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DE102023203228A1 - Method for determining a state of a battery and a data processing system - Google Patents

Method for determining a state of a battery and a data processing system Download PDF

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DE102023203228A1
DE102023203228A1 DE102023203228.7A DE102023203228A DE102023203228A1 DE 102023203228 A1 DE102023203228 A1 DE 102023203228A1 DE 102023203228 A DE102023203228 A DE 102023203228A DE 102023203228 A1 DE102023203228 A1 DE 102023203228A1
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DE
Germany
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cells
battery
alternating current
impedance
measured
Prior art date
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Pending
Application number
DE102023203228.7A
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German (de)
Inventor
Christian Wick
Sascha Beaury
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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Priority to CN202410393136.7A priority patent/CN118777890A/en
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Abstract

Die Erfindung ist auf ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands einer Batterie (1) gerichtet, wobei die Batterie (1) eine Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4) aufweist, die zumindest miteinander in Reihe geschaltet sind; wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst:
a) Beaufschlagen der Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4) mit einem Wechselstrom (5);
b) Messen der dadurch an der Batterie (1) erzeugten Wechselspannung (6);
c) Ermitteln der Impedanz aus dem aufgeprägtem und gemessenem Wechselstrom (5) und der gemessenen Wechselspannung (6) für die Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4), so dass für die Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4) ein Mittelwert für zumindest eine Temperatur der Zellen (2, 3, 4) ermittelt wird.

Figure DE102023203228A1_0000
The invention is directed to a method for determining a state of a battery (1), wherein the battery (1) has a plurality of cells (2, 3, 4) which are connected at least in series with one another; wherein the method comprises at least the following steps:
a) applying an alternating current (5) to the plurality of cells (2, 3, 4);
b) measuring the alternating voltage (6) generated thereby at the battery (1);
c) determining the impedance from the impressed and measured alternating current (5) and the measured alternating voltage (6) for the plurality of cells (2, 3, 4), so that an average value for at least one temperature of the cells (2, 3, 4) is determined for the plurality of cells (2, 3, 4).
Figure DE102023203228A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands einer Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie. Die Erfindung betrifft weiter ein Datenverarbeitungssystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet ausgeführt ist.The invention relates to a method for determining a state of a battery, in particular a high-voltage battery. The invention further relates to a data processing system which is suitably designed to carry out the method.

Derartige Hochvoltbatterien werden insbesondere in Kraftfahrzeugen zur Speicherung von elektrischer Energie für den Antrieb von Traktionsantrieben eingesetzt. Dabei setzt sich eine Batterie regelmäßig aus einer Mehrzahl von Zellen zusammen, wobei jede Zelle eine Klemmenspannung von 1,5 bis 4 Volt aufweist. Die Zellen werden zumindest teilweise in Reihe geschaltet, so dass eine Traktionsspannung von 60 bis 1.500 Volt Gleichspannung bereitgestellt wird.Such high-voltage batteries are used in particular in motor vehicles to store electrical energy for driving traction drives. A battery is usually made up of a number of cells, each cell having a terminal voltage of 1.5 to 4 volts. The cells are at least partially connected in series so that a traction voltage of 60 to 1,500 volts DC is provided.

Die Temperatur einer Hochvoltbatterie, genauer die Temperatur der Zellen der Batterie, wird heute indirekt durch außen an den Zellen angebrachten Temperatursensoren gemessen. Damit ergibt sich eine örtliche Differenz der Temperaturmessstelle zum Zellinneren, woraus sich eine Temperaturdifferenz ergibt. Zudem ändern sich die Temperaturen aufgrund von Temperaturkapazitäten und thermischer Leitfähigkeit, so dass auch zeitlich eine Differenz der Temperaturen entsteht. Für die Schnellladung von Hochvoltbatterien ist die genaue Kenntnis über die Zelltemperatur wichtig, da bei Überschreitung einer kritischen Temperatur der Strom reduziert wird. Je genauer die Temperatur gemessen werden kann, je kleiner kann der Sicherheitsabstand zur echten kritischen Temperatur der Zellen gewählt werden. Daher kann durch exakte Messung der Zelltemperatur die Ladezeit verringert werden.The temperature of a high-voltage battery, or more precisely the temperature of the battery cells, is now measured indirectly by temperature sensors attached to the outside of the cells. This results in a local difference between the temperature measurement point and the inside of the cell, which results in a temperature difference. In addition, temperatures change due to temperature capacities and thermal conductivity, so that a difference in temperatures also occurs over time. For the rapid charging of high-voltage batteries, precise knowledge of the cell temperature is important, since the current is reduced if a critical temperature is exceeded. The more accurately the temperature can be measured, the smaller the safety margin can be from the true critical temperature of the cells. Therefore, charging time can be reduced by measuring the cell temperature precisely.

