DE102016216777A1

DE102016216777A1 - Measuring device and measuring method for the impedance determination of N in series to a module interconnected modules

Info

Publication number: DE102016216777A1
Application number: DE102016216777.4A
Authority: DE
Inventors: Jan Philipp Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Messvorrichtung (10) für die Impedanzermittlung von N in Serie zu einem Strang (20) zusammengeschalteten Modulen (Mo1–MoN) eines Batteriespeichers oder einer Brennstoffzellenanordnung, mit N ≥ 2, wobei die Messvorrichtung (10) umfasst: N Spannungsmessvorrichtungen (30) für die wiederholte Messung der Werte der in einem Modul (Mo1–MoN) jeweils zum Messzeitpunkt abfallenden Spannungen, wobei jedem Modul (Mo1–MoN) eine der N Spannungsmessvorrichtungen (30) zugeordnet ist, und eine erste Strommessvorrichtung (40) für die wiederholte Messung des jeweils zum Messzeitpunkt gegebenen Werts des den Strang (20) durchfließenden Stroms mit einer ersten Messpräzision. Die Messvorrichtung (10) zeichnet sich dadurch aus, dass jeder der N Spannungsmessvorrichtungen (30) eine Impedanzberechnungseinheit (60) zugeordnet ist, die eine Empfangseinheit für die von der ersten Strommessvorrichtung (40) gemessenen Stromwerte und für die von der ihr zugeordneten der N Spannungsmessvorrichtungen (30) gemessenen Spannungswerte zur Berechnung der Impedanz des betreffenden Moduls (Mo1–MoN) aufweist.The invention relates to a measuring method and a measuring apparatus (10) for the impedance determination of N in series to a string (20) interconnected modules (Mo1-MoN) of a battery store or a fuel cell arrangement, with N ≥ 2, wherein the measuring apparatus (10) comprises: N voltage measuring devices (30) for the repeated measurement of the values of the voltages dropping in a module (Mo1-MoN) at each measuring instant, each module (Mo1-MoN) being assigned one of the N voltage measuring devices (30), and a first current measuring device (40 ) for the repeated measurement of the respectively given at the time of measurement value of the strand (20) flowing through current with a first measurement precision. The measuring device (10) is characterized in that each of the N voltage measuring devices (30) is associated with an impedance calculation unit (60) comprising a receiving unit for the current values measured by the first current measuring device (40) and for the N voltage measuring devices assigned thereto (30) measured voltage values for calculating the impedance of the relevant module (Mo1-MoN).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Impedanzermittlung von N in Serie zu einem Strang zusammengeschalteten Modulen eines Batteriespeichers oder einer Batteriezellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Modulsystem gemäß Anspruch 8, ein mit einem solchen Modulsystem oder einer Messvorrichtung ausgestattetes Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 und ein Verfahren für die Impedanzermittlung von N in Serie zu einem Strang zusammengeschalteten Modulen eines Batteriespeichers oder einer Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10. The present invention relates to a measuring device for the impedance determination of N in series to a string interconnected modules of a battery storage or a battery cell assembly according to the preamble of claim 1, a modular system according to claim 8, a motor vehicle equipped with such a modular system or a measuring device according to the preamble of Claim 9 and a method for the impedance determination of N in series to a strand interconnected modules of a battery storage or a fuel cell assembly according to the preamble of claim 10.

Bei Kraftfahrzeugen, die mittels eines Elektromotors angetrieben werden, ist zur Versorgung dieses Elektromotors ein Batteriespeicher oder eine Brennstoffzellenanordnung vorgesehen. Nachfolgend wird verallgemeinernd und in vereinfachender, jedoch nicht beschränkender, Weise davon ausgegangen, dass sowohl ein Batteriespeicher als auch eine Brennstoffzellenanordnung aus einer Gruppe von seriell zu einem Strang zusammengeschalteten Modulen aufgebaut ist. Für die Betriebsführung eines Elektromotors ist es unverzichtbar, dass von der Fahrzeugsteuerung jederzeit eine realistische Leistungsprognose abgegeben werden kann, wofür auch der Alterungszustand der betreffenden Module eine Rolle spielt. Hierfür wiederum ist der Innenwiderstand (oft auch kurz als "Widerstand" bezeichnet) der Module ein entscheidendes Kriterium. In motor vehicles, which are driven by means of an electric motor, a battery storage or a fuel cell arrangement is provided for supplying this electric motor. In the following, it will be assumed in a generalized and simplistic, but non-restrictive, manner that both a battery store and a fuel cell arrangement are constructed from a group of modules connected in series to form a train. For the operation management of an electric motor, it is indispensable that the vehicle control system can deliver a realistic power prognosis at any time, for which the aging state of the relevant modules also plays a role. For this purpose, the internal resistance (often also referred to as "resistance" for short) of the modules is a decisive criterion.

