DE102013218077A1

DE102013218077A1 - Batteriezelleinrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer komplexen Impedanz einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle

Info

Publication number: DE102013218077A1
Application number: DE201310218077
Authority: DE
Inventors: Holger Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Robert Bosch GmbH; Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2013-09-10
Publication date: 2015-03-12
Also published as: CN104426214A; CN104426214B; US9746526B2; US20150072198A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung (221) mit einer Batteriezelle (21) und einer Überwachungsvorrichtung (230) zum Überwachen des Batteriezellzustandes. Die Überwachungsvorrichtung (230) umfasst eine Aktorvorrichtung (260), die dazu ausgelegt ist, einen von der Batteriezelleinrichtung (221) bereitgestellten Impedanzspektroskopiemodus (275), in dem die Batteriezelle (21) zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle mit Messströmen, die durch die Batteriezelle fließen und Wechselströme mit unterschiedlichen Frequenzen umfassen, beaufschlagt werden kann, zu aktivieren. Ferner umfasst die Überwachungsvorrichtung (230) eine Sensorvorrichtung (240), die dazu ausgebildet ist, die Messströme und entsprechenden Messspannungen, die jeweils eine als Antwort auf einen Messstrom entstehende Batteriezellspannung sind, derartig zu erfassen, dass aus den Messwerten der Messströme und der Messspannungen eine komplexe Impedanz der Batteriezelle (21) in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme innerhalb von vorbestimmten Toleranzgrenzen bestimmt werden kann.

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen des Batteriezellzustandes. Auch betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer komplexen Impedanz einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem, das eine Batterie mit mehreren der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen aufweist.
Stand der Technik
Es ist üblich, Batterien für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen als Traktionsbatterien zu bezeichnen, da diese Batterien für die Speisung elektrischer Antriebe eingesetzt werden. Um die bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen geforderten Leistungs- und Energiedaten zu erzielen, werden in den eingesetzten Traktionsbatterien einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Bei Elektrofahrzeugen werden häufig 100 Batteriezellen oder mehr in Serie verschaltet, so dass sich Batteriespannungen von bis zu 450 V ergeben können. Auch bei Hybridfahrzeugen wird üblicherweise die Spannungsgrenze von 60V, welche bei einer Berührung durch Menschen noch als unkritisch eingestuft wird, deutlich überschritten.
In der 1 ist das Prinzipschaltbild eines Batteriesystems 10 mit einer derartigen Traktionsbatterie 20 dargestellt. Die Batterie 20 umfasst mehrere Batteriezellen 21. Zur Vereinfachung der Darstellung aus der 1 wurden nur zwei Batteriezellen mit dem Bezugszeichen 21 versehen.
Die Batterie 20 ist aus zwei Batteriezellreihenschaltungen 22, 23 ausgebildet, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 21 umfassen. Die Batteriezellreihenschaltungen 22, 23 sind mit ihren Anschlüssen jeweils mit einem Batterieterminal 24, 25 sowie einem Anschluss eines Servicesteckers 30 verbunden. Das positive Batterieterminal 24 ist mit der Batterie 20 über eine Trenn- und Ladeeinrichtung 40 verbindbar, die einen Trennschalter 41 umfasst, der zu einer Reihenschaltung aus einem Ladeschalter 42 und einem Ladewiderstand 43 parallel geschaltet ist. Das negative Batterieterminal 25 ist mit der Batterie 20 über eine Trenneinrichtung 50 verbindbar, die einen weiteren Trennschalter 51 umfasst.
2 zeigt ein Diagramm 60, das die Fehlermechanismen 61 von Lithium-Ionen-Batterien und deren Konsequenzen 62 stark schematisiert darstellt. Die dargestellten Fehlermechanismen 61 können zu einem durch eine unzulässige Temperaturerhöhung 63 hervorgerufenen thermischen Durchgehen (Thermal Runaway) 64 der Batteriezellen 21 führen. Bei Vorliegen eines thermischen Durchgehens 64 kann es zu einer Emission vom Gas 65, die beispielsweise beim Öffnen eines Berstventils als Folge eines erhöhten Batteriezellinnendruckes auftreten kann, zu einem Brennen 66 der Batteriezellen, oder im Extremfall sogar zu einem Bersten 67 der Batteriezellen 21 kommen. Daher muss das Auftreten eines thermischen Durchgehens 64 bei dem Einsatz von Batteriezellen 21 in Traktionsbatterien mit einer höchsten Wahrscheinlichkeit von nahezu 1 ausgeschlossen werden.
Ein thermisches Durchgehen 64 kann bei einem Überladen 70 einer Batteriezelle, als Folge einer Tiefenentladung 80 einer Batteriezelle 21 während des anschließenden Ladevorganges, oder bei Vorliegen von unzulässig hohen Lade- und Entladeströmen der Batteriezelle 21, die beispielsweise bei Vorliegen eines externen Kurzschlusses 90 entstehen können, auftreten. Ferner kann ein thermisches Durchgehen 64 auch bei Vorliegen eines batteriezellinternen Kurzschlusses 100 auftreten, der beispielsweise als Folge einer starken mechanischen Krafteinwirkung während eines Unfalls 101 oder als Folge der Bildung von batteriezellinternen Dendriten 102 entstehen kann, die beispielsweise bei Vorliegen von zu hohen Ladeströmen bei tiefen Temperaturen entstehen können. Weiterhin kann ein thermisches Durchgehen 64 auch als Folge von batteriezellinternen Kurzschlüssen auftreten, die durch bei der Fertigung entstehende Verunreinigungen der Batteriezellen 21, insbesondere durch in den Batteriezellen 21 vorhandenen metallischen Fremdpartikeln 103, verursacht werden können. Auch kann ein thermisches Durchgehen 64 bei Vorliegen einer unzulässigen Erwärmung der Batteriezellen 21, die beispielsweise als Folge eines Fahrzeugbrandes entstehen kann, oder bei Vorliegen einer Überlastung 120 der Batteriezellen 21 auftreten.
Für Lithium-Ionen-Batteriezellen sind Sicherheitstests vorgeschrieben. Um die Batteriezellen 21 transportieren zu können, müssen beispielsweise UN Transport-Tests durchgeführt werden. Die Testergebnisse müssen gemäß den EUCAR Gefahrenstufen beziehungsweise Gefahrenlevel (EUCAR Hazard Levels) bewertet werden. Die Batteriezellen 21 müssen dabei vorgegebenen Mindestsicherheitslevels genügen. Um dies zu erreichen, werden in den Batteriezellen 21, die für den Einsatz in Traktionsbatterien ausgebildet sind, umfangreiche Zusatzmaßnahmen getroffen. Solche Zusatzmaßnahmen werden dadurch getroffen, dass sogenannte Sicherheitsvorrichtungen (Safety Devices) in den Batteriezellen integriert werden. Typischerweise werden die im Folgenden angegebenen Sicherheitsvorrichtungen integriert.
In einer Batteriezelle 21 wird eine Überladesicherheitsvorrichtung (Overcharge Safety Device (OSD)) integriert. Eine solche Überladesicherheitsvorrichtung bewirkt, dass die Batteriezelle 21 bei einem Überladevorgang eine EUCAR Gefahrenstufe 4 nicht überschreitet. Der zulässige Bereich der Batteriezellspannung endet bei 4,2 V. Bei einem Überladevorgang baut die Batteriezelle 21 ab einer Batteriezellspannung von etwa 5 V einen so hohen Innendruck auf, das eine Membran der Überladesicherheitsvorrichtung nach außen gewölbt wird und die Batteriezelle 21 elektrisch kurzschließt. Als Folge davon wird die Batteriezelle 21 solange entladen, bis eine batteriezellinterne Sicherung aktiviert wird. Der Kurzschluss der Batteriezelle 21 zwischen den beiden Batteriezellterminals bleibt über die Überladesicherheitsvorrichtung erhalten.
In einer Batteriezelle 21 wird ferner eine Batteriezellsicherung (Cell Fuse) integriert. Diese in der Batteriezelle 21 integrierte Schmelzsicherung ist ein sehr wirksames Schutzinstrument auf Batteriezellebene, verursacht aber erhebliche Probleme beim Verbau der Batteriezellen 21 in einer Serienschaltung eines Batteriemoduls beziehungsweise in einem Batteriesystem. Dort sind diese Maßnahmen eher kontraproduktiv.
