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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Größe, die ein Ladevermögen und/oder einen Alterungszustand einer ausgewählten Batterie eines Kraftwagens angibt, der eine Mehrzahl von Batterien aufweist, sowie einen derartigen Kraftwagen.
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Bei der Verwendung von Lithiumionen-Batterien als Starterbatterien für Kraftwagen müssen mehrere Einzelzellen verwendet werden, da Lithiumionen-Zellen eine geringere Klemmenspannung und eine geringere Kapazität aufweisen, als die bislang für Starterbatterien verwendeten Blei-Säure-Akkumulatoren. Da solche Lithiumionen-Batterien gegen Überladung und Tiefentladung empfindlich sind, ist es notwendig, ihr Ladevermögen und ihren Alterungszustand regelmäßig zu überwachen. Dies ist insbesondere bei Fahrzeugen mit Start-Stop-Betrieb von Bedeutung, da hier aufgrund der häufigen Startvorgänge, welche die Batterie belasten, eine besonders hohe Gefahr der Tiefentladung besteht.
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Um eine Überwachung der Batterie im Fahrbetrieb des Kraftwagens zu ermöglichen, werden heute üblicherweise äußere Parameter der einzelnen Lithiumionen-Zellen, wie beispielsweise Klemmenspannung, Stromfluss, Temperatur und dergleichen kontinuierlich gemessen. Die gemessenen Werte werden in der Folge benutzt, um ein Batteriemodell zu parametrisieren, aus welchem Schätzwerte für nicht direkt messbare innere Parameter der Batterie, wie beispielsweise Innenwiderstand und der Batterie entnehmbare Gesamtladung, berechnet werden. Hierzu verwendet man verschiedene unterschiedliche Verfahren, wie beispielsweise die deterministische Parameteranpassung, Parameteranpassung mit Hilfe von stochastischen Variablen, insbesondere durch Kalmanfilter, heuristische Methoden auf der Grundlage von Expertenregeln und unscharfe Methoden wie das Fuzzy Clustering. Die mathematischen Modelle, die zur Beschreibung von Batterien benutzt werden, geben jedoch oft nur unzureichend das Verhalten der Batterie wieder und können daher nur eingeschränkt dazu benutzt werden, das Ladevermögen und den Alterungszustand der Batterie zu bestimmen.
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In der
DE 10 2005 026 077 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Ladungs-/Alterungszustandes eines Energiespeichers beschrieben, bei dem der Ladungs-/Alterungszustand von einer Steuereinheit auf Basis einer mittels eines Spannungsmesssensors messbaren offenen Klemmenspannung des Energiespeichers ermittelbar ist. Anhand der Klemmenspannung kann mittels eines Prädiktionsmodells ein späterer Zeitpunkt für mindestens eine weitere Messung der Klemmenspannung festgelegt werden, sodass der Ladungs-/Alterungszustand des Energiespeichers anhand der mindestens einen weiteren Klemmenspannung ermittelt wird.
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In
DE 10 2004 023 621 A1 ist ein Verfahren zur Energieinhaltsbestimmung eines Energiespeichers in einem Kraftfahrzeug mittels einer Einrichtung zur Erfassung und Integration eines Stromes beschrieben, wobei während des Fahrbetriebes des Kraftfahrzeuges der Strom kontinuierlich gemessen und integriert wird. Ferner wird während des Fahrbetriebs der Energiespeicher in einen stromlosen Zustand oder einen Zustand mit geringer Lade- bzw. Entladeleistung überführt und nach einer Wartezeit eine OCV-Messung durchgeführt. Der durch die OCV-Messung bestimmte Energieinhalt wird zur Korrektur des Wertes aufgrund der Stromintegration herangezogen.