Zur Bestimmung des Widerstands der Module wird gemäß Darstellung in 5 in folgender Weise vorgegangen: Mit jedem der Module Mo1–MoN ist eine Spannungsmessvorrichtung 30 verbunden, welche die jeweils im Modul abfallenden Spannungen misst. Um eine gute Zeitauflösung dieser Spannungsmessungen zu erhalten, erfolgen die Spannungsmessungen mit einer hohen Abtastrate. Die ermittelten Spannungswerte werden – üblicherweise über ein Bussystem 70 – an eine Steuereinheit 50 übertragen. Um eine für die Messung erforderliche Anregung in dieses System einspeisen zu können, kann beispielsweise über einen DC/DC- Umsetzer oder einen Inverter ein sinusförmiger Stromverlauf überlagert werden. Der den Strang durchfließende Strom wird mittels einer präzisen Strommessvorrichtung 40 (häufig mittels eines Präzisionsshunts) mit der erforderlichen Abtastrate gemessen, und die ermittelten Stromwerte werden an die Steuereinheit 50 übertragen. Die Richtung des Datenflusses von den Spannungsmessvorrichtungen 30 bzw. den Impedanzberechnungseinheiten 60 zu der Steuereinheit 50 hin ist durch einen Pfeil angegeben. Mittels Division der Modulspannungen durch den Strom können dann in einer in der Steuereinheit 50 vorgesehenen Impedanzberechnungseinheit 60 die jeweiligen Widerstandswerte berechnet werden. To determine the resistance of the modules as shown in 5 Proceed as follows: Each of the modules Mo1-MoN is a voltage measuring device 30 connected, which measures the respective falling in the module voltages. To get a good time resolution of these voltage measurements, the voltage measurements are made at a high sampling rate. The determined voltage values are - usually via a bus system 70 - to a control unit 50 transfer. In order to be able to feed an excitation required for the measurement into this system, a sinusoidal current profile can be superimposed, for example, via a DC / DC converter or an inverter. The current flowing through the strand is detected by means of a precise current measuring device 40 (often by means of a precision shunt) at the required sampling rate, and the detected current values are sent to the control unit 50 transfer. The direction of data flow from the voltage measuring devices 30 or the impedance calculation units 60 to the control unit 50 is indicated by an arrow. By dividing the module voltages by the current can then in a in the control unit 50 provided impedance calculation unit 60 the respective resistance values are calculated.

Da sich der Strom im Betrieb schnell ändern kann, ist das Einhalten einer geringen Latenzzeit (wenige µs) zwischen der Messung der Modulspannungen einerseits und der Messung des Stroms andererseits erforderlich, da anderenfalls der Widerstand nicht hinreichend genau bestimmt werden kann. Diese Anforderung an die Latenzzeit ist schwer einzuhalten und erhöht darüber hinaus den Umsetzungsaufwand beträchtlich. Außerdem führt die Übertragung der gemessenen Spannungswerte zu der (zentralen) Steuereinheit 50 zu einer hohen Buslast (die proportional zur Anzahl der Modulspannungen ist). Since the current can change rapidly during operation, maintaining a low latency (a few microseconds) between the measurement of the module voltages on the one hand and the measurement of the current on the other hand required because otherwise the resistance can not be determined with sufficient accuracy. This requirement for latency is difficult to meet and, moreover, considerably increases the implementation effort. In addition, the transmission of the measured voltage values leads to the (central) control unit 50 to a high bus load (which is proportional to the number of module voltages).

Wenn die vorgenannten hohen Anforderungen, insbesondere an die Latenzzeit, nicht eingehalten werden, tritt das Problem auf, dass es zu hohen Abweichungen in der Phase der Impedanz (also des komplexen Widerstands) und bei den jeweiligen Amplitudenwerten der Impedanz kommt. If the aforementioned high requirements, in particular the latency, are not met, the problem arises that there are high deviations in the phase of the impedance (ie the complex resistance) and in the respective amplitude values of the impedance.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Messvorrichtung und ein Messverfahren für die Impedanzermittlung von N in Serie zu einem Strang zusammengeschalteten Modulen anzugeben, womit die Impedanz der Module mit hoher Abtastrate und geringer Latenzzeit und sehr präziser Phase gemessen werden kann. Thus, the present invention has for its object to provide a measuring device and a measuring method for the impedance determination of N in series to a string interconnected modules, whereby the impedance of the modules with high sampling rate and low latency and very precise phase can be measured.

Diese Aufgabe wird mit einer Messvorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie mit einem Messverfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. This object is achieved with a measuring device according to claim 1 and with a measuring method according to claim 10.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß umfasst eine Messvorrichtung für die Impedanzermittlung von N in Serie zu einem Strang zusammengeschalteten Modulen eines Batteriespeichers oder einer Brennstoffzellenanordnung, wobei N ≥ 2:N Spannungsmessvorrichtungen für die wiederholte Messung der Werte der in einem Modul jeweils zum Messzeitpunkt abfallenden Spannungen, wobei jedem Modul eine der N Spannungsmessvorrichtungen zugeordnet ist, und eine erste Strommessvorrichtung für die wiederholte Messung des jeweils zum Messzeitpunkt gegebenen Werts des den Strang durchfließenden Stroms mit einer ersten Messpräzision. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass jeder der N Spannungsmessvorrichtungen eine Impedanzberechnungseinheit zugeordnet ist, die eine Empfangseinheit für die von der ersten Strommessvorrichtung gemessenen Stromwerte und für die von der ihr zugeordneten der N Spannungsmessvorrichtungen gemessenen Spannungswerte zur Berechnung der Impedanz des betreffenden Moduls aufweist. Somit unterscheidet sich die erfindungsgemäße Messvorrichtung hinsichtlich mehrerer Aspekte grundlegend von der vorstehend beschriebenen bekannten Messvorrichtung. Zum einen wird die Übertragungsrichtung der fraglichen Daten gleichsam "umgekehrt": Während bei der bekannten Messvorrichtung von den einzelnen Spannungsmessvorrichtungen aus die Spannungsmesswerte zur Steuereinheit 50 hin übertragen werden, werden bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung von der Strommessvorrichtung aus (bzw. von der Steuereinheit 50 aus) die einzelnen Strommesswerte an die Impedanzberechnungseinheiten gesendet, die den jeweiligen Spannungsmessvorrichtungen zugeordnet sind. Zum anderen kann hierdurch und durch das Vorsehen der Impedanzberechnungseinheiten bei den Spannungsmessvorrichtungen die Berechnung der jeweiligen Impedanz der einzelnen Module dezentralisiert und bei den Spannungsmessvorrichtungen bzw. den zugeordneten Modulen durchgeführt werden, während dies bei der bekannten Messvorrichtung nur mittels der in der Steuereinheit 50 vorgesehenen einzigen Impedanzberechnungseinheit möglich ist. According to the invention, a measuring device for the impedance determination of N in series to a strand interconnected modules of a battery storage or a fuel cell assembly, wherein N ≥ 2: N voltage measuring devices for the repeated measurement of the values of the voltage dropping in a module at each measurement time, each module one of the N voltage measuring devices is assigned, and a first current measuring device for the repeated measurement of each given at the time of measurement value of the strand flowing through the current with a first measurement precision. The measuring device according to the invention is characterized in that each of the N voltage measuring devices is assigned an impedance calculation unit which has a receiving unit for the current values measured by the first current measuring device and for the voltage values measured by the N voltage measuring devices assigned to it for calculating the impedance of the relevant module. Thus, the invention differs Measuring device in several aspects fundamentally different from the known measuring device described above. On the one hand, the transmission direction of the data in question is, as it were, "reversed": Whereas in the case of the known measuring device, the voltage measured values are from the individual voltage measuring devices to the control unit 50 are transmitted in the measuring device according to the invention from the current measuring device (or from the control unit 50 from) the individual current measurements are sent to the impedance calculation units associated with the respective voltage measurement devices. On the other hand, by this and by the provision of the impedance calculation units in the voltage measuring devices, the calculation of the respective impedance of the individual modules can be decentralized and carried out at the voltage measuring devices or the associated modules, whereas in the known measuring device this is done only by means of the control unit 50 provided single impedance calculation unit is possible.