In eine Batteriezelle 21 wird oftmals auch eine Nageleindringsicherheitsvorrichtung (Nail Penetration Safety Device (NDS)) integriert. Diese Nageleindringsicherheitsvorrichtung schützt die Batteriezelle 21, indem beim Eindringen eines Nagels in der Batteriezelle 21 ein definierter Kurzschlusspfad aufgebaut wird, der nicht zu einer starken lokalen Erwärmung der Batteriezelle im Bereich des Nageleintrittes führt, welche zu einem lokalen Schmelzen des vorhandenen Separators führen könnte.
In einer Batteriezelle 21 wird auch eine Funktionssicherheitsschicht (Safety Function Layer (SFL) integriert. Die Funktionssicherheitsschicht wird durch die keramische Beschichtung einer der beiden Elektroden, vorzugsweise durch die keramische Beschichtung der Anode, realisiert. Mittels der Funktionssicherheitsschicht kann bei einem Schmelzen des Separators ein flächiger Kurzschluss der Batteriezelle 21 und damit eine extrem schnelle Umsetzung der elektrischen Energie der Batteriezelle 21 in Verlustwärme verhindert werden.
In einer Batteriezelle 21 wird ferner auch eine Stoßsicherheitsvorrichtung (Crush Safety Device) integriert. Die Stoßsicherheitsvorrichtung weist eine ähnliche Funktionsweise wie die Nageleindringsicherheitsvorrichtung auf. Bei einer starken mechanischen Deformation des Batteriezellgehäuse wird ein definierter Kurzschlusspfad in der Batteriezelle 21 bereitgestellt, der eine starke lokale Erwärmung der Batteriezelle 21 verhindert und dadurch die Sicherheit der Batteriezelle 21 erhöht.
Bei den aktuell in der Entwicklung befindlichen Batteriezellen 21 sind insbesondere die Maßnahmen für die elektrische Sicherheit, die beispielsweise vor einem Überladen schützen oder einen Überstromschutz gewährleisten, mit erheblichem Aufwand verbunden. Diese Maßnahmen sind zudem nach dem Verbau einer Batteriezelle 21 in ein Batteriemodul beziehungsweise in ein Batteriesystem eher kontraproduktiv statt sinnvoll. Beispielsweise kann bei einer Aktivierung der Schmelzsicherung einer Batteriezelle 21 die Situation entstehen, dass die Elektronik des vorhandenen Batteriemanagementsystems (BMS) sehr hohen negativen Spannungen ausgesetzt wird. Dadurch entsteht auf Batteriesystemebene ein zusätzlicher Aufwand, der verursacht wird, weil die Transportvorschriften auf der Batteriezellebene erfüllt werden müssen, ohne dass ein Nutzen damit verbunden wäre.
In der 3 ist das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems 10 dargestellt, das eine Traktionsbatterie 20 mit mehreren Batteriezellen 21 und ein Batteriemanagementsystem umfasst. Die Elektronik des Batteriemanagementsystem (BMS) weist eine dezentrale Architektur auf, bei der die aus der Überwachungselektronik (CSC Elektronik) der Batteriezellen 21 ausgebildeten Zellüberwachungseinheiten 130 als Satelliten ausgeführt sind, zum Überwachen des Funktionszustandes einer oder mehreren Batteriezellen 21 jeweils ausgebildet sind, und über ein internes Bussystem 141 mit einem zentralen Batteriesteuergerät (BCU) 140 kommunizieren.
Die Elektronik des Batteriemanagementsystems, insbesondere die Überwachungselektronik der Batteriezellen 21, ist dabei erforderlich, um die Batteriezellen 21 vor den kritischen, in der 2 dargestellten Zuständen zu schützen, die zu einem thermischen Durchgehen führen können. In der Elektronik des Batteriemanagementsystems wird ein hoher Aufwand betrieben, um zum einen die Batteriezellen 21 vor einer Überlastung durch externe Ursachen, wie beispielsweise durch einen Kurzschluss in dem Inverter eines Elektroantriebes, zu schützen, und zum anderen nicht durch eine Fehlfunktion der Elektronik des Batteriemanagementsystems zu gefährden, wie beispielsweise durch eine fehlerhafte Erfassung der Batteriezellspannungen durch die Zellüberwachungseinheiten 130.
So wie bei dem in der 1 dargestellten Batteriesystem 10 ist bei dem in der 3 dargestellten Batteriesystem 10 die Traktionsbatterie 20 über eine Trenn- und Ladeeinrichtung 40 mit einem positiven Batterieterminal 24 und über eine Trenneinrichtung 50 mit einem negativen Batterieterminal 25 verbindbar. Für die Bezeichnung gleicher Komponenten der in den 1 und 3 dargestellten Batteriesysteme wurden hier gleiche Bezugszeichen verwendet.
Ferner ist das zentrale Batteriesteuergerät 140 dazu ausgebildet, den Trennschalter (Relais) 41 und den Ladeschalter (Relais) 42 der Trenn- und Ladeeinrichtung 40 anzusteuern. Das Ansteuern des Trennschalters 41 und des Ladeschalters 42 mittels des Batteriesteuergeräts 140 wird hier mit dem Pfeil 142 symbolisiert. Auch ist das zentrale Batteriesteuergerät 140 dazu ausgebildet, den weiteren Trennschalter (Relais) 51 der Trenneinrichtung 50 anzusteuern. Das Ansteuern des Trennschalters 51 mittels des Batteriesteuergeräts 140 ist mit dem Pfeil 143 symbolisiert.
Das zentrale Batteriesteuergerät 140 ist jeweils über eine Hochvoltleitung 144, 145 mit einem jeweils anderen Batterieterminal 24, 25 verbunden. Ferner umfasst das zentrale Batteriesteuergerät 140 Stromsensoren 150, 160, die dazu ausgebildet sind, den durch die Traktionsbatterie 20 fließenden Strom zu messen. Das Batteriesteuergerät 140 kommuniziert auch mit einer Fahrzeugschnittstelle über einen CAN-Bus 146. Über den CAN-Bus können dem Batteriesteuergerät 140 Informationen über den Funktionszustand des Fahrzeuges bereitgestellt werden.
Bei einem Batteriemanagementsystem eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems wird angestrebt, die Sicherheit des Batteriesystems 10 so zu erhöhen, dass keine unzumutbare Gefährdung auftritt. Dabei werden gemäß der ISO 26262 hohe Anforderungen an die funktionale Sicherheit des Batteriemanagementsystems gestellt, da eine Fehlfunktion der Elektronik eine Gefährdung darstellen kann. Für Batteriemanagementsysteme in Elektrofahrzeugen und Steckdosenhybriden (Plug-in-Hybride) wird sich voraussichtlich eine Einstufung gemäß der Gefahrenstufe ASIL C etablieren, falls die Sicherheit der Batteriezellen 21 nicht signifikant erhöht werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen des Batteriezellzustandes bereitgestellt. Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Aktorvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, einen von der Überwachungseinrichtung bereitgestellten Impedanzspektroskopiemodus zu aktivieren. Während des Impedanzspektroskopiemodus kann die Batteriezelle zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle mit Messströmen, die Wechselströme mit unterschiedlichen Frequenzen umfassen, beaufschlagt werden. Ferner umfasst die Überwachungsvorrichtung eine Sensorvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Messströme und entsprechende Messspannungen, die als Antwort auf einen Messstrom auftretende Batteriezellspannungen sind, derartig zu erfassen, dass aus den Messwerten der Messströme und der Messspannungen eine komplexe Impedanz der Batteriezelle in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme innerhalb von vorbestimmten Toleranzgrenzen bestimmt werden kann.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bestimmung einer komplexen Impedanz einer in einer Batteriezelleinrichtung angeordneten Batteriezelle bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird die Batteriezelle in einem von der Batteriezelleinrichtung bereitgestellten und mittels einer in der Batteriezelle angeordneten Aktorvorrichtung aktivierten Impedanzspektroskopiemodus betrieben. Während des Impedanzspektroskopiemodus wird die Batteriezelle zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle mit Messströmen, die Wechselströme mit unterschiedlichen Frequenzen umfassen, beaufschlagt. Ferner werden die Messströme und entsprechende Messspannungen, die jeweils als Antwort auf einen Messstrom auftreten, derartig mittels einer in der Batteriezelleinrichtung angeordneten Sensorvorrichtung erfasst, dass aus den mittels der Sensorvorrichtung bereitgestellten Messwerten der Messströme und der Messspannungen eine aktuelle komplexe Impedanz der Batteriezelle in Abhängigkeit der Frequenz der Messströme innerhalb von vorbestimmten Toleranzgrenzen bestimmt wird.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bei der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung muss die Sensorvorrichtung so ausgeführt werden, dass die Anforderungen für die Durchführung einer Impedanzspektroskopie erfüllt werden.
