DE102014012542A1

DE102014012542A1 - Verfahren zum Bestimmen eines Betriebszustands eines Batteriesystems

Info

Publication number: DE102014012542A1
Application number: DE102014012542.4A
Authority: DE
Inventors: Dana Köhn; Michael Werner; Dominik Schwichtenhövel; Josef Kallo; Alexander Bauder
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Betriebszustands eines Batteriesystems (2), das mehrere miteinander verschaltete Einzelzellen aufweist, bei dem ein Testgerät (15) mit einem Pluspol sowie mit einem Minuspol des gesamten Batteriesystems (2) verbunden wird und das gesamte Batteriesystem (24) mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter, dessen zeitlicher Verlauf einer periodische Winkelfunktion mit einer einstellbaren Frequenz entspricht, beaufschlagt wird, wobei für den ersten elektrischen Betriebsparameter mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen eingestellt werden, wobei ein zweiter elektrischer Betriebsparameter des gesamten Batteriesystems (2), der sich in Reaktion auf den ersten elektrischen Betriebsparameter frequenzabhängig ergibt, gemessen wird, und wobei aus den beiden elektrischen Betriebsparametern frequenzabhängig ein dritter elektrischer Betriebsparameter ermittelt wird, von dessen Wert der zu bestimmende Betriebszustand des gesamten Batteriesystems (2) abgeleitet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Testgerät zum Bestimmen eines Betriebszustands eines Batteriesystems.
Batterien bzw. Akkumulatoren werden in unterschiedlichen mobilen und/oder autonomen technischen Einrichtungen eingesetzt, um diese mit elektrischer Energie versorgen zu können. Um deren Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, ist es u. a. erforderlich, Betriebsparameter und/oder Betriebszustände derartiger Batterien zu überwachen.
Diesbezüglich ist aus der Druckschrift DE 10 2011 119 005 A1 ein Verfahren zur Ermittlung zumindest einer Kenngröße einer Einzelzelle oder eines Zellverbunds einer Batterie bekannt. Hierbei wird die Batterie mit einem Strompuls beaufschlagt und aus einem daraus resultierenden Spannungsverlauf ein Innenwiderstand ermittelt.
Aus der Druckschrift US 2010/0060240 A1 ist ein Verfahren zum Regeln einer Ladung einer wiederaufladbaren Batterie bekannt. Ein Verfahren zum Erkennen eines sogenannten Gesundheitszustands einer Sekundärbatterie ist in der Druckschrift US 2007/0236225 A1 beschrieben. Ein System zum Bestimmen eines Ladungszustands eines Energiespeichers ist in der Druckschrift FR 2 877 096 A1 beschrieben. Ein Verfahren zum Bestimmen einer Ladungsmenge, die aus einer Speicherbatterie bezogen werden kann, ist aus der Druckschrift US 2004/0095.143 A1 bekannt. Ein weiteres derartiges Verfahren ist in der Druckschrift US 2004/0130297 A1 beschrieben. Ein Verfahren zum Bestimmen eines Gesundheitszustands einer Batterie ist aus der Druckschrift US 6 469 512 B2 bekannt. Die Druckschrift US 6 215 312 B1 beschreibt speziell ein Verfahren zum Analysieren einer AGZN-Batterie. Außerdem sind aus der Druckschrift EP 1 088 240 B1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Kapazität einer Batterie bekannt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein Batteriesystem, das mehrere untereinander verschaltete Einzelzellen umfasst, einen Betriebszustand und/oder eine Betriebssituation zu ermitteln.
Zur Lösung der Aufgabe werden ein Verfahren und ein Testgerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen des Verfahrens und des Testgeräts gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Bestimmen eines Betriebszustands eines Batteriesystems, das mehrere miteinander verschaltete Einzelzellen aufweist, ausgebildet. Hierbei wird ein Testgerät mit einem für alle Einzelzellen des gesamten Batteriesystems gemeinsamen Pluspol sowie mit einem für alle Einzelzellen des gesamten Batteriesystems gemeinsamen Minuspol verbunden und das gesamte Batteriesystem mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter, dessen zeitlicher Verlauf einer periodischen Winkelfunktion mit einer einstellbaren Frequenz entspricht, beaufschlagt, wobei sämtliche Einzelzellen zugleich mit diesem ersten elektrischen Betriebsparameter zugleich beaufschlagt werden. Dabei werden für den ersten elektrischen Betriebsparameter mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen eingestellt, wobei die mindestens zwei Frequenzen des ersten elektrischen Betriebsparameters nacheinander eingestellt werden. Außerdem wird ein zweiter elektrischer Betriebsparameter des gesamten Batteriesystems und somit sämtlicher Einzelzellen, der sich in Reaktion auf den ersten elektrischen Betriebsparameter frequenzabhängig ergibt, gemessen. Aus den beiden elektrischen Betriebsparametern wird frequenzabhängig ein dritter elektrischer Betriebsparameter des Batteriesystems bzw. sämtlicher Einzelzellen durch Impedanzspektroskopie ermittelt, von dessen Wert der zu bestimmende Betriebszustand des gesamten Batteriesystems und somit sämtlicher Einzelzellen des Batteriesystems abgeleitet wird.
In ergänzender Ausgestaltung ist vorgesehen, für mindestens eine Einzelzelle einen dritten elektrischen Betriebsparameter individuell zu ermitteln. Hierzu ist die mindestens eine Einzelzelle individuell mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter zu beaufschlagen und für die mindestens eine Einzelzelle ein resultierender zweiter elektrischer Betriebsparameter individuell zu messen. Sämtliche nachfolgend beschriebenen Schritte, die für sämtliche Einzelzellen des Batteriesystems durchgeführt werden, sind in dieser Ausgestaltung für die mindestens eine Einzelzelle individuell durchzuführen. Somit ist für lediglich eine Einzelzelle aber auch für mehrere Einzelzellen der dritte elektrische Betriebsparameter bestimmbar.
Durch die im Rahmen des Verfahrens durchführbaren Maßnahmen ist es möglich, den Betriebszustand des gesamten Batteriesystems und separat davon einen Betriebszustand mindestens einer Einzelzelle, in der Regel von jeder Einzelzelle zu bestimmen. Ferner ist der Betriebszustand des gesamten Batteriesystems unter Berücksichtigung von Betriebszuständen einzelner Einzelzellen genauer zu ermitteln.
Zum Beaufschlagen des Batteriesystems mit dem ersten elektrischen Betriebsparameter wird ein Strom als erster elektrischer Betriebsparameter durch das gesamte Batteriesystem geleitet. Als der zweite elektrische Betriebsparameter wird sodann eine an dem Batteriesystem in Reaktion auf den ersten Betriebsparameter, d. h. den Strom, anliegende Spannung gemessen. Alternativ hierzu wird zum Beaufschlagen des Batteriesystems mit dem ersten elektrischen Betriebsparameter an dem gesamten Batteriesystem eine Spannung als der erste Betriebsparameter angelegt. Als der zweite elektrische Betriebsparameter wird sodann ein durch das Batteriesystem in Reaktion auf die Spannung fließender Strom gemessen.
Als der dritte elektrische Betriebsparameter wird aus den beiden anderen Betriebsparametern ein innerer Widerstand und somit eine Impedanz des gesamten Batteriesystems berechnet und somit ermittelt. Der zeitliche Verlauf des ersten elektrischen Betriebsparameters ist sinusförmig bzw. cosinusförmig.
Für mindestens einen Betriebsparameter des Batteriesystems, bevor dieses mit dem ersten elektrischen Betriebsparameter beaufschlagt wird, wird ein definierter Wert eingestellt. Dieser mindestens eine Betriebsparameter wird im Folgenden als der mindestens eine definiert eingestellte Betriebsparameter bezeichnet. Der definiert eingestellte Betriebsparameter ist in Ausgestaltung eine Ladung des Batteriesystems, wobei die Ladung bspw. auf einen hierfür vorgesehenen Wert eingestellt wird. Alternativ wird eine Temperatur des Batteriesystems als der definiert eingestellte Betriebsparameter vorgegeben. Ferner ist es in Ausgestaltung möglich, für sämtliche Einzelzellen mindestens einen Betriebsparameter der jeweiligen Einzelzellen jeweils auf einen gemeinsamen konstanten Wert einzustellen, wodurch unter den Einzelzellen bspw. eine Angleichung der Spannung (Cell Balancing) zu erreichen ist. Ein für sämtliche Einzelzellen jeweils auf einen konstanten Wert einzustellender Betriebsparameter wird als konstant einzustellender Einzelzellen-Betriebsparameter bezeichnet.
