DE102018216517A1

DE102018216517A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Diagnose von Batteriezellen

Info

Publication number: DE102018216517A1
Application number: DE102018216517.3A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Zappen; Alexander Gitis
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2018-09-26
Filing date: 2018-09-26
Publication date: 2020-03-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Batteriezustandes mindestens einer Batteriezelle umfassend die Schrittea. Anlegen eines Stromanregungssignals;b. Bestimmung der Impedanz aus einem Antwortmesssignal der Batteriezelle bei mindestens einer Frequenz;c. Bestimmung mindestens einer Diagnosegröße aus der ImpedanzDieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Bestimmung der Batteriezustandsgrößen der Batteriezelle anhand eines Vergleichs mindestens einer Diagnosegröße mit mindestens einem Referenzwert und/oder mit mindestens einer weiteren Diagnosegröße erfolgt.Die Erfindung betrifft ferner ein Anregungsverfahren und eine Anregungseinheit zur Durchführung des Verfahrens, ein Batteriesystem mit einer solchen Anregungseinheit, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Batteriesystem mit einer solchen Vorrichtung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Diagnose von kritischen Veränderungen, insbesondere Druckveränderungen, Gasentwicklungen und Temperaturveränderungen in Batteriezellen, auf eine Anregungseinheit zur Durchführung des Verfahrens, auf ein Batteriesystem mit einer solchen Anregungseinheit, auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Batteriesystem mit einer solchen Vorrichtung.
Hintergrund der Erfindung
Die Verwendung von elektrischen bzw. elektronischen Geräten, insbesondere portablen Geräten, ist oft abhängig von elektrochemischen Batteriezellen als Stromversorgung, sogenannte „Batteriezellen“ bzw. „Batterien“. Batterien können in elektronischen Geräten wie Telekommunikationsgeräten (beispielsweise Handys, Tablets, Computer), Transportmitteln (beispielsweise Autos, Flugzeuge, Boote), aber auch in nicht-portablen Geräten, wie in Speichersystemen für zentrale und dezentrale Stromversorgungen, eingesetzt werden.
Aufgrund von äußeren Betriebsbedingungen von Batteriezellen, wie zu hohe Stromstärken bei Ladung und Entladung, zu hohe mechanische Kräfte auf das Zellgehäuse oder auf die Kontakte, Überladen oder Tiefentladen bzw. zu hohe und zu niedrige Zellspannung, oder zu hohe und zu niedrige Zelltemperaturen verschiebt sich das elektrochemische Gleichgewicht in der Batteriezelle und die Batteriezelle kann in einen kritischen Batteriezustand geraten. Zudem kann die Batteriezelle durch alterungsbedingte Degenerationsmechanismen ebenfalls in kritische Zustände geraten. Der kritische Batteriezustand kann zu Kapazitätsverlusten, zur Erhöhung des Innenwiderstands, oder zu exothermen Prozessen führen. Diese können wiederum Gefahren nicht nur für die Geräte, sondern auch für Personen darstellen. Jüngere Beispiele sind die Batterieprobleme im Galaxy Note 7 von Samsung oder das brennende Batteriepack im Boeing 787 Dreamliner. Eine frühzeitige Detektion ist daher wünschenswert, um Gegenmaßnahmen ergreifen zu können, bevor diese Batterien eine Gefahr darstellen.
Die Nutzung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie als Diagnosemethode zur Erfassung von Betriebsparametern (Ladezustand (SOC), Kapazität und Innenwiderstand (SOH) Temperatur und andere) oder Sicherheitsparametern (z.B. Detektion von Lithium-Plating bei Lithium-basierten Batteriezellen oder Gasbildung) setzt voraus, dass das Verfahren in nahezu beliebigen Betriebszuständen eines vielzelligen Batteriespeichersystems einsetzbar ist, und auch eine kontinuierliche Überwachung ermöglicht. Der Stand der Technik der Impedanzspektroskopie ist beispielhaft in der DE 10 2009 000 337 dargelegt. Dieses Verfahren führt, falls dies während des dynamischen Betriebs der Batterie mit unterschiedlichen Lade- und Entladeströmen durchgeführt werden soll zu unbrauchbaren Ergebnissen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wäre daher wünschenswert, eine Diagnosemöglichkeit zur Verfügung zu haben, die die Batteriezelle nicht beschädigt und nicht die Nachteile des Stands der Technik aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Verfahren zur Bestimmung eines Batteriezustandes mindestens einer Batteriezelle umfassend die Schritte

a. Anlegen eines Stromanregungssignals;
b. Bestimmung der Impedanz aus einem Antwortmesssignal der Batteriezelle bei mindestens einer Frequenz;
c. Bestimmung mindestens einer Diagnosegröße aus der Impedanz