Mit Hilfe einer Impedanzspektroskopie können detaillierte Informationen über den Zustand einer Batteriezelle gewonnen werden, die bei einer gemäß dem Stand der Technik durchgeführten Überwachung der Batteriezelle mittels einer einfachen Erfassung von deren Strom, Spannung und Temperatur nicht zugänglich sind. Diese Informationen können genutzt werden, um beispielsweise den Ladezustand (State of Charge (SOC)), den Alterungszustand (State of Health) (SOH), oder die Fähigkeit der Batteriezelle, eine gewünschte Funktionalität (State of Function (SOF)) zu erfüllen, wesentlich genauer zu ermitteln, als mit den aus dem Stand der Technik bekannten Messmethoden. Ferner können die mittels einer Impedanzspektroskopie gewonnenen Informationen auch dazu genutzt werden, die Sicherheit der Batteriezellen und der damit aufgebauten Batteriesysteme signifikant zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird eine Batteriezelleinrichtung mit einer Batteriezelle und einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung beziehungsweise Überwachungselektronik bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Überwachungselektronik kann auch in der Batteriezelle integriert sein. Eine Batteriezelle mit integrierter erfindungsgemäßer Überwachungselektronik wird im Folgenden auch als elektrisch eigensichere oder (schlicht) als eigensichere Batteriezelle bezeichnet.
Eine elektrisch eigensichere Batteriezelle mit einer elektrochemischen Batteriezelle, insbesondere einer elektrochemischen Lithium-Ionen-Batteriezelle, umfasst bevorzugt eine Sensorik (Sensorvorrichtung) zur Erfassung physikalischer Größen zur Ermittlung des Zustandes der Batteriezelle, eine Batteriezustandserkennung und -Prädiktion (Zustandsermittlungsvorrichtung), die aus den Sensorsignalen den aktuellen Zustand der Batteriezelle (Batteriezellzustand) insbesondere hinsichtlich ihrer Sicherheit ermittelt und auch das künftige Verhalten der Batteriezelle prädizieren (vorhersagen) kann, und eine Sicherheitsaktorik (Aktorvorrichtung), mit der die Batteriezelle bei Erkennung eines kritisch werdenden Zustandes und/oder Betriebes der Batteriezelle bei Bedarf in einen sicheren Zustand überführt werden kann.
Bevorzugt sind in der eigensicheren Batteriezelle Sicherheitsfunktionen integriert, die die Batteriezelle bei Vorliegen eines kritischen oder kritisch werdenden Batteriezellzustandes sofort in einen sicheren Betriebsmodus überführen.
Im Folgenden wird insbesondere die Realisierung der Diagnose einer erfindungsgemäßen eigensicheren Batteriezelle, insbesondere einer eigensicheren Lithium-Ionen-Batteriezelle, auf Basis von Impedanzspektroskopie beschrieben. Bevorzugt verfügt die erfindungsgemäße eigensichere Batteriezelle über eine geeignete Sensor- und Aktorelektronik zur Realisierung der Eigensicherheit, die dann ohne nennenswerten Zusatzaufwand genutzt werden kann, um eine Impedanzspektroskopie durchzuführen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist die Sensorvorrichtung dazu ausgebildet, die Messströme und die Messspannungen innerhalb von vorbestimmten Toleranzgrenzen gleichzeitig und/oder jeweils mit einer vorbestimmten Widerholungsrate zu erfassen und/oder die Messung der Messströme und der Messspannungen jeweils mit einer vorbestimmten Messgenauigkeit durchzuführen.
Einfach ausgedrückt, die Sensorik einer eigensicheren Batteriezelle muss bevorzugt so ausgelegt werden, dass die Anforderungen für die Durchführung einer Impedanzspektroskopie hinsichtlich der zeitlichen Synchronisierung und/oder der Widerholrate der Erfassung der Batteriezellspannung und des Batteriezellstroms und/oder hinsichtlich der Genauigkeitsanforderungen für diese beiden Signale erfüllt werden.
Bei einer anderen sehr bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung umfasst die Überwachungsvorrichtung eine Zustandsermittlungsvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand einer Auswertung der von der Sensorvorrichtung bereitgestellten Messwerte der Messströme und Messspannungen die Amplituden der Messströme und der Messspannungen sowie die Phasenverschiebungen zwischen den Messströmen und den entsprechenden Messspannungen zu bestimmen und aus den bestimmten Amplituden und Phasenverschiebungen die komplexe Impedanz der Batteriezelle in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme innerhalb der vorbestimmten Toleranzgrenzen zu bestimmen und die komplexe Impedanz der Batteriezelle in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme aufzuzeichnen. Bevorzugt ist die Zustandsermittlungsvorrichtung dazu ausgebildet, die Abhängigkeit der komplexen Impedanz von der Frequenz der Messströme zur Gewinnung von Informationen über einen aktuellen oder künftigen Batteriezellzustand auszuwerten.
Somit kann bei geeigneter Auslegung der in einer eigensicheren Batteriezelle zur Erfassung der Batteriezellspannung und des Batteriezellstromes eingesetzten Sensorik eine Impedanzspektroskopie durchgeführt werden. Damit stehen bevorzugt der Batteriezustandserkennung und -prädiktion wesentlich bessere Informationen über den Zustand der Batteriezelle zur Verfügung, als die Informationen über den Zustand der Batteriezelle, die gemäß dem heutigen Stand der Technik gewonnen werden können. Diese Informationen können genutzt werden, um die Qualität der Batteriezustandserkennung und -prädiktion zu verbessern und/oder die Sicherheit einer eigensicheren Batteriezelle beziehungsweise eines Batteriesystems mit eigensicheren Batteriezellen zu erhöhen.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung umfasst die Überwachungsvorrichtung eine Schnellentladevorrichtung, die zum Entladen der Batteriezelle mit einem vorbestimmten Entladestrom vorgesehen ist und einen mit den Batteriezellpolen verbundenen Leistungshalbleiter aufweist. Die Überwachungsvorrichtung umfasst bevorzugt eine erste Spannungseinstellungsvorrichtung, die zum Einstellen einer an den Batteriezellterminals anliegenden Spannung, die der Batteriezellspannung in positiver Orientierung oder einer Spannung von 0V entspricht, vorgesehen ist und die eine Halbbrücke mit zwei Leistungshalbleitern aufweist, die jeweils mit einem anderen der Batteriezellpole direkt verbunden sind. Die Überwachungsvorrichtung umfasst weiter bevorzugt eine zweite Spannungseinstellungsvorrichtung, die zwei Halbbrücken mit jeweils zwei Leistungshalbleitern aufweist und zum Einstellen einer an den Batteriezellterminals anliegenden Spannung vorgesehen ist, die der Batteriezellspannung in positiver oder negativer Orientierung entspricht. Dabei sind die Leistungshalbleiter jeweils mit einem anderen der Batteriezellpole direkt verbunden. Der Leistungshalbleiter(-Schalter) der Schnellentladevorrichtung und/oder mindestens einer der Leistungshalbleiter der ersten oder der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung sind für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegt. Die Überwachungsvorrichtung umfasst ferner eine Ansteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, in dem Impedanzspektroskopiemodus den entsprechend ausgelegten Leistungshalbleiterschalter der Schnellentladevorrichtung und/oder den mindestens einen entsprechend ausgelegten Leistungshalbleiter der ersten und/oder der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung im aktiven Bereich zu betreiben und als linear arbeitender Stellglied, mittels dem ein Regelkreis zur Regelung eines durch die Batteriezelle fließenden Stroms realisierbar ist, bereitzustellen. Dabei sind dem in dem Impedanzspektroskopiemodus realisierbaren Regelkreis als Sollwertvorgabe für die Messströme, mit denen die Batteriezelle in dem Impedanzspektroskopiemodus beaufschlagt werden kann, sinusförmige Stromverläufe bei unterschiedlichen Frequenzen vorgebbar.