In weiterer Ausgestaltung wird das Batteriesystem nach einer Ruhephase mit dem ersten elektrischen Betriebsparameter beaufschlagt.
Demnach wird das Batteriesystem ausgehend von dem mindestens einen eingestellten Betriebsparameter in einen Ladezustand mit einem bestimmten Wert versetzt.
Zusätzlich ist es möglich, eine Kapazität und somit eine Ladung des Batteriesystems als weiteren elektrischen Betriebsparameter zu ermitteln, wobei das Batteriesystem ausgehend von einem oberen Grenzwert der Spannung mit einem konstanten Strom entladen wird, bis eine erste Einzelzelle einen unteren Grenzwert für die Spannung erreicht hat, wobei die Kapazität durch Integration des geflossenen Stroms über die Zeit bestimmt wird. Hierbei kann für mindestens einen weiteren Betriebsparameter des Batteriesystems, bevor dieses entladen wird, ein definierter Wert eingestellt werden.
Das Batteriesystem weist mindestens zwei Einzelzellen auf, die in Reihe oder zueinander parallel geschaltet sind. Bei in Reihe geschalteten Einzelzellen ist jeweils ein Pluspol einer Einzelzelle mit einem Minuspol einer benachbarten Einzelzelle verbunden. Mehrere Batteriesysteme, die jeweils mehrere in Reihe geschalteten Einzelzellen umfassen, wobei diese Batteriesysteme zueinander parallel geschaltet sind, können auch als Teil-Batteriesysteme bezeichnet werden, die zueinander parallel geschaltet wiederum als ein gesamtes Batteriesystem zu bezeichnen sind. Bei zueinander parallel geschalteten Teil-Batteriesystemen sind Pluspole dieser Teil-Batteriesysteme mit einem gemeinsamen Pluspol des gesamten Batteriesystems und Minuspole dieser Teil-Batteriesysteme mit einem gemeinsamen Minuspol des gesamten Batteriesystems verbunden. Zu mehreren in Reihe geschalteten Einzelzellen, die als Teil-Batteriesysteme zu bezeichnen sind, kann mindestens eine Einzelzelle parallel geschaltet sein.
Mindestens eine voranstehend beschriebene Maßnahme, die für das gesamte Batteriesystem und somit für sämtliche Einzelzellen gemeinsam durchgeführt wird, wird in ergänzender Ausgestaltung für mindestens eine einzelne Einzelzelle individuell durchgeführt.
Demnach ist es möglich, zusätzlich das Testgerät mit einem Pluspol sowie mit einem Minuspol der mindestens einen Einzelzelle zu verbinden und mit dem ersten elektrischen Betriebsparameter, d. h. einem Strom oder einer Spannung, dessen zeitlicher Verlauf einer periodischen Winkelfunktion mit einer einstellbaren Frequenz entspricht, zu beaufschlagen, einen resultierenden zweiten elektrischen Betriebsparameter, d. h. eine Spannung oder einen Strom, für diese Einzelzelle zu messen und daraus den dritten elektrischen Betriebsparameter für diese Einzelzelle frequenzabhängig zu ermitteln, von dessen Wert der zu bestimmende Betriebszustand des gesamten Batteriesystems ergänzend abgeleitet wird.
Bei einem Verfahren zum Bestimmen eines Betriebszustands einer Einzelzelle wird das Testgerät mit einem Pluspol sowie mit einem Minuspol der Einzelzelle verbunden und die Einzelzelle mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter, dessen zeitlicher Verlauf einer periodischen Winkelfunktion mit einer einstellbaren Frequenz entspricht, beaufschlagt, wobei für den ersten elektrischen Betriebsparameter mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen eingestellt werden, wobei ein zweiter elektrischer Betriebsparameter der Einzelzelle, der sich in Reaktion auf den ersten elektrischen Betriebsparameter frequenzabhängig ergibt, gemessen wird, und wobei aus den beiden elektrischen Betriebsparametern frequenzabhängig ein dritter elektrischer Betriebsparameter ermittelt wird, von dessen Wert der zu bestimmende Betriebszustand der Einzelzelle abgeleitet wird.
Auch in dieser Ausführungsform wird für mindestens einen Betriebsparameter der Einzelzelle als der mindestens eine definiert eingestellte Betriebsparameter, bevor diese mit dem ersten elektrischen Betriebsparameter beaufschlagt wird, ein definierter Wert eingestellt. Außerdem ist auch für die mindestens eine Einzelzelle zusätzlich deren Kapazität bzw. Ladung als elektrischer Betriebsparameter zu ermitteln.
In diesem Fall wird die Kapazität einer Einzelzelle durch Extrapolation einer Spannung, die für die Einzelzelle als zweiter elektrischer Betriebsparameter gemessen wird, ermittelt. Insgesamt ist durch Überwachen sämtlicher miteinander verschalteter Einzelzellen des Betriebssystems der Betriebszustand des gesamten Batteriesystems zu ermitteln. Zusätzlich ist es möglich, für mindestens eine Einzelzelle und somit auch für jede Einzelzelle individuell deren Betriebszustand zu ermitteln.
Das erfindungsgemäße Testgerät ist zum Bestimmen eines Betriebszustands eines Batteriesystems, das mehrere miteinander verschaltete Einzelzellen aufweist, und somit zur Durchführung mindestens eines Schritts des vorgestellten Verfahrens ausgebildet. Hierbei ist das Testgerät mit einem Pluspol sowie mit einem Minuspol des gesamten Batteriesystems zu verbinden. Das gesamte Batteriesystem ist von dem Testgerät mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter, dessen zeitlicher Verlauf einer periodischen Winkelfunktion mit einer einstellbaren Frequenz entspricht, zu beaufschlagen, wobei für den ersten elektrischen Betriebsparameter mit dem Testgerät mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen einzustellen sind. Ein zweiter elektrischer Betriebsparameter des gesamten Batteriesystems, der sich in Reaktion auf den ersten elektrischen Betriebsparameter frequenzabhängig ergibt, ist von dem Testgerät zu messen. Von dem Testgerät ist aus den beiden elektrischen Betriebsparametern frequenzabhängig ein dritter elektrischer Betriebsparameter zu ermitteln, durch dessen Wert von dem Testgerät der zu bestimmende Betriebszustand des gesamten Batteriesystems abzuleiten ist.
Das Testgerät weist mindestens zwei Kontaktstempel mit Kontaktelementen auf, wobei ein Kontaktelement eines ersten Kontaktstempels mit dem Pluspol und ein Kontaktelement eines zweiten Kontaktstempels mit dem Minuspol des gesamten Batteriesystems leitend zu verbinden ist. Es ist jedoch auch möglich, das Kontaktelement eines ersten Kontaktstempels mit einem Pluspol einer ausgewählten Einzelzelle und das Kontaktelement eines zweiten Kontaktstempels mit einem Minuspol derselben ausgewählten Einzelzelle zu verbinden. Dabei werden die Kontaktelemente mit gleichmäßiger Anpresskraft auf den Pluspol sowie den Minuspol gedrückt. Jeder Kontaktstempel umfasst neben dem Kontaktelement eine Mutter, die über ein Isolierelement voneinander elektrisch isoliert sind. Der erste elektrische Betriebsparameter ist dem Batteriesystem oder zumindest einer Einzelzelle über die Muttern der beiden Kontaktstempel bereitzustellen und der zweite elektrische Betriebsparameter ist über das jeweilige Kontaktelement, das mit dem Pluspol bzw. Minuspol in Kontakt ist, abzugreifen und zu messen.
