DE102013103921A1 - Zelltemperatur- und Degradationsmessung in Lithiumbatteriesystemen unter Verwendung einer Zellspannungs- und Packstrommessung und der Relation von Zellimpedanz zu Temperatur basierend auf einem vom Wechselrichter vorgegebenen Signal - Google Patents

Zelltemperatur- und Degradationsmessung in Lithiumbatteriesystemen unter Verwendung einer Zellspannungs- und Packstrommessung und der Relation von Zellimpedanz zu Temperatur basierend auf einem vom Wechselrichter vorgegebenen Signal Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren und System zum Bestimmen der Temperatur von Zellen in einem Batteriepack ohne Verwendung von Temperatursensoren durch Messen der Impedanz der Zellen und Verwenden der Impedanz, um die Temperatur zu bestimmen. Ein Wechselspannungssignal wird an den Batteriepack angelegt und es wird eine Zeitabtastung von Spannungs- und Stromdaten erhalten. Die Spannungs- und Stromdaten werden auf ein gleichzeitig interessierendes Zeitfenster beschnitten und eine Fast-Fourier-Transformation wird auf die gefensterten Spannungs- und Stromdaten ausgeführt, um Spannungs- und Stromgrößen bei einer oder mehreren spezifischen Frequenzen zu identifizieren. Die Spannungs- und Stromgrößen werden verwendet, um die Impedanz bei einer oder mehreren Frequenzen zu bestimmen. Letztendlich wird die Impedanz dazu verwendet, um die Temperatur der Zelle oder Zellen unter Verwendung einer Look-up-Tabelle zu bestimmen, wobei die Impedanz, die Frequenz und ein Ladezustand als Eingangsparameter für die Look-up-Tabelle verwendet werden.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Zelltemperaturmessung in einem Batteriepack und insbesondere auf ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Temperatur von Zellen in einem Batteriepack, welches keine Temperatursensoren benötigt, sondern vielmehr die Impendanz von jeder Zelle unter Anwendung eines Wechselstromsignals einer vorgegebenen Frequenz bestimmt und die Impendanz zusammen mit einem Ladezustand verwendet, um die Temperatur der Zelle zu bestimmen.
  • 2. Diskussion des Standes der Technik
  • Elektrofahrzeuge und Benzin-Elektro- oder Diesel-Elektro-Hybridfahrzeuge gewinnen rapide auf dem heutigen Automobilmarkt an Popularität. Elektro- und Elektrohybridfahrzeuge bieten verschiedene wünschenswerte Merkmale an, beispielsweise das Reduzieren oder Eliminieren von Emissionen und den auf Öl basierenden Treibstoff verbraucht beim Endverbraucher und potentiell niedrigere Betriebskosten. Ein Schlüssel-Subsystem von Elektro- und Elektrohybridfahrzeugen ist der Batteriepack, welcher einst den substantiellen Anteil für die Fahrzeugkosten darstellt. Batteriepacks in diesen Fahrzeugen bestehen typischerweise aus zahlreichen miteinander verbundenen Zellen, welche dazu in der Lage sind, einen großen Betrag an Strom auf Anfrage zu liefern. Das Maximieren der Batteriepack-Leistungsfähigkeit und der Lebensdauer stellen Schlüsselbetrachtungen bei der Entwicklung und bei dem Betrieb von Elektro- und Elektrohybridfahrzeugen dar.
  • Ein typischer Elektrofahrzeugbatteriepack beinhaltet eine oder mehrere Batteriepacksektionen, wobei jede Sektion Teilbereich-Zellen beinhaltet, die in Reihe geschaltet sind, um die gewünschte Spannung zu liefern. Um die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer des Batteriepacks zu optimieren, ist es wichtig, die Temperatur der Zellen zu überwachen. Es ist nicht gangbar oder zu teuer, die Temperatur in jeder einzelnen Zelle zu messen, so dass typischerweise wenige Temperatursensoren an verstreuten Orten über den Batteriepack angeordnet sind. Diese Temperatursensoren messen lediglich die Oberflächentemperatur der Zellen, so dass die Daten von den Temperatursensoren nur dazu verwendet werden können, um eine gemittelte Batteriepacktemperatur zu bestimmen und zu identifizieren, ob abnorm hohe oder niedrige Temperaturen vorliegen.
