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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose eines Batteriesystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Im Zuge der Elektrifizierung des Antriebsstranges von Kraftfahrzeugen, sei es nun in der Form eines Hybridfahrzeugs oder eines vollständig elektrisch angetriebenes Fahrzeugs, werden die Kraftfahrzeugen mit Hochvoltbatterien, auch als Hochvoltspeicher bekannt, ausgerüstet. Dabei kommen überwiegend Lithium-Ionen Akkus zum Einsatz, die im reinen elektrischen Fahrbetrieb eine Reichweite von ca. 160 km erreichen können, wobei die Spannung einen derartigen Hochvoltbatterie im Bereich von 400 V liegt.
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Um eine Aussage über den Alterungszustand der Zellen einer derartigen Hochvoltbatterie treffen zu können, wird üblicherweise der Gleichstromwiderstand bzw. die Zellkapazität gemessen. Dabei liefern die Messung des Gleichstromwiderstandes nur eine unzureichende Erkenntnis über den Zustand der getesteten Batteriezelle, wobei diese zusätzlich durch den zur Messung notwendigen hohen Gleichstrom stark belastet wird. Mit anderen Worten, zur Bestimmung des Gleichstromwiderstandes wird eine leistungsfähige elektrische Last benötigt, um den notwendigen Spitzenstrom zu erzeugen, da nur hohe Ströme eine präzise Spannungsmessung ermöglichen. Ferner ist das Messverfahren zeitaufwendig und es wird ein instationärer Zellzustand während der Messung durch die Hochstromentladung erzeugt, was eine nicht unerhebliche Belastung der Zelle darstellt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2009 000 337 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem die Bestimmung des Alterungszustandes einer Batteriezelle durch die Aufnahme eines Impedanzspektrums der Batteriezelle ermittelt wird. Aus dem gemessenen Impedanzspektrum wird eine Auswertgröße ermittelt und anhand eines Vergleichs der Auswertgröße mit einem Referenzwert der Alterungszustand der Zelle bestimmt.
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Bevorzugt wird das Impedanzspektrum in einem Bereich von kleiner 10 Hz ermittelt, wobei insbesondere eine Impedanzerhöhung im Niederfrequenzbereich oder die Ausbildung eines weiteren RC-Gliedes im Impedanzspektrum mit einer fortschreitenden Alterung der Batteriezelle korreliert sind. Allerdings benötigt das Verfahren einen entsprechenden Messaufwand zur Bestimmung des Impedanzspektrums und ist nicht in der Lage Defekte bzw. Fehler eines Batteriesystems zu bestimmen. Ferner ist die genaue Messmethodik und Art der Auswertung nicht detailliert angegeben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur Bestimmung von Defekten in Batteriesystemen mit möglichst geringem Messaufwand zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung von Defekten eines Batteriesystems mittels Impedanzmessungen, wobei das Batteriesystem aus einer Mehrzahl von Modulen und jedes Modul aus einer vorgegebene Anzahl von Batteriezellen besteht, führt die folgenden Schritte aus:
- – Beaufschlagen des Batteriesystems mit einem Wechselstrom vorgegebener Frequenz innerhalb eines Frequenzbereichs von 5 Hz bis 500 Hz,
- – Bestimmen der Impedanz des Batteriesystems und/oder der Impedanzen einzelner Module oder mehrerer Module und/oder der Impedanzen einzelner oder mehrerer Batteriezellen,
- – Vergleichen der gemessenen Impedanzen mit entsprechenden Referenzwerten, und
- – Klassifizieren des Batteriesystems als defekt oder fehlerhaft, wenn zumindest eine der gemessenen Impedanzen von dem entsprechenden Referenzwert um eine vorgegebene Schwelle abweicht.
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Auf diese Weise ist es auf relativ einfache Weise möglich, im Extremfall mit der Abweichung nur eines gemessenen Impedanzwerts von einem Referenzwert einen Defekt oder einen Fehler des Batteriesystems zu ermitteln.
