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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung zum Bestimmen eines Innenwiderstands einer Batterie.
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Stand der Technik
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Bei größeren Batterien, wie bspw. Autobatterien und stationären Batterien, wird in der Regel die Wechselstromleitfähigkeit zur Überprüfung des jeweiligen Batteriezustands angewendet. Dabei wird eine Wechselspannung an die jeweiligen Batterieklemmen angelegt, die als sogenannte Ripple (Spannungs- und Stromschwankung) der Gleichspannung der Batterie überlagert wird, und die Batterie wechselweise lädt und entlädt. Die Wechselstromleitfähigkeit ermöglicht das Testen von größeren Batterien, so wie Fahrzeugbatterien und stationären Batterien. Dabei wird die zu testende Batterie mit Impulsen gespeist, anstelle von sinusförmigen Signalen. Diese Impulse sind gewöhnlich nicht spannungsbegrenzt. Die Wechselstromleitfähigkeit ergibt zuverlässige Messresultate, unter der Bedingung, dass die zu testende Batterie vor der Messung vollgeladen wurde, geruht hat oder kurz entladen worden ist. Die Wechselstromleitfähigkeit ist hingegen unzuverlässig bei tiefem Ladezustand, und manchmal wird eine gute Batterie als fehlerhaft beurteilt. Im Gegensatz dazu kann auch eine fehlerhafte Batterie als gut befunden werden.
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Neben der genannten Wechselstromleitfähigkeit wird seit einiger Zeit zur Erfassung von Batteriekenndaten die sogenannte elektrochemische Impedanz Spektroskopie (EIS) eingesetzt. Im Gegensatz zu Standard-Batteriesensoren, wie bspw. EBS1,2 von Bosch, welche aus Strom-, Spannungs- und Temperaturverläufen Rückschlüsse auf den Batteriezustand ziehen, wird hier das Batteriesystem bzw. die Batterie mit einem Frequenzspektrum angeregt und die Reaktion der Batterie nach Betrag und Phase beurteilt. Die EIS beurteilt die elektrochemischen Charakteristiken einer Batterie durch Anlegen eines Wechselspannungspotentials bei verschiedenen Frequenzen und durch Messen des Stromverlaufs an der elektrochemischen Zelle. Die Messfrequenz kann dabei von 100 μHz bis 100 kHz variieren. Die Anwendung von verschiedenen Frequenzen hat den Vorteil, dass Charakteristiken der Batterie bei verschiedenen Niveaus je nach angelegter Frequenz untersucht werden können. Der Batteriewiderstand enthält einen rein ohmschen Widerstand, eine Induktivität sowie eine Kapazität. Der kapazitive Widerstand ist verantwortlich für den Kapazitätseffekt, der induktive Widerstand für den magnetischen Feldeffekt oder Spuleneffekt. Wenn ein sinusförmiges Signal an eine Batterie gelegt wird, bewirkt der reaktive Widerstand eine Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom. Diese Information wird verwendet, um die Batterie zu beurteilen. Eine der Schwierigkeiten bei EIS ist die Auswertung der erhaltenen Daten. Es ist einfach, viele Daten zu ermitteln, aber die praktische Umsetzung dieser Daten ist eine Schwierigkeit. Eine Analyse der erhaltenen Informationen ist sehr schwierig, da die erhaltenen Messresultate nicht allgemein gültig sind, sondern von den jeweiligen Batterien und Batterietypen abhängig sind. Dazu kommt, dass praktisch jede Batterie spezielle Eigenschaften aufweist. Ohne genau definierte Referenzmessresultate und einer Software, um die Resultate zu interpretieren, haben die gesammelten Daten oft nur wenig Aussagekraft.
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Demnach war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine entsprechende Messvorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe es möglich ist, demgegenüber einfach und schnell einen ohmschen Innenwiderstand einer Batterie zu bestimmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Dazu schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen aus Patentanspruch 1 sowie eine Messvorrichtung mit den Merkmalen aus Patentanspruch 6 vor. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen erläutert.
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Es wird ein Verfahren zur Bestimmung eines ohmschen Innenwiderstands einer Batterie bereitgestellt, wobei die Batterie mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird, eine Messspannung als Reaktion der Batterie darauf erfasst und der Wechselstrom und/oder die Messspannung dahingehend modifiziert werden, dass eine Phasenverschiebung zwischen dem Wechselstrom und der Messspannung zu null wird und der ohmsche Innenwiderstand sodann als Quotient der Messspannung und dem Wechselstrom bestimmt wird.
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Speziell zur Ermittlung des ohmschen Innenwiderstands der Batterie ist es ausreichend, eine Anregungsfrequenz so zu wählen, dass ein sich ergebender Phasenwinkel zwischen Mess- und Referenzsignal zu null wird. Damit erhält man relativ schnell und einfach den ohmschen Innenwiderstand der Batterie, d. h. eine rein ohmsche Impedanz.