  • Obgleich die Verwendung von herkömmlichen Temperatursensoren gut bekannt ist und auch bekanntermaßen effektiv ist, können Probleme auftreten, wenn irgendeiner der Temperatursensoren ausfällt. Solche Ausfälle können zu inakkuraten Temperaturmessungen führen, welche die Batteriepackleistungsfähigkeit vermindern können. Ausfälle können ebenfalls zur Aufsuche von Werkstätten für das Fahrzeug führen, um die ausgefallene Komponente zu ersetzen. Darüberhinaus gibt es in der Praxis eine Grenze für die Zahl der Temperatursensoren, die an einem Batteriepack bereitgestellt werden können. Demzufolge kann die Temperatur jeder einzelnen Zelle nur geschätzt werden. Darüberhinaus addiert sich die Hardware für die Temperatursensoren auf die Kosten für das Gesamtsystem.
  • Demzufolge besteht ein Bedürfnis für ein Batteriepackzelltemperaturmessverfahren, das keine physischen Temperatursensoren benötigt. Ein solches Verfahren könnte die Kosten senken, indem die Temperatursensoren beseitigt werden, und die Verlässlichkeit steigern, indem der Ersatz von ausgefallenen Temperatursensoren vermieden wird. Darüberhinaus könnte die Batteriepackleistungsfähigkeit und die Lebensdauer durch Bereitstellen von Temperaturdaten für jede Zelle anstatt nur für ein paar Punkte in einem Batteriepack verbessert werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Temperatur von Zellen in einem Batteriepack ohne die Verwendung von Temperatursensoren durch Messen der Impedanz der Zellen und durch Verwendung der Impedanz, um die Temperatur zu bestimmen, offenbart. Ein Wechselspannungssignal wird auf den Batteriepack angewendet und ein Zeitabtastwert von Spannungs- und Stromdaten wird erhalten. Die Spannungs- und Stromdaten werden auf ein gleichzeitig interessierendes Zeitfenster beschnitten und eine Fast-Fourier-Transformation wird auf die gefensterten Spannungs- und Stromdaten ausgeführt, um die Spannungs- und Stromgrößen bei einer oder mehreren spezifischen Frequenzen zu identifizieren. Letztendlich wird die Impedanz verwendet, um die Temperatur der Zelle oder der Zellen unter Verwendung einer Look-up-Tabelle zu bestimmen, wobei die Impedanz, die Frequenz und ein Ladezustand als Eingangsparameter für die Look-Up-Tabelle verwendet werden.
  • Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines Hybrid-Elektrofahrzeug-Batteriepacks und dazugehöriger Komponenten, welches sowohl ein herkömmliches Verfahren zur Batteriepacktemperaturmessung als auch ein neues Verfahren veranschaulicht;
  • 2 ist ein Graph der Batteriezellenimpedanz als eine Funktion der Eingangssignalfrequenz für unterschiedliche Temperaturen;
  • 3 ist ein schematisches Diagramm eines Systems zum Bestimmen der Temperatur von individuellen Zellen in einem Batteriepack ohne Verwendung von Temperatursensoren; und
  • 4 ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur von individuellen Zellen in einem Batteriepack ohne Verwendung von Temperatursensoren.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Verfahren und ein System für eine Batteriepackzelltemperaturbestimmung über eine Impedanzmessung gerichtet ist, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise ist die folgende Diskussion auf eine Zelltemperaturmessung von Battreiepacks in Elektrofahrzeugen gerichtet. Das Verfahren ist jedoch gleichermaßen auf Batteriepacks in anderen Fahrzeug- und Nichtfahrzeuganwendungen anwendbar.