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Dabei liegt die Frequenz der das Batteriesystem beaufschlagenden Wechselspannung innerhalb eines direkt zugänglichen Frequenzbereichs, innerhalb dem im wesentlichen keine Temperaturabhängigkeit in einem für das Batteriesystem üblichen Temperaturbereichs auftritt. Ferner bedeutet die Impedanzmessung eine im Vergleich zur Gleichstrommessung geringe Belastung des Batteriesystems. Die vorgegebene Schwelle ergibt sich aus den Randbedingungen der Messungen. Liegt die gemessene Impedanz im mOhm-Bereich, so liegt die Schwelle beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 0,5 mOhm. Die Referenzwerte für ein Batteriesystem, eines oder mehrerer Module bzw. einzelner oder mehrerer Batteriezellen sind vorab bestimmte Kenngrößen funktionierender Systeme.
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Vorzugsweise liegt die vorgegebene Frequenz in einem Bereich von 45 bis 55 Hz, und kann insbesondere 50 Hz entsprechen. Im Fall von 50 Hz entspricht die vorgegebene Frequenz der üblichen Wechselstromnetzfrequenz von 50 Hz, was die Anwendung weiter vereinfacht, da die Frequenz nicht separat erzeugt werden muss, sondern dem üblichen Netz direkt entnommen werden kann. Dies führt zu Kostenersparnis bei der Anwendung des Verfahrens im kommerziellen Bereich.
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Weiter bevorzugt wird der durch die Wechselstrombeaufschlagung bedingte Messstrom auf ein vorgegebenes Maß begrenzt. Auf diese Weise kann die Belastung des Batteriesystems bei der Bestimmung der Impedanzen weiter verringert werden. Dabei beträgt vorzugsweise das vorgegebene Maß 500 mA, insbesondere beträgt die Begrenzung 100 mA. Auf diese Weise liegen die gemessenen Spannungen im mV-Bereich und eine Belastung des Batteriesystems durch die Messungen ist kaum vorhanden, was insbesondere für Hochvoltspeicher von Vorteil ist.
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Weiter bevorzugt erfolgt die Aufbringung des Wechselstroms potentialfrei, so dass äußere Potentialeinflüsse vermieden werden. Dies kann beispielsweise auf einfache Weise mit einem Transformator, insbesondere einem Trenntransformator, erfolgen.
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Insbesondere können die Defekte des Batteriesystems und damit der Module bzw. der Zellen des Systems durch fehlerhafte elektrische Verbindungen, wie beispielsweise Verschraubungen, der Modulen und/oder der Batteriezellen innerhalb des Batteriesystems gebildet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Defekten eines Batteriesystems mittels Impedanzmessungen, wobei das Batteriesystem aus einer Mehrzahl von Modulen besteht, jedes Modul eine vorgegebene Anzahl von Batteriezellen umfasst, und die Vorrichtung zur Durchführung des im vorangegangenen beschriebenen Verfahrens eingerichtet und ausgelegt ist, weist die folgenden Komponenten auf:
- – einen Transformator, insbesondere einen Trenntransformator, zur Beaufschlagung des Batteriesystems mit einem Wechselstrom vorgegebener Frequenz,
- – einen Vorwiderstand zur Begrenzung des Messstroms auf einen vorgegebenen Wert, und
- – eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Wechselspannung zwischen vorgegebenen Messpunkten des Batteriesystems.
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Weiter bevorzugt beträgt die Frequenz 50 Hz und die Spannung 220/230 V, so dass die Messung in einfacher Weise mit dem üblichen, vorhandenen Wechselstrom durchgeführt werden kann. Dies begrenzt den Messaufwand und die damit verbundenen Kosten für eine kommerzielle Anwendung auf einen vernünftigen Rahmen.
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Die Methode bzw. die Vorrichtung ist daher beispielsweise für folgende Anwendungsfelder einsetzbar:
- – Wareneingangskontrolle von Batteriezellen bzw. Batteriesystemen,
- – Band-Endkontrolle der Batteriesystemmontage oder Modulmontage,
- – On-Bord-Diagnose im Fahrzeug, und
- – Diagnoseinstrument für Servicewerkstätten.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt
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1 die Anordnung zur Bestimmung der Wechselstromimpedanz an einem Batteriesystem,
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2 die Temperaturabhängigkeit des Wechselstromwiderstands bei verschiedenen Frequenzen, und
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3 ein Diagramm zur Darstellung der Fehlererkennung als Funktion der Messfrequenz, und
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4 das Beispiel einer Schraubverbindung zwischen einzelnen Batteriezellen bzw. Modulen eines Batteriesystems.