Der Begriff Batteriezustand bedeutet insbesondere einen Betriebs-, Sicherheits-, oder Alterungszustand einer Batterie.
Der Begriff Batteriezelle umfasst auch Makrobatteriezellen, die aus mehreren einzelnen, parallel oder seriell geschalteten einzelnen Batteriezellen bestehen.
Das Antwortmesssignal ist ein Spannungsantwortmesssignal.
Die Diagnosegröße kann insbesondere unter Einbeziehung einer oder mehrerer der folgenden Größen ermittelt werden:

- charakteristische Größen der Impedanz wie Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase einer einzelnen Batteriezelle;
- statistische Größen der Impedanz, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mehrerer seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich charakteristischer Größen der Impedanz wie Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase einer einzelnen Batteriezelle mit Größen aus dem demselben Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich charakteristischer Größen der Impedanz wie Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase einer einzelnen Batteriezelle mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich charakteristischer Größen der Impedanz wie Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase einer einzelnen Batteriezelle mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich statistischer Größen der Impedanz, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus dem demselben Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich statistischer Größen der Impedanz, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich statistischer Größen der Impedanz, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- charakteristische Größen des Relaxationszeitspektrums, wie Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima einer Verteilungsfunktion von Polarisationswiderständen, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche;
- statistische Größen des Relaxationszeitspektrums, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima einer Verteilungsfunktion von Polarisationswiderständen, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche;
- Vergleich charakteristischer Größen des Relaxationszeitspektrums wie Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima einer Verteilungsfunktion von Polarisationswiderständen, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus dem demselben Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich charakteristischer Größen des Relaxationszeitspektrums wie Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima einer Verteilungsfunktion von Polarisationswiderständen, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich charakteristischer Größen des Relaxationszeitspektrums wie Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima einer Verteilungsfunktion von Polarisationswiderständen, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich statistischer Größen des Relaxationszeitspektrums, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter, Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima der Verteilungsfunktion der Polarisationswiderstände, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus dem demselben Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich statistischer Größen des Relaxationszeitspektrums, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter, Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima der Verteilungsfunktion der Polarisationswiderstände, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen;
- Vergleich statistischer Größen des Relaxationszeitspektrums, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter, Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima der Verteilungsfunktion der Polarisationswiderstände, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen.