  • Batteriepacks in Elektrofahrzeugen und Benzin-Elektrohybridfahrzeugen oder Diesel-Elektrohybridfahrzeugen, (im Folgenden der Einfachheit halber als ”Elektrofahrzeuge” bezeichnet) bestehen typischerweise aus hunderten von individuellen Zellen. In einer gängigen Lithium-Ionenwiederaufladbaren Batteriechemie erzeugt jede Zelle nominal ungefähr 3,7 V, wobei der exakte Wert von dem Ladezustand und anderen Faktoren abhängt. Viele in einem Modul in Reihe geschaltete Zellen liefern die Hochspannung, die notwendig ist, um die Elektrofahrzeugmotoren anzutreiben, wobei mehrere Zellen parallel in einer Zellgruppe angeordnet werden können, um die Kapazität zu steigern.
  • 1 ist ein schematisches Diagramm eines Elektrohybridfahrzeugs 100 mit einem Batteriepack 10 und dazugehörigen Komponenten, welches sowohl ein herkömmliches Verfahren zur Batteriepacktemperaturmessung als auch eine Möglichkeit zur Implementierung eines neuen Verfahrens veranschaulicht. Ein Batteriepack wie beispielsweise der Batteriepack 10 besteht typischerweise aus einer oder mehreren Sektionen 12, wobei jede der Sektionen 12 viele individuelle Batteriezellen 14 enthält. In einer gängigen Architektur werden mehr als eine der Zellen 14 in einer Zellgruppe 16 parallel geschaltet. In dem Batteriepack 10 sind genau drei Zellen 14 in jeder der Zellgruppen 16 enthalten.
  • Der Batteriepack 10 liefert Energie an einen Traktionswechselrichter 20, welcher die Batteriegleichstromspannung in einen 3-Phasen-Wechselstromsignal wandelt, welches von einem Antriebsmotor 22 verwendet wird, um das Fahrzeug 100 anzutreiben. Eine Maschine 24 kann dazu verwendet werden, um einen Generator 26 anzutreiben, welcher wiederum Energie liefert, um den Batteriepack 10 über den Wechselrichter 20 aufzuladen. Externer (Netz-)Strom kann dazu verwendet werden, um ebenfalls den Batteriepack 10 über eine nicht gezeigte Schaltung aufzuladen.
  • In einer typischen Architektur überwacht ein Spannungs-Strom-Temperatur-Modul (VITM) 30 die in diesem Modulnamen ausgedrückten Eigenschaften des Batteriepacks 10. Das VITM 30 kommuniziert mit Spannungs-Temperatur-Submodulen (VTSM) 32, wobei jedes VTSM 32 für jede der Sektionen 12 vorgesehen ist. Die VTSM 32 überwachen die Spannung über jede der Zellgruppen 16 und die Temperatur an verschiedenen Orten in jeder Sektion 12, wie eingangs erwähnt. Die VTSM 32 liefern Spannungs- und Temperaturdaten an das VITM 30, welches darüberhinaus den Strom misst, der in den Batteriepack 10 und aus dem Batteriepack 10 fließt. Das VITM 30 liefert Spannung, Strom und Temperaturdaten an einen Batteriekontroller 34, welcher die Leistungsfähigkeit des Batteriepacks überwacht und den Batteriepackbetrieb steuert. Der Batteriekontroller 34 kommuniziert mit anderen Kontrollern (nicht gezeigt) in dem Fahrzeug 100 und steuert unter anderem den Betrieb eines Schalters 36. Andere Hardware und Schaltungen, die nicht für die Diskussion relevant sind, wurden aus der 1 weggelassen.
  • Wie eingangs erwähnt, überwachen die VTSM 32 in einer typischen Batteriepackarchitektur mittels Temperatursensoren (nicht gezeigt) an verschiedenen Orten in dem Batteriepack 10 die Temperatur. Die gemessenen Temperaturdaten zusammen mit den Spannungs- und Stromdaten werden dann von dem Batteriekontroller 34 dazu verwendet, um die Zustände in dem Batteriepack 10 abzuschätzen. Allerdings ist es, wie eingangs erwähnt, wünschenswert, die Temperatursensoren wegzulassen und die Temperatur auf eine andere Art zu bestimmen. Wie im Folgenden im Detail diskutiert werden wird, kann die Impedanz jeder der Zellgruppen 16 gemessen werden und unter Verwendung einer bekannten Beziehung zwischen der Impedanz und der Temperatur die Temperatur für jede der Zellgruppen 16 bestimmt werden. Die Impedanz kann durch Anlegen eines Wechselspannungssignals auf den Batteriepack 10 und durch Messen der Batteriepackstroms und der Spannung über jede der Zellgruppen 16 gemessen werden. Das Wechselspannungssignal kann in bekannter Weise von dem Traktionswechselrichter 20 bereitgestellt werden.
