ein zweites Steuermodul 8 vorgesehen, welches mit dem ersten Steuermodul 3 und der Steuer- und Auswerteeinheit 15 gekoppelt ist. Das zweite Steuermodul 8 ist weiter mit einer zweiten Auswerteeinheit 9 verbunden, welche ebenfalls mit der Recheneinheit 4 verbunden ist. Die zweite Auswerteeinheit 9 ermittelt die Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezelle durch Auswertung der mehreren aufeinanderfolgenden Bestimmungen des Innenwiderstands unter Berücksichtigung der Änderung der Frequenz und/oder des Tastverhältnisses der Anregung.
Mit dem vorgestellten bevorzugten Verfahren zur Ermittlung der Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezellen kann ebenso eine der wesentlichen Informationen, die für eine Batteriezustandserkennung und -prädiktion erforderlich sind – die temperatur-, ladezustands- und alterungsabhängige Änderung des Innenwiderstands der Batteriezellen – ermittelt werden. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren kann der Innenwiderstand nur in Betriebsphasen ermittelt werden, bei denen der Batteriestrom sich während des „Normalbetriebs” nennenswert ändert. Auf diese Weise gelingt es, die Ermittlung des Innenwiderstands der Batteriezellen gegenüber dem Stand der Technik wesentlich robuster und genauer durchzuführen.
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird hier ausdrücklich auf die Offenbarung in den Figuren verwiesen.

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle (1a) einer Batterie (1), insbesondere einer Traktionsbatterie, das sowohl bei Ladevorgängen als auch bei Entladevorgängen als auch in Phasen anwendbar ist, in den die Batterie (1) einschließlich der Batteriezelle (1a) keine elektrische Leistung abgibt oder aufnimmt, wobei in der Batterie (1) ein resistives Zellbalancing zum Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen (1a) ausgeführt wird, bei dem der Batteriezelle (1a) über einen Widerstand (2) Energie entnommen wird, mit den folgenden Schritten: – Bestimmen einer an der Batteriezelle (1a) anliegenden ersten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle (1a) fließenden ersten Stroms zu einem ersten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr, – Bestimmen einer an der Batteriezelle (1a) anliegenden zweiten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle (1a) fließenden zweiten Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr, und – Berechnen des Innenwiderstands der Batteriezelle (1a) als den Quotienten der Differenz der zweiten Spannung und der ersten Spannung mit der Differenz des zweiten Stroms und des ersten Stroms.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitpunkt so gewählt ist, dass der erste Strom gleich Null ist, und der zweite Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während der folgenden Entladephase bzw. Ladephase der Batteriezelle (1a) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während einer Entladephase bzw. Ladephase der Batteriezelle (1a) ist und der zweite Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während der gleichen Entladephase bzw. Ladephase der Batteriezelle (1a) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt der Ermittlung einer alterungsabhängigen Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle (1a) anhand einer bekannten Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle (1a).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt der Ermittlung einer Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezelle (1a) durch eine Variation einer Frequenz einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands und/oder durch eine Variation eines Tastverhältnisses einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands.
Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle (1a) einer Batterie (1), insbesondere einer Traktionsbatterie, wobei die Ermittlung des Innenwiderstands sowohl bei Ladevorgängen als auch bei Entladevorgängen als auch in Phasen anwendbar ist, in denen die Batterie (1) einschließlich der Batteriezelle (1a) keine elektrische Leistung abgibt oder aufnimmt und wobei in der Batterie (1) ein resistives Zellbalancing zum Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen (1a) ausgeführt wird, bei dem der Batteriezelle (1a) über einen Widerstand (2) Energie entnommen wird, mit: – einem ersten Steuermodul (3) zum Bestimmen einer an der Batteriezelle (1a) anliegenden ersten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle fließenden ersten Stroms zu einem ersten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr und zum Bestimmen einer an der Batteriezelle (1a) anliegenden zweiten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle (1a) fließenden zweiten Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr, und – einer Recheneinheit (4) zum Berechnen des Innenwiderstands der Batteriezelle (1a) als den Quotienten der Differenz der zweiten Spannung und der ersten Spannung mit der Differenz des zweiten Stroms und des ersten Stroms.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuermodul (3) den ersten Zeitpunkt so wählt, dass der erste Strom gleich Null ist, und den zweiten Zeitpunkt als einen beliebigen Zeitpunkt während der folgenden Entladephase bzw. Ladephase der Batteriezelle (1a) bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuermodul (3) den ersten Zeitpunkt als einen beliebigen Zeitpunkt während einer Entladephase bzw. Ladephase der Batteriezelle (1a) und den zweiten Zeitpunkt als einen beliebigen Zeitpunkt während der gleichen Entladephase bzw. Ladephase der Batteriezelle (1a) bestimmt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch – eine Tabelle (6), die eine Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle (1a) speichert, und – eine erste Auswerteeinheit (7), die eine alterungsabhängige Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle (1a) anhand des ermittelten Innenwiderstands und einer Abfrage der Tabelle (6) bestimmt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch – ein zweites Steuermodul (8) zur Variation einer Frequenz einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands und/oder zur Variation eines Tastverhältnisses einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands, und – eine zweite Auswerteeinheit (9) zur Ermittlung einer Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezelle (1a) durch Auswertung der mehreren aufeinanderfolgenden Bestimmungen des Innenwiderstands.