Eine Halteplatte als Komponente des Testgeräts ist relativ zu sämtlichen Polen der Einzelzellen des Batteriesystems ortsfest zu positionieren, wobei die Halteplatte mindestens ein Langloch, in der Regel zwei Langlöcher, aufweist, mit dem die Kontaktstempel aufzunehmen sind, wobei jeder Kontaktstempel entlang des mindestens einen Langlochs zu verschieben und an einer bestimmten Position entlang des Langlochs zu fixieren ist.
Außerdem weist jeder Kontaktstempel eine Druckfeder auf, wobei jeder Kontaktstempel durch Beaufschlagen der Druckfeder an dem mindestens einen Langloch zu fixieren ist. Ferner ist das Kontaktelement jedes Kontaktstempels durch Beaufschlagen der Druckfeder relativ zu einem Pol des Batteriesystems zu bewegen und/oder zu positionieren.
In weiterer Ausgestaltung umfasst das Testgerät ein mit den Kontaktstempeln verbundenes Kontrollgerät, das dazu ausgebildet ist, den ersten elektrischen Betriebsparameter bereitzustellen, den zweiten elektrischen Betriebsparameter zu messen und aus diesen beiden Betriebsparametern den dritten Betriebsparameter zu berechnen. Dieses Kontrollgerät ist ferner dazu ausgebildet, mindestens einen Schritt des voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens zu kontrollieren und somit zu steuern und/oder zu regeln. Zudem weist das Kontrollgerät mindestens eine elektrische Energiequelle zum Bereitstellen des ersten elektrischen Betriebsparameters sowie mindestens ein Messmodul zum Messen des zweiten elektrischen Betriebsparameters auf.
Das Testgerät ist weiterhin zum Bestimmen eines Betriebszustands einer Einzelzelle geeignet, wobei das Testgerät mit einem Pluspol sowie mit einem Minuspol der Einzelzelle des Batteriesystems zu verbinden und mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter, dessen zeitlicher Verlauf einer periodische Winkelfunktion mit einer einstellbaren Frequenz entspricht, zu beaufschlagen ist, wobei für den ersten elektrischen Betriebsparameter mit dem Testgerät mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen einzustellen sind. Ein zweiter elektrischer Betriebsparameter, der sich in Reaktion auf den ersten elektrischen Betriebsparameter für die Einzelzelle frequenzabhängig, d. h. für jeweils eine der mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen ergibt, ist von dem Testgerät zu messen. Aus den beiden elektrischen Betriebsparametern ist frequenzabhängig, d. h. jeweilig für eine der mindestens zwei Frequenzen, ein dritter elektrischer Betriebsparameter für die Einzelzelle zu ermitteln, von dessen Wert von dem Testgerät der zu bestimmende Betriebszustand der Einzelzelle abzuleiten ist.
Mit dem Verfahren ist eine Bestimmung des Betriebszustands, üblicherweise eines sogenannten Gesundheitszustands, anhand des Innenwiderstands und der Kapazität der Einzelzellen in dem Batteriesystem und des gesamten Batteriesystems möglich. Dabei ist zudem eine Parametrierung eines elektrischen Ersatzschaltbilds des Batteriesystems für eine simulative Anwendung vorgesehen. Der Betriebs- bzw. Gesundheitszustand ist objektiv bzw. unabhängig von einer Betriebssoftware des Batteriesystems zu bestimmen, wobei der Betriebszustand für alle Einzelzellen simultan gemessen wird, wodurch eine Zeitersparnis zu erreichen ist. Hierzu ist nicht erforderlich, das Batteriesystem zu zerlegen, weshalb die Einzelzellen bei Durchführung des Verfahrens miteinander verschaltet bleiben, so dass eine Kontrolle bzw. Überwachung eines Batteriesystems, das in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist, möglich ist.
Das vorgesehene Verfahren umfasst in Ausgestaltung zwei Teilverfahren, nämlich ein erstes Teilverfahren zum Bestimmen des Innenwiderstands und ein zweites Teilverfahren zum Bestimmen der Kapazität, wobei mindestens eines dieser Teilverfahren zur Bestimmung des Betriebszustands vorgesehen ist.
Bei dem auf die Bestimmung des Innenwiderstands vorgesehen Teilverfahren ist das beschriebene Impedanzspektroskopieverfahren für das Batteriesystem vorgesehen, das durch ein Powerpulsverfahren ergänzt werden kann.
Bei dem ersten Teilverfahren zur Bestimmung des Innenwiderstands wird das Impedanzspektroskopieverfahren verwendet. Hierbei wird das Batteriesystem in einen ersten, definierten Zustand überführt, wobei als Faktoren für Betriebsparameter und/oder Betriebsbedingungen eine Vollladung, ein Cell Balancing, eine Temperierung und eine Ruhephase des Batteriesystems eingestellt werden. Ausgehend von diesem ersten Zustand wird für das Batteriesystem ein bestimmter Ladungszustand bzw. Ladezustand als zweiter Zustand eingestellt, für den der Innenwiderstand des Batteriesystems und der Einzelzellen bestimmt wird. Hierbei werden nach einer Relaxationsphase durch Aufprägen eines sinusförmigen Stroms oder einer Spannung als erster elektrischer Betriebsparameter auf das gesamte Batteriesystem die Einzelzellen vermessen. Dazu wird als zweiter elektrischer Betriebsparameter die resultierende Spannung oder der resultierende Strom als Antwort der Einzelzellen auf das zuvor bereitgestellte Signal des ersten elektrischen Betriebsparameters, d. h. entweder des Stroms oder der Spannung, aufgezeichnet. Während der Messung wird die Frequenz des ersten elektrischen Betriebsparameters variiert. Aus einer Vorgabe eines Werts und/oder Verlaufs des ersten elektrischen Betriebsparameters als einer dem Batteriesystem aufgeprägten Größe und einem Wert und/oder Verlauf des zweiten elektrischen Betriebsparameters als Antwort auf den aufgeprägten ersten elektrischen Betriebsparameter werden die Größen eines elektrischen Ersatzschaltbilds für die Einzelzellen abgeleitet, wobei systemseitige bzw. batteriesystemseitige Einflüsse auf die Einzelzellen herausgerechnet werden.
Hierbei ist u. a. vorgesehen, durch Bestimmen eines Stroms, der durch eine Einzelzelle aufgrund einer an der Einzelzelle anliegenden Spannung fließt, deren Innenwiderstand zu bestimmen, wobei ein Ladungszustand von Einzelzellen, die zu der zu untersuchenden Einzelzelle benachbart sind, berücksichtigt wird.
Bei ergänzender Durchführung einer Bestimmung des Innenwiderstands nach dem Powerpulsverfahren werden in der Betriebssoftware des Batteriesystems die Zellspannungsgrenzen ebenfalls auf ein definiertes Niveau, üblicherweise auf ein maximales, laut Hersteller angegebenes Niveau erhöht bzw. erweitert. Zudem werden die zulässigen Höhen des Stroms auf ein definiertes Niveau erhöht bzw. erweitert, wobei hierbei ebenfalls ein laut Hersteller maximal zulässiges und/oder angegebenes Niveau einstellbar ist. Danach wird das Batteriesystem in einen ersten, definierten Zustand überführt, wobei als Faktoren für Betriebsparameter und/oder Betriebsbedingungen eine Vollladung, ein Cell Balancing, eine Temperierung und eine Ruhephase des Batteriesystems berücksichtigt werden. Von diesem ersten Zustand ausgehend wird für das Batteriesystem ein zweiter, bestimmter Zustand bzw. Ladungszustand (state of charge, SOC) eingestellt, für den der Innenwiderstand des Batteriesystems und der jeweiligen Einzelzellen bestimmt wird. Nach einer Relaxations- und/oder Ruhephase wird auf das Batteriesystem ein gepulster Strom gegeben und für jede Einzelzelle ein resultierender Wert einer Spannung als Spannungsantwort der Einzelzellen ermittelt und/oder aufgenommen. Aus einem Wert des Pulses des Stroms und dem Wert der resultierenden Spannung wird der Innenwiderstand jeder Einzelzelle und des gesamten Batteriesystems berechnet. Diesbezüglich ist es möglich, bei einem Puls des fließenden Stroms und somit bei einem Strompuls eine Temperatur und einen Ladezustand der jeweiligen Einzelzelle zu variieren.