  • 2 ist ein Graph 120 der Batteriezellenimpedanz als Funktion der Signalfrequenz für eine Vielzahl von Temperaturen. In dem Graphen 120 stellt die horizontale Achse 122 die Frequenz eines angelegten Spannungssignals dar und die vertikale Achse 124 stellt die Impedanz einer Batteriezelle 14 oder einer Zellgruppe 16 dar. Die horizontale Achse 122 verläuft von einer Frequenz von Null Hertz (Hz) oder von Gleichstrom bis zu einer Frequenz von ungefähr 10.000 Hz. Die horizontale Achse kann gewöhnlicherweise die Frequenz auf einer logarithmischen Skala darstellen. Die vertikale Achse 124 zeigt die Impedanz einer Batteriezelle 14 oder einer Zellgruppe 16 in Ohm oder Milliohm, bei der der Maximalwert typischerweise weniger als 20 Milliohm beträgt.
  • Kurve 130 stellt die Impedanz der Zelle 14 bei einer Temperatur von –25°C dar. Kurve 132 stellt die Impedanz der Zelle 14 bei einer Temperatur von –10°C dar. Kurve 134 stellt die Impedanz der Zelle 14 bei einer Temperatur von 5°C dar. Kurve 136 stellt die Impedanz der Zelle 14 bei einer Temperatur von 25°C dar. Die Tatsache, dass die Impedanz als eine Funktion der Temperatur für eine vorgegebene Signalfrequenz variiert, kann dazu verwendet werden, um die Temperatur einer Batteriezelle 14 oder einer Zellgruppe 16 basierend auf einer gemessenen Impedanz bei einer bekannten Frequenz zu bestimmen. Tatsächlich variiert auch die Impedanz der Zelle 14 mit dem Ladezustand. Demzufolge kann in der Praxis eine Look-up-Tabelle verwendet werden, um die Temperatur der Zelle 14 zu bestimmen, welche zu der gemessenen Impedanz bei einem bekannten Ladezustand für eine vorgegebene Frequenz korrespondiert. Die Look-up-Tabelle kann mit Daten aus Labortests der Zelle 14 oder der Zellgruppe 16 angefertigt werden. Da all diese Daten an sich bekannt sind und beispielsweise in den Batteriekontroller 34 programmiert werden können, kann dieser dazu verwendet werden, die Look-up-Temperaturwerte während des Betriebs des Batteriepacks 10 zu überwachen.
  • Unter Voraussetzung der Beziehung der Impedanz zur Temperatur aus dem Graphen 120 wird es dann notwendig, eine Eingangssignalfrequenz auszuwählen und ein Mittel zum Messen der Impedanz vorzusehen. Aus dem Graphen 120 kann gesehen werden, dass die Schwankung der Impedanz mit der Temperatur bei niedrigen Frequenzen am größten ist. Allerdings können sehr niedrige Eingangssignalfrequenzen für den Zweck der Messung der Impedanz nicht wünschenswert sein, da bei sehr niedrigen Frequenzen ein signifikanter Betrag von Lade- und Ent-Ladeenergie tatsächlich auf den Batteriepack 10 angewandt wird. Auf der anderen Seite besteht bei sehr hohen Frequenzen wenig Unterschied in den Impedanzen bei verschiedenen Temperaturen, was in einer niedrigeren Auflösung bei der Temperaturmessung resultiert. Die tatsächliche Frequenz, die verwendet werden soll, kann als ein Kompromiss dieser Faktoren ausgewählt werden und kann in dem Bereich von 100–500 Hz liegen.