Hierdurch ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung folgende Vorteile: Es sind nur verringerte Anforderungen an das Kommunikationssystem wie beispielsweise das Bussystem zu stellen, da die Buslast wesentlich geringer ist, weil pro Abtastzeitpunkt nur ein Stromwert übermittelt wird, während bei der bekannten Messvorrichtung pro Abtastzeitpunkt die Spannungswerte der N Module zu übertragen sind. Somit wird zum einen der Kostenfaktor für das zu verwendende Bussystem gering gehalten, und zum anderen können die übertragenen Stromwerte mit einer geringeren Gefahr eines "Datenstaus" übertragen werden, weshalb die für die Impedanzermittlung erforderliche Division der gemessenen Spannung durch den gemessenen Strom schneller und präziser erfolgen kann. Somit kann der Innenwiderstand bzw. die Innenimpedanz einer betreffenden Zeile oder eines betreffenden Moduls exakt bestimmt werden. This results in the measuring device according to the invention the following advantages: There are only reduced demands on the communication system such as the bus system to provide because the bus load is much lower, because per sampling time only one current value is transmitted, while in the known measuring device per sampling time, the voltage values of the N modules are to be transmitted. Thus, on the one hand, the cost factor for the bus system to be used is minimized and, on the other hand, the transmitted current values can be transmitted with a lower risk of "data jam", which is why the division of the measured voltage by the measured current required for the impedance determination is faster and more precise can. Thus, the internal resistance or the internal impedance of a respective row or a respective module can be determined exactly.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung wird das ohnehin im Fahrzeug vorgesehene Steuergerät als die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzte Steuereinheit verwendet, die mit der ersten Strommessvorrichtung und mit jeder der N Spannungsmessvorrichtungen – üblicherweise über ein Bussystem – in Kommunikationsverbindung steht und für die Steuerung der Messvorrichtung sowie für die Übertragung der Stromwerte an die Impedanzberechnungseinheiten eingesetzt wird. According to an advantageous embodiment of the measuring device according to the invention, the control unit, which is already provided in the vehicle, is used as the control unit used for carrying out the method according to the invention, which communicates with the first current measuring device and with each of the N voltage measuring devices - usually via a bus system - and for the control the measuring device and for the transmission of the current values to the impedance calculation units is used.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist in jeder der N Spannungsmessvorrichtungen eine zweite Strommessvorrichtung für die wiederholte Messung des jeweils zum Messzeitpunkt gegebenen Werts des das betreffende Modul durchfließenden Stroms mit einer zweiten Messpräzision und für die Übertragung an die betreffende zugeordnete Impedanzberechnungseinheit vorgesehen, wobei die erste Messpräzision um mindestens eine Größenordnung besser ist als die zweite Messpräzision. Somit kann in jeder Spannungsmessvorrichtung "vor Ort" nicht nur die entsprechende Spannung bzw. die entsprechenden Spannungen gemessen werden, sondern auch der das Modul durchfließende Strom. Da die zweite Strommessvorrichtung nur eine wesentlich kleinere Messpräzision aufzuweisen braucht, kann sie in sehr kostengünstiger Weise – beispielsweise durch Verwendung eines nicht kalibrierten oder nicht besonders genauen oder nicht temperaturstabilen Widerstands – in jeder Spannungsmessvorrichtung realisiert werden. Die Strommessung kann in bereits erwähnter Weise "vor Ort" und damit gleichzeitig zur Spannungsmessung vorgenommen werden. Mit den damit ermittelten Strommesswerten kann als Zwischenschritt die Phase der Impedanz jeweils sehr genau bestimmt werden, da hierfür die Phase des Stroms genau gemessen worden war. Die präzise Stromamplitude wird dabei von dem Präzisionsshunt in der ersten Strommessvorrichtung gemessen und beispielsweise als Broadcast-Nachricht an die einzelnen Spannungsmessvorrichtungen bzw. deren Impedanzberechnungseinheiten übermittelt. Die Amplitude der einzelnen Modulspannungen wird dann durch diesen (präzisen) Amplitudenwert des Stroms dividiert, wodurch eine exakte Impedanzbestimmung vorgenommen werden kann. Die hierdurch ermittelten Impedanzwerte können dann an das Steuergerät bzw. die Steuereinheit übermittelt werden. Durch die Übermittlung lediglich der Stromamplitude (und nicht vieler Abtastwerte des Stroms zu unterschiedlichen Abtastzeitpunkten) kann bei dieser Ausführungsform die Buslast weiter reduziert werden. Außerdem kann somit bei dieser Ausführungsform die Latenzzeit sehr viel geringer gehalten werden, da die Strommessung und die Spannungsmessungen in einem klaren zeitlichen Kontext ausgeführt werden können. Ferner ist als eine beispielhafte Anwendung zu erwähnen, dass die Verwendung der exakten Phase auch zur Ableitung der Temperatur des betreffenden Moduls verwendet werden kann. According to a further advantageous embodiment of the measuring device according to the invention, a second current measuring device is provided in each of the N voltage measuring devices for the repeated measurement of the respectively given at the time of measurement value of the current flowing through the module current with a second measurement precision and for transmission to the respective associated impedance calculation unit, said first measurement precision is at least an order of magnitude better than the second measurement precision. Thus, in each voltage measuring device "on site" not only the corresponding voltage or the corresponding voltages can be measured, but also the current flowing through the module. Since the second current measuring device only has to have a much smaller measuring precision, it can be realized in a very cost-effective manner-for example by using a non-calibrated or not particularly accurate or non-temperature-stable resistor-in each voltage measuring device. The current measurement can be made in the manner already mentioned "on site" and thus simultaneously for voltage measurement. With the current measured values thus determined, the phase of the impedance can be determined very precisely as an intermediate step, since the phase of the current was measured precisely for this purpose. The precise current amplitude is in this case measured by the precision shunt in the first current measuring device and transmitted, for example, as a broadcast message to the individual voltage measuring devices or their impedance calculation units. The amplitude of the individual module voltages is then divided by this (precise) amplitude value of the current, whereby an exact impedance determination can be made. The impedance values determined as a result can then be transmitted to the control unit or the control unit. By transmitting only the current amplitude (and not many samples of the current at different sampling times), the bus load can be further reduced in this embodiment. Moreover, in this embodiment, the latency can thus be kept much lower because the current measurement and voltage measurements can be made in a clear temporal context. It should also be mentioned, as an exemplary application, that the use of the exact phase can also be used to derive the temperature of the relevant module.

