DE102009054937A1

DE102009054937A1 - Verfahren zur Ermittlung von Kontakt- und Verbinderwiderständen in einem Batteriepack und Batteriesystem zur Ermittlung von Kontakt- und Verbinderwiderständen in einem Batteriepack

Info

Publication number: DE102009054937A1
Application number: DE102009054937A
Authority: DE
Inventors: Andre 70806 Boehm; Ralf 71701 Angerbauer
Original assignee: SB LiMotive Germany GmbH; SB LiMotive Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-22
Also published as: EP2513660A1; WO2011072939A1; EP2513660B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Kontakt- und Verbinderwiderständen in einem Batteriepack, welches aus einer Mehrzahl von N miteinander verbundener einzelner elektrochemischer Batteriezellen besteht, umfassend die Schritte (S1) der Kontaktierung zweier Einzelzellen des Batteriepacks, (S2) der Einprägung eines Wechselstromes (I(jω)) bei einer Untersuchungsfrequenz (ω) auf die Kontakte, (S3) der Messung der Spannungsabfälle (U(jω)) zwischen den Kontakten, und der Ermittlung des aus eingeprägtem Strom (I(jω)) und gemessenem Spannungsabfall (U(jω)) resultierenden Widerstandes. Man erhält als resultierenden Widerstand die Summe aus Kontakt- und Verbinderwiderständen in einem Batteriepack, indem in einem weiteren Schritt (S4) zunächst der Messwiderstand gemäß des ohmschen Gesetzes berechnet wird und davon dann (S5) der statistisch ermittelte Innenwiderstand der Einzelzellen, über denen gemessen wurde, abgezogen wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Ermittlung von Kontakt- und Verbinderwiderständen in einem Batteriepack bestehend aus N elektrochemischen Einzelzellen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch ein Batteriesystem bestehend aus einem Li-Ionenbatteriepack und einem Batteriemanagementsystem, welches nach obigen Verfahren arbeitet sowie ein Kraftfahrzeug, welches ein Batteriesystem bestehend aus einem Li-Ionenbatteriepack und ein entsprechendes Batteriemanagementsystem beinhaltet. Ferner ist ein Computerprogramm Gegenstand der Erfindung, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.
In vielfältigen Anwendungen, wie z. B. in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen oder Notebooks, wird elektrische Energie, die in einer Batterie gespeichert ist, als Energiequelle verwendet. In den Batteriepacks werden elektrochemische Zellen beispielsweise in Reihe geschaltet, um die Spannungslage an die jeweilige Anwendung anzupassen und ausreichend Energie zur Verfügung zu haben.
Es ist bekannt, zur Verbindung der Einzelzellen in Batteriepacks mechanische Zellverbinder zu verwenden, die die leitende Verbindung zwischen den Zellen herstellen. 1 zeigt ein solches Verbindungselement des Standes der Technik. Ein Batteriepack 1 besteht hier aus zwei elektrochemischen Einzelzellen 2. Jede dieser elektrochemischen Einzelzellen 2 umfasst einen negativen Batteriepol 3 und einen positiven Batteriepol 4. Zur Reihenschaltung der Batterien ist z. B. der negative Batteriepol 3 der ersten Einzelzelle 2 mit den positiven Batteriepol 4 der zweiten Einzelzelle 2 über ein Verbindungselement 5 elektrisch leitend verbunden. Ein solches Verbindungselement 5 kann angeschraubt, angeschweißt oder auf andere Art und Weise befestigt werden, woraus weitere elektrische Widerstände resultieren. Durch die Verbindung von zwei Einzelzellen 2 kommen zu den Innenwiderständen der Einzelzellen 2 noch zwei Kontaktwiderstände des Verbindungselementes 5 mit dem Plus- bzw. Minuspol der jeweiligen Zelle 2 hinzu, sowie ein Widerstand aufgrund des Verbindungselementes 5 selbst, auch Verbinderwiderstand genannt. Es ist diese Summe von Kontakt- und Verbinderwiderständen, die bei der Verbindung in Batteriepacks von Interesse ist.