  • Darüberhinaus ist es wünschenswert, eine Frequenz zu verwenden, die als ein Resultat des Traktionswechselrichters 20, der den Motor 22 antreibt, naturgegebenen vorhanden ist. Beispielsweise ist 170 Hz eine Frequenz, die typischerweise innerhalb des Wechselrichterspektrums während der Fahrzeugbeschleunigung vorhanden ist. In dieser Situation wird ein Oberwellenanteil oder Strom, der eine Wechselstromkomponente bei 170 Hz enthält, beim Entladen des Batteriepacks 10 und beim Liefern eines signifikanten Stroms an den Wechselrichter 20 in den Zellgruppen 16 detektierbar sein und für eine Impedanzmessung verwendet werden.
  • 3 ist ein schematisches Diagramm eines Systems 200 zum Messen der Impedanz und zum Bestimmen der Temperatur einzelner Zellgruppen in einem Batteriepack ohne die Verwendung von Temperatursensoren. Gegenstände, die zuvor in der 1 gezeigt wurden, werden hier mit den gleichen Bezugszeichen in der 3 dargestellt. Wie eingangs erwähnt, beinhaltet der Batteriepack 10, von dem eine Sektion 12 gezeigt ist, mehrere Zellgruppen 16 in Reihe. Für die hier geführte Diskussion wird verstanden, dass jede der Zellgruppen 16 jegliche geeignete Anzahl von einzelnen Zellen 14 enthalten kann. Das bedeutet, dass die Zellgruppengröße von einer einzelnen Zelle (einzelne Zellen 14 sind nicht parallel gruppiert) bis zur drei oder mehr reichen kann.
  • Die Spannung über jede der Zellgruppen 16 wird mit einem Spannungssensor 212 gemessen. Der Spannungssensor 212 kann, wie in der 1 gezeigt, in dem VTSM 32 beinhaltet sein. Der Batteriepackstrom wird mit einem Stromsensor 214 gemessen, welcher in dem VITM 30, in der 1 gezeigt, beinhaltet sein kann. Der Traktionswechselrichter 20 liefert einen Oberwellenstrom oder ein Wechselspannungssignal an den Batteriepack 10. Das Wechselspannungssignal kann naturgegeben als ein Ergebnis vom Antreiben des Antriebsmotors 22 durch den Wechselrichter 20 auftreten, oder der Wechselrichter 20 kann ein künstliches Wechselstromsignal lediglich zum Zweck der Impedanzmessung erzeugen.
  • Signale von dem Spannungssensor 212 und dem Stromsensor 214 werden von einem Fensterungsmodul 220 empfangen und, falls notwendig, von analog in digital umgewandelt werden. Das Fensterungsmodul 220 nimmt gleichzeitig Zeitabtastungen der Spannungs- und Stromdaten auf und engt diese Daten auf ein interessierendes Zeitfenster ein. Die gefensterten Spannungs- und Stromdaten werden dann an ein FFT-Modul 222 geliefert, welches eine Fast-Fourier-Transformation auf die Daten ausführt, um die Amplituden der Spannung und des Stroms bei einer oder mehreren spezifischen Frequenzen zu identifizieren. Der Ausgang des FFT-Moduls 222 ist ein Spannungsamplitudenwert für jede der Zellgruppen 16 bei einer bestimmten Frequenz und eines bestimmten Stromamplitudenwerts für den Batteriepack 10 bei der jeweiligen Frequenz.
  • Die Spannungs- und Stromamplituden bei der jeweiligen Frequenz können von einem Berechnungsmodul 224 verwendet werden, um die Impedanz jeder der Zellgruppen 16 gemäß der Gleichung (1) zu berechnen: Z(ω) = U(ω) / I(ω) (1) wobei Z(ω) die Impedanz bei der Frequenz (ω), U(ω) die Spannungsamplitude bei der Frequenz ω und I(ω) die Stromamplitude bei der Frequenz ω ist.