Zusätzlich wird aus der Antwort des gesamten Batteriesystems auf das Impedanzspektroskopieverfahren und auf das eventuell ergänzend durchzuführende Powerpulsverfahren eine Zustandsbestimmung für das gesamte Batteriesystem und somit zugleich und/oder simultan für sämtliche Einzelzellen abgeleitet.
Bei der Impedanzspektroskopie bzw. dem Impedanzspektroskopieverfahren wird statt eines Strompulses I(t) auf einer Ebene des gesamten Batteriesystems das gesamte Batteriesystems mit einem sinus- bzw. cosinusförmigen elektrischen Betriebsparameter, entweder einem Strom I·sin(tω) oder einer Spannung U·sin(tω) bei verschiedenen Frequenzen ω beaufschlagt und ein resultierendes Ergebnis hinsichtlich des als Gesundheitszustand (state of health, SOH) zu bezeichnenden Betriebszustands bzw. zur generellen Bestimmung des Betriebszustands batteriesystembasiert und einzelzellenbasiert ausgewertet. Im Gegensatz zu einem einfachen Strompuls sind bei Durchführung der Impedanzspektroskopie aus einem Impedanzspektrum weitaus mehr Informationen über das gesamte Batteriesystem ablesbar.
Zudem ist im Rahmen einer Ausgestaltung des Verfahrens eine sich für jede einzelne Einzelzelle ergebende Entladung zu bestimmen, wodurch bspw. durch Extrapolation der Spannungen jeder Einzelzelle die Kapazität jeder Einzelzelle zu bestimmen ist.
Bei Durchführung des Teilverfahrens zur Bestimmung der Kapazität bzw. Ladung des Batteriesystems und somit einer kapazitiven Bestimmung des Betriebs- bzw. Gesundheitszustands werden in einer Betriebssoftware des Batteriesystems Zellspannungsgrenzen der Einzelzellen auf ein definiertes Niveau, bspw. auf maximale Zellspannungsgrenzen, die laut einem Hersteller vorgegeben sind, erweitert. Dann wird das Batteriesystem in einen definierten Zustand überführt, wobei als Faktoren für elektrische Betriebsparameter und/oder Betriebsbedingungen eine Vollladung, ein Cell Balancing, eine Temperierung und eine Ruhephase des Batteriesystems berücksichtigt werden. Die Vollladung des gesamten Batteriesystems ist dabei auf die Ladung der Einzelzellen bezogen. In einem weiteren Schritt wird das gesamte Batteriesystem ausgehend von einer oberen Zellspannungsgrenze bzw. Grenze für die Zellspannung mit einem konstanten Strom solange entladen, bis von einer ersten Einzelzelle eine untere Zellspannungsgrenze erreicht wird. Während der Entladung wird durch Integration des bei der Entladung fließenden Stroms über die Zeit die entnommene Kapazität bzw. Ladung des Batteriesystems bestimmt.
Eine Ausführungsform des Verfahrens ist im Rahmen einer Diagnose des Batteriesystems bei einem Werkstattaufenthalt eines Kraftfahrzeugs, das dieses Batteriesystem erfasst, zur objektiven Bestimmung von dessen Wert für den Betriebszustand anwendbar, wobei ein Zustand des Kraftfahrzeugs von dem Wert des Betriebszustands des Batteriesystems abhängig ist.
Hierbei wird zu einer Umsetzung des Verfahrens das vorgestellte objektive, externe Testgerät bzw. eine externe Messvorrichtung statt einem dem Batteriesystem zugeordneten Batteriemanagementsystem verwendet. Durch Beaufschlagen des Batteriesystems mit einer daran angebrachten Last bei laufendem Betrieb des Kraftfahrzeugs ist das Verfahren zur Diagnose des Batteriesystems auch betriebsbegleitend durchführbar. Hierzu ist ein entsprechendes Eingangssignal des jeweiligen elektrischen Betriebsparameters zu generieren. Das Verfahren ist für Batteriesysteme unterschiedlicher Fahrzeuge, bspw. für Kraftfahrzeuge, wie Personen- und/oder Nutzfahrzeuge oder für andere Fahrzeuge, bspw. für Elektrofahrräder oder für Luft- und Raumfahrzeuge, mit derartigen Batteriesystemen anwendbar.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Beispiel für ein Batteriesystem bei Durchführung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein zweites Beispiel für ein Batteriesystem bei Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Testgeräts aus drei verschiedenen Perspektiven in schematischer Darstellung.
4 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines Kontaktstempels als Komponente des Testgeräts aus 3 sowie ein Detail dieses Kontaktstempels.
5 in schematischer Darstellung einen Positionsbolzen als Komponente des Testgeräts aus 3.
6 zeigt ein Distanzmodul als Komponente des Testgeräts aus 3.
7 zeigt in schematischer Darstellung das Testgerät aus 3 sowie ein drittes Beispiel eines Batteriesystems aus unterschiedlichen Perspektiven in schematischer Darstellung.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Gleichen Komponenten sind figurenübergreifend dieselben Bezugsziffern zugeordnet.
Das in 1 schematisch dargestellte erste Beispiel eines Batteriesystems 2 umfasst hier vier Einzelzellen 4a, 4b, 4c, 4d, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Dabei weist jede Einzelzelle 4a, 4b, 4c, 4d einen Pluspol 6a, 6b, 6c, 6d sowie einen Minuspol 8a, 8b, 8c, 8d auf. Hierbei ist vorgesehen, dass ein Minuspol 8a einer ersten Einzelzelle 4a über ein Kontaktelement 10 mit einem Pluspol 6b einer zweiten Einzelzelle 4b verbunden ist. Ein Minuspol 8b dieser zweiten Einzelzelle 4b ist über ein Kontaktelement 10 mit einem Pluspol 6c einer dritten Einzelzelle 4c verbunden. Außerdem ist ein Minuspol 8c der dritten Einzelzelle 4c mit einem Pluspol 6d einer vierten bzw. letzten Einzelzelle 4d entlang der Reihe aus Einzelzellen 4a, 4b, 4c, 4d ebenfalls über ein Kontaktelement 10 verbunden. Demnach sind alle vier Einzelzellen 4a, 4b, 4c, 4d innerhalb des Batteriesystems 2 elektrisch in Reihe geschaltet. Als Pluspol des gesamten Batteriesystems 2 ist hier ein Pluspol 6a der ersten Einzelzelle 4a vorgesehen, wohingegen ein Minuspol 8d der vierten Einzelzelle 4d als Minuspol des gesamten Batteriesystems 2 vorgesehen ist.
Bei Durchführung einer Ausführungsform des Verfahrens ist es möglich, eine an jeder Einzelzelle 4a, 4b, 4c, 4d anliegende Spannung als elektrischen Betriebsparameter der jeweiligen Einzelzelle 4a, 4b, 4c, 4d abzugreifen. Hierzu wird, wie explizit anhand der zweiten Einzelzelle 4b gezeigt, ein Spannungsmessgerät 12 als Messmodul mit dem Pluspol 6b sowie mit dem Minuspol 8b dieser zweiten Einzelzelle 4b verbunden. Um einzelne Spannungen der anderen Einzelzellen 4a, 4c, 4d individuell zu messen, ist das Spannungsmessgerät 12 mit dem jeweiligen Pluspol 6a, 6c, 6d und dem jeweiligen Minuspol 8a, 8c, 8d der jeweiligen Einzelzelle 4a, 4c, 4d zu verbinden.