Nach erfolgter Montage ist eine Prüfung der Kontakte zwischen Verbindungselement 5 und den Batteriepolen 3, 4 notwendig, um sicherzustellen, dass alle Verbindungen korrekt ausgeführt wurden. Dies kann auch zu einem späteren Zeitpunkt während des Betriebs sinnvoll sein, um Verschleiß aufspüren zu können. Durch mechanische Belastungen, wie z. B. durch Schwingungen beim Betrieb eines mittels Zellverbindern gekoppelten Batteriepacks insbesondere in einem Fahrzeug kann es zu Ablösungen bzw. Abstandsvergrößerungen zwischen den Kontaktstellen des Zellverbinders kommen, was sich weiter widerstandserhöhend auswirkt.
In der Batterietechnik wird zu diesem Zweck in der Regel ein Gleichstrom auf das verbundene Pack oder Modul eingeprägt und die Spannungsabfälle an den Verbindern gemessen. Nachteiligerweise führt dies allerdings zur Entladung oder Ladung der Zellen während der Prüfung. Ferner ist die maximale Untersuchungsdauer durch die Ladung und Aufladung eingeschränkt. Es ist zudem eine Spannungsüberwachung zum Schutz vor Über- oder Unterladung notwendig. Weiter ist nachteilig, dass ein hoher Innenwiderstand der Zellen bei Gleichstrom die Genauigkeit der Messung der niederohmigen Verbindung reduziert.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Ermittlung von Kontakt- und Verbinderwiderständen in einem Batteriepack angegeben, welches aus einer Mehrzahl von N miteinander verbundener einzelner elektrochemischer Batteriezellen besteht, umfassend die Schritte der Kontaktierung zweier Einzelzellen des Batteriepacks, Einprägung eines Wechselstromes I(jω) bei einer Untersuchungsfrequenz ω auf die Kontakte, Messung der Spannungsabfälle U(jω) zwischen den Kontakten, und Berechnung der Kontakt- und Verbinderwiderstände aus eingeprägtern Strom I(jω) und gemessenem Spannungsabfall U(jω) durch die folgenden Schritte: Ermittlung des Messwiderstandes R_mess(jω) aus dem gemessenen Spannungsabfall U(jω) und dem eingeprägten Strom I(jω) mittels des ohmschen Gesetzes, und Ermittlung der Summe aus Kontakt- und Verbinderwiderständen R_{kontakt/verbinder}(jω) mittels Subtraktion der Summe der vorgegebenen Innenwiderstände R_zelle(jω) der Einzelzellen, über denen gemessen wurde, von dem ermittelten Messwiderstand R_mess(jω) gemäß der Gleichung: R_{kontakt/verbinder}(jω) = R_mess(jω) – R_zelle(jω)·M, wobei der ohmsche Widerstand R_zelle der M Zellen, über denen gemessen wurde, vorbekannt ist.
Das Verfahren stellt dabei vorteilhafterweise eine günstige und präzise Methode zur Vermessung der Kontakt- und Verbinderwiderstände in Batteriepacks bzw. – modulen dar, die eine schnellere Bandendabnahme nach Zusammenfügung des Batteriepacks ermöglicht, aber auch beispielsweise eine Messung in einem Fahrzeug, in dem das Batteriepack eingebaut ist, über ein im Fahrzeug angeordnetes Batteriemanagementsystem.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Vermessung des Innenwiderstands eines Batteriemoduls oder -packs mit Hilfe eines Wechselstroms eine unbegrenzte Messdauer aufgrund der Ladungsneutralität der Untersuchung ermöglicht. Ferner ist keine Spannungsüberwachung der Einzelzellen notwendig.
Bevorzugt ist die Untersuchungsfrequenz ω die Resonanzfrequenz, die sich dadurch auszeichnet, dass bei ihr die Impedanz rein ohmsch bzw. reell ohne Imaginärteil ist. Vorteilhafterweise erfolgt die Messung dadurch bei geringem Wechselstromwiderstand der Zellen, so dass im Verhältnis die zu messende Summe aus Kontakt- und Verbinderwiderständen verbessert bestimmbar ist. Es können kapazitive oder induktive Anteile der Verbindungsimpedanz mitbestimmt werden.