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In der
DE 44 22 005 A1 ist ein Personenkraftwagen mit einem Elektroantrieb, einem Antriebsmotor, einer Mehrzahl von Batterien zur Stromversorgung des Antriebsmotors, einem mit einem äußeren Stromnetz verbindbaren Anschluss zum Aufladen der Batterien und einer Steuereinheit für den Antriebsmotor und die Stromversorgung beschrieben. Den Batterien ist einzeln mindestens jeweils ein Messfühler einer Messeinrichtung zur Erfassung mindestens einer den elektrochemischen Zustand und/oder einen Betriebsparameter, insbesondere differenziert nach Lade- und Entladezyklus, der jeweiligen Batterie charakterisierenden Größe zugeordnet, deren Signalausgang mit einem Signaleingang einer Auswertungseinheit verbunden ist, die im Ergebnis einer Auswertung der Größe(n) ein Steuersignal an die Steuereinheit ausgibt, die den Lade-/bzw. Entladevorgang und/oder die Temperatur einzelner Batterien beeinflusst.
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In der
DE 40 28 242 A1 ist ein Bordnetz für Kraftfahrzeuge mit einem Generator, einem Starter, einer Starterbatterie und einer Bordnetzbatterie zur Versorgung von Bordnetzverbrauchern beschrieben. Dabei ist die Verbindung zwischen Starterbatterie und Bordnetzbatterie unabhängig vom Fahrzustand auftrennbar, wenn anderenfalls die Bordnetzbatterie aus der Starterbatterie aufgeladen werden würde.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie einen Kraftwagen der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass im Fahrbetrieb des Kraftwagens eine verbesserte Diagnose des Batteriezustandes ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Bestimmen einer Größe, die ein Ladevermögen und/oder einen Alterungszustand einer ausgewählten Batterie eines Kraftwagens angibt, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batterien aufweist, wobei eine der in Reihe geschalteten Batterien die ausgewählte Batterie ist. Zum Bestimmen dieser Größe wird die ausgewählte Batterie im Fahrbetrieb des Kraftwagens von einem Bordnetz des Kraftwagens abgetrennt und daraufhin mit einer Diagnoseeinrichtung verbunden, durch welche Messwerte gewonnen werden, aus denen die Größe abgeleitet wird. Durch das Abtrennen der Batterie vom Bordnetz wird es ermöglicht, innere Parameter der Batterie zu bestimmen, die einen genaueren Einblick in das tatsächliche Ladevermögen oder den Alterungszustand der Batterie ermöglichen. Insbesondere ist es nicht mehr notwendig, aus äußeren Parametern, wie beispielsweise der Klemmenspannung, ein rechnerisches Modell der Batterie zu erstellen und aus diesem Modell auf Ladevermögen oder Alterungszustand der Batterie rückzuschließen. Die Bestimmung von Ladevermögen und Alterungszustand wird somit durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens präziser.
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Bevorzugterweise wird die Batterie durch die Diagnoseeinrichtung zunächst vollständig entladen, wobei die der Batterie entnommene Gesamtladung gemessen wird. Die Gesamtladung selbst stellt bereits ein Maß für den Ladezustand der Batterie dar. Um rechnerisch besser handhabbare Größen zu erhalten, wird bevorzugterweise eine Normierung durchgeführt. Als Größe zur Angabe des Ladezustandes dient also ein Quotient aus der entnommenen Gesamtladungsmenge und einer Konstanten. Dabei ist es besonders zweckmäßig, als Konstante das Ladevermögen einer neuen, nicht gealterten Batterie als Normierungskonstante zu verwenden. Sinkt der Quotient aus der tatsächlich entnommenen Gesamtladung und der im Neuzustand entnehmbaren Gesamtladung unter einen vorgegebenen Grenzwert, so wird die getestete Batterie als defekt klassifiziert.
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Will man weitere Informationen über den Alterungszustand der Batterie erhalten, kann man ihren Innenwiderstand messen. Dieser steigt mit zunehmender Alterung der Batterie an und kann daher ebenfalls als Maß für den Alterungszustand der Batterie verwendet werden. Auch hier ist es vorteilhaft, eine Normierung durch Bildung eines Quotienten aus dem gemessenen Innenwiderstand und einer Konstanten durchzuführen. Zweckmäßiger Weise wird als Konstante der Innenwiderstand einer entladenen neuen Batterie verwendet.