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1 zeigt eine typische Messanordnung zur Bestimmung der Impedanzen, das heißt der Wechselstromwiderstände, eines Batteriesystems 1, bestehend aus den Modulen 2, 3, 4, 5 und 6, bei einer festen Frequenz von 50 Hz des beaufschlagenden Wechselstroms. Dabei umfassen die einzelnen Module 2 bis 6 des Batteriesystems 1 mehrere, nicht dargestellte Batteriezellen, wobei die Widerstandsmessung bezüglich des gesamten Batteriesystems, einer Vielzahl von Modulen, einzelner Module, einer Vielzahl von Zellen oder einzelner Zellen durchgeführt werden kann. Als Beispiel eines derartigen Batteriesystems kann das in dem Fahrzeug E-UP von Volkswagen verwendete Batteriesystem VW 120 dienen, welches aus 17 Modulen und 204 Zellen aufgebaut ist und einen Energieinhalt von maximal 18,7 kWh aufweist.
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Das Batteriesystem 1 wird über einen Transformator 7, der insbesondere als Trenntransformator ausgelegt sein kann, mit einer Wechselspannung von 230 V und einer Frequenz von 50 Hz beaufschlagt, wobei die Anregungsspannung über dem Spannungsniveau des Batteriesystems 1 liegen muss. Weist nun ein Batteriesystem ein höheres Spannungsniveau als die genannten 230 V auf, so kann entweder ein Teil des Batteriesystems ausgewählt und als Batteriesystem 1 betrachtet werden, welches mit der Wechselspannung beaufschlagt wird. Es kann auch mittels eines geeigneten Transformators eine Spannung höher als das Spannungsniveau des Batteriesystems erzeugt und mit dieser Spannung das Batteriesystem beaufschlagt werden. Im Fall eines Trenntransformators 7, wird mittels diesem eine potentialfreie Spannung zur Beaufschlagung des Batteriesystems 1 realisiert. Um eine geringe Belastung des Batteriesystems 1 zu erreichen, wird zur Strombegrenzung ein Vorwiderstand 8 eingesetzt, der eine Begrenzung des Messstroms auf hier 100 mA bewirkt, wobei im Beispiel ein Vorwiderstand 8 von 2,2 kOhm eingesetzt wird. Die jeweilige Impedanz errechnet sich nun aus der gemessenen Wechselspannung über den entsprechenden Modulen bzw. Zellen dividiert durch den auf 100 mA begrenzten Messstrom.
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Es stellt sich heraus, dass die so gewonnenen Messergebnisse plausibel sind, da sich die gemessenen Impedanzwerte von Einzelzellen auf Zellpaare, Module und Batteriesysteme als hochskalierbar erweisen, wie es sich aus der folgenden Tabelle ergibt:
| Messpunkt | Impedanz in mOhm |
| Modul 1–4 | 15,70 |
| Modul 1 | 3,95 |
| Modul 2 | 3,95 |
| Modul 3 | 3,95 |
| Modul 4 | 4,15 |
Tab. 1
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Dabei bedeutet der Messpunkt "Modul 1–4", dass in 1 der Spannungsabfall über dem ersten Modul 2, dem zweiten Modul 3, dem dritten Modul 4 und dem vierten Modul 5 gemessen wurde und die Impedanz über diese Module 2, 3, 4 und 5 ca. 15.7 mOhm beträgt. Wie sich weiter aus der Tab. 1 entnehmen lässt, ergeben die Messungen der einzelnen Module 2, 3, 4, 5 jeweils einzelne Werte, deren Summe 16,0 mOhm beträgt, welche im Rahmen der Messgenauigkeit mit der Impedanzmessung von 15,7 mOhm über die genannten Module 2–5 hinweg übereinstimmt. Folglich sind die Messungen skalierbar.