Die Subtraktion der Summe der bekannten Innenwiderstände ermöglicht dabei eine Angabe der Größe der Kontakt- und Verbinderwiderstände in einem Batteriepack bestehend aus mehreren elektrochemischen Einzelzellen.
Die Messung kann zwischen zwei benachbarten Zellen eines Batteriepacks erfolgen. Sind die beiden benachbarten Zellen durch ein Verbindungselement verbunden, wird demnach die Summe aus zwei Kontaktwiderständen und einem Verbinderwiderstand ermittelt.
Vorteilhafterweise kann sie aber auch über dem gesamten Batteriepack durch Kontaktierung der ersten und letzten Einzelzelle des Batteriepacks erfolgen. Dies ermöglicht eine Reduktion des Messaufwands. Zudem haben statistischen Schwankungen durch Messung über alle Zellen eine geringere Auswirkung auf die Ermittlung der Kontakt- und Verbinderwiderstände als bei Messung über zwei Einzelzellen. Es wird zunächst die Gesamtimpedanz R_ges(jω) berechnet aus R_ges(jω) = U(jω)/I(jω). Danach wird die Summe aus Kontakt- und Verbinderwiderständen mittels Abzug des ohmschen Widerstandes R_zelle der N Zellen des Batteriepacks bei der Untersuchungsfrequenz ω ermittelt. Es gilt dann: R_{Kontakt/verbinder}(jω) = R_ges(jω) – R_zelle(jω)·N, wobei der ohmsche Widerstand R_zelle der N Zellen vorbekannt ist, z. B. aus dem Datenblatt der einzelnen elektrochemischen Batteriezellen. Der aus dem Datenblatt der Einzelzellen bekannte Wert ist üblicherweise im Vorfeld statistisch ermittelt.
Die Untersuchungsfrequenz liegt bevorzugt im Bereich von 500 Hz bis 3 kHz, noch bevorzugter im Bereich von 1,5 kHz bis 3 kHz. Bei niedrigeren Frequenzen ist der Widerstand relativ hoch und zeigt kapazitive Anteile.
Entsprechend ist ein Computerprogramm angegeben, welches alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.
Ebenso wird ein Batteriemanagementsystem, insbesondere für Li-Ionen Batterien vorgeschlagen, wobei das Batteriesystem das obige Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands umfasst.
Entsprechend wird ein Batteriesystem angegeben, welches ein Li-Ionen-Batteriepack bestehend aus einer Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen und ein Batteriemanagementsystem für Li-Ionen Batterien umfasst, wobei das Batteriesystem das obige Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands umfasst.
Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug angegeben, welches mit einem Antriebssystem ausgerüstet ist, das ein entsprechendes erfindungsgemäßes Batteriesystem umfasst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Batteriepack mit einem Verbindungselement des Standes der Technik,
2 ein Flussdiagram des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 charakteristische Impedanzkurven verschiedener elektrochemischer Zellen
1 zeigt ein Batteriepack 1 des Standes der Technik, bestehend aus zwei elektrochemischen Einzelzellen 2, die über ein Verbindungselement oder Verbinder 5 verbunden sind. Der Verbinder 5 kontaktiert dabei einen ersten Pol 3 der ersten Einzelzelle und einen zweiten Pol 4 der zweiten Einzelzellen. Durch die Verbindung mit dem Verbinder 5 entstehen zwei Kontaktwiderstände zwischen erstem Pol 3 und Verbinder 5 sowie zweitem Pol 4 und Verbinder 5. Ferner hat der Verbinder 5 selbst einen Widerstand, den sogenannten Verbinderwiderstand. Die Einführung eines Verbinders zwischen zwei Zellen resultiert also in drei zusätzlichen Widerständen, zwei Kontakt- und einem Verbinderwiderstand, die in Summe bestimmt werden können. Die Summe gibt dann einen Hinweis darauf, wie gut die Kontakte hergestellt wurden bzw. ob die Kontakte im Betrieb gealtert sind.