Eine besonders kostengünstige Realisierung dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ergibt sich dann, wenn resisitve Leitungsbestandteile des jeweiligen Moduls – wie beispielsweise ein ohnehin vorhandenes kurzes Leitungsstück oder ein Zuführungsterminal – zugleich als Messwiderstand für die zweite Strommessvorrichtung dienen. A particularly cost-effective implementation of this embodiment of the measuring device according to the invention results when resisitve line components of each module - such as an already existing short line piece or a feeder terminal - also serve as a measuring resistor for the second current measuring device.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist ein Modulsystem für die Impedanzermittlung von N in Serie zu einem Strang zusammengeschalteten Modulen eines Batteriespeichers oder einer Brennstoffzellenanordnung, wobei N ≥ 2, das umfasst: N in Serie zu einem Strang zusammengeschaltete Module, wobei jedes Modul aufweist: eine Zelle eines Batteriespeichers oder einer Brennstoffzellenanordnung, eine Impedanzberechnungseinheit, eine Spannungsmessvorrichtung für die wiederholte Messung der Werte der in der Zelle jeweils zum Messzeitpunkt abfallenden Spannungen und für die Übertragung an die Impedanzberechnungseinheit, eine Steuerelektronik für die Steuerung des Moduls und eine zweite Strommessvorrichtung für die wiederholte Messung des jeweils zum Messzeitpunkt gegebenen Werts des die betreffende Zelle durchfließenden Stroms mit einer zweiten Messpräzision und für die Übertragung an die Impedanzberechnungseinheit; sowie eine erste Strommessvorrichtung für die wiederholte Messung des jeweils zum Messzeitpunkt gegebenen Werts des den Strang durchfließenden Stroms mit einer ersten Messpräzision und für die Übertragung an die Impedanzberechnungseinheit, wobei die erste Messpräzision um mindestens eine Größenordnung besser ist als die zweite Messpräzision. Bei bisher erhältlichen Modulen musste jeweils ein Modul gekauft und die entsprechende Steuer- bzw. Überwachungselektronik hinzugefügt werden. Diese Ausführungsform bietet daher den Vorteil, dass ein jeweiliges Modul die nötige Steuerelektronik bereits enthält und aufgrund dieser Integration für zukünftige Architekturen frei einsetzbar und beliebig kombinierbar ist. Daher könnte diese Ausführungsform auch als "smart cell" oder "smart module" bezeichnet werden. A further advantageous embodiment is a module system for the impedance determination of N in series to a strand interconnected modules of a battery storage or a A fuel cell assembly, wherein N ≥ 2, comprising: N modules connected in series to a string, each module comprising: a cell of a battery storage or a fuel cell assembly, an impedance calculation unit, a voltage measurement device for repeatedly measuring the values of those in the cell at each measurement time falling voltages and for transmission to the impedance calculation unit, control electronics for controlling the module, and a second current measuring device for repeatedly measuring the value of the current flowing through the cell in question at the time of measurement with a second measurement precision and for transmission to the impedance calculation unit; and a first current measuring device for repeatedly measuring the value of the current flowing through the strand at a first measurement precision and for transmission to the impedance calculation unit, wherein the first measurement precision is better than the second measurement precision by at least one order of magnitude. For previously available modules, one module had to be purchased and the corresponding control or monitoring electronics added. This embodiment therefore has the advantage that a respective module already contains the necessary control electronics and, due to this integration, can be freely used for future architectures and combined as desired. Therefore, this embodiment could also be referred to as a "smart cell" or "smart module".

Eine besonders kompakte und einfach zu verbauende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ergibt sich dann, wenn jede Impedanzberechnungseinheit in die betreffende der N Spannungsmessvorrichtungen integriert ist. A particularly compact and easy-to-install embodiment of the measuring device according to the invention results when each impedance calculation unit is integrated into the respective one of the N voltage measuring devices.