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Noch genauere Informationen über den Alterungszustand der Batterie können gewonnen werden, indem die frequenzabhängige Impedanz der Batterie für eine Mehrzahl von Frequenzen gemessen wird. Mit den gemessenen Impedanzen kann eine verbesserte Modellierung der Batterie durchgeführt werden. Im einfachsten Fall wird als Modell eine Reihenschaltung eines RC-Glieds mit einem Widerstand verwendet. Bereits hieraus können detaillierte Informationen über den Alterungsprozesszustand der Batterie erhalten werden.
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Zur Bestimmung der Impedanzen wird bevorzugterweise die Batterie mit einem Wechselstrom einer jeweils vorgegebenen Frequenz beaufschlagt und eine über die Batterie abfallende Spannung gemessen. Durch die Vorgabe des Wechselstroms werden Einflüsse auf die gemessene Impedanz von weiteren Komponenten ausgeschlossen, die mit der Batterie verbunden sind, wie beispielsweise von Transistorschaltungen.
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Um die beim Entladen der Batterie entnommene Gesamtladung nicht über einen Widerstand thermisch dissipieren zu müssen, wird die Energie bevorzugterweise wenigstens einer anderen Batterie des Kraftwagens zugeführt. Hierdurch wird Energie eingespart und die Entstehung von Abwärme vermieden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden vor dem Entladen der Batterie alle Batterien in einen Ladungszustand gebracht, in welchem sie die gleiche Zellspannung aufweisen. Dieses so genannte Balancieren der Batterien findet auch im Normalbetrieb statt, so dass die nachfolgende Diagnose vom normalen, betriebsüblichen Ladungszustand der Batterie ausgeht.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kraftwagen mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Batterien, wobei eine der in Reihe geschalteten Batterien eine ausgewählte Batterie ist, wobei die ausgewählte Batterie während eines Fahrbetriebs des Kraftwagens von einem Bordnetz des Kraftwagens abtrennbar und daraufhin mit einer Diagnoseeinrichtung zum Bestimmen wenigstens eines ein Ladungsvermögen und/oder einen Alterungszustand der ausgewählten Batterie angebenden Größe verbindbar ist.
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Hierdurch wird eine regelmäßige Überwachung des Batteriezustandes auf der Grundlage innerer Parameter der Batterien ermöglicht, so dass sich ein wesentlich genaueres Bild der Batteriealterung und des Ladevermögens der Batterien ergibt.
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Bevorzugterweise umfasst ein solcher Kraftwagen wenigstens zwei parallel geschaltete Batteriegruppen, welche jeweils wenigstens zwei in Reihe geschaltete Batterien umfassen, wobei jede Batteriegruppe im Fahrbetrieb des Kraftwagens von Bordnetz abtrennbar und mit der Diagnoseeinrichtung verbindbar ist. Eine derartige Kombination von Parallel- und Reihenschaltung von Batterien ermöglicht die Verwendung von Batterietypen, die aufgrund ihrer elektrochemischen Eigenschaften als Einzelzellen keine hinreichende Spannung und/oder Kapazität zur Verwendung im Bordnetz eines Kraftwagens aufweisen. Durch die separate Abtrennbarkeit der einzelnen Batteriegruppen wird eine Diagnose der Batterien im laufenden Betrieb ermöglicht, wobei die verbleibenden, nicht vom Bordnetz abgetrennten Batteriegruppen noch immer eine hinreichende Bordnetzspannung liefern und eine hinreichende Kapazität bereitstellen.
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Bevorzugterweise sind jeder Batterie einer Batteriegruppe Mittel zum Trennen einer elektrischen Verbindung zwischen der Batterie und der Batteriegruppe, sowie Mittel zum elektrischen Überbrücken der Batterie zugeordnet. Hierdurch wird die gezielte Diagnose einzelner Batterien durch die Diagnoseeinrichtung ermöglicht. Alle Batterien außer der ausgewählten, zu testenden Batterie einer Batteriegruppe werden während des Tests von der Batteriegruppe getrennt und überbrückt, so dass lediglich die ausgewählte Batterie mit der Diagnoseeinrichtung verbunden ist und unabhängig von den anderen Batterien getestet werden kann.