Über die bekannte Impedanzspektroskopie lässt sich die Zellinnentemperatur ermitteln. Bei der Impedanzspektroskopie wird eine Phasenbeziehung von Strom und Spannung ausgewertet und damit der Real- bzw. Imaginärteil eines Zellwiderstandes ermittelt. Dieses geschieht, indem der Frequenzgang eines eingeprägten Stromes von ganz kleinen Frequenzen (0,1Hz) bis zu großen Frequenzen (10kHz) durchfahren wird. Dieses Verfahren erfordert viel Zeit und es wird zur Einprägung des Stroms viel Energie aus der Zelle entnommen. Außerdem wirken sich Störungen, die durch die Verbraucher des Kraftfahrzeugs erzeugt werden, stark aus und verfälschen das Messsignal. Die Messergebnisse von Spannung und Strom werden durch komplexe Algorithmik ausgewertet. Dabei lässt sich dann ein Rückschluss z. B. auf den Absolutwert der Zellinnentemperatur schließen. Dieses Verfahren ist sehr störempfindlich und wird heute nur unter Laborbedingungen eingesetzt. Da diese Impedanzspektroskopie bekannterweise jede Zelle misst, sind die Systemkosten höher als ohne Impedanzspektroskopie und das System relativ komplex. Die Technologie kommt möglicherweise nicht zu Einsatz.The internal cell temperature can be determined using the well-known impedance spectroscopy. In impedance spectroscopy, a phase relationship between current and voltage is evaluated and the real or imaginary part of a cell resistance is determined. This is done by running through the frequency response of an impressed current from very low frequencies (0.1 Hz) to high frequencies (10 kHz). This process takes a lot of time and a lot of energy is taken from the cell to impress the current. In addition, interference generated by the vehicle's consumers has a strong effect and distorts the measurement signal. The measurement results of voltage and current are evaluated using complex algorithms. This then allows a conclusion to be drawn, for example, about the absolute value of the internal cell temperature. This method is very sensitive to interference and is currently only used under laboratory conditions. Since this impedance spectroscopy is known to measure every cell, the system costs are higher than without impedance spectroscopy and the system is relatively complex. The technology may not be used.

Aus der DE 10 2013 103 921 A1 ist ein Temperaturmesssystem für Zellen in einem Batteriepack, der mehrere in Reihe und parallel-geschaltete Zellen umfasst, bekannt. Dabei wird ein Wechselspannungssignal an dem Batteriepack angelegt und über einen Spannungssensor ein Spannungssignal einer Zelle oder mehrerer parallel geschalteter Zellen erfasst. Weiter wird über einen Stromsensor ein Stromsignal für den Batteriepack ermittelt. Aus der so ermittelbaren Impedanz und der Frequenz wird die Temperatur der Zellgruppe - also der ggf. parallel geschalteten Zellen - ermittelt.From the DE 10 2013 103 921 A1 A temperature measuring system for cells in a battery pack, which includes several cells connected in series and in parallel, is known. An alternating voltage signal is applied to the battery pack and a voltage sensor detects a voltage signal from one cell or several cells connected in parallel. A current sensor also detects a current signal for the battery pack. The temperature of the cell group - i.e. the cells connected in parallel if necessary - is determined from the impedance and frequency determined in this way.

Aus der DE 10 2017 218 715 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Temperatur und Ladungszustand einer einzigen Lithiumionenzelle anhand von Impedanzwerten bekannt.From the DE 10 2017 218 715 A1 A method for determining the temperature and charge state of a single lithium-ion cell using impedance values is known.

Aus der DE 10 2020 110 466 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands mindestens einer Zelle einer Batterie bekannt, wobei eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Zellen mit einem Wechselstrom beaufschlagt und die erzeugte Wechselspannung an zumindest zwei Zellen gemessen wird. Dabei wird anhand der Phasenlage der Wechselspannungen auf einen Unterschied der Zustände der Zellen geschlossen.From the DE 10 2020 110 466 A1 A method for determining a state of at least one cell of a battery is known, wherein a plurality of cells connected in series are subjected to an alternating current and the alternating voltage generated is measured on at least two cells. A difference in the states of the cells is determined based on the phase position of the alternating voltages.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik angeführten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands einer Batterie vorgeschlagen werden. Insbesondere soll damit eine Schädigung einer Zelle bzw. der Batterie im Betrieb eines Kraftfahrzeuges frühzeitig erkannt und eine Gefährdung eines Nutzers des Kraftfahrzeuges verringert oder verhindert werden.The object of the present invention is to at least partially solve the problems mentioned with reference to the prior art. In particular, a method for determining the status of a battery is to be proposed. In particular, this is intended to detect damage to a cell or the battery during operation of a motor vehicle at an early stage and to reduce or prevent any danger to a user of the motor vehicle.

Zur Lösung dieser Aufgaben trägt ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bei. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und/oder Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.A method with the features according to claim 1 contributes to the solution of these tasks. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims. The features listed individually in the claims can be combined with one another in a technologically meaningful way and can be supplemented by explanatory facts from the description and/or details from the figures, whereby further embodiments of the invention are shown.

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung eines Zustands einer Batterie vorgeschlagen, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Zellen aufweist, die zumindest teilweise miteinander in Reihe geschaltet sind. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:

  1. a) Beaufschlagen der Mehrzahl von Zellen mit einem Wechselstrom;
  2. b) Messen der dadurch an der Batterie erzeugten Wechselspannung;
  3. c) Ermitteln der Impedanz aus dem aufgeprägtem (beaufschlagten) Wechselstrom und dem gemessenem Wechselstrom und der gemessenen Wechselspannung für die Mehrzahl von Zellen, so dass für die Mehrzahl von Zellen ein Mittelwert für zumindest eine Temperatur der Zellen ermittelt wird.
A method for determining a state of a battery is proposed, wherein the battery has a plurality of cells which are at least partially connected in series with one another The method comprises at least the following steps:
  1. a) applying an alternating current to the plurality of cells;
  2. b) measuring the alternating voltage generated at the battery;
  3. c) determining the impedance from the impressed (charged) alternating current and the measured alternating current and the measured alternating voltage for the plurality of cells, so that an average value for at least one temperature of the cells is determined for the plurality of cells.