In der 2 ist ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Summe aus Kontakt- und Verbinderwiderständen in einem Batteriepack gezeigt. Das Batteriepack besteht im Folgenden bevorzugt aus Li-Ionen Batteriezellen, kann aber auch auf andere Batterietypen bestehend aus mehreren elektrochemischen Zellen angewandt werden. In 2 steht der Platzhalter „A” für die „Kontaktierung zweier Einzelzellen”, der Platzhalter „B” für die „Einprägung eines Wechselstromes I(jω)”, der Plazthalter „C” für die „Messung der Spannungsabfälle U(jω) zwischen den Kontakten”, der Plazthalter „D” für ”R_mess(jω) = U(jω)/I(jω)”, und der Platzhalter „E” für die Gleichung: R_{kontakt/verbinder}(jω) = R_mess(jω) – R_zelle(jω)·M.
Es wird zunächst im Schritt S1 die Kontaktierung zweier Einzelzellen des Batteriepacks vorgenommen. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt eine Einprägung eines Wechselstromes I(jω) bei einer Untersuchungsfrequenz ω auf die Kontakte der beiden kontaktierten Einzelzellen. Im dritten Schritt S3 wird dann Spannungsabfall U(jω) zwischen den Kontakten gemessen, und daraus in den Schritten S4 und S5 der resultierende Widerstand aus eingeprägtem Strom I(jω) und gemessenem Spannungsabfall U(jω) berechnet.
Der Kern der Erfindung liegt somit in der Vermessung des Innenwiderstands eines Batteriemoduls oder -packs mit Hilfe eines Wechselstroms, anstatt eines Gleichstroms.
Im Schritt S4 der Berechnung des resultierenden Widerstandes geht man dann wie folgt vor: Es wird zunächst aus dem eingeprägten Strom I(jω) und gemessenem Spannungsabfall U(jω) direkt über das ohmsche Gesetz der Messwiderstand berechnet: R_mess(jω) = U(jω)/I(jω). (1)
Im Schritt S5 wird dann von diesem Widerstand die Summe der bekannten Innenwiderstände der elektrochemischen Einzelzellen, über denen gemessen wurde, abgezogen: R_{kontakt/verbinder}(jω) = R_mess(jω) – R_zelle(jω)·M, (2) wobei M die Anzahl der Zellen ist, über denen gemessen wurde. Werden also die i-te Einzelzelle und die j-te Einzelzelle kontaktiert, ist M = (j – i) + 1, wobei i, j Elemente der natürlichen Zahlen sind und j > i.
3 zeigt typische Impedanzkurven dreier elektrochemischer Zellen als komplexe Größe mit einem Realteil „Re Z” und einem Imaginärteil „Im Z”. Eingezeichnet sind die Grenzwerte für eine Frequenz von 0 Hz und einer unendlichen Frequenz. Bei niedrigen Frequenzen ist der Widerstand relativ hoch, die Impedanz hat also einen hohen Realteil, und zeigt kapazitive Anteile durch den Imaginärteil der Impedanz Z. Bei einer Resonanzfrequenz die typischerweise im Bereich von etwa 500 Hz bis 3 kHz liegt, im Beispiel der 4 bei ca. 1 kHZ, wird die Impedanz Z rein ohmsch bzw. reell und hat keinen Imaginärteil. Zudem ist der Wechselstromwiderstand bei dieser Resonanzfrequenz minimal und in der Regel um einen Faktor von etwa 2 bis 5 geringer als bei niedrigen Frequenzen.
Die Messung der Kontakt- oder Verbinderwiderstände kann zwischen jeweils zwei benachbarten Zellen erfolgen oder über beliebige Zellen des Batteriepacks.