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Die Diagnoseeinrichtung umfasst bevorzugterweise Mittel zum Bestimmen einer aus einer Batterie entnehmbaren Gesamtladung, Mittel zum Beaufschlagen einer Batterie mit einem Wechselstrom einer vorgegebenen Frequenz und Mittel zum Bestimmen von einer über einer Batterie abfallenden Spannung. Damit kann sowohl die entnehmbare Gesamtladung jeder Batterie als auch deren Innenwiderstand und deren frequenzabhängige Impedanz bestimmt werden, um so ein präzises Bild betreffend das Ladervermögen und den Alterungszustand der Batterie zu erhalten. Weiterhin ist es zweckmäßig, Mittel zum Bestimmen einer Temperatur der Batterie bereitzustellen, um beispielsweise während schneller Lade- oder Entladevorgänge bei der Diagnose ein Überhitzen der Batterie zu vermeiden. Zudem ist die entnehmbare Ladungsmenge einer Batterie abhängig von ihrer Temperatur. Diese Abhängigkeit kann durch die zusätzliche Temperaturmessung bestimmt werden, indem also von der Diagnoseeinrichtung zu jeder gemessenen entnehmbaren Gesamtladung die jeweilige Temperatur der Batterie mit erfasst wird. Auf dieser Grundlage kann die Diagnoseeinrichtung auch Informationen über Änderungen des Batteriezustands in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur bereitstellen.
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Die Batterien eines derartigen Kraftwagens sind bevorzugt als Lithiumionen-Zellen ausgebildet und finden als Starterbatterien Verwendung.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 ein Schaltbild einer Starterbatterie für eine Kraftwagen mit einer Mehrzahl von Lithiumionen-Zellen;
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2 einen Graphen, der die Abhängigkeit der entnehmbaren Gesamtladung einer Batterie von ihrem Alterungszustand veranschaulicht;
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3 einen Graphen, der die Abhängigkeit des Innenwiderstands einer Batterie von ihrem Alterungszustand veranschaulicht;
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4 ein Beispiel des frequenzabhängigen Impedanzverlaufs einer Lithiumionen-Zelle;
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5 ein Ersatzschaltbild für eine Lithiumionen-Zelle;
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6 ein Schaltbild einer Starterbatterie für einen Kraftwagen mit einer Mehrzahl von Lithiumionen-Zellen und einer zugeordneten Diagnoseeinheit und
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7 ein Schaltbild der Starterbatterie aus 6 mit zusätzlichen Mitteln zum Bestimmen der frequenzabhängigen Impedanz einer Batterie.
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Um eine herkömmliche Blei-Säure-Starterbatterie eines Kraftwagens durch Lithiumzellen zu ersetzen, muss eine Mehrzahl von Lithiumzellen verwendet werden, da die Einzelzellen jeweils eine zu geringe Kapazität und Zellspannung aufweisen. Um eine solche, im Ganzen mit 10 bezeichnete Starterbatterie bereitzustellen, sind zunächst, wie in 1 dargestellt, in einem ersten Schaltungszweig 12 vier Lithiumzellen 14 in Reihe geschaltet. In Parallelschaltung mit dem ersten Schaltungszweig 12 sind weitere Schaltungszweige 16 vorgesehen, welche wiederum jeweils vier in Reihe geschaltete Lithiumzellen 14 aufweisen. Die jeweiligen negativen Pole 18 der Schaltungszweige 12 und 16 sind über eine Leitung 20 mit einem gemeinsamen Abgriff 22 gekoppelt. Die jeweiligen positiven Pole 24 der Schaltungszweige 12, 16 sind ebenfalls über eine gemeinsame Leitung 26 mit einem gemeinsamen Abgriff 28 gekoppelt.