Vorteilhaft dabei ist, dass auch bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung mit Schnellentladevorrichtung und/oder erster und/oder zweiter Spannungseinstellungsvorrichtung wichtige Informationen über den Batteriezellzustand aus dem Verlauf der komplexen Impedanz der Batteriezelle in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme ohne viel Mehraufwand gewonnen werden können.
Einfach ausgedrückt, es kann eine elektrisch eigensichere Batteriezelle optional eine zusätzliche auch als Schaltaktorik bezeichnete Elektronik (erste und/oder zweite Spannungseinstellungsvorrichtung) umfassen, mittels der die Ausgangsspannung der Batteriezelle derartig geschaltet werden kann, dass an den Batteriezellterminals die Batteriezellspannung in positiver Orientierung oder die Batteriezellspannung in negativer Orientierung oder eine Spannung von 0 V anliegen kann. Dabei müssen hier die Sicherheitsaktorik und die Spannungseinstellungselektronik so ausgelegt werden, dass die eigensichere Batteriezelle mit einem Impedanzspektroskopiemodus, in dem eine Impedanzspektroskopie der Batteriezelle durchführbar ist, betrieben werden kann.
Bei einer sehr bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist der mit dem positiven Batteriepol direkt verbundene Leistungshalbleiter der ersten Spannungseinstellungsvorrichtung für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegt. Dabei ist der mit dem negativen Batteriepol direkt verbundene Leistungshalbleiter der ersten Spannungseinstellungsvorrichtung zum Leiten eines externen zwischen den Batteriezellterminals fließenden Stroms über einen batteriezellextern liegenden Strompfad vorgesehen. Vorzugsweise ist mindestens einer der zwei mit dem positiven oder negativen Batteriezellpol direkt verbundenen Leistungshalbleiter der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegt. Dabei sind die zwei mit dem negativen oder dem positiven Batteriepol direkt verbundenen Leistungshalbleiter der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung zum Leiten eines externen zwischen den Batteriezellterminals fließenden Stroms über einen batteriezellextern liegenden Strompfad vorgesehen.
Sehr vorteilhaft bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung mit der ersten und/oder der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung ist, dass die Durchführung einer Impedanzspektroskopie in sehr einfacher Weise ermöglicht werden kann, indem mindestens einer der Leistungshalbleiter der ersten und/oder zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegt ist und im aktiven Bereich betrieben werden kann, während solche zwischen den Batteriezellterminals fließende externe Ströme, die nicht über die Batteriezelle geleitet werden sollen, weiterhin direkt durch mindestens einen weiteren für den Schaltbetrieb ausgelegten und im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiterschalter der ersten und/oder zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung fließen können.
Die Batteriezelle der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung ist bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die funktionellen Merkmale der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung einzeln oder in Kombination.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mindestens ein in der Batteriezelleinrichtung angeordneter, für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegter und mit den Batteriezellpolen verbindbarer Leistungshalbleiterschalter in dem Impedanzspektroskopiemodus im aktiven Bereich betrieben und mit den Batteriezellpolen derartig verbunden, dass der mindestens eine Leistungshalbleiter ein linear arbeitendes Stellglied eines Regelkreises zur Regelung eines durch die Batteriezelle fließenden Stroms ausbildet. Bei dem Verfahren werden dem in dem Impedanzspektroskopiemodus realisierten Regelkreis als Sollwertvorgabe für die Messströme, mit denen die Batteriezelle in dem Impedanzspektroskopiemodus beaufschlagt wird, sinusförmige Stromverläufe bei unterschiedlichen Frequenzen vorgegeben.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer Traktionsbatterie,
2 ein Diagramm, dass die Fehlermechanismen einer aus dem Stand der Technik bekannten Lithium-Ionen-Batterie darstellt, die zu einem thermischen Durchgehen dieser Lithium-Ionen-Batterie führen können,
3 das Prinzipschaltbild eines aus dem Stand der Technik bekannten Batteriesystems mit einer aus mehreren Batteriezellen ausgebildeten Traktionsbatterie und einem Batteriemanagementsystem,
4 das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
5 ein Ablaufdiagramm einer modellbasierten Zustandsermittlung und Prädiktion, mit der die erfindungsgemäße Erkennung und/oder Vorhersage eines Batteriezellzustandes ausgeführt werden kann, nach einer Ausführungsform der Erfindung,
6 das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
7 das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Ausführungsformen der Erfindung
In der 4 ist das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinrichtung 221 nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Batteriezelleinrichtung 221 umfasst eine Batteriezelle 21, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batteriezelle. Ferner umfasst die Batteriezelleinrichtung 221 eine Sensorvorrichtung (Sensorik) 240 zur Erfassung physikalischer Größen zur Ermittlung des Zustandes der Batteriezelle, eine Zustandsermittlungsvorrichtung 250 (Batteriezellzustandserkennung und -prädiktion), die aus den Sensorsignalen den aktuellen Batteriezellzustand insbesondere hinsichtlich ihrer Sicherheit erkennt und auch das zukünftige Verhalten der Batteriezelle 21 vorhersagen beziehungsweise prädizieren kann, und eine Aktorvorrichtung (Sicherheitsaktorik) 260, mit der die Batteriezelle 21 beim Erkennen eines kritisch werdenden Batteriezellzustands in einen sicheren Betriebsmodus überführt werden kann.
Ferner können von der Batteriezelleinrichtung 221 Sicherheitsfunktionen 270 bereitgestellt werden, die die Batteriezelle 21 bei einem kritischen oder kritisch werdenden Batteriezellzustand sofort in einen sicheren Betriebsmodus überführen. Weiterhin kann von der Batteriezelleinrichtung 221 ein Impedanzspektroskopiemodus 275 bereitgestellt werden, in dem die Batteriezelle zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle 21 mit Messströmen, die durch die Batteriezelle 21 fließen und Wechselströme mit unterschiedlichen Frequenzen umfassen, beaufschlagt werden kann. Dabei ist die Sensorvorrichtung 240 dazu ausgebildet, die Batteriezellspannung zu erfassen und zu überwachen und einen durch die Batteriezelle fließenden Strom zu erfassen. Die Sensorvorrichtung 240 ist ferner dazu ausgebildet, die im Impedanzspektroskopiemodus 275 durch die Batteriezelle 21 fließenden Messströme und entsprechende Messspannungen, die jeweils eine als Antwort auf einen Messstrom entstehende Batteriezellspannung sind, derartig zu erfassen, dass aus den Messwerten der Messströme und der Messspannungen eine komplexe Impedanz der Batteriezelle 21 in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme innerhalb von vorbestimmten Toleranzgrenzen bestimmt werden kann.
Bevorzugt ist die Sensorvorrichtung 240 dazu ausgebildet, eine Batteriezelltemperatur und/oder auch einen Batteriezellinnendruck und/oder eine lineare Beschleunigung und/oder eine Drehbeschleunigung der Batteriezelle 21 zu erfassen.
Die Zustandsermittlungsvorrichtung 250 ist dazu ausgebildet, aus den von der Sensorvorrichtung 240 bereitgestellten Messwerten der Messströme und Messspannungen die Amplituden der Messströme und der Messspannungen sowie die Phasenverschiebungen zwischen den Messströmen und den entsprechenden Messspannungen zu bestimmen und aus den bestimmten Amplituden und Phasenverschiebungen die komplexe Impedanz der Batteriezelle 21 in Abhängigkeit der Frequenz der Messströme innerhalb der vorbestimmten Toleranzgrenzen zu bestimmen und aufzuzeichnen und die Abhängigkeit der komplexen Impedanz von der Frequenz der Messströme zur Gewinnung von Informationen über einen aktuellen oder künftigen Batteriezellzustand auszuwerten.
Die Aktorvorrichtung 260 ist dazu ausgebildet, den von der Batteriezelleinrichtung 221 bereitgestellten Impedanzspektroskopiemodus 275 zu aktivieren.
Die Aktorvorrichtung 260 ist ferner bevorzugt dazu ausgebildet, eine in der Batteriezelleinrichtung 221 angeordnete Entladevorrichtung (nicht separat dargestellt) zu aktivieren. Die Entladevorrichtung ist dazu ausgebildet, die Batteriezelle 21 mit geeigneten Entladeströmen zu entladen. Die Entladevorrichtung umfasst bevorzugt eine Schnellentladevorrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Batteriezelle mittels hoher Entladeströme nahe dem Kurzschlussstrom zu entladen.