Um einen elektrischen Betriebsparameter des gesamten Betriebssystems 2 im Rahmen der Ausführungsform des Verfahrens zu messen, sind der Pluspol 6a der ersten Einzelzelle 4a sowie der Minuspol 4d der vierten bzw. letzten Einzelzelle 4d mit einem Kontrollgerät 14 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Testgeräts 15 zu verbinden. Dem gesamten Betriebssystems 2 ist bei der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens über das Kontrollgerät 14 des Testgeräts 15 ein erster elektrischer Betriebsparameter, entweder ein Strom oder eine Spannung, bereitzustellen, dessen zeitlicher Verlauf einer periodischen Winkelfunktion, bspw. einer Sinusfunktion oder Cosinusfunktion, mit einer veränderlich vorgegebenen Frequenz entspricht. In Reaktion auf den ersten elektrischen Betriebsparameter mit dem periodischen Verlauf wird für das gesamte Batteriesystem 2 ein zweiter elektrischer Betriebsparameter, entweder eine Spannung oder ein Strom, gemessen. Auf Grundlage des bereitgestellten ersten elektrischen Betriebsparameters sowie des gemessenen zweiten elektrischen Betriebsparameters ist als dritter elektrischer Betriebsparameter bspw. ein Kontaktwiderstand zu ermitteln. In der hier vorgestellten Ausführungsform sind das Spannungsmessgerät 12 und das Kontrollgerät 14 sowie Zuleitungen des Spannungsmessgeräts 12 und des Kontrollgeräts 14 zu Pluspolen 6a, 6b, und Minuspolen 8b, 8d des Betriebssystems 2 als Komponenten der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Testgeräts 15 vorgesehen.
2 zeigt in schematischer Darstellung ein zweites Beispiel eines Batteriesystems 16, das hier zwei nebeneinander parallel angeordnete und/oder geschaltete Teil-Batteriesysteme 2a, 2b aufweist, die jeweils wie das erste Beispiel des Batteriesystems 2 aus 1 ausgebildet sind.
Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wird in 2 auf eine detaillierte Zuordnung von Bezugsziffern zu einzelnen Komponenten der einzelnen Teil-Batteriesysteme 2a, 2b verzichtet. In 2 sind lediglich ein Pluspol 18a und ein Minuspol 20a des ersten Teil-Batteriesystems 2a und ein Pluspol 18b sowie ein Minuspol 20b des zweiten Teil-Batteriesystems 2b explizit mit Bezugsziffern versehen. Bei der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Kontrollgerät 22 einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Testgeräts 23 über eine erste Zuleitung mit den beiden Pluspolen 18a, 18b der beiden Teil-Batteriesysteme 2a, 2b und über eine zweite Zuleitung mit den beiden Minuspolen 20a, 20b der beiden Teil-Batteriesysteme 2a, 2b verbunden. Auch hier ist vorgesehen, dass bei Durchführung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens den beiden Teil-Batteriesystemen 2a, 2b und somit auch dem gesamten Batteriesystem 16 von dem Kontrollgerät 22 des Testgeräts 23 ein erster elektrischer Betriebsparameter, bspw. eine Spannung oder ein Strom, dessen bzw. deren Verlauf einem Verlauf einer periodischen Winkelfunktion entspricht, beaufschlagt und ein Verlauf eines resultierenden zweiten Betriebsparameters, bspw. entsprechend eines Stroms oder einer Spannung, als Antwort auf den ersten Betriebsparameter gemessen.
Die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Testgeräts 24 ist in 3a von oben dargestellt, wobei hierbei eine Halteplatte 26 sowie zwei Kontaktstempel 28a, 28b jeweils von oben dargestellt sind.
3b zeigt das Testgerät 24 in Schnittansicht entlang einer Linie IIIb-IIIb aus 3a. Hierbei sind neben der Halteplatte 26 und den beiden Kontaktstempeln 28a, 28b als weitere Komponenten des Testgeräts 24 ein erster Positionsbolzen 30a sowie ein erstes Distanzmodul 32a zu erkennen.
In 3c ist das Testgerät 24 von unten dargestellt, wobei hier neben dem ersten Positionsbolzen 30a auch ein zweiter Positionsbolzen 30b sowie neben dem ersten Distanzmodul 32a auch ein zweites Distanzmodul 32b erkennbar sind. Ferner umfasst das Testgerät 24 bzw. eine Messvorrichtung hier ein Kontrollgerät 29 mit mindestens einer elektrischen Energiequelle zur Bereitstellung eines ersten elektrischen Betriebsparameters und mindestens einem Messmodul zur Messung eines zweiten elektrischen Betriebsparameters, wobei dieses Kontrollgerät 29 mit der Halteplatte 26 verbunden ist.
Ein derartiger Kontaktstempel 28 ist in 4a von der Seite dargestellt. In 4b ist ein Kontaktstift 34 als Teil des Kontaktstempels 28 dargestellt. In 5 ist ein Positionsbolzen 30 und in 6 ein Distanzmodul 32 jeweils von der Seite vergrößert schematisch dargestellt.
In 7a ist neben der dritten Ausführungsform des Testgeräts 24 ein drittes Beispiel für ein Batteriesystem 36 schematisch von der Seite dargestellt. In 7b ist ein kreisförmiger Ausschnitt VIIb aus 7a vergrößert dargestellt. In 7c ist das auf dem Batteriesystem 36 aufgesetzte Testgerät 24 schematisch von oben dargestellt.
Die Halteplatte 26 als erste Komponente des Testgeräts 24 ist hier rechteckig ausgebildet und weist zwei längliche, zueinander parallel angeordnete bzw. verlaufende Langlöcher 36a, 36b auf. Außerdem sind auf einer Oberseite der Halteplatte 26 vier Ausnehmungen 38a, 38b, 38c, 38d angeordnet. Dabei befinden sich eine erste und eine dritte Ausnehmung 38a, 38c an einem Rand einer ersten rechten Breitseite der Halteplatte 26, wohingegen eine zweite und eine dritte Ausnehmung 38b, 38d am Rand einer der ersten Breitseite gegenüberliegenden zweiten Breitseite der Halteplatte 26 angeordnet sind. Außerdem sind hier das erste Langloch 36a sowie die erste und die zweite Ausnehmung 38a, 38b entlang einer ersten Linie angeordnet. Das zweite Langloch 36b sowie die zweite Ausnehmung 38c und die vierte Ausnehmung 38d sind hier entlang einer zweiten Linie hintereinander angeordnet, wobei beide besagten Linien zueinander parallel angeordnet sind.
Der in 4b schematisch dargestellte Kontaktstift 34 des Kontaktstempels 28 weist hier an einem unteren Ende ein Kontaktelement 40 sowie an einem oberen Ende einen Kontaktkopf 42 auf. Wie 4a zeigt, ist der Kontaktstift 34 von weiteren Komponenten des Kontaktstempels 28 umschlossen. Dabei ist auf dem Kontaktelement 40 ein Isolierungselement 44 für einen Messeinsatz, auf dem Isolierungselement 44 eine Mutter 46, auf der Mutter 46 eine Druckfeder 48, auf der Druckfeder 48 eine Führungsbuchse 50, über der Führungsbuchse 50 eine Spannscheibe 52, über der Spannscheibe 52 eine Flanschmutter 54 und über der Flanschmutter 54 ein Kugelgriff 56 angeordnet. Dabei ist der Kugelgriff 56 auf dem Kontaktkopf 42 aufgesetzt. Der rotationssymmetrische Kontaktstift 34 durchquert jeweils eine Öffnung des Isolierungselement 44, der Mutter 46, der Druckfeder 48, der Führungsbuchse 50, der Spannscheibe 52 sowie der Flanschmutter 54. Ferner weisen die Führungsbuchse 50 und die Spannscheibe 52 jeweils einen Flansch auf. Ein Körper der Führungsbuchse 50 ist zwischen dessen Flansch und dem Flansch der Spannscheibe 52 angeordnet.
