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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 RBal_n über den Transistor 10 (TBal_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.
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In 8 ist
das Grundprinzip des sogenannten induktiven Zellbalancing dargestellt.
Hier sind alle Zellen 1a an eine Schaltung zur Zellspannungserfassung
und Steuerung des induktiven Zellbalancing angeschlossen, die eine
Induktivität 2 als
Energiespeicher aufweist. Von induktivem Zellbalancing spricht man, wenn
das Schaltungskonzept zur Angleichung der Zellspannungen bzw. des
Ladezustands der Zellen auf einer induktiven Zwischenspeicherung
der dabei transportierten elektrischen Energie beruht. Die Zwischenspeicherung
kann – abhängig vom
Schaltungskonzept – in
Drosseln oder Übertragern
erfolgen.
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Beim
induktiven Zellbalancing wird in einem ersten Schritt Energie aus
einer oder mehrer Zellen entnommen und in dem induktiven Speicher 2 zwischengespeichert.
In einem zweiten Schritt wird die zwischengespeicherte Energie in
eine oder mehrere Batteriezellen 1a zurückgespeichert. Als Beispiele
seien genannt:
- • Energieentnahme aus einer
Zelle und Zurückspeicherung
in eine oder mehrere Zellen, wobei in die Zelle, aus der Energie
entnommen wurde, nicht zurückgespeichert
wird;
- • Energieentnahme
aus einer Zelle und Zurückspeicherung
in eine oder mehrere Zellen, wobei ein Teil der Energie in die Zelle,
aus der Energie entnommen wurde, zurückgespeichert wird;
- • Energieentnahme
aus mehreren Zelle und Zurückspeicherung
in eine oder mehrere Zellen, wobei in die Zellen, aus denen Energie
entnommen wurde, nicht zurückgespeichert
wird;
- • Energieentnahme
aus mehreren Zellen und Zurückspeicherung
in eine oder mehrere Zellen, wobei ein Teil der Energie in die Zellen,
aus denen Energie entnommen wurde, zurückgespeichert wird.
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In 9 ist
als Beispiel ein Schaltungsprinzip für das induktive Zellbalancing
dargestellt, bei dem Drosseln zur Zwischenspeicherung Energie eingesetzt
werden. Soll die Batteriezelle 1a (n) entladen werden,
weil sie z. B. einen höheren
Ladezustand aufweist, als andere Zellen des Batteriesystems, wird
durch das Einschalten des Transistors 10 (TBal_n)
ein Strom über
die Drosseln 2a (Ln_oben) und 2b (Ln_unten) aufgebaut, durch den die Zelle 1a (n)
entladen wird. Nach dem Abschalten des Transistors 10 (TBal_n) kommutiert der Strom durch die Drossel 2a (Ln_oben) in einen Strompfad über die
Diode 2c (Dn+1_l) und lädt die Batteriezelle 1a (n
+ 1) und der Strom durch die Drossel (Ln_unten)
kommutiert in einen Strompfad über
die Diode 2d (Dn-1_l) und lädt die Batteriezelle 1a (n – 1). Auf
diese Weise kann mit der in 9 dargestellten
Anordnung Energie aus einer Zelle 1a (n) entnommen und
in die beiden benachbarten Zellen 1a (n + 1, n – 1) transportiert
werden um das Zellbalancing durchzuführen.
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In 9 ist
der besseren Übersicht
wegen die Erfassung der Zellspannungen nicht dargestellt. Eine solche
Erfassung ist bei Lithium-Ionen-Batterien sowohl zur Bestimmung
des Ladezustands und zur Durchführung
des Zellbalancing als auch zur Überwachung
der Einhaltung der oberen und unteren Spannungsgrenzwerte der Zellen
erforderlich. Damit steht dem System die Information zu den einzelnen
Zellspannungen zur Verfügung.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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 induktivem 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 und/oder in denen
die Batterie einschließlich
der Batteriezelle geladen wird, also z. B. bei abgestelltem Fahrzeug.
Im letztgenannten Fall, dass ein Einsatz während des Ladens der Batterie
erfolgt, erfolgt eine Überlagerung
des Ladestroms mit dem Balancing-Strom, welche erfindungsgemäß bevorzugt
berücksichtigt
wird. Eine Bestimmung des Innenwiderstands in den zuvor genannten
Betriebsphasen ist bei den aktuell bekannten Verfahren nicht möglich.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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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 der Batteriezelle ist.
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Alternativ
umfassen das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
besonders bevorzugt, dass der erste Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt
während
einer Entladephase der Batteriezelle ist und der zweite Zeitpunkt
ein beliebiger Zeitpunkt während
der gleichen Entladephase der Batteriezelle ist.