Weiterhin ist die Aktorvorrichtung 260 bevorzugt dazu ausgebildet, auch einen in der Batteriezelleinrichtung 221 angeordneten Strombypass (nicht separat dargestellt) zu aktivieren, der dazu ausgebildet ist, im aktivierten Zustand einen zwischen den Batteriezellterminals 224, 225 fließenden Strom beider Polaritäten über einen batteriezellextern liegenden Strompfad umzuleiten.
Optional umfasst die erfindungsgemäße Batteriezelleinrichtung 221 eine Spannungseinstellungsvorrichtung (Schaltaktorik) 280, die dazu ausgebildet ist, die Ausgangsspannung der Batteriezelle 21 derartig zu schalten, dass die Batteriezelle 21 an den Batteriezellterminals 224, 225 die Batteriezellspannung in positiver Orientierung oder keine Spannung (0V) oder die Batteriezellspannung in negativer Orientierung abgeben kann.
Die Überwachungsvorrichtung 230 der in der 4 dargestellten erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung 221 umfasst die zuvor genannten elektronischen Komponenten (die Sensorvorrichtung 240, die Zustandsermittlungsvorrichtung 250, die Aktorvorrichtung 260 und bevorzugt auch die Spannungseinstellungsvorrichtung 280) und Funktionalitäten (beispielsweise die Sicherheitsfunktionen 270 und/oder der Impedanzspektroskopiemodus 275) der Batteriezelleinrichtung 221. Eine Batteriezelleinrichtung 221 nach der ersten Ausführungsform der Erfindung wird, wenn die Überwachungsvorrichtung 230 der Batteriezelleinrichtung 221 in der Batteriezelle 21 integriert wird, als elektrisch eigensichere Batteriezelle bezeichnet.
In der 5 ist das Ablaufdiagramm einer modellbasierten Zustandsermittlung und -prädiktion gezeigt, mit der die erfindungsgemäße Erkennung und/oder Vorhersage eines Batteriezellzustandes ausgeführt werden kann. Die Zustandsermittlung 510 wird an einer Batterie 20 durchgeführt, in der eine Mehrzahl der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen 221 angeordnet sein können. Die Zustandsermittlung 510 wird von der erfindungsgemäßen Zustandsermittlungsvorrichtung 250 durchgeführt, die als Beobachter fungiert und ein Batteriemodell 507 mit Parameteradaption implementiert. Wie in 5 gezeigt wird, erhält das Batteriemodell 507 aktuelle Messwerte von unterschiedlichen, die Batterie 20 betreffenden physikalischen Größen. Diese umfassen insbesondere einen aktuellen Batteriezellstrom I_Batt, eine Batteriezelltemperatur T_Batt, und einen Batteriezellinnendruck P_Batt. Die Batteriezellen 21 können dabei im Impedanzspektroskopiemodus 275 betrieben werden und mit einem Messstrom beaufschlagt werden, der in diesem Fall mit dem aktuellen Batteriezellstrom I_Batt übereinstimmt. Von der Zustandsermittlungsvorrichtung 250 wird mit Hilfe des Batteriemodells 507 ein aktueller Batteriezustand ermittelt. Das Batteriemodell 507 und der daraus ermittelte Zustand werden laufend anhand von aktuellen Messwerten überprüft. So kann beispielsweise eine geeignete modellbasierte Batteriezellspannung U_Mod mit einer gemessenen aktuellen Batteriespannung U_Batt verglichen werden. In diesem Fall kann anhand des Vergleichs und einer dabei festgestellten Abweichung das angewandte Batteriemodell 507 entsprechend angepasst werden.
Das Batteriemodell liefert außerdem Einschätzungen oder berechnete Werte über einen Ladezustand (SOC) 501, einen Alterungszustand (SOH) 502, und einen Sicherheitszustand 503, die zur Verarbeitung im Rahmen der Batteriezustandsprädiktion 511 als Eingangsgrößen an ein weiteres Batteriemodell 509 mit Zustandsprädiktion übergeben werden. Die Batteriezustandsprädiktion erhält ferner weitere für die Genauigkeit der Vorhersage relevante Informationen 508, die insbesondere Lastprofile und Randbedingungen umfassen. Beispielsweise können die Informationen gespeicherte Werte mit dem zeitlichen Verlauf eines Ladestroms I(t) enthalten, die als weiterer Parameter in das Batteriemodel 509 einfließen. Mit Hilfe des Batteriemodells 509 werden daraufhin die Eingangsdaten 501, 502, 503, I(t) verarbeitet und Vorhersagen ausgegeben. Insbesondere werden Vorhersagen über die Batterieleistung 504, die in der Batterie 20 gespeicherte oder gespeicherte Energie 505, den Funktionszustand (SOF) 506 der Batterie 20, oder den vorhersehbaren Sicherheitszustand 512 der Batterie 20 getätigt. So können der vorhersehbare Sicherheitszustand 512 oder der aktuelle Sicherheitszustand 503 Aufschluss darüber geben, ob ein normaler Betriebszustand der Batterie 20 vorliegt, oder ob sich die Batterie 20 in einem kritischen Zustand befindet.
In der 6 ist das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinrichtung 221 nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Batteriezelleinrichtung 221 umfasst eine Batteriezelle 21 und eine Überwachungsvorrichtung 230 zum Überwachen des Batteriezellzustands. Die Überwachungsvorrichtung 230 umfasst eine Schaltaktorik, die hier eine erste Spannungseinstellungsvorrichtung umfasst, die zum Einstellen einer an den Batteriezellterminals 224, 225 anliegenden Spannung, die der Batteriezellspannung in positiver Orientierung oder einer Spannung von 0V entspricht, vorgesehen ist.
Die erste Spannungseinstellungsvorrichtung ist aus einer Halbbrücke 290 mit zwei Leistungshalbleitern (Leistungshalbleiterschalter) 291 und 292 gebildet. Parallel zu den Leistungshalbleitern 291, 292 ist jeweils eine Diode 310 geschaltet, deren Durchlassrichtung entgegen der Durchlassrichtung des entsprechenden Leistungshalbleiters 291, 292 verläuft. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde nur eine der zwei Dioden der Halbbrücke 290 mit dem Bezugszeichen 310 versehen.
Der Leistungshalbleiter 291 der Halbbrücke ist an einem ersten Anschluss der Halbbrücke 290 direkt mit dem positiven Batteriezellpol 222 verbunden. Der andere Leistungshalbleiter 292 der Halbbrücke 290 ist an einem zweiten Anschluss der Halbbrücke 290 direkt mit dem negativen Batteriezellpol 223 verbunden. Diese Halbbrücke 290 ist ferner an einem Mittelanschluss direkt mit einem ersten Batteriezellterminal 224 der Batteriezelleinrichtung 221 verbunden. Der mit dem negativen Batteriezellpol 223 verbundene zweite Anschluss der Halbbrücke 290 ist ferner auch mit einem zweiten Batteriezellterminal 225 verbunden.
Die Batteriezelleinrichtung 221 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Schnellentladevorrichtung (UFDD) 320, die eine zwischen dem positiven Batteriezellpol 222 und dem negativen Batteriezellpol 223 angeschlossene Serienschaltung aus einem Leistungshalbleiter (Leistungshalbleiterschalter) 321 und einem Widerstand 322 aufweist. Die Schnellentladevorrichtung 320 ist in der Batteriezelleinrichtung 221 zum Entladen der Batteriezelle 21 mittels eines durch die Schnellentladevorrichtung 320 fließenden Entladestromes vorgesehen.
Die Überwachungsvorrichtung 230 der erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtung 221 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst ferner eine zwischen den Batteriezellpolen 222, 223 angeschlossene Überwachungseinheit 231, die eine nicht separat dargestellte Ansteuervorrichtung (Ansteuerschaltung) für die Ansteuerung der drei Leistungshalbleiter 291, 292, 321 umfasst.
Die Leistungshalbleiter 291, 292 der Halbbrücke 290 können mittels der Ansteuervorrichtung derartig angesteuert werden, dass diese im Schaltbetrieb arbeiten. Dabei können die im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiter 291, 292 derartig mittels der Ansteuervorrichtung geschaltet werden, dass die Batteriezelle 21 an den Batteriezellterminals 224, 225, die Batteriezellspannung in positiver oder eine Spannung von 0 V abgeben kann.