In der hier vorgestellten Ausführungsform werden die Mutter 46 sowie die Führungsbuchse 50 durch die dazwischen angeordnete, entspannte Druckfeder 48 auseinander gedrückt bzw. voneinander weggedrückt, wobei die Führungsbuchse 50 in Richtung der Spannscheibe 52 gedrückt wird. Außerdem weist der Kontaktkopf 42 obenseitig ein Innenvierkant auf, in das ein hier nicht dargestelltes Außenvierkant, das von einer Wandung des Kugelgriffs 56 umschlossen ist, eingreifen kann, wodurch der Kontaktstift 34 über den Kugelgriff 56 gedreht werden kann. Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Länge der Druckfeder 48 verkürzt werden kann, wenn der am Kontaktknopf 42 befestigte Kugelgriff 56 nach oben gezogen wird. Somit ist ein Abstand zwischen dem Flansch der Spannscheibe 52 und dem Flansch der Führungsbuchse 50 zu vergrößern.
Wie aus 3b hervorgeht, sind die Führungsbuchsen 50a, 50b der beiden hier gezeigten Kontaktstempel 28a, 28b innerhalb des ersten Langlochs 36a angeordnet, wobei jeweils ein Flansch einer Spannscheibe 52a, 52b auf der Oberseite der Halteplatte 26 aufliegt. Dagegen ist jeweils ein Flansch einer Führungsbuchse 50a, 50b eines Kontaktstempels 28a, 28b in einer umlaufenden Rille 59a, 59b an einem Übergang zwischen einer Unterseite der Halteplatte 26 in einem jeweiligen Langloch 36a, 36b aufgenommen bzw. aufzunehmen, wobei bei vollständig entspannter Druckfeder 48a, 48b, die in diesem Zustand eine maximale Länge aufweist, jeweils ein Langloch 36a, 36b obenseitig von einem Flansch jeweils einer Spannscheibe 52a, 52b und untenseitig von einem Flansch jeweils einer Führungsbuchse 50a, 50b eingeklemmt bzw. einzuklemmen ist. Somit ist jeweils ein Kontaktstempel 28a, 28b entlang einer für ihn vorgesehenen Position entlang eines jeweiligen Langlochs 36a, 36b positioniert bzw. zu positionieren. Falls ein Kugelgriff 56a, 56b nach oben gezogen wird, wird eine jeweilige Druckfeder 48a, 48b gespannt und deren Länge verringert. Dadurch ergibt sich wiederum, dass der Abstand jeweils eines Flansches einer Spannscheibe 52a, 52b sowie einer Führungsbuchse 50a, 50b vergrößert wird und ein jeweiliger Kontaktstempel 28a, 28b entlang eines jeweiligen Langlochs 36a, 36b verschiebbar bzw. zu verschieben ist, wobei der Kontaktstempel 28a, 28b ausgehend von einer ursprünglichen Position entlang eines Langlochs 36a, 36b zu einer neuen Position verschoben werden kann. Sobald der Kontaktstempel 28a, 28b an der für ihn vorgesehenen neuen Position entlang eines jeweiligen Langlochs 36a, 36b angeordnet bzw. anzuordnen ist, kann der Kugelgriff 56a, 56b wieder freigegeben werden, wodurch die Druckfeder 48a, 48b entspannt wird und wieder ihre ursprüngliche Länge einnimmt, wobei ein jeweiliges Langloch 36a, 36b wieder zwischen den beiden Flanschen einer jeweiligen Führungsbuchse 50a, 50b und einer jeweiligen Spannscheibe 52a, 52b eingeklemmt wird bzw. einzuklemmen ist.
Außerdem ist es möglich, einen Kontaktstempel 28, 28a, 28b auseinanderzubauen. Hierzu sind der Kugelgriff 56, 56a, 56b von dem Kontaktstift 34 zu entfernen, die Flanschmutter 54, 54a, 54b abzuschrauben sowie die Spannscheibe 52, 52a, 52b zu entfernen. Ein derart auseinandergebauter Kontaktstempel 28, 28a, 28b ist aus einem Langloch 36a, 36b zu entnehmen und in ein anderes einzusetzen. Ein auseinandergebauter Kontaktstempel 28, 28a, 28b, der in diesem Zustand nur den Kontaktstift 34, das Isolierungselement 44, 44a, 44b, die Mutter 46, 46a, 46b, die Druckfeder 48, 48a, 48b und die Führungsbuchse 50, 50a, 50b umfasst, ist nach Anordnen in einem Langloch 36a, 36b durch Aufsetzen der Spannscheibe 52, 52a, 52b auf der Führungsbuchse 50, 50a, 50b, durch Aufschrauben der Spannscheibe 52, 52a, 52b und Aufsetzen des Kugelgriffs 56, 56a, 56b auf dem Kontaktstift 34 wieder zusammenzubauen und bei gespannter Druckfeder 48, 48a, 48b entlang eines Langlochs 36a, 36b zu positionieren und an einer vorgesehenen Position durch Entspannen der zuvor noch gespannten Druckfeder 48, 48a, 48b zu fixieren.
Bei Durchführung des Verfahrens wird an der Mutter 46, 46a, 46b, die von dem Kontaktelement 40, 40a, 40b durch das Isolierungselement 44, 44a, 44b, getrennt und somit isoliert ist, als Last der erste elektrische Betriebsparameter, d. h. der Strom oder die Spannung, bereitgestellt. Ein Wert des zweiten elektrischen Betriebsparameters, d. h. der Spannung oder des Stroms, als Antwort auf die Last, wird am Kontaktelement 40, 40a, 40b abgegriffen und somit gemessen.
Ein Positionsbolzen 30, 30a, 30b ist rotationssymmetrisch ausgebildet und umfasst von unten nach oben einen Fußabschnitt 58, 58a, 58b, einen Positionierungsabschnitt 60, 60a, 60b einen Halsabschnitt 62, 62a und einen Gewindeabschnitt 64, 64a (3 und 5). Ein Distanzmodul 32, 32a, 32b umfasst einen quaderförmigen Fußabschnitt 66, 66a, 66b sowie einen quaderförmigen Distanzabschnitt 68, 68a, 68b, der an seiner Oberseite ein Loch 70, 70a aufweist (3 und 6).
Wie die 3 und 7 zeigen, umfasst die Ausführungsform des Testgeräts 24 hier zwei Positionsbolzen 30a, 30b, die an zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken der Halteplatte 26 angeordnet sind. Außerdem umfasst die hier vorgestellte Ausführungsform des Testgeräts 24 auch zwei Distanzmodule 32a, 32b, die ebenfalls an zwei diagonal gegenüberliegenden Ecken der Halteplatte 26 angeordnet sind.
Das hier vorgestellte Beispiel des Batteriesystems 36 umfasst mehrere, in Reihe geschaltete Einzelzellen, die in einem Gehäuse 86 des Batteriesystems 36 angeordnet sind, wobei jeweils eine Einzelzelle jeweils einen Pluspol 74b, 74c, 74d, 74e, 74f, 74g, 74h, 74i, 74j, 74k und einen Minuspol 76a, 76b, 76c, 76d, 76e, 76f, 76g, 76h, 76i, 76j, 76k aufweist. Dabei ist ein Minuspol 76a, 76b, 76c, 76d, 76e, 76f, 76g, 76h, 76i, 76j, 76k einer Einzelzelle mit einem Pluspol 74b, 74c, 74d, 74e, 74f, 74g, 74h, 74i, 74j einer unmittelbar benachbarten Einzelzelle über jeweils ein Kontaktelement verbunden. Durch diese Maßnahme sind sämtliche Einzelzellen des Batteriesystems 26 elektrisch in Reihe geschaltet. Pluspole 74b, 74c, 74d, 74e, 74f, 74g, 74h, 74i, 74j sowie Minuspole 76a, 76b, 76c, 76d, 76e, 76f, 76g, 76h, 76i, 76j, 76k der meisten Einzelzellen sind in der Darstellung aus 7a durch die Langlöcher 36a, 36b der Halteplatte 26 hindurch sichtbar. Ein Pluspol einer ersten, äußeren Einzelzelle ganz links ist in 7c durch den ersten Kontaktstempel 28a abgedeckt, wohingegen ein Pluspol 74k einer letzten, äußeren Einzelzelle ganz rechts lediglich in 7b dargestellt ist.