Die obige (nicht abschließende) Einteilung der Verfahrensschritte in a) bis c) soll vorrangig nur zur Unterscheidung dienen und keine Reihenfolge und/oder Abhängigkeit erzwingen. Auch die Häufigkeit der einzelnen Verfahrensschritte kann variieren. Ebenso ist möglich, dass Verfahrensschritte einander zumindest teilweise zeitlich überlagern. Ganz besonders bevorzugt finden die Verfahrensschritte b) und c) während Schritt a) statt. Insbesondere finden die Schritte a) und b) gleichzeitig statt. Insbesondere findet Schritt c) zeitgleich oder zeitlich versetzt zu den Schritten a) und b) statt.The above (non-exhaustive) classification of the process steps into a) to c) is primarily intended to serve as a distinction and does not force a sequence and/or dependency. The frequency of the individual process steps can also vary. It is also possible that process steps overlap one another at least partially. Process steps b) and c) particularly preferably take place during step a). In particular, steps a) and b) take place simultaneously. In particular, step c) takes place at the same time or at a different time to steps a) and b).

Insbesondere wird im Rahmen des Verfahrens eine Impedanzspektroskopie für eine Mehrzahl von Zellen, die zumindest teilweise miteinander in Reihe geschaltet sind, durchgeführt. Insbesondere wird das Verfahren für alle Zellen der Batterie durchgeführt. Insbesondere werden dabei nicht die an jeder Zelle auftretenden Wechselspannungen gemessen, sondern es wird nur die Wechselspannung der Mehrzahl von Zellen ermittelt. Insbesondere wird also nur ein Wert der Wechselspannung, nämlich nur der Wert (bzw. Verlauf) der Wechselspannung der Mehrzahl von Zellen gemessen.In particular, the method involves carrying out impedance spectroscopy for a plurality of cells that are at least partially connected in series. In particular, the method is carried out for all cells of the battery. In particular, the alternating voltages occurring at each cell are not measured, but only the alternating voltage of the plurality of cells is determined. In particular, only one value of the alternating voltage is measured, namely only the value (or curve) of the alternating voltage of the plurality of cells.

Es wird also gerade nicht eine Impedanzspektroskopie für eine einzelne Zelle oder für (ausschließlich) miteinander parallelgeschaltete Zellen durchgeführt.Therefore, impedance spectroscopy is not carried out for a single cell or for cells (exclusively) connected in parallel.

Insbesondere wird im Rahmen des Schrittes c), bzw. nach Ermitteln der Impedanz der Mehrzahl von Zellen, durch das grundsätzlich bekannte Verfahren der Impedanzspektroskopie die Phasenbeziehung zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung ausgewertet und damit der Real- bzw. Imaginärteil eines Widerstandes der Mehrzahl von Zellen ermittelt. Dafür wird insbesondere in Schritt a) der Frequenzgang eines eingeprägten Stromes von ganz kleinen Frequenzen (0,1Hz) bis zu großen Frequenzen (10kHz) durchfahren.In particular, in step c), or after determining the impedance of the majority of cells, the phase relationship between the alternating current and the alternating voltage is evaluated using the basically known method of impedance spectroscopy and the real or imaginary part of a resistance of the majority of cells is thus determined. To do this, in particular in step a), the frequency response of an impressed current is run through from very low frequencies (0.1 Hz) to high frequencies (10 kHz).

Gemäß Schritt a) wird insbesondere ein Wechselstrom, z. B. mit einer Frequenz von mehr als 1 Hz [Hertz], insbesondere zwischen 1 Hz und 10 kHz, bevorzugt zwischen 10 Hz und 10 kHz, besonders bevorzugt von 100 Hz, in die Mehrzahl von Zellen der Batterie eingeprägt.According to step a), in particular an alternating current, e.g. with a frequency of more than 1 Hz [Hertz], in particular between 1 Hz and 10 kHz, preferably between 10 Hz and 10 kHz, particularly preferably of 100 Hz, is impressed into the majority of cells of the battery.

Insbesondere ergibt sich aus der Summe der an jeder Zelle anliegenden Wechselspannung die sogenannte Systemspannung der Batterie bzw. der betrachteten Mehrzahl von Zellen. Es wird insbesondere nur diese (eine) Wechselspannung der Mehrzahl von Zellen gemessen. Diese Wechselspannung wird insbesondere zeitgleich zum aufgeprägten Wechselstrom gemessen, so dass eine Phasenbeziehung zwischen den gemessenen Werten für Spannung und Strom bestimmt werden kann.In particular, the sum of the alternating voltage applied to each cell results in the so-called system voltage of the battery or of the plurality of cells under consideration. In particular, only this (one) alternating voltage of the plurality of cells is measured. This alternating voltage is measured at the same time as the applied alternating current, so that a phase relationship between the measured values for voltage and current can be determined.

Da sich alle Zellen der Mehrzahl von Zellen bzw. einer Batterie insbesondere nahezu gleich verhalten, verhält sich auch eine Phasenbeziehung der Wechselspannung der einzelnen Zellen zum Wechselstrom analog zu der Wechselspannung der Batterie bzw. der betrachteten Mehrzahl von Zellen zum Wechselstrom.Since all cells of the majority of cells or of a battery behave in almost the same way, the phase relationship of the alternating voltage of the individual cells to the alternating current also behaves analogously to the alternating voltage of the battery or of the majority of cells under consideration to the alternating current.