Der Leistungshalbleiter (Leistungshalbleiterschalter) 321 der Schnellentladevorrichtung 320 kann mittels der Ansteuervorrichtung im Schalbetrieb derartig angesteuert werden, dass die Batteriezelle 21 mittels eines durch die Schnellentladevorrichtung 320 fließenden Entladestromes nahe des Kurzschlussstromes entladen werden kann.
Die Leistungshalbleiter 291, 292 der ersten Spannungseinstellungsvorrichtung und/oder der Leistungshalbleiter 321 der Schnellentladevorrichtung 320 können jeweils als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ausgebildet sein.
Wenn die Überwachungsvorrichtung 230 der Batteriezelleinrichtung 221 in der Batteriezelle 21 integriert ist, bildet die Batteriezelleinrichtung 221 nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung eine elektrisch eigensichere Batteriezelle mit schaltbarer Ausgangsspannung und Schnellentladevorrichtung aus.
Um mit der in der 6 dargestellten Anordnung eine Impedanzspektroskopie durchführen zu können, müssen entweder der Leistungshalbleiter 321 in der Schnellentladevorrichtung 320 und/oder mindestens einer der Leistungshalbleiter 291, 292 der Halbbrücke 290 so ausgelegt sein, dass der Leistungshalbleiter im aktiven Bereich betrieben werden kann. Um einen Leistungshalbleiter im aktiven Bereich betreiben können, muss die Ansteuervorrichtung der Batteriezelleinrichtung 221 nach der zweiten Ausführungsform so ausgelegt sein, dass sie den mindestens einen für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegten Leistungshalbleiterschalter linear ansteuern kann. Dies ist bei Standardansteuerungen üblicherweise nicht der Fall, da Leistungshalbleiter üblicherweise nur im Schaltbetrieb genutzt werden. Der Mehraufwand für eine lineare Ansteuerung von Leistungshalbleitern ist allerdings gering.
Mittels des mindestens einen im aktiven Bereich ansteuerbaren Leistungshalbleiters der Leistungshalbleiter 291, 292, 321 kann eine Stromregelung realisiert werden. Mit Hilfe des aktiv betriebenen Leistungshalbleiters wird dann ein linear arbeitendes Stellglied bereitgestellt, mit dessen Hilfe ein Stromregelkreis für den Strom, der durch die Batteriezelle (der elektrochemische Teil der Batteriezelleinrichtung) 21 fließt, realisiert wird.
Falls der direkt mit dem positiven Batteriezellpol 222 verbundene Leistungshalbleiter 291 der Halbbrücke 290 für den Betrieb im aktiven Bereich (Aktivbetrieb) ausgelegt ist, kann die Batteriezelle 21 gegebenenfalls über den Leistungshalbleiter 292 im Strombypass für die Führung der externen Ströme (Bypassströme) betrieben werden, oder umgekehrt, falls der direkt mit dem negativen Batteriezellpol 223 verbundene Leistungshalbleiter 292 der Halbbrücke 290 für die Impedanzspektroskopie genutzt wird.
Zur Durchführung der Impedanzspektroskopie wird dem mittels des mindestens einen im aktiven Bereich betriebenen Leistungshalbleiters realisierten Stromregelkreis als Sollwertvorgabe für den Batteriezellstrom sinnvollerweise ein sinusförmiger Stromverlauf vorgegeben. Zur Erfassung des Batteriezellstromes und der Spannungsantwort der Batteriezelle 21 wird eine in der Überwachungseinheit 231 angeordnete und hier nicht separat dargestellte Sensorvorrichtung (Sensorik) der Batteriezelleinrichtung 221 eingesetzt. Aus der Amplitude des Verlaufes der Batteriezellstromes, der Phasenverschiebung, und der Amplitude der Spannungsantwort der Batteriezelle 21 kann der komplexe Innenwiderstand der Batteriezelle 21 über der Frequenz bevorzugt mittels einer in der Überwachungseinheit 231 angeordneten und nicht separat dargestellten Zustandsermittlungsvorrichtung der Batteriezelleinrichtung (Batteriezellzustandserkennung und -prädiktion) 221 bestimmt und/oder aufgezeichnet werden. Aus dem Verlauf der Impedanz über der Frequenz können wichtige Informationen über den Batteriezellzustand gewonnen werden.
In der 7 ist das Prinzipschaltbild einer Batteriezelleinrichtung 221 nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Diese Batteriezelleinrichtung 221 umfasst eine Batteriezelle 21 und eine Überwachungsvorrichtung 230 zum Überwachen des Batteriezellzustandes. Die Überwachungsvorrichtung 230 umfasst eine Schaltaktorik, die hier eine zweite Spannungseinstellungsvorrichtung umfasst, die zum Einstellen einer an den Batteriezellterminals 224, 225 anliegenden Spannung, die der Batteriezellspannung in positiver Orientierung oder negativer Orientierung entspricht, vorgesehen ist.
Die zweite Spannungseinstellungsvorrichtung ist aus zwei Halbbrücken 290, 300 mit jeweils zwei Leistungshalbleitern (Leistungshalbleiterschalter) gebildet. Die eine Halbbrücke 290 umfasst die Leistungshalbleiter 291 und 292. Die andere Halbbrücke 300 umfasst die Leistungshalbleiter 301 und 302. Die beiden Halbbrücken 290, 300 bilden zusammen eine Vollbrückenschaltung mit vier Leistungshalbleitern 291, 292, 301, 302. Parallel zu den Leistungshalbleitern 291, 292, 301, 302 ist jeweils eine Diode 310 geschaltet, deren Durchlassrichtung entgegen der Durchlassrichtung des entsprechenden Leistungshalbleiters verläuft. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde nur eine Diode pro Halbbrücke 290, 300 mit dem Bezugszeichen 310 versehen.
Der Leistungshalbleiter 291 der einen Halbbrücke 290 ist an einem ersten Anschluss der einen Halbbrücke 290 direkt mit dem positiven Batteriezellpol 222 verbunden. Ferner ist der andere Leistungshalbleiter 292 der einen Halbbrücke 290 an einem zweiten Anschluss der einen Halbbrücke 290 direkt mit dem negativen Batteriezellpol 223 verbunden. Diese eine Halbbrücke 290 ist ferner an einem Mittelanschluss direkt mit einem ersten Ausgangsterminal 224 der Batteriezelleinheit 221 verbunden.
Der Leistungshalbleiter 301 der anderen Halbbrücke 300 ist an einem ersten Anschluss dieser anderen Halbbrücke 300 direkt mit dem positiven Batteriezellpol 222 verbunden. Ferner ist der andere Leistungshalbleiter 302 der anderen Halbbrücke 300 an einem zweiten Anschluss dieser anderen Halbbrücke 300 direkt mit dem negativen Batteriezellpol 223 verbunden. Diese andere Halbbrücke ist ferner an einem Mittelanschluss direkt mit einem zweiten Ausgangsterminal 225 der Batteriezelleinheit 221 verbunden.
Die Batteriezelleinheit 221 nach der dritten Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Schnellentladevorrichtung (UFDD) 320, die eine zwischen dem positiven Batteriezellpol 222 und dem negativen Batteriezellpol 223 angeschlossene Serienschaltung aus einem Leistungshalbleiter (Leistungshalbleiterschalter) 321 und einem Widerstand 322 aufweist. Die Schnellentladevorrichtung 320 ist in der Batteriezelleinheit 221 zum Entladen der Batteriezelle 21 mittels eines durch die Schnellentladevorrichtung 310 fließenden Entladestromes vorgesehen.
Die Überwachungsvorrichtung der erfindungsgemäße Batteriezelleinheit 221 umfasst ferner eine zwischen den Batteriezellpolen 222, 223 angeschlossene Überwachungseinheit 231, die eine nicht separat dargestellte Ansteuervorrichtung (Ansteuerschaltung) für die Ansteuerung der fünf Leistungshalbleiter 291, 292, 301, 302, 321 umfasst.
Die Leistungshalbleiter 291, 292, 301, 302 können mittels der Ansteuervorrichtung derartig angesteuert werden, dass diese im Schaltbetrieb arbeiten. Dabei können die im Schaltbetrieb arbeitenden Leistungshalbleiter 291, 292, 301, 302 derartig mittels der Ansteuervorrichtung geschaltet werden, dass die Batteriezelle 21 an den Batteriezellterminals 224, 225 die Batteriezellspannung in positiver oder negativer Orientierung abgeben kann.