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2 zeigt die Abhängigkeit der gemessenen Impedanz von der Temperatur und der Frequenz der Wechselspannung, wobei die Impedanz, in der
2 mit ARCi bezeichnet, einer Batteriezelle im Temperaturbereich von –30 °C bis +40 °C für unterschiedliche Frequenzen bestimmt wurde. Die folgende Tabelle listet die Frequenzparameter der Kurven
I–
VII der
2 auf:
| Kurve | Frequenz (Hz) |
| I | 5000 |
| II | 500 |
| III | 50 |
| IV | 5 |
| V | 0,5 |
| VI | 0,1 |
| VII | 0,01 |
Tab. 2
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Aus dem Verlauf der Messkurven I bi VII ist ersichtlich, dass tiefe Temperaturen und niedrige Frequenzen die Bestimmung der Impedanz ACRi am stärksten beeinflussen, während für Frequenzen von größer als 5 Hz im wesentlichen keine Temperaturabhängigkeit mehr auftritt. Es kann daher mit einer Frequenz von 50 Hz entsprechend der Kurve III gemessen werden, ohne dass es zu einer nennenswerten Veränderung der Impedanzwerte ACRi aufgrund der Temperatur im Bereich von –20 Grad Celsius bis +40 °C kommt, wobei dieser Temperaturbereich dem üblichen Einsatzbereich eines Kraftfahrzeugs und damit der Batterie des Fahrzeugs entspricht.
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In 3 wird die Frage die Abhängigkeit der gemessenen Impedanz ACRi von der Messfrequenz im Bereich von 0,5 Hz bis 5000 Hz behandelt. Dabei wird in einem Batteriesystem ein Verschraubungsfehler erzeugt, indem beispielsweise eine Verschraubung zwischen zwei Modulen des Batteriesystems 1 der 1 gelockert oder der Übergangswert einer Verschraubung geändert wird. Kurve X zeigt den Verlauf der gemessenen Impedanzen ACRi für eine korrekte Verschraubung innerhalb des Batteriesystems für den Frequenzbereich von 0,5 Hz bis 5000 Hz. Es ist zu erkennen, dass für Frequenzen bis 500 Hz der Impedanzverlauf ACRi relativ linear ist und für Frequenzen größer 500 Hz nichtlinear ansteigt. Für Kurve XI, bei der der Übergangswiderstand einer Verschraubung zwischen zwei Zellen eines Modules des Batteriesystems geändert wurde, ist der gemessene Impedanzwert ACRi in den Bereich von 0,5 Hz bis 500 Hz deutlich höher als derjenige für die Kurve X mit intakter Verschraubung. Ferner ist deutlich zu erkennen, dass im Bereich der Frequenz 50 Hz der Verlauf der Impedanzkurve XI einen leichten Peak aufweist. Für Frequenzbereiche größer 500 Hz verläuft auch die Kurve XI für eine fehlerhafte Verschraubung nichtlinear ansteigend und nähert sich bei hohen Frequenzen dem Verlauf der Kurve X mit intakter Verschraubung an.
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Als Fazit ergibt sich, dass im Frequenzbereich von 0,5–500 Hz Verbindungsdefekte oder Verbindungsfehler innerhalb des Batteriesystems eindeutig zu erkennen sind, während dies bei höheren Frequenzen unzutreffend ist. In Verbindung mit den Temperaturergebnissen der 2 ergibt sich, dass die Frequenz von 50 Hz als konstante Messfrequenz zur Bestimmung von Defekten innerhalb eines Batteriesystems und deren Lokalisierung mittels Impedanzmessungen geeignet ist.
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4 zeigt ein Beispiel einer typischen Schraubverbindung, wie sie zur Verbindung in Batteriesystemen eingesetzt wird. In einem leitenden Element 10 ist eine Schraube 11 angeordnet, die mittels einer Mutter 12 eine Lasche 13 mit einem Kabel 14 befestigt. Ist die Schraubverbindung in Ordnung, so wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem leitenden Element 10 und dem Kabel 14 hergestellt. Ist die Schraubverbindung nicht in Ordnung, beispielsweise durch Korrosion oder eine gelockerte Schraube, so schlägt sich dieses in erhöhten Impedanzwerten nieder, wie aus den Messungen der 3 folgt. Mittels der geschilderten Messmethodik lassen sich daher Defekte innerhalb eines Batteriesystems bestimmen.