Bei Durchführung des Verfahrens wird ein erster Kontaktstempel 28, 28a, 28b einem Pluspol 74b, 74c, 74d, 74e, 74f, 74g, 74h, 74i, 74j und ein zweiter Kontaktstempel 28, 28a, 28b einem Minuspol 76a, 76b, 76c, 76d, 76e, 76f, 76g, 76h, 76i, 76j, 76k zugeordnet. Außerdem wird ein Kontaktelement 40, 40a, 40b eines Kontaktstempels 28, 28a, 28b mit einem jeweiligen Pluspol 74b, 74c, 74d, 74e, 74f, 74g, 74h, 74i, 74j bzw. Minuspol 76a, 76b, 76c, 76d, 76e, 76f, 76g, 76h, 76i, 76j, 76k kontaktiert, wobei jedes Kontaktelement 40, 40a, 40b mit einer gleichmäßigen Anpresskraft auf den jeweiligen Pluspol 74b, 74c, 74d, 74e, 74f, 74g, 74h, 74i, 74j bzw. 76a, 76b, 76c, 76d, 76e, 76f, 76g, 76h, 76i, 76j, 76k gedrückt wird. Danach wird die Mutter 46, 46a, 46b des jeweiligen Kontaktstempels 28, 28a, 28b mit dem Kontrollgerät 29 kontaktiert und zwischen den Kontaktstempeln 28, 28a, 28b wird der erste elektrische Betriebsparameter als Last bereitgestellt. Der zweite Betriebsparameter als Antwort auf den ersten Betriebsparameter wird über die Kontaktelemente 40, 40a, 40b, der Kontaktstempel 28, 28a, 28b abgegriffen.
Weiterhin ist ein Halsabschnitt 62, 62a eines Positionsbolzens 30, 30a, 30b durch ein Loch in der Halteplatte 26 zu führen und auf den Gewindeabschnitt 64, 64a des jeweiligen Positionsbolzens 30, 30a, 30b eine Mutter 80 aufzuschrauben. In ein Loch 70, 70a eines Distanzmoduls 32, 32a, 32b ist ein Bolzen 78a einzuschrauben, der ebenfalls durch ein Loch der Halteplatte 26 durch diese zu schieben ist. Außerdem ist auf diesem Bolzen 78a ebenfalls eine Mutter 82 aufzuschrauben. Somit sind Positionsbolzen 30, 30a, 30b sowie Distanzmodule 32, 32a, 32b des Testgeräts 24 mit der Halteplatte 26 zu verbinden. Außerdem ist vorgesehen, dass ein Positionierungsabschnitt 60, 60a, 60b eines Positionsbolzens 30, 30a, 30b dieselbe Länge wie ein Distanzabschnitt 68, 68a, 68b eines Distanzmoduls 32, 32a, 32b aufweist. Fußabschnitte 58, 58a, 58b, 66, 66a, 66b sind in entsprechend geformte Ausnehmungen auf der Oberseite des Gehäuses 86 des Batteriesystems 36 einzufügen. Somit ist es möglich, die Halteplatte 26 auf dem Gehäuse 86 des Batteriesystems 36 durch die Positionsbolzen 30, 30a, 30b und die Distanzmodule 32, 32a, 32b oberhalb des Gehäuses 86 des Batteriesystems 36 beabstandet anzuordnen.
In der anhand von 7 vorgestellten Situation ist ein Kontaktelement 40a eines ersten Kontaktstempels 28a einem Pluspol der ersten Einzelzelle links und ein Kontaktelement 40b eines zweiten Kontaktstempels 28b dem Pluspol 74k der letzten Einzelzelle rechts zugeordnet. Hierbei sind die Druckfedern 48a, 48b beider Kontaktstempel 28a, 28b entspannt, wobei die Kontaktelemente 40a, 40b der jeweiligen Kontaktstempel 28a, 28b über die Druckfedern 48a, 48b auf die jeweiligen Pole gedrückt werden. Durch Ziehen eines Kugelgriffs 56a, 56b nach oben ist die Druckfeder 48a, 48b eines jeweiliges Kontaktstempels 28a, 28b zu komprimieren, wobei deren Länge verringert wird und somit das Kontaktelement 40a, 40b anzuheben und von einem jeweiligen Pol zu entfernen ist, so dass es auch möglich ist, den Kontaktstempel 28a, 28b entlang des Langlochs 36a zu verschieben und dessen Kontaktelement 40a, 40b einem anderen Pol, d. h. Pluspol 74c, 74e, 74g, 74i, 74k oder Minuspol 76b, 76d, 76f, 76h, 76j, zuzuordnen und nach Freigabe des Kugelgriffe 56a, 56b auf diesem Pol aufzusetzen.
Zur Durchführung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zunächst vorgesehen, den ersten Kontaktstempel 28a, wie voranstehend bereits beschrieben, auseinanderzubauen, aus dem ersten Langloch 36a zu entfernen, in dem zweiten Langloch 36b einzufügen und wieder zusammenzubauen. Somit ist vorgesehen, dass der erste Kontaktstempel 28a entlang des ersten Langlochs 36a verschiebbar angeordnet und der zweite Kontaktstempel 28b entlang des zweiten Langlochs 36b verschiebbar angeordnet ist. Außerdem ist abweichend von der Darstellung aus 7 vorgesehen, zur Durchführung der Ausführungsform des Verfahrens das Kontaktelement 40a des ersten Kontaktstempels 28a, der entlang des ersten Langlochs 36a anzuordnen ist, dem Minuspol 76a der ersten Einzelzelle links zuzuordnen. Dagegen bleibt das Kontaktelement 40b des zweiten Kontaktstempels 28b, wie in 7 gezeigt, dem Pluspol 74k der letzten Einzelzelle zugeordnet. Da sämtliche Einzelzellen hier in Reihe geschaltet sind, bildet der Pluspol 74k der letzten Einzelzelle auch einen gemeinsamen Pluspol des gesamten Batteriesystems 36 und der Minuspol 76a der ersten Einzelzelle auch einen gemeinsamen Minuspol des gesamten Batteriesystems 36.
Ausgehend von dieser Einstellung des Testgeräts 24 wird das gesamte Batteriesystem 24 nunmehr ausgehend von einer elektrischen Energiequelle des Kontrollgeräts 29 des Testgeräts 24 mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter beaufschlagt, dessen zeitlicher Verlauf einer periodischen Winkelfunktion bzw. einer periodischen trigonometrischen Funktion mit einer veränderbaren Frequenz entspricht. Dabei handelt es sich bei dem ersten elektrischen Betriebsparameter entweder um eine sinus- bzw. cosinusförmige Spannung, die an dem gemeinsamen Pluspol und an dem gemeinsamen Minuspol des Batteriesystems 36 angelegt wird. Daraus resultiert als zweiter elektrischer Betriebsparameter ein durch das gesamte Batteriesystem 36 fließender Strom, der durch das mindestens eine Messmodul des Kontrollgeräts 29 gemessen wird. Aus dem ersten Betriebsparameter sowie dem resultierenden zweiten Betriebsparameter wird bei Ausführung des Verfahrens bei unterschiedlichen Frequenzen, die sich durch Variation der Frequenz des ersten elektrischen Betriebsparameters ergeben, der Innenwiderstand des Batteriesystems 36 bestimmt.