Besonders bevorzugt sieht das Verfahren die Anregung des ganzen Batteriepacks oder -moduls mit einem Wechselstrom vor, in einer vorteilhaften Ausprägung bei der Resonanzfrequenz der Zellen. Zunächst wird die Gesamtspannung des Packs gemessen und der statistisch ermittelte mittlere Innenwiderstand der Zeilen R_zelle(jω) bei der Untersuchungsfrequenz ω abgezogen. Dazu wird die Gesamtimpedanz gemäß: R_ges(jω) = U(jω)/I(jω) (3) berechnet und dann der ohmsche Widerstand der N Zellen bei Resonanzfrequenz abgezogen: R_Kontakt(jω) = R_ges(jω) – R_zelle(jω)·N. (4)
Die Gleichungen (3) und (4) sind dabei nur eine besondere Ausgestaltung der Gleichungen (1) und (2), die für die Messung über beliebige Einzelzellen gelten. Die Vermessung des gesamten Packs wird insbesondere durch den geringen Widerstand der Zellen bei der Resonanzfrequenz möglich, da dadurch statistische Schwankungen der Zellwiderständen gegenüber den niederohmigen Verbinderwiderständen eine geringere Auswirkung aufweisen. Auch bei der Messung über zwei benachbarten Einzelzellen kann der vorbekannte Innenwiderstand subtrahiert werden. Allerdings spielt hier die statische Schwankung des Innenwiderstandes eine größere Rolle.
Da bei der Resonanzfrequenz der Zellwiderstand rein ohmsch ist, kann R_{Kontakt/verbinder} hinsichtlich Real- und Imaginärteil analysiert werden, um neben dem ohmschen Widerstand der Verbinder parasitäre Induktivitäten oder Kapazitäten der Verbindung aufzuspüren.
Das Verfahren kann zur Bandendeprüfung direkt nach Montage von Batteriepacks oder Batteriemodulen angewendet werden.
Es eignet sich aber z. B. auch für die Vermessung der Kontaktwiderstände durch das BMS eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs im Betrieb, um Alterung der Verbindungen aufzuspüren.

Claims

Verfahren zur Ermittlung von Kontakt- und Verbinderwiderständen in einem Batteriepack, welches aus einer Mehrzahl von N miteinander verbundener einzelner Batteriezellen besteht, umfassend die Schritte: (S1) Kontaktierung zweier Einzelzellen des Batteriepacks, (S2) Einprägung eines Wechselstromes (I(jω)) bei einer Untersuchungsfrequenz (ω) auf die Kontakte, (S3) Messung der Spannungsabfälle (U(jω)) zwischen den Kontakten, und Ermittlung des aus eingeprägtem Strom (I(jω)) und gemessenem Spannungsabfall (U(jω)) ermittelten Kontakt- und Verbinderwiderstands durch die folgenden Schritte: (S4) Ermittlung des Messwiderstandes (R_mess(jω)) aus dem gemessenen Spannungsabfall (U(jω)) und dem eingeprägten Strom (I(jω)) mittels des ohmschen Gesetzes, und (S5) Ermittlung der Summe aus Kontakt- und Verbinderwiderständen (R_{kontakt/verbinder}(jω)) mittels Subtraktion der Summe der vorgegebenen Innenwiderstände (R_zelle(jω)) der Einzelzellen, über denen gemessen wurde, von dem ermittelten Messwiderstand (R_mess(jω)): R_{kontakt/verbinder}(jω) = R_mess(jω) – R_zelle(jω)·M, wobei der ohmsche Widerstand (R_zelle) der M Zellen, über denen gemessen wurde, vorbekannt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Untersuchungsfrequenz (ω) die Resonanzfrequenz ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messung zwischen zwei benachbarten Zellen eines Batteriepacks erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messung über dem gesamten Batteriepack durch Kontaktierung der ersten und letzten Einzelzelle des Batteriepacks erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, die Berechnung des resultierenden Widerstandes folgende Schritte umfasst: Berechnung der Gesamtmessimpedanz R_ges(jω) = U(jω)/I(jω); Berechnung der Kontaktwiderstände mittels Abzug des ohmschen Widerstandes (R_zelle) der N Zellen bei der Untersuchungsfrequenz: R_{kontakt/verbinder}(jω) = R_ges(jω) – R_zelle(jω)·N, wobei der ohmsche Widerstand (R_zelle) der N Zellen vorbekannt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Untersuchungsfrequenz im Bereich von 500 Hz bis 3 kHz liegt.
Computerprogramm, welches alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft.
Batteriesystem, umfassend ein Li-Ionen-Batteriepack bestehend aus einer Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen, und ein Batteriemanagementsystem für Li-Ionen Batterien, welches ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem, welches ein Batteriesystem nach Anspruch 9 umfasst.