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Es ist denkbar, zur Beaufschlagung der Batterie mit dem Wechselstrom einen eine entsprechende Wechselspannung erzeugenden Oszillator einzusetzen und die Wechselspannung über einen Spannungs-Strom-Konverter in den Wechselstrom, mit der die Batterie beaufschlagt wird, umzuwandeln.
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Ferner wird in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Messspannung mittels eines Verstärkers verstärkt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Modifizierung des Wechselstroms und/oder der Messspannung eine Phasenregelschleife verwendet. Eine Phasenregelschleife, auch als Phase-Locked-Loop (PLL) bezeichnet, ist eine elektronische Schaltungsanordnung, die eine Phasenlage und damit zusammenhängend die Frequenz eines veränderbaren Oszillators über einen geschlossenen Regelkreis so beeinflussen kann, dass eine möglichst kleine Phasenabweichung zwischen einem äußeren Referenzsignal und dem Oszillator bzw. einem daraus abgeleiteten Signal erzielt werden kann.
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Als Oszillator wird gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ein spannungsgesteuerter Oszillator (engl. Voltage Controlled Oscillator, VCO) eingesetzt.
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Bislang wurde der ohmsche Innenwiderstand durch kurzzeitig hohe Entladeströme bestimmt. Damit war eine Erfassung an einen Zeitpunkt dieser nicht beeinflussbaren Entladung gekoppelt. Bei Batterien, bspw. bei Batterien, die nicht einen Anlasserkreis innerhalb eines Kraftfahrzeugs bedienen, ist ein derartiges Verfahren nicht anwendbar. Demgegenüber ist es mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz einer Phasenregelschleife möglich, eine Anregungsfrequenz selbsttätig zu erzeugen und zu regeln, wobei die Batterie kurzzeitig mit einem vergleichsweise kleinen Wechselstrom gespeist wird. Dadurch ist die Bestimmung des ohmschen Innenwiderstands nicht mehr an den Einsatzzweck der Batterie gekoppelt. Das bedeutet, wann immer eine Innenwiderstandsbestimmung einer Batterie als erforderlich erachtet wird, kann diese Bestimmung jederzeit autark mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden.
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Ferner wird von der vorliegenden Erfindung eine Messvorrichtung bereitgestellt, die relativ einfach eine Bestimmung eines Innenwiderstands einer Batterie ermöglicht. Die Messvorrichtung umfasst einen eine Wechselspannung erzeugenden Oszillator, einen die Wechselspannung in einen Wechselstrom umwandelnden Spannungs-Strom-Konverter und einen Phasendetektor. Dabei ist die Messvorrichtung mit ihren Einheiten so strukturiert, dass die Batterie mit dem Wechselstrom beaufschlagt werden kann, eine Messspannung als Reaktion der Batterie darauf mittels des Phasendetektors erfasst werden kann und der Wechselstrom und/oder die Messspannung dahingehend modifiziert werden können, dass sich eine Phasenverschiebung zwischen dem Wechselstrom und der Messspannung zu Null ergibt und der Innenwiderstand als Quotient der Messspannung und dem Wechselstrom bestimmt werden kann.
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Die Messvorrichtung kann ferner einen Verstärker zur Verstärkung der Messspannung aufweisen.
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Zur Modifizierung des Wechselstroms und/oder der Messspannung umfasst die Messvorrichtung in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung eine Phasenregelschleife, in welcher der Phasendetektor und der Oszillator geeigneterweise miteinander gekoppelt sind. Generell umfasst eine Phasenregelschleife einen Phasendetektor, der an seinen beiden Eingängen eine Phasenlage eines Eingangssignals mit der Phasenlage des in der Schleife sich ebenfalls befindenden Oszillators vergleicht und ein Ausgangssignal liefert, das gleich Null ist, wenn keine Phasenabweichung zwischen den beiden Eingängen vorliegt. Ferner umfasst eine Phasenregelschleife in der Regel einen Schleifenfilter mit einer Übertragungsfunktion. In der Regel wird dem Schleifenfilter das Ausgangssignal des Phasendetektors zugeführt, und der Schleifenfilter liefert an seinem Ausgang ein Steuersignal oder Control-Signal. Der Schleifenfilter wird oft auch als Regler bezeichnet. Ferner umfasst eine Phasenregelschleife in der Regel einen steuerbaren Oszillator. In analogen Schaltungen, wie sie auch in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen, ist dieser steuerbare Oszillator in der Regel in Form eines spannungsgesteuerten Oszillators (engl. Voltage Controlled Oscillator, VCO) realisiert. Ein derartig spannungsgesteuerter Oszillator kann bspw. durch eine Kapazitätsdiode in seiner Frequenz verändert werden.