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Mit zunehmendem Alter der einzelnen Zellen 14 nimmt deren maximale Ladekapazität ab und deren Innenwiderstand zu. Als Maß für den Ladezustand wird üblicherweise der so genannte Gesundheitszustand (SOH, State Of Health) der Batterie verwendet. Dieser ist definiert als Verhältnis aus derjenigen Ladung, die der gealterten, vollgeladenen Zelle entnehmbar ist und derjenigen Ladung, die aus einer vollgeladenen neuen Batterie entnehmbar ist. Üblicherweise muss eine Batterie ausgetauscht werden, bevor die ihr entnehmbare Ladung vollständig auf Null abgesunken ist. Man definiert daher üblicherweise einen Grenzwert für die der Zelle entnehmbare Ladung. Dieser beträgt üblicherweise in etwa das 0,8-fache der ursprünglich entnehmbaren Ladung. Sinkt die entnehmbare Ladung unter diesen Grenzwert, so ist definitionsgemäß das Lebensende der Batterie erreicht ist. Die in Abhängigkeit von diesem Gesundheitszustand entnehmbare Ladung der Zelle ist in 2 durch einen Graphen veranschaulicht. Durch geeignete Normierung wurde dabei der Gesundheitszustand einer neuen Zelle zu 1 und derjenige einer Zelle an ihrem Lebensende zu 0 definiert.
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Darüber hinaus kann der Alterungszustand einer Batterie auch über ihren Innenwiderstand beschrieben werden. Der Innenwiderstand der Zeile steigt mit zunehmendem Alter an. Der vom Innenwiderstand abhängige Gesundheitszustand der Zelle wird wiederum als Verhältnis des gemessenen Innenwiderstands zu dem Innenwiderstand im Neuzustand definiert. Auch hier wird ein Grenzwert für den maximal erlaubten Anstieg des Innenwiderstandes als Vielfaches des Innenwiderstandes im Neuzustand festgelegt. Erreicht die Batterie den so bestimmten Innenwiderstand, gilt ebenfalls ihr Lebensende als erreicht. Das Verhältnis zwischen dem so bestimmten Gesundheitszustand und dem Innenwiderstand der Zelle ist in 3 durch einen Graphen wiedergegeben. Durch geeignete Normierung wurde auch hier der Gesundheitszustand der Zelle im Neuzustand auf 1 und der Gesundheitszustand einer Zelle an ihrem Lebensende auf 0 festgelegt.
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Noch genauere Informationen über den Alterungszustand der Zelle lassen sich aus deren frequenzabhängigen Impedanz gewinnen. 4 zeigt einen beispielhaften Verlauf der Impedanz einer Lithiumionen-Zelle bei verschiedenen Frequenzen. Aus einem derartigen Impedanzspektrum können die Parameter eines Ersatzschaltbildes der Batterie bestimmt werden, wie es beispielsweise in 5 dargestellt ist. Im einfachsten Fall wird eine Batterie durch ein RC-Glied 30 aus einem Kondensator 32 und einem Widerstandselement 34 modelliert, wobei das RC-Glied 30 in Reihe mit einem weiteren Widerstandselement 36 geschaltet ist. Die errechnete Kapazität des Modellkondensators 32 sowie die errechneten Widerstandswerte der Widerstandselemente 34 und 36 können ebenfalls zur Bestimmung von Kennzahlen herangezogen werden, die das Alter der Batterie repräsentieren.
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Um eine Diagnose der einzelnen Zellen 14 im Fahrbetrieb des Kraftwagens zu ermöglichen, müssen die einzelnen Zellen 14 vom Bordnetz des Kraftwagens abtrennbar sein. 6 zeigt eine beispielhafte Schaltung, die dies ermöglicht. Um ein Abtrennen einzelner Zellen 14 vom Bordnetz und ihr Verbinden mit einer Diagnoseeinrichtung 36 zu ermöglichen, wird die direkte Koppelung der Schaltungszweige 12, 16 mit den gemeinsamen Abgriffspolen 22, 28 der Batterie 10 aufgehoben. Jeder Schaltungszweig 12, 16 kann mittels zweier Schalter 38, 40 von den gemeinsamen Leitungen 20, 26 abgekoppelt und an die Leitungen 42, 44 gekoppelt werden, die mit der Diagnoseeinrichtung 36 verbunden sind. 6 zeigt den Schaltungszweig 12 in diesem vom Bordnetz abgekoppelten Zustand.