Insbesondere wird mittels der Impedanzspektroskopie die Wechselspannung der Mehrzahl von Zellen zum aufgeprägten Wechselstrom analysiert, so dass sich daraus insbesondere jeweils ein Mittelwert der Realteile und der Imaginärteile des Innenwiderstandes aller Zellen der Mehrzahl von Zellen ergeben. Weiter ergibt sich daraus insbesondere ein Mittelwert der Phasenbeziehung der Wechselspannung der einzelnen Zellen zum Wechselstrom.In particular, the alternating voltage of the majority of cells is analyzed in relation to the applied alternating current using impedance spectroscopy, so that this results in particular in an average value of the real parts and the imaginary parts of the internal resistance of all cells of the majority of cells. This also results in particular in an average value of the phase relationship of the alternating voltage of the individual cells to the alternating current.

Insbesondere lassen sich aus diesen Werten je nach angelegter Frequenz des Wechselstroms die Mittelwerte von SOC (state of charge; Ladezustand der Batterie bzw. der Mehrzahl von Zellen), SOH (state of health; Alterungszustand der Batterie bzw. der Mehrzahl von Zellen) sowie der Temperatur der Mehrzahl der Zellen (also jeweils ein Mittelwert für die Gesamtzahl der betrachteten Zellen) ermitteln.In particular, depending on the frequency of the alternating current applied, these values can be used to determine the mean values of SOC (state of charge; state of charge of the battery or the majority of cells), SOH (state of health; state of aging of the battery or the majority of cells) and the temperature of the majority of cells (i.e. an average value for the total number of cells considered).

Insbesondere wird mit SOC das Verhältnis von Rest-Kapazität der Zellen (also die zu einem aktuellen Zeitpunkt in den betrachteten Zellen vorliegende Kapazität) zu Ist-Kapazität der Zellen (also die zu diesem Zeitpunkt mögliche maximale Kapazität der betrachteten Zellen) bezeichnet.In particular, SOC refers to the ratio of the remaining capacity of the cells (i.e. the capacity present in the cells under consideration at a current point in time) to the actual capacity of the cells (i.e. the maximum capacity possible at that point in time of the cells under consideration).

Insbesondere wird mit SOH das Verhältnis von Ist-Kapazität der Zellen zu Nenn-Kapazität der Zellen (also die nominale Kapazität der Zellen, die z. B. der Hersteller der Zellen bzw. der Batterie angibt) bezeichnet.In particular, SOH refers to the ratio of the actual capacity of the cells to the nominal capacity of the cells (i.e. the nominal capacity of the cells, which is specified, for example, by the manufacturer of the cells or the battery).

Die Frequenz des aufgeprägten Wechselstroms für die SOC-Bestimmung liegt insbesondere bei wenigen Hertz, die Frequenz für die Bestimmung der Temperatur bei etwa 100 bis 300 Hertz.The frequency of the alternating current applied for SOC determination is in particular at a few Hertz, the frequency for determining the temperature is about 100 to 300 Hertz.

Insbesondere umfasst die Mehrzahl von Zellen mindestens 50 Zellen, bevorzugt mindestens 100 Zellen, besonders bevorzugt mindestens 200 Zellen, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Insbesondere umfasst die Mehrzahl von Zellen alle Zellen einer Batteriezelle, die miteinander in Reihe geschaltet sind.In particular, the plurality of cells comprises at least 50 cells, preferably at least 100 cells, particularly preferably at least 200 cells, which are connected in series with one another. In particular, the plurality of cells comprises all cells of a battery cell that are connected in series with one another.

Insbesondere weist die Batterie zusätzlich zu jeder in Reihe geschalteten Zelle mindestens eine weitere, zu der jeweiligen Zelle parallel geschaltete Zelle auf. Insbesondere werden in Schritt a) auch diese Zellen, bevorzugt alle Zellen der Batterie mit dem Wechselstrom beaufschlagt. Insbesondere wird für diese Zellen, also insbesondere alle Zellen der Batterie, die sich ergebende Wechselspannung gemessen.In particular, in addition to each cell connected in series, the battery has at least one further cell connected in parallel to the respective cell. In particular, in step a), these cells, preferably all cells of the battery, are also subjected to the alternating current. In particular, the resulting alternating voltage is measured for these cells, i.e. in particular all cells of the battery.

Insbesondere werden der Wechselstrom und die Wechselspannung durch einen einzigen integrierten Schaltkreis (auch als Chip bezeichnet) zeitgleich gemessen.In particular, the alternating current and the alternating voltage are measured simultaneously by a single integrated circuit (also called a chip).

Ein integrierter Schaltkreis wird auch als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASICapplication-specific integrated circuit) bezeichnet. Dabei ist dessen Funktion nach der Herstellung insbesondere nicht mehr veränderbar.An integrated circuit is also known as an application-specific integrated circuit (ASIC). Its function cannot be changed after it has been manufactured.