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Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens von einzelnen Komponenten der Messvorrichtung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Messvorrichtung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Messvorrichtung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte des Verfahrens als Funktionen wenigstens einer Komponente der Messvorrichtung oder der gesamten Messvorrichtung realisiert werden.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Messdiagramm zur Ermittlung des ohmschen Innenwiderstands einer Batterie mit Hilfe einer Impedanz-Spektroskopie, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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2 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer Schaltung, wie sie in einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung vorgesehen sein kann.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein Messdiagramm zur Ermittlung des ohmschen Innenwiderstands einer Batterie mit Hilfe einer Impedanzspektroskopie, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Gezeigt ist hier ein sogenanntes Nyquist-Diagramm, welches einen Verlauf einer Impedanz einer Batterie mit der Frequenz als Parameter darstellt, wobei auf der Abszisse der Realteil der Batterieimpedanz und auf der Ordinate der Imaginärteil der Batterieimpedanz aufgetragen ist. Gezeigt sind drei verschiedene Kurvenverläufe für jeweils verschiedene Ströme. Der Kurvenverlauf von mit einem Kreuz gekennzeichneten Messpunkten zeigt ein Impedanzverhalten für einen hohen Strom. Der Kurvenverlauf von durch ”x” gekennzeichneten Messpunkten zeigt einen Impedanzverlauf für einen mittleren Strom und der Kurvenverlauf von mit Sternen gekennzeichneten Messpunkten zeigt einen Impedanzverlauf für einen niedrigen Strom. Startpunkt ist im Graph oben links bei einem Frequenzwert von 5 kHz, wobei der Imaginärteil der Impedanz hier ungefähr 35 mΩ beträgt. Mit geringer werdender Frequenz sinkt der Imaginärteil der Impedanz bis zu einem Wert 0 bei einer Frequenz von 500 Hz. Auf diesen Punkt wird durch eine PLL-Auswerteschaltung geregelt, so dass der Phasenwinkel 0° beträgt. Der Realwert der Impedanz beträgt hier etwa 3,5 mΩ. Das entspricht dann dem gesuchten Widerstandswert, d. h. der rein ohmschen Impedanz der Batterie. Diese Messung kann durch ein handelsübliches integriertes Phase-locked-Loop-(PLL)System ausgeführt werden. Der Batterieinnenwiderstand berechnet sich dabei als Quotient aus der Messspannung und dem jeweils eingespeisten Wechselstrom bei einem Phasenwinkel von 0°. Im dargestellten Gesamtverlauf variiert die Frequenz, angefangen bei 5 kHz über 500 Hz bei einem Wert 0 für den Imaginärteil der Impedanz bis zu einem Frequenzwert von 0,5 Hz beim Randpunkt unten rechts im Diagramm.
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2 zeigt eine Phasenregelschleife 10 mit einem Phasenkomparator 11, einen Schleifenfilter 12 und einen steuerbaren Oszillator 13. Ferner umfasst die gezeigte Schaltung einen Spannungs-Strom-Konverter, bestehend aus einem Transistor 14 und einem Widerstand 15. Mit der vorgeschlagenen Phasenregelschleife 10 lässt sich die erfindungsgemäß gewünschte Funktionalität einfach realisieren. Der Oszillator 13 erzeugt eine Wechselspannung 21, welche über den Spannungs-Strom-Konverter 14, 15 in einen Wechselstrom 16 umgewandelt wird. Eine hinsichtlich ihres ohmschen Innenwiderstands zu testende Batterie wird kurzzeitig mit dem Wechselstrom 16 belastet. Die Reaktion der Batterie wird als Messspannung 17 über eine zu dem entsprechenden Pluspol der Schleife gehende Fühlerleitung 18 erfasst, mittels eines Verstärkers 19 verstärkt und an einen ersten Eingang 20 des Phasendetektors 11 angelegt. Der Phasendetektor 11 hat an einem weiteren zweiten Eingang 22 die von dem Oszillator erzeugte Wechselspannung 21, so dass der Phasendetektor 11 hier die Phasenlage der Messspannung 17 an seinem Eingang 20 mit der Wechselspannung 21 an seinem zweiten Eingang 22 vergleichen kann. Die Abweichung wird dem Schleifenfilter 12 zugeführt, welcher wiederum den Oszillator 13 so steuern kann, dass dessen erzeugte Wechselspannung letztlich so gewählt ist, dass die daraus resultierende sich ergebende Messspannung der Batterie zu dem Wechselstrom phasengleich ist. Bei Phasengleichheit lässt sich der ohmsche Innenwiderstand der Batterie sehr einfach als Quotient der Beträge der Messspannung zu dem eingespeisten Wechselstrom ermitteln und als Resultat 23 erhalten. Um die Phasenverschiebung zwischen Messspannung 17 und eingespeistem Wechselstrom 16 zu Null zu regeln, wird die Frequenz der Phasenregelschleife 10 so lange nachgeregelt, bis die Phasenverschiebung zu Null geregelt ist.