  • Das Berechnungsmodul 224 bestimmt die Temperatur für jede der Zellgruppen 16 basierend auf ihrer Impedanz bei der jeweiligen Frequenz unter Verwendung der Look-up-Tabelle, welche darüberhinaus einen Ladezustandswert aus dem Kasten 226, wie oben erwähnt, erfordert.
  • In einer tatsächlichen Implementierung können das Fensterungsmodul 220, das FFT-Modul 222 und das Berechnungsmodul 224 alle in dem Batteriekontroller 34 aus der 1 inkorporiert sein. Der Ladezustandswert und der resultierende Temperaturwert für jede der Zellgruppen 16 kann darüberhinaus in dem Batteriekontroller 34 abgespeichert und für das Management des Batteriepacks 10 verwendet werden.
  • 4 ist ein Flussdiagramm 250 für ein Verfahren zum Messen der Impedanz und zum Bestimmen der Temperatur einzelner Zellgruppen in einem Batteriepack ohne Verwendung von Temperatursensoren. Im Kasten 252 wird ein Wechselspannungseingangssignal auf den Batteriepack 10 angewendet, wobei das Eingangssignal von dem Traktionswechselrichter 20 naturgegeben stammen kann, oder das Eingangssignal kann künstlich erzeugt werden. Die Spannung über jede der Zellgruppen 16 und der Batteriepackstrom werden gleichzeitig in den Kästen 254 und 256 gemessen. Im Kasten 258 werden die zeitbasierenden Spannungs- und Stromdatensignale auf ein spezifisches gleichzeitiges Zeitfenster beschnitten. Im Kasten 260 wird eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) auf gefensterten Spannungs- und Stromsignale ausgeführt, um eine Menge von Amplituden bei spezifischen Frequenzen für jedes der Signale zu erzeugen.
  • Im Kasten 262 wird ein Impedanzwert für eine oder mehrere spezifische Frequenzen für jede der Zellgruppen 16 unter Verwendung der Gleichung (1), wie eingangs erwähnt, berechnet. Im Kasten 264 wird ein Ladezustandswert für den Batteriepack 10 bereitgestellt. Im Kasten 266 wird die Temperatur für jede der Zellgruppen 16 aus der Look-up-Tabelle 224 unter Verwendung des Impedanzwerts für jede der Zellgruppen 16, des zu dem Impedanzwert korrespondierenden Frequenzwerts und des Ladezustandswerts als Eingangsgrößen bestimmt. Der Temperaturwert für jede der Zellgruppen 16 kann dann von dem Batteriekontroller 34 verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit und das Alter des Batteriepacks 10 abzuschätzen.
  • Unter Verwendung des hier offenbarten Verfahrens und Systems kann die Temperatur einzelner Zellen oder Zellgruppen in einem Batteriepack ohne die Verwendung von Temperatursensoren bestimmt werden. Die Beseitigung von Temperatursensoren reduziert nicht nur die Kosten, sondern beseitigt in einem Fahrzeug eine potentielle Fehlerquelle. Darüberhinaus liefert die impedanzbasierende Temperaturmessung Temperaturdaten für jede Zelle oder Zellgruppe in dem Batteriepack, was mit herkömmlichen Temperatursensoren nicht bewerkstelligt werden kann.
  • Die vorhergehende Diskussion zeigt und beschreibt rein exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann kann leicht aus der Diskussion an den beigefügten Figuren und Patentansprüchen erkennen, dass zahlreiche Änderungen, Modifikationen und Variationen gemacht werden können, ohne dabei den Geist und den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er mit den folgenden Patentansprüchen definiert ist.