Insbesondere wird auch das Ermitteln der Impedanz gemäß Schritt c) in dem integrierten Schaltkreis durchgeführt. Insbesondere kann durch die zeitgleiche Messung über einen einzigen integrierten Schaltkreis die Genauigkeit der Messung gesteigert werden, weil die Messungen von Wechselspannungen und Wechselstrom dann möglichst synchron zueinander erfolgen.In particular, the determination of the impedance according to step c) is also carried out in the integrated circuit. In particular, the accuracy of the measurement can be increased by the simultaneous measurement via a single integrated circuit, because the measurements of alternating voltages and alternating current are then carried out as synchronously as possible.

Insbesondere werden die gemessenen Werte des Wechselstroms und der Wechselspannung an einen räumlich zum integrierten Schaltkreis beabstandet angeordneten Schaltkreis übermittelt. Insbesondere wird dort das Ermitteln der Impedanz gemäß Schritt c) durchgeführt. In particular, the measured values of the alternating current and the alternating voltage are transmitted to a circuit arranged at a spatial distance from the integrated circuit. In particular, the determination of the impedance according to step c) is carried out there.

Insbesondere werden der Wechselstrom und die Wechselspannung durch räumlich voneinander beabstandet angeordnete Schaltkreise gemessen. Dabei ist insbesondere eine Synchronität der gemessenen Wechselspannung zu dem gemessenen Wechselstrom sicherzustellen. Insbesondere sollte die aus der räumlichen Trennung resultierende Phasenverschiebung deutlich geringer sein als die durch die Mehrzahl von Zellen bedingte Phasenverschiebung.In particular, the alternating current and the alternating voltage are measured by circuits arranged at a distance from one another. In particular, synchronicity of the measured alternating voltage and the measured alternating current must be ensured. In particular, the phase shift resulting from the spatial separation should be significantly smaller than the phase shift caused by the plurality of cells.

Insbesondere wird aus der in Schritt c) ermittelten Impedanz zusätzlich ein State of Charge und ein State of Health der Batterie bzw. der Mehrzahl von Zellen bestimmt.In particular, a state of charge and a state of health of the battery or the majority of cells are additionally determined from the impedance determined in step c).

Insbesondere kann bei einer Änderung des Imaginärteils der ermittelten Impedanz darauf geschlossen werden, ggf. durch Vergleich mit in einer Steuerung hinterlegten Referenzwerten, dass sich ein Zellwiderstand zumindest einer Zelle der Mehrzahl von Zellen ändert, z. B. infolge eines Temperaturanstiegs bei Beginn einer thermischen Propagation.In particular, if the imaginary part of the determined impedance changes, it can be concluded, if necessary by comparison with reference values stored in a controller, that a cell resistance of at least one cell of the plurality of cells changes, e.g. as a result of a temperature increase at the start of thermal propagation.

Es wird weiter ein Datenverarbeitungssystem (Steuergerät) vorgeschlagen, das zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist. Durch das Datenverarbeitungssystem ist ein auf eine Mehrzahl von miteinander in Reihe geschalteter Zellen einer Batterie aufgeprägter Wechselstrom und eine daraus resultierende Wechselspannung messbar und daraus eine Impedanz der Mehrzahl von Zellen ermittelbar. Weiter ist durch das Datenverarbeitungssystem aus der Impedanz für die Mehrzahl von Zellen ein Mittelwert für zumindest eine Temperatur der Zellen bestimmbar. Insbesondere ist durch das Datenverarbeitungssystem aus der Impedanz für die Mehrzahl von Zellen auch ein SOC bzw. ein SOH für die betrachtete Mehrzahl von Zellen und/ oder für die Batterie bzw. ein jeweiliger Mittelwert dieser Parameter für die jeweilige Zelle bestimmbar.A data processing system (control unit) is also proposed which is equipped, configured or programmed to carry out the described method. The data processing system can measure an alternating current impressed on a plurality of cells of a battery connected in series with one another and a resulting alternating voltage and can determine an impedance of the plurality of cells from this. Furthermore, the data processing system can determine an average value for at least one temperature of the cells from the impedance for the plurality of cells. In particular, the data processing system can also determine an SOC or an SOH for the plurality of cells under consideration and/or for the battery or a respective average value of these parameters for the respective cell from the impedance for the plurality of cells.

Weiter kann das Verfahren auch von einem Computer bzw. mit einem Prozessor einer Steuereinheit ausgeführt werden.Furthermore, the method can also be carried out by a computer or with a processor of a control unit.

Das Verfahren kann insbesondere in einem Steuergerät implementiert sein, wobei das Steuergerät zumindest zur Diagnose, ggf. auch zum Betrieb, der Batterie vorgesehen ist.The method can in particular be implemented in a control unit, wherein the control unit is provided at least for the diagnosis, and possibly also for the operation, of the battery.

Die Batterie kann in einem Kraftfahrzeug zur Speicherung von Energie eingesetzt werden, wobei über die Batterie zumindest ein Traktionsantrieb des Kraftfahrzeuges mit elektrischer Energie versorgt wird.The battery can be used in a motor vehicle to store energy, whereby at least one traction drive of the motor vehicle is supplied with electrical energy via the battery.

Es wird insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einem Traktionsantrieb und einer Batterieanordnung, die die beschriebene Batterie sowie das Datenverarbeitungssystem umfasst, vorgeschlagen.In particular, a motor vehicle with a traction drive and a battery arrangement comprising the described battery and the data processing system is proposed.

Es kann ein computerlesbares Speichermedium vorgesehen sein, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung durch einen Computer/Prozessor diesen veranlassen, das Verfahren bzw. mindestens einen Teil der Schritte des vorgeschlagenen Verfahrens auszuführen.A computer-readable storage medium may be provided which comprises instructions which, when executed by a computer/processor, cause the computer/processor to carry out the method or at least some of the steps of the proposed method.