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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
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.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfasst weiter alternativ oder zusätzlich den Schritt der Ermittlung einer
Frequenzabhängigkeit
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
des Innenwiderstands der Batteriezelle durch Auswertung der mehreren
aufeinanderfolgenden Bestimmungen des Innenwiderstands. In dieser
bevorzugten Ausgestaltung wird mit dem neuen Verfahren auch der
Innenwiderstand in Abhängigkeit
von der Frequenz der Anregung ermittelt.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle,
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2 ein
erstes Beispiel für
die Anregung der Batteriezellen, um die Frequenzabhängigkeit
des Innenwiderstands über
eine Variation der Anregefrequenz zu ermitteln,
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3 ein
zweites Beispiel für
die Anregung der Batteriezellen, um die Frequenzabhängigkeit
des Innenwiderstands über
eine Variation des Tastverhältnisses
zu ermitteln,
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4 einen
funktionalen Aufbau eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik,
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5 ein
weiteres Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß dem derzeitigen
Stand der Technik,
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6 ein
Prinzipschaltbild einer modellbasierten Batteriezustandserkennung
und -prädiktion
nach dem Stand der Technik,
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7 ein
Prinzipschaltbild einer Anordnung für das resistive Zellbalancing
der Batteriezellen nach dem Stand der Technik,
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8 ein
Prinzipschaltbild einer Anordnung für das induktive Zellbalancing
der Batteriezellen nach dem Stand der Technik, und
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9 ein
Schaltungsbeispiel für
die Realisierung des induktiven Zellbalancing der Batteriezellen
nach dem Stand der Technik.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
werden unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung im Detail beschrieben.
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In 1 ist
eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt, diese ist eine Erweiterung des in 9 dargestellten
Schaltungsprinzips für
das induktive Zellbalancing. In 1 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 der
Zelle 1a (n) bereitgestellt, welche diesen verarbeitet und
der übergeordneten
Batteriezustandserkennung 17b weiterleitet. Die Steuer-
und Auswerteeinheiten 15 aller Zellen 1a kommunizieren
miteinander, um das Zellbalancing auszuführen. 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 9 dargestellte Schaltung für das induktive Zellbalancing
um ein erstes Steuermodul 3 erweitert, mit dem die an der
Batteriezelle 1a anliegende Spannung Un,
bzw. die an den Drosseln 2a, 2b anliegende Spannung
UL, und der von der Batteriezelle 1a (n)
fließende
Strom (TBal_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
Un, bzw. die an den Drosseln 2a, 2b anliegende
Spannung UL, über den aus zwei Widerständen 11, 12 und
einem Kondensator 13 bestehenden Filter und einen A/D-Wandler 14 erfasst,
aus der, wie nachfolgend beschrieben, der von der Batteriezelle 1a (n)
fließende
Strom (TBal_n) errechnet werden kann. 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.
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Die
Ladung, die im ersten Schritt aus der oder den Zellen 1a entnommen
wurde, kann über
die Spannungszeitfläche
bei bekannter Induktivität
des zur Zwischenspeicherung der Energie eingesetzten Speichers 2 wie
folgt berechnet werden:
- • Der zeitliche Verlauf des
Stroms in dem induktiven Bauelement 2 ergibt sich zu IL = 1L ∫ULdt (1)
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Der
Maximalstrom an Ende des ersten Schritt und sei mit ILmax bezeichnet.
- • Die
im ersten Schritt entnommene Ladung kann wie folgt berechnet werden: Qent = ∫ILdt (2)
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Die
Spannung UL an dem induktiven Bauelement
kann dabei – unter
Annahme idealer elektronischer Schalter 10 mit Durchlasswiderstand
gegen 0 sowie eines idealen induktiven Bauelements 2 welches
keinen ohmschen Innenwiderstand aufweist – einfach aus der oder den
Spannungen Un jener Zellen, aus denen die Energie
entnommen wird, ermittelt werden. Über die Gleichungen (1) und
(2) kann somit der Entladestrom sowie die aus den Zellen 1a entnommene
Ladung bestimmt werden. Die nichtidealen Eigenschaften der für das Zellbalancing
eingesetzten elektronischen Schalter 10 sowie der induktiven
Bauelemente 2 bewirken bei geeigneter Dimensionierung der
Bauelemente nur geringe Fehler bei der Ermittlung der Ladung, die
der oder den Zellen 1a entnommen wird.
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In äquivalenter
Form kann im 2. Schritt das Zurückspeisen
der zwischengespeicherten Energie in die Zelle(n) 1a berechnet
werden:
- • Der
zeitliche Verlauf des Stroms in dem induktiven Bauelement 2 ergibt
sich zu IL =
ILmax + 1L ∫ULdt, wobei UL < 0 (3a)Nachdem
der Strom IL den Wert 0 angenommen hat,
gilt: IL =
0 (3b)
- • Die
im zweiten Schritt zurückgespeiste
Ladung kann wie folgt berechnet werden: Qzu = ∫ILdt (4)
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Somit
können
der Stromverlauf während
des Ladungstransports sowie die entnommene bzw. zurückgespeiste
Ladung bei der Durchführung
des Zellbalancing bestimmt werden.