Der Leistungshalbleiter (Leistungshalbleiterschalter) 321 der Schnellentladevorrichtung 320 kann mittels der Ansteuervorrichtung im Schaltbetrieb derartig angesteuert werden, dass die Batteriezelle 21 mittels eines durch die Schnellentladevorrichtung 310 fließenden Entladestromes nahe des Kurzschlussstromes entladen werden kann.
Die Leistungshalbleiter 291, 292, 301, 302 der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung und/oder der Leistungshalbleiter 321 der Schnellentladevorrichtung 320 können jeweils als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) ausgebildet sein.
Wenn die Überwachungsvorrichtung 230 der Batteriezelleinrichtung 221 in der Batteriezelle 21 integriert ist, bildet die Batteriezelleinrichtung 221 nach der dritten Ausführungsform der Erfindung eine elektrisch eigensichere Batteriezelle mit umpolbarer Ausgangsspannung und Schnellentladevorrichtung aus.
Um mit der in der 7 dargestellten Anordnung eine Impedanzspektroskopie durchführen zu können, müssen entweder der Leistungshalbleiter 321 in der Schnellentladevorrichtung 320 oder mindestens einer der Leistungshalbleiter 291, 292, 301, 202 der Vollbrückenschaltung so ausgelegt sein, dass dieser Leistungshalbleiter im aktiven Bereich betrieben werden kann. Um ein Leistungshalbleiter im aktiven Bereich betreiben können, muss die Ansteuervorrichtung auch bei der Batteriezelleinrichtung 221 nach der dritten Ausführungsform der Erfindung so ausgelegt sein, dass sie den mindestens einen für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegten Leistungshalbleiter linear ansteuern kann.
Mittels des mindestens einen im aktiven Bereich ansteuerbaren Leistungshalbleiters der Leistungshalbleiter 291, 292, 301, 202, 321 kann auch hier eine Stromregelung realisiert werden. Mit Hilfe des aktiv betriebenen Leistungshalbleiters wird dann ein linear arbeitendes Stellglied bereitgestellt, mit dessen Hilfe auch hier ein Stromregelkreis für den Strom, der durch die Batteriezelle (der elektrochemische Teil der Batteriezelleinrichtung) 21 fließt, realisiert wird. Diesem Strom kann gegebenenfalls noch ein externer Strom (Bypassstrom) überlagert sein, welcher zwischen den Batteriezellterminals direkt durch die Leistungshalbleiter der Vollbrückenschaltung fließt, ohne über die Batteriezelle 21 geleitet zu werden.
Falls einer der direkt mit dem positiven Batteriezellpol 222 verbundenen Leistungshalbleiterschalter 291, 301 der Vollbrückenschaltung für den Betrieb im aktiven Bereich (Aktivbetrieb) ausgelegt ist, kann die Batteriezelle 21 gegebenenfalls über die direkt mit dem negativen Batteriezellpol 223 verbundenen Leistungshalbleiterschalter 292, 302 der Vollbrückenschaltung im Strombypass für die Führung der externen Ströme (Bypassströme) betrieben werden, oder umgekehrt, falls einer der direkt mit dem negativen Batteriezellpol 223 verbundenen Leistungshalbleiterschalter 292, 302 der Vollbrückenschaltung für die Impedanzspektroskopie genutzt wird.
Zur Durchführung der Impedanzspektroskopie wird auch hier dem mittels des mindestens einen im aktiven Bereich betriebenen Leistungshalbleiters realisierten Stromregelkreis als Sollwertvorgabe für den Batteriezellstrom in sinnvoller Weise ein sinusförmiger Stromverlauf vorgegeben. Zur Erfassung des Batteriezellstromes und der Spannungsantwort der Batteriezelle 21 wird eine in der Überwachungseinheit 231 angeordnete und nicht separat dargestellte Sensorvorrichtung (Sensorik) der Batteriezelleinrichtung 221 eingesetzt. Aus der Amplitude des Verlaufes der Batteriezellstromes, der Phasenverschiebung, und der Amplitude der Spannungsantwort der Batteriezelle 21 kann der komplexe Innenwiderstand der Batteriezelle 21 über der Frequenz bevorzugt mittels einer in der Überwachungseinheit 231 angeordneten und nicht separat dargestellten Zustandsermittlungsvorrichtung der Batteriezelleinrichtung (Batteriezellzustandserkennung und -prädiktion) 221 bestimmt und/oder aufgezeichnet werden.
Durch die erfindungsgemäße Batteriezelleinrichtung 221 nach der zweiten oder der dritten Ausführungsform der Erfindung (die in den 6 und 7 dargestellten Anordnungen) kann mittels einer Impedanzspektroskopie der komplexe Innenwiderstand der Batteriezelle 21 über der Frequenz bestimmt und/oder aufgezeichnet werden. Aus dem Verlauf der Impedanz über der Frequenz können wichtige Informationen über den Batteriezellzustand gewonnen werden. Beispielsweise kann aus dem Verlauf der Impedanz über der Frequenz auch erkannt werden, wenn die beiden Elektroden einer Batteriezelle 21 asymmetrisch altern.
Dieser Alterungseffekt kann über eine Kapazitätsmessung der Batteriezelle 21 nicht oder nur sehr bedingt festgestellt werden. Wenn die Batteriezelle 21 eine Lithium-Ionen-Batteriezelle ist, kann eine schnellere Alterung der Anode, die bei Vorliegen einer schnelleren als erwartet fortschreitenden Kapazitätsminderung erkannt werden kann, beispielsweise dazu führen, dass der Ladestromgrenzwert für die Vermeidung von Lithiumablagerung (Lithium-Plating) zu hoch angesetzt wird, und die Lithium-Ionen-Batteriezelle auch bei Strömen unterhalb des ermittelten Grenzwertes schon eine Lithiumablagerung (Lithium-Plating) aufweist. Dies kann dann ein Wachstum von batteriezellintern liegenden Dendriten bewirken, was zu einer Beschädigung des Separators der Lithium-Ionen-Batteriezelle führen kann, die einen batteriezellintern liegenden elektrischen Kurzschluss hervorrufen kann. Infolge eines solchen batteriezellintern liegenden Kurzschlusses kann eine lokale Erwärmung der betroffenen Batteriezelle auftreten, die zu einem thermisches Durchgehen (Thermal Runaway) dieser Batteriezelle führen kann.
Mit den erfindungsgemäßen Batteriezelleinrichtungen 221 nach der zweiten oder der dritten Ausführungsform der Erfindung (die in den 6 und 7 dargestellten Anordnungen) kann bei geeigneter Auslegung der Ansteuervorrichtung bezüglich der Ansteuerung der Leistungshalbleiter und der zur Erfassung des Batteriezellstroms und der Batteriezellspannung eingesetzten Sensorvorrichtung (Sensorik) auf sehr einfache Art und Weise eine Impedanzspektroskopie durchgeführt werden. Damit stehen der Zustandsermittlungsvorrichtung wesentlich bessere Informationen über den Batteriezellzustand zur Verfügung, als es gemäß dem heutigen Stand der Technik möglich ist. Diese Information kann genutzt werden, um die Qualität der Batteriezustandserkennung und -prädiktion zu verbessern und/oder die Sicherheit einer Batteriezelle 21 beziehungsweise eines Batteriesystems mit einer Batterie mit mehreren solchen Batteriezellen 21 zu erhöhen.
Neben der voranstehenden schriftlichen Offenbarung wird hiermit zur weiteren Offenbarung der Erfindung ergänzend auf die Darstellung in den 1 bis 7 Bezug genommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 26262 [0019]

Claims

Batteriezelleinrichtung (221) mit einer Batteriezelle (21) und einer Überwachungsvorrichtung (230) zum Überwachen des Zustandes der Batteriezelle (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsvorrichtung (230) eine Aktorvorrichtung (260), die ausgelegt ist, einen Impedanzspektroskopiemodus (275) der Batteriezelleinrichtung (221) zu aktivieren, in dem die Batteriezelle (21) zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie mit Messströmen beaufschlagt werden kann, die Wechselströme mit unterschiedlichen Frequenzen umfassen, und ferner eine Sensorvorrichtung (240) umfasst, die ausgebildet ist, die Messströme und die entsprechenden, als Antwort auf die Messströme auftretenden Batteriezellspannungen als Messspannungen derartig zu erfassen, dass aus den Messwerten der Messströme und der Messspannungen eine komplexe Impedanz der Batteriezelle (21) in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme innerhalb von vorbestimmten Toleranzgrenzen bestimmt werden kann.