Die Ausführungen zu dem Verfahren sind insbesondere auf das Kraftfahrzeug, die Batterie und/oder das computerimplementierte Verfahren (also den Computer bzw. den Prozessor, das Datenverarbeitungssystem, das computerlesbare Speichermedium) übertragbar und umgekehrt.The statements on the method are particularly transferable to the motor vehicle, the battery and/or the computer-implemented method (i.e. the computer or the processor, the data processing system, the computer-readable storage medium) and vice versa.

Zur Aufprägung des Wechselstroms kann ein schon im Kraftfahrzeug vorhandener Verbraucher, z. B. ein HV-Heizer, ein Pulswechselrichter oder eine Heizmattenansteuerung, genutzt werden. Ebenso kann der sich verändernde Strom des elektrischen Antriebs als Signalquelle dienen.A consumer already present in the vehicle, e.g. an HV heater, a pulse inverter or a heating mat control, can be used to impose the alternating current. The changing current of the electric drive can also serve as a signal source.

Das vorgeschlagene Verfahren weist bestimmte Vorteile gegenüber klassischen (bekannten) Messmethoden auf:

  • • Eine Impedanzspektroskopie für die gesamte Batterie (bzw. die Mehrzahl von Zellen) ist mit geringerem apparativem Aufwand durchführbar;
  • • Die durchgeführten Messungen sind robust bzw. aussagekräftig, weil nur kurze Messleitungen (also Verbindungen zwischen dem zur Messung bzw. Auswertung verwendeten Schaltkreis und der Batterie bzw. der Mehrzahl von Zellen) benötigt werden und weil keine Messleitungen zu den einzelnen Zellen bereitgestellt werden müssen;
  • • Es ist kein Zusatzaufwand erforderlich, weil die Wechselspannung und der Wechselstrom der Batterie bzw. der Mehrzahl von Zellen (und nicht der einzelnen Zelle) im Betrieb und für den Betrieb der Batterie sowieso gemessen werden müssen;
  • • Die Auswertung der Messwerte bzw. die Bestimmung der Impedanz und die daraus abgeleiteten Werte für die Temperatur, den SOC und/ oder den SOH kann durch einfache Software bzw. Programme erfolgen.
The proposed method has certain advantages over classical (known) measurement methods:
  • • Impedance spectroscopy for the entire battery (or the majority of cells) can be carried out with less equipment;
  • • The measurements carried out are robust and meaningful because only short measuring lines (i.e. connections between the circuit used for measurement or evaluation and the battery or the majority of cells) are required and because no measuring lines have to be provided to the individual cells;
  • • No additional effort is required because the AC voltage and AC current of the battery or the majority of cells (and not the individual cell) must be measured during operation and for the operation of the battery anyway;
  • • The evaluation of the measured values or the determination of the impedance and the derived values for the temperature, the SOC and/or the SOH can be carried out using simple software or programs.

Dabei können aber Defekte einzelner Zellen oder an einzelnen Zellen auftretende Abweichungen bestimmter Parameter (Spannung, Strom, Phasenverschiebung) gerade nicht erkannt bzw. der einzelnen Zelle zugeordnet werden.However, defects in individual cells or deviations in certain parameters (voltage, current, phase shift) occurring in individual cells cannot be detected or assigned to the individual cell.

Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.The use of indefinite articles ("a", "an", "an" and "another"), particularly in the patent claims and the description reflecting them, is to be understood as such and not as a number. Terms or components introduced accordingly are therefore to be understood as being present at least once and, in particular, can also be present multiple times.

Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung. Soweit ein Bauteil mehrfach vorkommen kann („mindestens ein“), kann die Beschreibung zu einem dieser Bauteile für alle oder ein Teil der Mehrzahl dieser Bauteile gleichermaßen gelten, dies ist aber nicht zwingend.As a precaution, it should be noted that the numerals used here ("first", "second", ...) primarily serve (only) to distinguish between several similar objects, sizes or processes, and in particular do not necessarily specify a dependency and/or sequence of these objects, sizes or processes. If a dependency and/or sequence is required, this is explicitly stated here or it is obvious to the person skilled in the art when studying the specifically described design. If a component can occur multiple times ("at least one"), the description of one of these components can apply equally to all or part of the majority of these components, but this is not mandatory.

Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:

  • 1: eine Batterieanordnung; und
  • 2: ein Diagramm.
The invention and the technical environment are explained in more detail below with reference to the accompanying figures. It should be noted that the invention is not intended to be limited by the exemplary embodiments given. In particular, unless explicitly stated otherwise, it is also possible to extract partial aspects of the facts explained in the figures and combine them with other components and findings from the present description. In particular, it should be noted that the figures and in particular the size relationships shown are only schematic. They show:
  • 1 : a battery arrangement; and
  • 2 : a diagram.