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Ein Vergleich zwischen der konventionellen Widerstandsbestimmung mittels eines Gleichstroms und der Impedanzbestimmung mittels eines Wechselstroms führt zu folgendem:
Bei der Gleichstromwiderstandsbestimmung wird eine leistungsfähige elektrische Last benötigt, um einen Peakstrom zu erzeugen, da nur höhere Ströme eine präzise Spannungsmessung ermöglichen. Allerdings ist die Bestimmung des Gleichstromwiderstandes zeitaufwendig und es wird ein instationären Zellzustand während der Messung durch die Hochstromentladung erzeugt, was eine nicht unerhebliche Belastung der Zelle darstellt.
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Im Gegensatz dazu setzt sich der Impedanzbetrag bei der Bestimmung des Wechselstromwiderstands aus Realteil und Imaginärteil zusammen, wobei der Realteil dem Gleichstromwiderstandswert vergleichbar und der Imaginärteil frequenzabhängig ist. Zusammen ergibt sich ein höherer Informationsgehalt pro Messung. Durch die Auskopplung des Realteils wird die Messung der reinen Wechselspannungsantwort möglich, sodass schon kleine Ströme im Bereich von wenigen Milliampere ausreichend sind, um reproduzierbar Messergebnisse im Millivoltbereich zu erhalten. Es wird aufgrund der sinusförmigen Wechselstrombeaufschlagung ein annähernd stationärer Zellzustand der Batteriezellen erreicht, was zu einer minimalen Belastung der Batteriezellen führt. Ferner ist die Messmethode der Impedanzmessung sehr schnell und die Ergebnisse lassen sich in einem Zeitfenster von ca. 3 Sekunden ermitteln. Von nicht zu unterschätzender Bedeutung ist, dass der apparative Messaufwand gering ist.
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Mögliche Anwendungsfelder der Impedanzmessung mittels einer Beauftragung des Batteriesystems oder Teilen des Batteriesystems mit einer Wechselspannung von 50 Hz und 220/230 V sind beispielsweise:
- – Qualitätssicherung in der Batteriefertigung,
- – Wareneingangskontrolle der Module bzw. der Batteriezellen,
- – End-of-Line-Kontrolle vollständiger Systeme,
- – prozessunterstützende Kontrolle an mehreren Montageplätzen, wodurch Fehlkontaktierung leichter korrigierbar sind, und
- – Fehleranalyse von Erprobungsrückläufern begleitend zu den Demontageschritten.
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Die eingesetzte Messtechnik kann wie folgt spezifiziert werden:
- – Trenntransformatoren mit einer Eingangsspannung von 230 V und einem Frequenzbereich von 50–60 Hz,
- – geeignete Vorwiderstand, beispielsweise 4,7 K und 100 W, und
- – Spannungsmessung der Wechselspannung im Millivoltbereich.
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Ferner werden geeignete Kabelklemmen zum Einbringen des Wechselstroms sowie entsprechende Messspitzen und Messleitungen zum Messen der Wechselspannung benötigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Batteriesystem
- 2
- Modul 1
- 3
- Modul 2
- 4
- Modul 3
- 5
- Modul 4
- 6
- Modul 5
- 7
- Trenntransformator
- 8
- Vorwiderstand
- 10
- leitendes Element
- 11
- Schraube
- 12
- Mutter
- 13
- Lasche
- 14
- Kabel
- I
- Messfrequenz 5000 Hz
- II
- Messfrequenz 500 Hz
- III
- Messfrequenz 50 Hz
- IV
- Messfrequenz 5 Hz
- V
- Messfrequenz 0,5 Hz
- VI
- Messfrequenz 0,1 Hz
- VII
- Messfrequenz 0,01 Hz
- X
- Modulverschraubung in Ordnung
- XI
- Modulverschraubung nicht in Ordnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000337 A1 [0004]