Ein weiter gesteigerter Integrationsgrad der erfindungsgemäßen Messvorrichtung lässt sich erreichen, wenn die erste Strommessvorrichtung in eine Schützbox eines Kraftfahrzeugs integriert ist. A further increased degree of integration of the measuring device according to the invention can be achieved if the first current measuring device is integrated in a contactor box of a motor vehicle.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren für die Impedanzermittlung von N in Serie zu einem Strang zusammengeschalteten Modulen eines Batteriespeichers oder einer Brennstoffzellenanordnung, wobei N ≥ 2. Dieses Verfahren umfasst umfassend folgende Schritte: N Spannungsmessvorrichtungen messen wiederholt die Werte der in einem Modul jeweils zum Messzeitpunkt abfallenden Spannungen, wobei jedem Modul eine der N Spannungsmessvorrichtungen zugeordnet ist, und eine Strommessvorrichtung misst wiederholt den jeweils zum Messzeitpunkt gegebenen Wert des den Strang durchfließenden Stroms. Die Besonderheit dieses erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die von der Strommessvorrichtung gemessenen Stromwerte jeweils an alle Impedanzberechnungseinheiten, von denen jeweils eine Impedanzberechnungseinheit einer der N Spannungsmessvorrichtungen zugeordnet ist, übertragen werden, die von jeder der N Spannungsmessvorrichtungen gemessenen Spannungswerte an die jeweils zugeordnete Impedanzberechnungseinheit übertragen werden und jede Impedanzberechnungseinheit aus den übertragenen Stromwerten und Spannungswerten die Impedanz des ihr zugeordneten Moduls berechnet. The above object is also achieved by a method for impedance determination of N in series to a string interconnected modules of a battery storage or a fuel cell assembly, wherein N ≥ 2. This method comprises comprising the following steps: N voltage measuring devices repeatedly measure the values of in a module each dropping at the time of measurement voltages, each module is assigned to one of the N voltage measuring devices, and a current measuring device repeatedly measures the given at the time of measurement value of the current flowing through the strand. The peculiarity of this method according to the invention lies in the fact that the current values measured by the current measuring device are respectively transmitted to all impedance calculation units, each of which has an impedance calculation unit assigned to one of the N voltage measurement devices, which are transmitted from each of the N voltage measurement devices to the respective associated impedance calculation unit and each impedance calculating unit calculates the impedance of the assigned module from the transmitted current values and voltage values.

Es versteht sich, dass bei der vorliegenden Erfindung ein Zusammenhang zwischen einerseits Merkmalen besteht, die im Zusammenhang mit Verfahrensschritten beschrieben wurden, sowie andererseits Merkmalen, die im Zusammenhang mit entsprechenden Vorrichtungen beschrieben wurden. Somit sind beschriebene Verfahrensmerkmale auch als zur Erfindung gehörige Vorrichtungsmerkmale – und umgekehrt – anzusehen, selbst wenn dies nicht explizit erwähnt wurde. It is understood that in the present invention there is a relationship between on the one hand features which have been described in connection with method steps and on the other hand features which have been described in connection with corresponding devices. Thus, described method features are also to be regarded as device features associated with the invention - and vice versa - even if not explicitly mentioned.

Zur vorliegenden Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug, das ein solches Modulsystem oder eine solche Messvorrichtung aufweist. Dementsprechend ergeben sich auch gleiche oder ähnliche Vorteile wie die in Verbindung mit dem vorstehend Beschriebenen, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird. The present invention also includes a motor vehicle having such a modular system or such a measuring device. Accordingly, the same or similar advantages as those in connection with the above-described, which is why reference is made to avoid repetition of the above statements in connection with the device according to the invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung Further advantages, features and characteristics of the present invention

ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Es zeigen: result from the following detailed description of embodiments of the measuring device according to the invention. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung; 1 a schematic representation of a first embodiment of a measuring device according to the invention;

2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung; 2 a schematic representation of a second embodiment of a measuring device according to the invention;

3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung in Form eines erfindungsgemäßen Modulsystems; 3 a schematic representation of a third embodiment of the invention in the form of a modular system according to the invention;

4 eine schematische Darstellung des bei der zweiten Ausführungsform eingesetzten Verfahrens zur Berechnung der Phase und der Amplitude der Impedanz; und 4 a schematic representation of the method used in the second embodiment for calculating the phase and the amplitude of the impedance; and

5 eine schematische Darstellung einer Messvorrichtung gemäß dem Stand der Technik. 5 a schematic representation of a measuring device according to the prior art.