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Um die Diagnose einer einzelnen Zelle 14 zu ermöglichen, müssen zusätzlich alle Zellen 14 eines Schaltungszweiges 12, 16, die nicht einer Diagnose unterzogen werden sollen, überbrückt werden. Hierzu sind Überbrückungsleitungen 46 für jede Zelle 14 vorgesehen, die über einen Schalter 48 geöffnet und geschlossen werden können. Die Schalter 48 sind mit einem weiteren Schalter 50 gekoppelt, so dass gleichzeitig beim Schließen der Überbrückungsleitung 46 die jeweilige Zelle 14 vom Schaltungszweig 12, 16 abgetrennt wird. Für die zu prüfende Zelle 14 ist also der Schalter 48 von der Überbrückungsleitung 46 geöffnet und der Schalter 50 geschlossen. Dieser Zustand ist in 6 für die oberste Zelle 14 des Schaltungszweiges 12 dargestellt. Die weiteren Zellen 14 des Schaltungszweiges 12 sind aus dem Schaltungszweig 12 abgetrennt, d. h. die Schalter 50 sind geöffnet und die Überbrückungsleitungen 46 mittels des Schalters 48 geschlossen.
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Lediglich die oberste Zelle 14 im Schaltungszweig 12 der 6 ist also mit Diagnoseeinrichtung 36 verbunden und kann im gezeigten Zustand der Batterie 10 geprüft werden. Hierzu wird zunächst die zu prüfende Zelle 14 entladen, bis ihre minimal erlaubte Spannung, die so genannte Entladeschlussspannung, erreicht ist. Gleichzeitig kann hierbei durch die Diagnoseeinrichtung 36 die Temperatur der getesteten Zelle 14 gemessen werden. Die gesamte entnommene Ladung wird von der Diagnoseeinrichtung 36 bestimmt und zur Bestimmung des ladungsabhängigen Gesundheitszustands verwendet.
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Damit die entnommene Energie nicht in Wärme umgewandelt werden muss und somit verloren geht, kann die entnommene Ladung mittels einer hier nicht dargestellten Schaltung zum Laden der anderen Zellen 14 der Batterie 10 benutzt werden. Dies kann beispielsweise durch ein in der Regel ohnehin vorhandenes induktives Ladungsausgleichssystem erfolgen.
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Im entladenen Zustand wird nun der Innenwiderstand oder die frequenzabhängige Impedanz der zu testenden Zelle 14 durch die Diagnoseeinrichtung 36 bestimmt. Hierzu wird, wie in 7 dargestellt, durch eine steuerbare Stromquelle 52 ein Wechselstrom mit vorgegebener Frequenz bereitgestellt und der zu prüfenden Zelle 14 zugeleitet. Durch die Vorgabe des Wechselstromes kann die Impedanz der Zelle direkt bestimmt werden, ohne Einflüsse von weiteren Schaltungselementen und Leitungen berücksichtigen zu müssen. Die über der Zelle 14 abfallende Spannung wird durch ein geeignete Spannungsmessvorrichtung 54 registriert. Vorgegebener Strom und gemessener Spannungsabfall über der Zelle 14 werden einer Auswerteeinheit 56 zugeführt, welche die gemessenen Werte speichert und den tatsächlichen Alterungszustand der Zelle 14 bestimmt.
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Die beschriebenen Messungen werden in der Folge an allen Zellen 14 des vom Bordnetz abgetrennten Schaltungszweiges 12 durchgeführt, woraufhin dieser wieder mit dem Bordnetz verbunden werden kann. Nach Laden der Zellen 14 des nun wieder mit dem Bordnetz verbundenen Schaltungsstranges 12 kann die Diagnose an einem weiteren Schaltungszweig 16 durchgeführt werden.
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Bei entsprechender, in den Figuren nicht dargestellter Verschaltung der Einzelzellen 14 mit der Diagnoseeinheit 36 können auch alle Zellen 14 eines Schaltungszweiges 12, 16 gleichzeitig entladen und in der Folge gleichzeitig mit einem vorgegebenen Wechselstrom beaufschlagt werden, um so ihre Innenwiderstände simultan zu bestimmen.