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Auf
Basis dieser Informationen kann der Innenwiderstand der Zellen wie
folgt ermittelt werden:
Ausgangspunkt für die Erläuterung der Funktionsweise
sei ein Betriebszustand, in dem die Batterie an ihren Klemmen keine
Leistung abgibt oder aufnimmt. In diesem Zustand fließ kein Strom
durch die Batteriezellen 1a. Wird nun der Transistor 10 (TBal_n) eingeschaltet, entlädt sich
die Zelle 1a (n) über
die Drosseln 2a, 2b (Ln_oben und
Ln_unten). Durch das Einschalten des Transistors 10 (TBal_n) ändert
sich im Vergleich zum Ausgangszustand (keine Leistungsabgabe bzw.
-aufnahme) die Zellspannung, welche mittels der o. g. Anordnung
zur Zellspannungsmessung erfasst wird. Zusätzlich ändert sich natürlich auch
der Strom, der durch die Batteriezelle 1a (n) fließt. Dieser
Strom kann in der oben beschriebenen Weise ermittelt werden.
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Der
temperatur-, ladezustands- und alterungsabhängige Innenwiderstand R
i_n der Batteriezelle
1a (n) kann
damit z. B. wie folgt ermittelt werden:
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Zur
Ermittlung des Innenwiderstands wird dabei neben dem Ausgangszustand
(Zelle nicht belastet) ein beliebiger Zeitpunkt während der
Entladephase der Zelle 1a (n) herangezogen, für den die
Zellspannung und der Zellstrom in der beschriebenen Weise ermittelt
werden.
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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.
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In
einer Abwandlung des Verfahrens können für die Bestimmung des Innenwiderstands
der Zelle
1a (n) auch zwei oder mehrere Zeitpunkte während der
Entladephase der Zelle
1a (n) herangezogen werden. Die Innenwiderstandsbestimmung
erfolgt dann über
die Differenzspannung und die Änderung
des Balancing-Stroms, welche zwischen den betrachteten Zeitpunkten
auftreten:
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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.
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Das
beschriebene erfindungsgemäße Vorgehen
zur Ermittlung des Innenwiderstands der Batteriezellen 1a (auch
in der beschriebenen Abwandlung) kann analog auch während der
Phasen angewandt werden, in denen die in den induktiven Bauelementen 2; 2a, 2b zwischengespeicherte
Energie in die Zellen 1a zurückgespeist wird. Auch während dieser
Phasen steht dem System sowohl die Information über die aktuellen Werte der
Zellspannungen Un als auch die Information über die
zeitlichen Verläufe
der Balancing-Ströme
IL zur Verfügung. Damit kann das Verfahren
zur Ermittlung des Innenwiderstands angewandt werden.
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Das
vorgestellte erfindungsgemäße Prinzip
zur Bestimmung des Innenwiderstands der Batteriezellen kann natürlich auch
während
des „Normalbetriebs” der Batterie 1 angewandt
werden (einschließlich
der Betriebsphasen, in denen die Batterie geladen wird). 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 den die Batterie 1 mit geringen Strömen geladen bzw. entladen wird.
Der Innenwiderstand Ri_n der Batteriezelle 1a (n)
wird dazu wiederum aus dem Quotient der Zellspannungs- und Zellstromdifferenz
zweier betrachteter Zeitpunkte ermittelt.
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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.
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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.
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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
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In 2 ist
in den beiden Zeitverläufen
für die
Ansteuerung des Transistors 10 (TBal_n)
beispielhaft dargestellt, wie die Abhängigkeit der Impedanz 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, es muss lediglich ein maximal zulässiges Tastverhältnis berücksichtigt
werden, das von der Größe und Art
des Energiespeichers 2 und der Zellen 1a abhängt, da
die zwischengespeicherte Energie in die Zellen 1a zurückgespeichert
werden muss. 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 (TBal_n)
gewählt.
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In 3 ist
eine weitere Möglichkeit
zur Ermittlung der Frequenzabhängigkeit
des 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 (TBal_n) gewählt. Der
frequenzabhängige
Innenwiderstand der Batteriezellen wird wiederum gemäß Gleichung
(5) oder bei entsprechender Abwandlung der Vorgehensweise gemäß Gleichung
(6) ermittelt.
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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.
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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 ohmschen Anteils des Innenwiderstands der Batteriezelle durch
Auswertung der mehreren aufeinanderfolgenden Bestimmungen des Innenwiderstands
unter Berücksichtigung
der Änderung
der Frequenz und/oder des Tastverhältnisses der Anregung.
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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.
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Neben
der obigen schriftlichen Offenbarung wird hier ausdrücklich auf
die Offenbarung in den Figuren verwiesen.