Gemäß Darstellung in 1 sind N Module Mo1, Mo2, ..., MoN (beispielsweise eines Batteriespeichers oder einer Brennstoffzellenanordnung) seriell miteinander verbunden und bilden einen Strang 20. Wie in 1 dargestellt, ist jedes Modul Mo1–MoN aus mehreren Zellen gebildet. Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 enthält N Spannungsmessvorrichtungen 30, von denen jede jeweils einem der Module Mo1–MoN zugeordnet bzw. daran angeschlossen ist. Aus 1 ist ersichtlich, dass die einzelnen Spannungsmessvorrichtungen 30 so ausgestaltet sind, dass sie die in jedem Modul Mo1–MoN zwischen den einzelnen Zellen abfallenden Teilspannungen messen können. Jede Spannungsmessvorrichtung 30 enthält eine Impedanzberechnungseinheit 60. Die Messvorrichtung 10 umfasst außerdem eine Strommessvorrichtung 40, die bei dieser Ausführungsform in einer Schützbox 42 eines Kraftfahrzeugs, in das die Module Mo1–MoN eingebaut sind, angeordnet ist. Die Strommessvorrichtung 40 misst den Strom, der einen hochpräzisen Widerstand bzw. Shunt 41 durchfließt, welcher in Reihe zu dem Strang 20 geschaltet ist. Außerdem ist in der Messvorrichtung 10 eine Steuereinheit 50 vorgesehen, welche über ein Bussystem 70 mit den einzelnen Spannungsmessvorrichtungen 30 und damit den einzelnen Impedanzberechnungseinheiten 60 sowie der Schützbox 42 und damit der Strommessvorrichtung 40 in Kommunikationsverbindung steht. Bei einem Kraftfahrzeug kann die Steuereinheit 50 mit dem im Kraftfahrzeug ohnehin vorhandenen elektronischen Steuergerät identisch oder als gesonderte Einheit in Letzteres integriert sein. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 bildet zusammen mit dem Strang 20 eine Modulanordnung 16. As shown in 1 are N modules Mo1, Mo2, ..., MoN (for example, one Battery storage or a fuel cell assembly) connected in series and form a strand 20 , As in 1 As shown, each module Mo1-MoN is formed of a plurality of cells. A first embodiment of the measuring device according to the invention 10 contains N voltage measuring devices 30 each of which is assigned to or connected to one of the modules Mo1-MoN. Out 1 It can be seen that the individual voltage measuring devices 30 are designed such that they can measure the partial voltages falling in each module Mo1-MoN between the individual cells. Each voltage measuring device 30 contains an impedance calculation unit 60 , The measuring device 10 also includes a current measuring device 40 in this embodiment, in a box 42 a motor vehicle, in which the modules Mo1-MoN are installed, is arranged. The current measuring device 40 measures the current that has a high-precision resistance or shunt 41 which flows in series to the strand 20 is switched. Also, in the measuring device 10 a control unit 50 provided, which via a bus system 70 with the individual voltage measuring devices 30 and thus the individual impedance calculation units 60 as well as the contactor box 42 and thus the current measuring device 40 is in communication connection. In a motor vehicle, the control unit 50 be identical to the already existing in the motor vehicle electronic control unit or integrated as a separate unit in the latter. The measuring device according to the invention 10 forms together with the strand 20 a module arrangement 16 ,

Erfindungsgemäß arbeitet die Messvorrichtung 10 so, dass die Strommessvorrichtung 40 mit einer bestimmten Abtastrate sehr präzise Strommesswerte des den Strang 20 und damit auch den Shunt 41 durchfließenden Stroms ermittelt, wonach die Steuereinheit 50 diese Strommesswerte an die Impedanzberechnungseinheiten 60 in den Spannungsmessvorrichtungen 30 sendet. Die Richtung des Datenflusses von der Steuereinheit 50 zu den Spannungsmessvorrichtungen 30 bzw. den Impedanzberechnungseinheiten 60 hin ist durch einen Pfeil angegeben. Die Spannungsmessvorrichtungen 30 messen ihrerseits die in den betreffenden Modulen Mo1–MoN abfallenden Teilspannungen und liefern diese Spannungsmesswerte ebenfalls an die entsprechenden Impedanzberechnungseinheiten 60. Durch Division der Spannungsmesswerte durch die zugehörigen Strommesswerte können die Impedanzberechnungseinheiten 60 die jeweiligen Impedanzen berechnen. Durch diese Vorgehensweise können die jeweiligen Gesamtimpedanzen und Teilimpedanzen der Module Mo1–MoN dezentral, also für jedes Modul in der zugeordneten Impedanzberechnungseinheit 60, berechnet werden. Da für jeden Abtastzeitpunkt nur ein entsprechender Strommesswert von der Steuereinheit 50 an die Impedanzberechnungseinheiten 60 gesendet werden muss, kann die dadurch anfallende Buslast in Grenzen gehalten und somit gegenüber dem Fall deutlich reduziert werden, in dem wie beim Stand der Technik für jeden Abtastzeitpunkt viele Spannungsmesswerte an die Steuereinheit 50 übertragen werden müssen. Dadurch kann die laufende Impedanzmessung bei gegebenem Bussystem mit höherer Abtastrate ausgeführt werden als beim Stand der Technik, und da dennoch keine "Verstopfung" des Bussystems droht, ist auch die Latenzzeit geringer und dadurch die Messgenauigkeit höher. Die hierdurch ermittelten Impedanzwerte können dann beispielsweise an die Steuereinheit 50 übermittelt werden. According to the invention, the measuring device works 10 so that the current measuring device 40 with a certain sampling rate very precise current readings of the strand 20 and with it the shunt 41 determined by flowing current, after which the control unit 50 these current measurements to the impedance calculation units 60 in the tension measuring devices 30 sends. The direction of data flow from the control unit 50 to the voltage measuring devices 30 or the impedance calculation units 60 is indicated by an arrow. The voltage measuring devices 30 In turn, they measure the partial voltages dropping in the respective modules Mo1-MoN and also supply these voltage measurement values to the corresponding impedance calculation units 60 , By dividing the voltage measurement values by the associated current measurement values, the impedance calculation units can 60 calculate the respective impedances. By means of this procedure, the respective total impedances and partial impedances of the modules Mo1-MoN can be decentralized, that is to say for each module in the assigned impedance calculation unit 60 , be calculated. Since for each sampling time only a corresponding current reading from the control unit 50 to the impedance calculation units 60 must be sent, the resulting bus load can be kept within limits and thus significantly reduced compared to the case in which as in the prior art for each sampling time many voltage readings to the control unit 50 must be transferred. As a result, the current impedance measurement for a given bus system can be carried out at a higher sampling rate than in the prior art, and since there is no threat of "blockage" of the bus system, the latency is also lower and thus the measurement accuracy is higher. The impedance values determined as a result can then be sent to the control unit, for example 50 be transmitted.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10. In 2 und allen weiteren Figuren werden für Elemente, die gleich oder ähnlich wie entsprechende Elemente in 1 sind, die gleichen Bezugszeichen verwendet, und diese Elemente sowie deren Funktion werden zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen nicht erneut beschrieben. 2 shows a second embodiment of the measuring device according to the invention 10 , In 2 and all other figures are for elements that are the same or similar to corresponding elements in 1 are the same reference numerals, and these elements and their function will not be described again to avoid unnecessary repetition.

Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform zum einen hauptsächlich dadurch, dass in jeder Spannungsmessvorrichtung 30 zusätzlich eine zweite Strommessvorrichtung 46 vorgesehen ist, welche zur Messung des das betreffende Modul Mo1–MoN durchfließenden Stroms bestimmt sind. Hierfür ist in jedem Modul Mo1–MoN ein kostengünstiger und damit in der Regel nicht sonderlich präziser Messwiderstand 45 in Serie zu den Einzelzellen der jeweiligen Module Mo1–MoN geschaltet. Ein solcher Messwiderstand 45 kann ein nahezu beliebiges resistives Element wie beispielsweise ein ohnehin vorhandenes kurzes Leiterstück und/oder ein Verbindungsterminal sein. Die jeweils mittels der zweiten Strommessvorrichtung 46 an dem Messwiderstand 45 gemessenen "zweiten" Strommesswerte sind daher nicht besonders präzise hinsichtlich ihres Betrags, aber da diese Strommesswerte in den Spannungsmessvorrichtungen 30 und damit zeitgleich wie die entsprechenden Spannungsmesswerte ermittelt werden, ist deren Phase sehr präzise. Somit können diese zweiten Strommesswerte gemäß der schematischen Darstellung in 4 für eine sehr präzise Bestimmung der Phase ϕ(Z) der betreffenden Impedanzen Z in der Impedanzberechnungseinheit 60 verwendet werden. In der Impedanzberechnungseinheit 60 wird hierfür beispielsweise eine orthogonale Kreuzkorrelation, eine Fast-Fourier-Transformation (FFT) oder der Goertzel-Algorithmus ausgeführt. Zum anderen braucht daher bei der zweiten Ausführungsform nur noch die von der "ersten" Strommessvorrichtung 40 sehr präzise gemessene Stromamplitude |I| an die einzelnen Impedanzberechnungseinheiten 60 gesendet zu werden, um die von der Spannungsmessvorrichtung 30 gemessene Spannungsamplitude |U| durch diese sehr präzise Stromamplitude |I| zu dividieren, um dadurch eine sehr genaue Ermittlung der jeweiligen Impedanzen ausführen zu können. Durch Übermittlung lediglich der Stromamplitude anstatt vieler einzelner Strommesswerte pro Abtastzyklus kann die Buslast auf dem Bussystem 70 nochmals verringert werden. Zur weiteren Verwendung bei der Steuerung und/oder Regelung der Modulanordnung 16 können die so mit hoher Präzision ermittelten Impedanzwerte der einzelnen Module Mo1–MoN an die Steuereinheit 50 gesendet werden. The second embodiment differs from the first embodiment on the one hand mainly in that in each voltage measuring device 30 in addition a second current measuring device 46 is provided, which are intended to measure the current flowing through the relevant module Mo1-MoN. For this purpose, Mo1-MoN is a cost-effective and therefore generally not very precise measuring resistor in every module 45 connected in series with the individual cells of the respective modules Mo1-MoN. Such a measuring resistor 45 may be an almost arbitrary resistive element such as an already existing short conductor piece and / or a connection terminal. Each by means of the second current measuring device 46 on the measuring resistor 45 measured "second" current readings are therefore not very precise in terms of magnitude, but because these current readings in the voltage measuring devices 30 and thus at the same time as the corresponding voltage measured values are determined, their phase is very precise. Thus, these second current measurement values can be determined according to the schematic representation in FIG 4 for a very precise determination of the phase φ (Z) of the respective impedances Z in the impedance calculation unit 60 be used. In the impedance calculation unit 60 For example, an orthogonal cross correlation, a fast Fourier transformation (FFT) or the Goertzel algorithm are executed for this purpose. On the other hand, therefore, in the second embodiment, only that required by the "first" current measuring device still needs 40 very precisely measured current amplitude | I | to the individual impedance calculation units 60 to be sent to the voltage meter 30 measured voltage amplitude | U | through this very precise current amplitude | I | to divide to thereby be able to perform a very accurate determination of the respective impedances. By transmitting only the current amplitude rather than many individual current measurements per sampling cycle, the bus load on the bus system can 70 be reduced again. For further use in the control and / or regulation of the module arrangement 16 The impedance values of the individual Mo1-MoN modules determined with high precision can be sent to the control unit 50 be sent.

In 2 ist exemplarisch angegeben, dass jedes Modul Mo1–MoN eine Anzahl von M Zellen enthält. Somit sind die unterschiedlichen Potenziale U_0, U_1, ..., U_M vorhanden, und es fallen die Spannungen U_1, ..., U_M ab. Als Amplitude des den Widerstand 45 durchfließenden Stroms ergibt sich dabei I = (U_1 – U_0)/R. In 2 is exemplified that each module Mo1-MoN contains a number of M cells. Thus, the different potentials U_0, U_1, ..., U_M are present, and the voltages U_1, ..., U_M drop off. As the amplitude of the resistor 45 flowing current results in this case I = (U_1 - U_0) / R.

3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung in Form eines erfindungsgemäßen Modulsystems 18, in dem N Module Mo1–MoN und eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 integriert sind. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich außerdem von der zweiten Ausführungsform hauptsächlich dadurch, dass zum einen nur eine einzige Zelle in jedem Modul Mo1–MoN vorhanden ist. Somit sind nur die Potenziale U_0, U_1 und U_2 vorhanden, und es fallen die Spannungen U_1 und U_2 ab. Als Amplitude des den Widerstand 45 durchfließenden Stroms ergibt sich dabei wiederum I = (U_1 – U_0)/R. Zum anderen enthält jedes Modul Mo1–MoN als gesonderte Einheit eine Spannungsmessvorrichtung 30, eine Strommessvorrichtung 46, eine Impedanzberechnungseinheit 60 sowie zusätzlich eine eigene Steuerelektronik 80 und ist daher mit beliebig vielen anderen solchen Einheiten kombinierbar und betreibbar. 3 shows a third embodiment of the invention in the form of a modular system according to the invention 18 in which N modules Mo1-MoN and a measuring device according to the invention 10 are integrated. The third embodiment also differs from the second embodiment mainly in that on the one hand there is only a single cell in each module Mo1-MoN. Thus, only the potentials U_0, U_1 and U_2 are present, and the voltages U_1 and U_2 drop. As the amplitude of the resistor 45 flowing current again results in I = (U_1 - U_0) / R. On the other hand, each module Mo1-MoN contains a voltage measuring device as a separate unit 30 , a current measuring device 46 , an impedance calculation unit 60 as well as its own control electronics 80 and is therefore combinable and operable with any number of other such units.