Claims (10)

  1. Ein Temperaturmesssystem für Zellen in einem Batteriepack, wobei das Temperaturmesssystem umfasst: – Mittel zum Anlegen eines Wechselspannungsignals an den Batteriepack; – einen Spannungssensor zum Messen einer Spannung über einer Zellgruppe in dem Batteriepack, wobei die Zellgruppe eine oder mehrere parallel geschaltete Zellen umfasst und der Spannungssensor ein Spannungssignal für die Zellgruppe bereitstellt; – einen Stromsensor zum Messen eines Batteriepackstroms, wobei der Stromsensor ein Stromsignal für den Batteriepack bereitstellt; – ein Fensterungsmodul, welches das Spannungssignal und das Stromsignal empfängt und die Signale auf ein gleichzeitiges Zeitfenster reduziert; – ein Fast-Fourier-Transformation (FFT)-Modul, welches eine FFT auf das Spannungssignal und das Stromsignal für das Zeitfenster ausführt, um Spannungs- und Stromamplituden bei einer oder mehreren Frequenzen bereitzustellen; und – ein Berechnungsmodul, welches eine Impedanz für die Zellgruppe aus der Spannungsamplitude und der Stromamplitude bei einer vorgewählten Frequenz berechnet und die Impedanz und die gewählte Frequenz dazu verwendet, zusammen mit einem Ladezustandswert die Temperatur der Zellgruppe zu bestimmen.
  2. Temperaturmesssystem nach Anspruch 1, wobei die Impedanz gemessen wird und dazu verwendet wird, um die Temperatur jeder Zellgruppe in dem Batteriepack zu bestimmen.
  3. Temperaturmesssystem nach Anspruch 1, wobei der Batteriepack in einem Elektro- oder Elektrohybridfahrzeug verwendet wird.
  4. Temperaturmesssystem nach Anspruch 3, wobei die Mittel zum Anlegen eines Wechselstromsignals einen Traktionswechselrichter beinhalten, der Strom für einen Antriebsmotor liefert.
  5. Temperaturmesssystem nach Anspruch 4, wobei das Wechselstromsignal naturgegeben als ein Resultat der Stromlieferung des Traktionswechselrichters an den Antriebsmotor auftritt.
  6. Temperaturmesssystem nach Anspruch 4, wobei das Wechselstromsignal künstlich zum Zwecke der Impedanzmessung erzeugt wird.
  7. Temperaturmesssystem nach Anspruch 1, wobei das Fensteungsmodul, das FFT-Modul und das Berechnungsmodul in einem Batteriepack-Kontroller beinhaltet sind.
  8. Temperaturmesssystem nach Anspruch 7, wobei der Batteriepack-Kontroller die Temperatur der Zellgruppen dazu verwendet, um die Leistungsfähigkeit und den Alterungszustand der Zellgruppe abzuschätzen.
  9. Temperaturmesssystem nach Anspruch 1, wobei das Berechnungsmodul eine Look-up-Tabelle verwendet, um die Temperatur der Zellgruppe basierend auf der Impedanz, der gewählten Frequenz und des Ladezustands zu bestimmen.
  10. Ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur von Zellen in einem Batteriepack, wobei das Verfahren umfasst: – Anlegen eines Spannungssignals aus einem Wechselstrom (AC) an den Batteriepack; – Messen einer Spannung über eine Zellgruppe in dem Batteriepack und Bereitstellen eines Spannungssignals für die Zellgruppe, wobei die Zellgruppe eine oder mehrere parallel geschaltete Zellen umfasst; – Messen eines Batteriepackstroms und Bereitstellen eines Stromsignals für den Batteriepack; – Reduzieren des Spannungssignals und des Stromsignals auf ein gleichzeitiges Zeitfenster; – Ausführen einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) auf das Spannungssignal und das Stromsignal für das Zeitfenster, um Spannungs- und Stromamplituden bei einer oder mehreren Frequenzen bereitzustellen; – Berechnen einer Impedanz für die Zellgruppe aus der Spannungsamplitude und der Stromamplitude bei einer gewählten Frequenz; und – Verwenden der Impedanz und der gewählten Frequenz zusammen mit einem Ladezustandswert, um die Temperatur der Zellgruppe zu bestimmen.
DE102013103921.9A 2012-05-15 2013-04-18 Temperaturmesssystem für Zellen in einem Batteriepack sowie ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur von Zellen in einem Batteriepack Active DE102013103921B4 (de)

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US13/471,803 US8994340B2 (en) 2012-05-15 2012-05-15 Cell temperature and degradation measurement in lithium ion battery systems using cell voltage and pack current measurement and the relation of cell impedance to temperature based on signal given by the power inverter

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