Alternativ ist es möglich, als ersten elektrischen Betriebsparameter zwischen dem gemeinsamen Pluspol und dem gemeinsamen Minuspol des Batteriesystems 36 mit der elektrischen Energiequelle des Kontrollgeräts 29 einen elektrischen Strom mit einer veränderbaren Frequenz zu leiten, mit dem mindestens einen Messmodul eine aus dem fließenden Strom resultierende Spannung als zweiten elektrischen Betriebsparameter zu messen und aus beiden elektrischen Betriebsparametern frequenzabhängig den inneren Widerstand des Batteriesystems 36 als dritten elektrischen Betriebsparameter zu berechnen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011119005 A1 [0003]
US 2010/0060240 A1 [0004]
US 2007/0236225 A1 [0004]
FR 2877096 A1 [0004]
US 2004/0095143 A1 [0004]
US 2004/0130297 A1 [0004]
US 6469512 B2 [0004]
US 6215312 B1 [0004]
EP 1088240 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Betriebszustands eines Batteriesystems (2, 16, 36), das mehrere miteinander verschaltete Einzelzellen (4a, 4b, 4c, 4d) aufweist, bei dem ein Testgerät (15, 23, 24) mit einem Pluspol sowie mit einem Minuspol des gesamten Batteriesystems (2, 16, 36) verbunden wird und das gesamte Batteriesystem (2, 16, 36) mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter, dessen zeitlicher Verlauf einer periodischen Winkelfunktion mit einer einstellbaren Frequenz entspricht, beaufschlagt wird, wobei für den ersten elektrischen Betriebsparameter mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen eingestellt werden, wobei ein zweiter elektrischer Betriebsparameter des gesamten Batteriesystems (2, 16, 36), der sich in Reaktion auf den ersten elektrischen Betriebsparameter frequenzabhängig ergibt, gemessen wird, und wobei aus den beiden elektrischen Betriebsparametern frequenzabhängig ein dritter elektrischer Betriebsparameter ermittelt wird, von dessen Wert der zu bestimmende Betriebszustand des gesamten Batteriesystems (2, 16, 36) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Beaufschlagen des Batteriesystems (2, 16, 36) als der erste elektrische Betriebsparameter ein Strom durch das gesamte Batteriesystem (2, 16, 36) geleitet und als der zweite elektrische Betriebsparameter eine an dem Batteriesystem (2, 16, 36) anliegende Spannung gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zum Beaufschlagen des Batteriesystems (2, 16, 36) als der erste elektrische Betriebsparameter an dem gesamten Batteriesystem (2, 16, 36) eine Spannung angelegt und als der zweite elektrische Betriebsparameter ein durch das Batteriesystem (2, 16, 36) fließender Strom gemessen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem als der dritte elektrische Betriebsparameter aus den beiden anderen Betriebsparametern ein innerer Widerstand des gesamten Batteriesystems (2, 16, 36) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem der zeitliche Verlauf des ersten elektrischen Betriebsparameters sinusförmig ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem für mindestens einen Betriebsparameter des Batteriesystems (2, 16, 36), bevor dieses mit dem ersten elektrischen Betriebsparameter beaufschlagt wird, ein definierter Wert eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem das Batteriesystem (2, 16, 36) ausgehend von dem mindestens einen, auf den definierten Wert eingestellten Betriebsparameter in einen Ladezustand mit einem bestimmten Wert versetzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich eine Kapazität des Batteriesystems (2, 16, 36) als weiterer elektrischer Betriebsparameter ermittelt wird, wobei das Batteriesystem (2, 16, 36) ausgehend von einem oberen Grenzwert der Spannung mit einem konstanten Strom entladen wird, bis eine erste Einzelzelle (4a, 4b, 4c, 4d) einen unteren Grenzwert für die Spannung erreicht hat, wobei die Kapazität durch Integration des Stroms über die Zeit bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem für mindestens einen weiteren Betriebsparameter des Batteriesystems (2, 16, 36), bevor dieses mit dem ersten elektrischen Betriebsparameter beaufschlagt wird, ein definierter Wert eingestellt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem das Testgerät (15, 23, 24) zum Bestimmen eines Betriebszustands einer Einzelzelle (4a, 4b, 4c, 4d) mit einem Pluspol sowie mit einem Minuspol der Einzelzelle (4a, 4b, 4c, 4d) verbunden wird und die Einzelzelle (4a, 4b, 4c, 4d) mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter, dessen zeitlicher Verlauf einer periodischen Winkelfunktion mit einer einstellbaren Frequenz entspricht, beaufschlagt wird, wobei für den ersten elektrischen Betriebsparameter mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen eingestellt werden, wobei ein zweiter elektrischer Betriebsparameter der Einzelzelle (4a, 4b, 4c, 4d), der sich in Reaktion auf den ersten elektrischen Betriebsparameter frequenzabhängig ergibt, gemessen wird, und wobei aus den beiden elektrischen Betriebsparametern frequenzabhängig ein dritter elektrischer Betriebsparameter ermittelt wird, von dessen Wert der zu bestimmende Betriebszustand der Einzelzelle (4a, 4b, 4c, 4d) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem eine Kapazität der Einzelzelle (4a, 4b, 4c, 4d) durch Extrapolation einer Spannung, die für die Einzelzelle (4a, 4b, 4c, 4d) als zweiter elektrischer Betriebsparameter gemessen wird, ermittelt wird.
Testgerät zum Bestimmen eines Betriebszustands eines Batteriesystems (2, 16, 36), das mehrere miteinander verschaltete Einzelzellen (4a, 4b, 4c, 4d) aufweist, bei dem das Testgerät (15, 23, 24) mit einem Pluspol sowie mit einem Minuspol des gesamten Batteriesystems (2, 16, 36) zu verbinden ist und das gesamte Batteriesystem (2, 16, 36) von dem Testgerät (15, 23, 24) mit einem ersten elektrischen Betriebsparameter, dessen zeitlicher Verlauf einer periodische Winkelfunktion mit einer einstellbaren Frequenz entspricht, zu beaufschlagen ist, wobei für den ersten elektrischen Betriebsparameter mit dem Testgerät (15, 23, 24) mindestens zwei unterschiedliche Frequenzen einzustellen sind, wobei ein zweiter elektrischer Betriebsparameter des gesamten Batteriesystems (2, 16, 36), der sich in Reaktion auf den ersten elektrischen Betriebsparameter frequenzabhängig ergibt, von dem Testgerät (15, 23, 24) zu messen ist und aus den beiden elektrischen Betriebsparametern frequenzabhängig ein dritter elektrischer Betriebsparameter zu ermitteln ist, von dessen Wert von dem Testgerät (15, 23, 24) der zu bestimmende Betriebszustand des gesamten Batteriesystems (2, 16, 36) abzuleiten ist.
Testgerät nach Anspruch 12, das mindestens zwei Kontaktstempel (28, 28a, 28b) mit Kontaktelementen (40, 40a, 40b) aufweist, wobei ein Kontaktelement (40, 40a, 40b) eines ersten Kontaktstempels (28, 28a, 28b) mit dem Pluspol und ein Kontaktelement (40, 40a, 40b) eines zweiten Kontaktstempels (28, 28a 28b) mit dem Minuspol des gesamten Batteriesystems (2, 16, 36) leitend zu verbinden ist.
Testgerät nach Anspruch 12 oder 13, das eine Halteplatte (26) aufweist, die relativ zu sämtlichen Polen des Batteriesystems (2, 16, 36) ortsfest zu positionieren ist, wobei die Halteplatte (26) mindestens ein Langloch (36a, 36b) aufweist, mit dem die Kontaktstempel (28, 28a, 28b) aufzunehmen sind, wobei jeder Kontaktstempel (28, 28a, 28b) entlang des mindestens einen Langlochs (36a, 36b) zu verschieben und an einer bestimmten Position des Langlochs (36a, 36b) zu fixieren ist.
Testgerät nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem jeder Kontaktstempel (28, 28a, 28b) eine Druckfeder (48, 48a, 48b) aufweist.
Testgerät nach Anspruch 15, bei dem jeder Kontaktstempel (28, 28a, 28b) durch Beaufschlagen der Druckfeder (48, 48a, 48b) an dem mindestens einen Langloch (36a, 36b) zu fixieren ist.
Testgerät nach Anspruch 15 oder 16, bei dem das Kontaktelement (40, 40a, 40b) jedes Kontaktstempels (28, 28a, 28b) durch Beaufschlagen der Druckfeder (48, 48a, 48b) relativ zu einem Pol des Batteriesystems (2, 16, 36) zu positionieren ist.
Testgerät nach einem der Ansprüche 13 bis 17, das ein mit den Kontaktstempeln (28, 28a, 28b) verbundenes Kontrollgerät (14, 22, 29) aufweist, das dazu ausgebildet ist, den ersten elektrischen Betriebsparameter bereitzustellen, den zweiten elektrischen Betriebsparameter zu messen und aus diesen beiden Betriebsparametern den dritten Betriebsparameter zu berechnen.