Batteriezelleinrichtung (221) nach Anspruch 1, wobei die Sensorvorrichtung (240) dazu ausgebildet ist, die Messströme und die Messspannungen innerhalb von vorbestimmten Toleranzgrenzen gleichzeitig und/oder jeweils mit einer vorbestimmten Widerholungsrate zu erfassen und/oder die Messungen der Messströme und der Messspannungen jeweils mit einer vorbestimmten Messgenauigkeit durchzuführen.
Batteriezelleinrichtung (221) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Überwachungsvorrichtung (230) eine Zustandsermittlungsvorrichtung (250) umfasst, die dazu ausgebildet ist, anhand einer Auswertung der von der Sensorvorrichtung bereitgestellten Messwerte der Messströme und Messspannungen die Amplituden der Messströme und der Messspannungen sowie die Phasenverschiebungen zwischen den Messströmen und den entsprechenden Messspannungen zu bestimmen, aus den bestimmten Amplituden und Phasenverschiebungen die komplexe Impedanz der Batteriezelle (21) in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme innerhalb der vorbestimmten Toleranzgrenzen zu bestimmen, die komplexe Impedanz der Batteriezelle (21) in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme aufzuzeichnen, und die Abhängigkeit der komplexen Impedanz von der Frequenz der Messströme vorzugsweise zur Gewinnung von Informationen über einen aktuellen oder künftigen Batteriezellzustand auszuwerten.
Batteriezelleinrichtung (221) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Überwachungsvorrichtung (230) eine Schnellentladevorrichtung (320) umfasst, die zum Entladen der Batteriezelle (21) mit einem vorbestimmten Entladestrom vorgesehen ist und einen mit den Batteriezellpolen (222, 223) verbundenen Leistungshalbleiter (321) aufweist, und/oder eine erste Spannungseinstellungsvorrichtung umfasst, die zum Einstellen einer an den Batteriezellterminals anliegenden Spannung, die der Batteriezellspannung in positiver Orientierung oder einer Spannung von 0 V entspricht, vorgesehen ist und eine Halbbrücke (290) mit zwei Leistungshalbleitern (291, 292), die jeweils mit einem anderen der Batteriezellpole (222, 223) direkt verbunden sind, aufweist, und/oder eine zweite Spannungseinstellungsvorrichtung umfasst, die zum Einstellen einer an den Batteriezellterminals (224, 225) anliegenden Spannung, die der Batteriezellspannung in positiver oder negativer Orientierung entspricht, vorgesehen ist und zwei Halbbrücken (290, 300) mit jeweils zwei Leistungshalbleitern (291, 292, 301, 302), die jeweils mit einem anderen der Batteriezellpole (222, 223) direkt verbunden sind, aufweist, wobei der Leistungshalbleiter (321) der Schnellentladevorrichtung (320) und/oder mindestens einer der Leistungshalbleiter (291, 292, 301, 302) der ersten oder der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegt sind und die Überwachungsvorrichtung (230) weiter eine Ansteuervorrichtung umfasst, die dazu ausgebildet ist, im aktivierten Impedanzspektroskopiemodus (275) den entsprechend ausgelegten Leistungshalbleiter (321) der Schnellentladevorrichtung (320) und/oder den mindestens einen entsprechend ausgelegten Leistungshalbleiter (291, 292, 301, 302) der ersten und/oder der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung im aktiven Bereich und als linear arbeitendes Stellglied zu betreiben, mittels dem ein Regelkreis zur Regelung eines durch die Batteriezelle (221) fließenden Stroms realisierbar ist, wobei dem Regelkreis als Sollwertvorgabe für die Messströme, mit denen die Batteriezelle (221) in dem Impedanzspektroskopiemodus (275) beaufschlagt werden kann, sinusförmige Stromverläufe bei unterschiedlichen Frequenzen vorgebbar sind.
Batteriezelleinrichtung (221) nach Anspruch 4, wobei der mit dem positiven Batteriepol (223) direkt verbundene Leistungshalbleiter (291) der ersten Spannungseinstellungsvorrichtung für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegt ist und der mit dem negativen Batteriepol (223) direkt verbundene Leistungshalbleiter (292) der ersten Spannungseinstellungsvorrichtung zum Leiten eines über einen batteriezellextern liegenden Strompfad zwischen den Batteriezellterminals (224, 225) fließenden externen Stromes vorgesehen ist, oder wobei mindestens einer der zwei mit dem positiven Batteriezellpol (224) oder dem negativen Batteriezellpol (225) direkt verbundenen Leistungshalbleiter (291, 301, 292, 302) der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung für den Betrieb im aktiven Bereich ausgelegt ist und die zwei mit dem negativen Batteriezellpol (224) oder dem positiven Batteriepol (225) direkt verbundenen Leistungshalbleiter (291, 301, 292, 302) der zweiten Spannungseinstellungsvorrichtung zum Leiten eines über einen batteriezellextern liegenden Strompfad zwischen den Batteriezellterminals (224, 225) fließenden externen Stromes vorgesehen sind.
Verfahren zur Bestimmung einer komplexen Impedanz einer in einer Batteriezelleinrichtung (221) angeordneten Batteriezelle (21), dadurch gekennzeichnet, dass die Batteriezelle (21) in einem mittels einer in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordneten Aktorvorrichtung (260) aktivierten Impedanzspektroskopiemodus (275) der Batteriezelleinrichtung (221) betrieben wird, in dem die Batteriezelle (21) zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle mit Messströmen beaufschlagt wird, die Wechselströme mit unterschiedlichen Frequenzen umfassen, und die Messströme und die entsprechenden, durch die Messströme entstandenen Batteriezellspannungen als Messspannungen derartig mittels einer in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordneten Sensorvorrichtung (240) erfasst werden, dass aus den mittels der Sensorvorrichtung bereitgestellten Messwerten der Messströme und der Messspannungen eine aktuelle komplexe Impedanz der Batteriezelle (21) in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme innerhalb von vorbestimmten Toleranzgrenzen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Messströme und die Messspannungen innerhalb von vorbestimmten Toleranzgrenzen gleichzeitig und/oder jeweils mit einer vorbestimmten Widerholungsrate mittels der Sensorvorrichtung (240) erfasst werden und/oder die Messungen der Messströme und der Messspannungen jeweils mit einer vorbestimmten Messgenauigkeit mittels der Sensorvorrichtung durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei mittels einer in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordnete Zustandsermittlungsvorrichtung (250) anhand einer Auswertung der von der Sensorvorrichtung (250) bereitgestellten Messwerte der Messströme und Messspannungen die Amplituden der Messströme und der Messspannungen sowie die Phasenverschiebungen zwischen den Messströmen und den entsprechenden bestimmt werden, aus den bestimmten Amplituden und Phasenverschiebungen die komplexe Impedanz der Batteriezelle (21) in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme innerhalb der vorbestimmten Toleranzgrenzen bestimmt wird, die komplexe Impedanz der Batteriezelle (21) in Abhängigkeit von der Frequenz der Messströme insbesondere aufgezeichnet wird, und die Abhängigkeit der komplexen Impedanz der Batteriezelle (21) von der Frequenz der Messströme vorzugsweise zur Gewinnung von Informationen über einen aktuellen oder künftigen Batteriezellzustand ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei in dem Impedanzspektroskopiemodus (275) mindestens ein in der Batteriezelleinrichtung (221) angeordneter und mit den Batteriezellpolen (223, 224) verbindbarer Leistungshalbleiter (291, 292, 301, 302, 321) im aktiven Bereich betrieben und mit den Batteriezellpolen (223, 224) derartig verbunden wird, dass der mindestens eine Leistungshalbleiter (291, 292, 301, 302, 321) ein linear arbeitendes Stellglied ausbildet, mittels dem ein Regelkreis zur Regelung eines durch die Batteriezelle fließenden Stroms realisiert wird, wobei dem Regelkreis als Sollwertvorgabe für die Messströme, mit denen die Batteriezelle (21) in dem Impedanzspektroskopiemodus (275) beaufschlagt wird, sinusförmige Stromverläufe bei unterschiedlichen Frequenzen vorgegeben werden.
Fahrzeug mit einem Batteriesystem mit einer Batterie mit mehreren Batteriezelleinrichtungen (221) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.