1 zeigt eine Batterieanordnung 14, die eine Batterie 1 sowie ein Datenverarbeitungssystem 9 umfasst. Die Batterie 1 umfasst eine Mehrzahl von Zellen 2, 3, 4, die miteinander in Reihe und parallel geschaltet sind. Im Rahmen des Verfahrens erfolgt in Schritt a) das Beaufschlagen der Mehrzahl von Zellen 2, 3, 4 mit einem Wechselstrom 5. Gemäß Schritt b) erfolgt ein Messen der dadurch an der Batterie 1 erzeugten Wechselspannung 6. Gemäß Schritt c) erfolgt ein Ermitteln der Impedanz aus dem aufgeprägtem und gemessenem Wechselstrom 5 und der gemessenen Wechselspannung 6 für die Mehrzahl von Zellen 2, 3, 4, so dass für die Mehrzahl von Zellen 2, 3, 4 ein Mittelwert für zumindest eine Temperatur der Zellen 2, 3, 4 ermittelt wird. 1 shows a battery arrangement 14 which comprises a battery 1 and a data processing system 9. The battery 1 comprises a plurality of cells 2, 3, 4 which are connected to one another in series and in parallel. As part of the method, in step a), the plurality of cells 2, 3, 4 are supplied with an alternating current 5. According to step b), the alternating voltage 6 thereby generated on the battery 1 is measured. According to step c), the impedance is determined from the impressed and measured alternating current 5 and the measured alternating voltage 6 for the plurality of cells 2, 3, 4, so that an average value for at least one temperature of the cells 2, 3, 4 is determined for the plurality of cells 2, 3, 4.

Der Wechselstrom 5 und die Wechselspannung 6 werden durch einen einzigen integrierten Schaltkreis 7 (auch als Chip bezeichnet) zeitgleich gemessen. Insbesondere wird auch das Ermitteln der Impedanz gemäß Schritt c) in dem integrierten Schaltkreis 7 durchgeführt. Insbesondere kann durch die zeitgleiche Messung über einen einzigen integrierten Schaltkreis 7 die Genauigkeit der Messung gesteigert werden, weil die Messungen von Wechselspannung 6 und Wechselstrom 5 dann möglichst synchron zueinander erfolgen.The alternating current 5 and the alternating voltage 6 are measured simultaneously by a single integrated circuit 7 (also referred to as a chip). In particular, the determination of the impedance according to step c) is also carried out in the integrated circuit 7. In particular, the accuracy of the measurement can be increased by the simultaneous measurement via a single integrated circuit 7, because the measurements of the alternating voltage 6 and the alternating current 5 are then carried out as synchronously as possible.

Alternativ werden die gemessenen Werte des Wechselstroms 5 und der Wechselspannung 6 an einen räumlich zum integrierten Schaltkreis 7 beabstandet angeordneten Schaltkreis 8 übermittelt. Insbesondere wird dort das Ermitteln der Impedanz gemäß Schritt c) durchgeführt.Alternatively, the measured values of the alternating current 5 and the alternating voltage 6 are transmitted to a circuit 8 arranged at a distance from the integrated circuit 7. In particular, the determination of the impedance according to step c) is carried out there.

In dem Schaltkreis erfolgt eine Bestimmung des SOC, des SOH und der Temperatur für die Mehrheit von Zellen 2, 3, 4. Eine Zuordnung dieser Parameter zu den einzelnen Zellen 2, 3, 4 ist nicht möglich, so dass für jede Zelle 2, 3, 4 also ein Mittelwert bestimmbar ist.In the circuit, the SOC, the SOH and the temperature are determined for the majority of cells 2, 3, 4. It is not possible to assign these parameters to the individual cells 2, 3, 4, so that an average value can be determined for each cell 2, 3, 4.

Die 2 zeigt ein Diagramm. An der vertikalen Achse ist der Wechselstrom 5 und die Wechselspannung 6 aufgetragen. An der horizontalen Achse ist die Zeit 10 aufgetragen. Es sind die Verläufe des Wechselstroms 5 und der Wechselspannung 6 dargestellt. Die Wechselspannung 6 umfasst einen Imaginärteil 11 und einen Realteil 12. Der Imaginärteil 11 weist gegenüber dem Realteil 12 eine Phasenverschiebung 13 auf.The 2 shows a diagram. The alternating current 5 and the alternating voltage 6 are plotted on the vertical axis. The time 10 is plotted on the horizontal axis. The curves of the alternating current 5 and the alternating voltage 6 are shown. The alternating voltage 6 comprises an imaginary part 11 and a real part 12. The imaginary part 11 has a phase shift 13 compared to the real part 12.

Ein Verfahren zur direkten Messung der Zellinnentemperatur ist die sogenannte Impedanzspektroskopie. Bei der Impedanzspektroskopie wird eine Phasenbeziehung von Wechselstrom 5 und Wechselspannung 6 ausgewertet und damit der Realteil 12 bzw. Imaginärteil 11 eines Widerstandes der Mehrzahl von Zellen 2, 3, 4 ermittelt. Dieses geschieht, indem der Frequenzgang eines eingeprägten Wechselstromes 5 von ganz kleinen Frequenzen (0,1Hz) bis zu großen Frequenzen (10kHz) durchfahren wird.One method for directly measuring the internal cell temperature is so-called impedance spectroscopy. In impedance spectroscopy, a phase relationship between alternating current 5 and alternating voltage 6 is evaluated and the real part 12 or imaginary part 11 of a resistance of the majority of cells 2, 3, 4 is determined. This is done by running through the frequency response of an impressed alternating current 5 from very low frequencies (0.1 Hz) to high frequencies (10 kHz).