Es ist festzuhalten, dass die unter Bezug auf einzelne Ausführungsformen bzw. Varianten beschriebenen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise Art und Ausgestaltung der einzelnen Mess-, Berechnungs- und Steuerelemente, auch bei anderen Ausführungsformen vorhanden sein können, außer wenn es anders angegeben ist oder sich aus technischen Gründen von selbst verbietet. Von derartigen, in Kombination beschriebenen, Merkmalen einzelner Ausführungsformen müssen außerdem nicht notwendigerweise immer alle Merkmale in einer betreffenden Ausführungsform realisiert sein. It should be noted that the features of the invention described with reference to individual embodiments or variants, such as, for example, the nature and configuration of the individual measuring, calculating and control elements, may also be present in other embodiments, unless stated otherwise or as such banned by itself for technical reasons. Moreover, such features of individual embodiments described in combination need not necessarily always be realized in a particular embodiment.

Claims

Measuring device ( 10 ) for the impedance determination of N in series to a string ( 20 ) interconnected modules (Mo1-MoN) of a battery storage or a fuel cell assembly, wherein N ≥ 2, comprising N voltage measuring devices ( 30 ) for the repeated measurement of the values of the voltages dropping in a module (Mo1-MoN) at the time of measurement, each module (Mo1-MoN) having one of the N voltage measuring devices ( 30 ), and a first current measuring device ( 40 ) for the repeated measurement of the value of the strand given at the time of measurement ( 20 ) flowing through current with a first measurement precision, characterized in that each of the N voltage measuring devices ( 30 ) an impedance calculation unit ( 60 ), which has a receiving unit for that of the first current measuring device ( 40 ) and for the N voltage measuring devices ( 30 ) measured voltage values for calculating the impedance of the relevant module (Mo1-MoN).

Measuring device ( 10 ) according to claim 1, characterized in that one with the first current measuring device ( 40 ) and with each of the N voltage measuring devices ( 30 ) in communication connected control unit ( 50 ) for the control of the measuring device ( 10 ) and for the transmission of the current values to the impedance calculation units ( 60 ) is provided.

Measuring device ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that in each of the N voltage measuring devices ( 30 ) a second current measuring device ( 46 ) for the repeated measurement of the respectively given value at the time of measurement of the current flowing through the relevant module (Mo1-MoN) with a second measuring precision and for the transmission to the respective associated impedance calculation unit ( 60 ), wherein the first measurement precision is better than the second measurement precision by at least one order of magnitude.

Measuring device ( 10 ) according to claim 3, characterized in that resisitve line components of the respective module (Mo1-MoN) at the same time as a measuring resistor for the second current measuring device ( 42 ) serve.

Measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in each of the N voltage measuring devices ( 30 ) an electronic control system ( 80 ) is provided for their control.

Measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that each impedance calculation unit ( 60 ) into the relevant one of the N voltage measuring devices ( 30 ) is integrated.

Measuring device ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first current measuring device ( 40 ) in a contactor box ( 42 ) of a motor vehicle is integrated.

Modular system ( 18 ) for the impedance determination of N in series to a string ( 20 ) interconnected modules (Mo1-MoN) of a battery storage or a fuel cell assembly, wherein N ≥ 2, comprising - N in series with a strand ( 20 ) interconnected modules (Mo1-MoN), each module (Mo1-MoN) comprising: a cell of a battery storage or a fuel cell assembly, an impedance calculation unit ( 60 ), a voltage measuring device ( 30 ) for the repeated measurement of the values of the voltages dropping in the cell at the time of measurement and for the transmission to the impedance calculation unit ( 60 ), a control electronics ( 80 ) for the control of the module (Mo1-MoN) and a second current measuring device ( 46 ) for the repeated measurement of the respectively given at the time of measurement value of the current flowing through the cell in question with a second measurement precision and for transmission to the impedance calculation unit ( 60 ); And a first current measuring device ( 40 ) for the repeated measurement of the value of the strand given at the time of measurement ( 20 ) flowing through current with a first measurement precision and for the transmission to the impedance calculation unit ( 60 ), wherein the first measurement precision is at least one order of magnitude better than the second measurement precision.

Motor vehicle, characterized in that it has a measuring device ( 10 ) according to one of claims 1 to 7 or a modular system ( 186 ) according to claim 8.

Method for determining the impedance of N in series with a string ( 20 ) interconnected modules (Mo1-MoN) of a battery storage or a fuel cell assembly, wherein N ≥ 2, comprising the following steps: N voltage measuring devices ( 30 ) repeatedly measure the values of the voltages dropping in one module (Mo1-MoN) at the time of measurement, each module (Mo1-MoN) measuring one of the N voltage measuring devices ( 30 ), and a current measuring device ( 40 ) repeatedly measures the value of the strand given at the time of measurement ( 20 ) flowing through, characterized in that the of the current measuring device ( 40 ) measured current values in each case to all impedance calculation units ( 60 ), of which in each case an impedance calculation unit ( 60 ) one of the N voltage measuring devices ( 30 ) transmitted from each of the N voltage measuring devices ( 30 ) measured voltage values to the respective associated impedance calculation unit ( 60 ) and each impedance calculation unit ( 60 ) calculates the impedance of the assigned module (Mo1-MoN) from the transmitted current values and voltage values.