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11
Batteriebattery
22
erste Zellefirst cell
33
zweite Zellesecond cell
44
dritte Zellethird cell
55
Wechselstromalternating current
66
Wechselspannungalternating current
77
Integrierter Schaltkreisintegrated circuit
88
Schaltkreiscircuit
99
Datenverarbeitungssystemdata processing system
1010
ZeitTime
1111
Imaginärteilimaginary part
1212
Realteilreal part
1313
Phasenverschiebungphase shift
1414
Batterieanordnungbattery arrangement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • DE 102017218715 A1 [0006]DE 102017218715 A1 [0006]
  • DE 102020110466 A1 [0007]DE 102020110466 A1 [0007]

Claims (9)

Verfahren zur Bestimmung eines Zustands einer Batterie (1), wobei die Batterie (1) eine Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4) aufweist, die zumindest teilweise miteinander in Reihe geschaltet sind; wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst: a) Beaufschlagen der Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4) mit einem Wechselstrom (5); b) Messen der dadurch an der Batterie (1) erzeugten Wechselspannung (6); c) Ermitteln der Impedanz aus dem aufgeprägtem und gemessenem Wechselstrom (5) und der gemessenen Wechselspannung (6) für die Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4), so dass für die Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4) ein Mittelwert für zumindest eine Temperatur der Zellen (2, 3, 4) ermittelt wird.Method for determining a state of a battery (1), wherein the battery (1) has a plurality of cells (2, 3, 4) which are at least partially connected in series with one another; wherein the method comprises at least the following steps: a) applying an alternating current (5) to the plurality of cells (2, 3, 4); b) measuring the alternating voltage (6) generated thereby at the battery (1); c) determining the impedance from the impressed and measured alternating current (5) and the measured alternating voltage (6) for the plurality of cells (2, 3, 4), so that an average value for at least one temperature of the cells (2, 3, 4) is determined for the plurality of cells (2, 3, 4). Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4) mindestens 50 Zellen (2, 3, 4) umfasst, die miteinander in Reihe geschaltet sind.procedure according to patent claim 1 , wherein the plurality of cells (2, 3, 4) comprises at least 50 cells (2, 3, 4) connected in series with one another. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Batterie (1) zusätzlich zu jeder in Reihe geschalteten Zelle (2, 3, 4) mindestens eine weitere, zu der jeweiligen Zelle (2, 3, 4) parallelgeschaltete Zelle (2, 3, 4) aufweist; wobei in Schritt a) alle Zellen (2, 3, 4) der Batterie (1) mit dem Wechselstrom (5) beaufschlagt werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the battery (1) has, in addition to each cell (2, 3, 4) connected in series, at least one further cell (2, 3, 4) connected in parallel to the respective cell (2, 3, 4); wherein in step a) all cells (2, 3, 4) of the battery (1) are supplied with the alternating current (5). Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Wechselstrom (5) und die Wechselspannung (6) durch einen integrierten Schaltkreis (7) zeitgleich gemessen werden.Method according to one of the preceding claims, wherein the alternating current (5) and the alternating voltage (6) are measured simultaneously by an integrated circuit (7). Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei auch das Ermitteln der Impedanz gemäß Schritt c) in dem integrierten Schaltkreis (7) durchgeführt wird.procedure according to patent claim 4 , wherein the determination of the impedance according to step c) is also carried out in the integrated circuit (7). Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei die gemessenen Werte des Wechselstroms (5) und der Wechselspannung (6) an einen räumlich zum integrierten Schaltkreis (7) beabstandet angeordneten Schaltkreis (8) übermittelt werden und dort das Ermitteln der Impedanz gemäß Schritt c) durchgeführt wird.procedure according to patent claim 4 , wherein the measured values of the alternating current (5) and the alternating voltage (6) are transmitted to a circuit (8) arranged spatially spaced from the integrated circuit (7) and the determination of the impedance is carried out there according to step c). Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 3, wobei der Wechselstrom (5) und die Wechselspannung (6) durch räumlich voneinander beabstandet angeordnete Schaltkreise (7,8) gemessen werden.Method according to one of the preceding patent claims 1 until 3 , wherein the alternating current (5) and the alternating voltage (6) are measured by circuits (7,8) arranged spatially spaced from one another. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei aus der in Schritt c) ermittelten Impedanz zusätzlich ein State of Charge und ein State of Health der Batterie (1) bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein a state of charge and a state of health of the battery (1) are additionally determined from the impedance determined in step c). Datenverarbeitungssystem (9), das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche ausgestattet, konfiguriert oder programmiert ist, wobei durch das Datenverarbeitungssystem (9) ein auf eine Mehrzahl von miteinander in Reihe geschalteter Zellen (2, 3, 4) einer Batterie (1) aufgeprägter Wechselstrom (5) und eine daraus resultierende Wechselspannung (6) messbar und daraus eine Impedanz der Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4) ermittelbar ist, wobei durch das Datenverarbeitungssystem (9) aus der Impedanz für die Mehrzahl von Zellen (2, 3, 4) ein Mittelwert für zumindest eine Temperatur der Zellen (2, 3, 4) bestimmbar ist.Data processing system (9) which is equipped, configured or programmed to carry out a method according to one of the preceding claims, wherein an alternating current (5) impressed on a plurality of cells (2, 3, 4) of a battery (1) connected in series with one another and a resulting alternating voltage (6) can be measured by the data processing system (9) and an impedance of the plurality of cells (2, 3, 4) can be determined therefrom, wherein an average value for at least one temperature of the cells (2, 3, 4) can be determined by the data processing system (9) from the impedance for the plurality of cells (2, 3, 4).
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