Der Begriff Größe umfasst je nach Vergleichsparameter die charakteristischen und/oder statistischen Größen.
Der Begriff Vergleich umfasst auch einen Vergleich mehrerer Vergleiche sowie einen Vergleich mit Ergebnissen von einem oder mehreren Vergleichen.
Die Impedanzwerte von n Batteriezellen bei k Frequenzen für einen Zeitpunkt to lassen sich in Matrixform darstellen: $\underline{A} (t_{0}) = [\begin{matrix} {\underline{Z}}_{C_{1}}^{f_{1}} & \dots & {\underline{Z}}_{C_{1}}^{f_{k}} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ {\underline{Z}}_{C_{n}}^{f_{1}} & \dots & {\underline{Z}}_{C_{n}}^{f_{k}} \end{matrix}]$
Für die Diagnose des Batteriezustanden auf Grundlage der Betriebs- und Sicherheitsparameter werden die aufgenommenen Impedanzspektren in der Diagnoseeinheit weiterverarbeitet. Die Verarbeitung der aufgenommenen Spektren erfolgt durch statistische Verfahren und/oder durch Auswertung deterministischer Größen.
Bei der statistischen Verarbeitung werden statistische Eigenschaften der aufgenommenen Spektren über alle Batteriezellen bei den jeweiligen Frequenzen berechnet. Dadurch erhält man ein Maß für die Inhomogenität des Batteriepacks, sowie den Anteil der einzelnen Batterie an der Inhomogenität.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Mittelwerte und/oder Streuungsmaße, aus den im jeweiligen Messzeitfenster gleichzeitig angeregten und erfassten Impedanzen zu verschiedenen Frequenzen und verschiedenen Batteriezellen gebildet werden.
Der Mittelwert ist vorzugsweise das arithmetische, geometrische und/oder quadratische Mittel. Der Mittelwert kann auch Median bzw. der Zentralwert sein.
Das Streuungsmaß um das arithmetische Mittel ist vorzugsweise die Variation, die Varianz, die Standardabweichung und/oder die mittlere absolute Abweichung.
Das Streuungsmaß um den Median ist vorzugsweise der Quartilsabstand, der Interquartilsabstand, die mittlere absolute Abweichung bezüglich des Medians und/oder der Median der absoluten Abweichungen.
Das Streuungsmaß um das geometrische Mittel ist vorzugsweise die geometrische Standardabweichung.
Es werden die charakteristischen Größen der Impedanz, vorzugsweise Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit den Größen aus dem aktuellen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen. Abhängig von den Streuungsmaßen können hier Schwellwerte definiert werden, um unerwünschte elektrochemische Prozesse wie Elektrolyt- und SEI-Zersetzung und Gasbildung in den Batteriezellen zu detektieren. Bei Überschreiten einer gewissen Temperatur ergeben sich irreversible Veränderungen im Impedanzspektrum durch diese Phänomene. Falls dies im Betrieb in einzelnen Batteriezellen des Batteriepacks auftritt, kann dies durch Vergleich mit nicht betroffenen Batteriezellen erkannt werden. Alternativ kann hierfür auch ein künstlich aus Mittelwert oder Median der Impedanzwerten ermitteltes Spektrum genutzt werden.
Eine Aussage über die Geschwindigkeit der Veränderung des Spektrums kann durch Differenzierung über die Zeit unter Nutzung der in vorherigen Zeitschritten aufgenommenen Spektren geschehen (Trendanalyse). Falls hier schnelle Veränderungen erkennbar sind, kann dies als zusätzliches Warnzeichen genutzt werden. Da hierfür Spektren digital gespeichert werden müssen, ist ein System vorteilhaft, das die gespeicherten Spektren über die Zeit ausdünnt, um Speicherplatz zu sparen. Zur Erkennung langsamerer Vorgänge, wie Zellalterung, ist ein Vergleich mit im Labor ermittelten Spektren möglich, um Rückschlüsse auf die Art der auftretenden Alterungsphänomene zu ziehen. Auch hier ist eine Trendanalyse über größere Zeitbereiche sinnvoll.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Übermittlungseinheit die Warnsignale an eine Steuerungseinrichtung übermittelt, welche auf Basis der Warnsignale den Benutzer warnt und/oder Gegenmaßnahmen einleitet. Beispiele für mögliche Gegenmaßnahme sind die Reduktion der elektrischen Belastung der Batteriezelle, eine Kühlung oder Verstärkung der Kühlung der Batteriezelle oder die Abschaltung der Batteriezelle, insbesondere um die Gefahr ihrer Beeinträchtigung oder Zerstörung zu verhindern.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die charakteristischen Größen der Impedanz vorzugsweise Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus dem aktuellen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den weiteren Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die charakteristischen Größen der Impedanz vorzugsweise Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Dieser Vergleich kann zum Beispiel mittels einfacher Differenzenbildung, oder auch durch Differenzierung nach der Zeit erfolgen. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den weiteren Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die charakteristischen Größen der Impedanz vorzugsweise Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Dieser Vergleich kann zum Beispiel mittels einfacher Differenzenbildung, oder auch durch Differenzierung nach der Zeit erfolgen. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den charakteristischen Größen den Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die statistischen Größen der Impedanz: vorzugsweise Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus dem aktuellen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die statistischen Größen der Impedanz: vorzugsweise Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die statistischen Größen der Impedanz: Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SA übersteigt, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ergebnis des Vergleichs der charakteristischen Größen der Impedanz vorzugsweise Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit dem Ergebnis des Vergleichs aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den weiteren Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ergebnis des Vergleichs der charakteristischen Größen der Impedanz vorzugsweise Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit dem Ergebnis des Vergleichs aus zuvor durchgeführten Messungen für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den weiteren Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ergebnis des Vergleichs der statistischen Größen: vorzugsweise Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit dem Ergebnis des Vergleichs aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SA übersteigt, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ergebnis des Vergleichs der statistischen Größen: vorzugsweise Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit dem Ergebnis des Vergleichs aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SA übersteigt, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Ergänzend oder alternativ wird aus den Anregungs- und Antwortsignal die Verteilung der Relaxationszeitkonstanten bestimmt. Die Verteilung wird auch als Relaxationszeitspektrum (RZS) einer Batterie bezeichnet. Bei der Analyse dem RZS handelt es sich um die Berechnung der Verteilung der Relaxationszeitkonstanten, im englischen auch als „Distribution of Relaxation Times“ (DRT) bezeichnet. Diese ermöglicht eine frequenzabhängige Separation der Verlustprozesse der Batteriezelle aufgrund der Eigenschaft, dass die Kramers-Kronig Beziehungen (siehe unten) Gültigkeit besitzen, und somit die Impedanz einer Batteriezelle als unendliches Netzwerk von RC-Gliedern mit unterschiedlichen Zeitkonstanten aufgefasst werden kann.
Vorteilhaft werden aus dem RZS charakteristische Größen bestimmt und für die Zustandsdiagnose der Batteriezelle verwendet. Charakteristische Größen für das Relaxationszeitspektrum sind beispielsweise der Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen Maxima, Frequenzen der lokalen Maxima, Anzahl der lokalen Maxima, Verteilung der lokalen Maxima im Spektrum, der Mittelwert der Maxima, Schwerpunkt der RZS, der Wert des RZS bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des RZS über einen bestimmten Frequenzbereich, die Werte der Integrale über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche des RZS, der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche.
Vorteilhaft wird das Relaxationszeitspektrum (RZS) aus dem aktuellen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen. Abhängig von den Streuungsmaßen können hier Schwellwerte definiert werden, um unerwünschte elektrochemische Prozesse (wie Elektrolyt- und SEI-Zersetzung und Gasbildung in den Batteriezellen zu detektieren. Bei Überschreiten einer gewissen Temperatur ergeben sich irreversible Veränderungen im Relaxationszeitspektrum durch diese Phänomene. Falls dies im Betrieb in einzelnen Batteriezellen des Batteriepacks auftritt, kann dies durch Vergleich mit nicht betroffenen Batteriezellen erkannt werden. Alternativ kann hierfür auch ein künstliches Relaxationszeitspektrums aus Mittelwert oder Median als charakteristischen Größen genutzt werden.
Aus der Analyse der Relaxationszeitspektren einer einzelnen Batterie und dem Vergleich der Relaxationszeitspektren mit einer oder mehreren weiteren Batterien im Batteriesystem erfolgt die Diagnose des Zustands der einzelnen Batterie und/oder des Gesamtzustands des Batteriesystems. Vorzugsweise führt die Diagnoseeinheit den Verfahrensschritt Diagnose durch.
Die Polarisationsbeiträge von n Batteriezellen bei k Frequenzen für einen Zeitpunkt to lassen sich in Matrixform darstellen: $B (t_{0}) = [\begin{matrix} γ_{C_{1}}^{f_{1}} & \dots & γ_{C_{1}}^{f_{k}} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ γ_{C_{n}}^{f_{1}} & \dots & γ_{C_{n}}^{f_{k}} \end{matrix}]$
Für die Diagnostizierung der eingangs erwähnten Betriebs- und Sicherheitsparameter ist eine Weiterverarbeitung der aufgenommenen Relaxationszeitspektren vorteilhaft, um daraus Diagnosegrößen zu generieren. Dies wird durch die Diagnoseeinheit durchgeführt. Diese verarbeitet die aufgenommenen Spektren in mehreren Arten:

Es werden statistische Eigenschaften der aufgenommenen Spektren über alle Batteriezellen bei den jeweiligen Frequenzen berechnet, wie Median, Mittelwert oder Streuungsmaße wie der Interquartilsabstand oder Standardabweichung. Dadurch erhält man ein Maß für die Inhomogenität des Batteriezustands des Batteriepacks.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die charakteristischen Größen des Relaxationszeitspektrum: vorzugsweise Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen Maxima, Frequenz der lokalen Maxima, Anzahl der lokalen Maxima, Verteilung der lokalen Maxima im Spektrum, der Mittelwert der Maxima, Schwerpunkt des Signals, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche, der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus dem aktuellen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den weiteren Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die charakteristischen Größen des Relaxationszeitspektrum: vorzugsweise Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen Maxima, Frequenz der lokalen Maxima, Anzahl der lokalen Maxima, Verteilung der lokalen Maxima im Spektrum, der Mittelwert der Maxima, Schwerpunkt des Signals, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche, der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den weiteren Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die charakteristischen Größen des Relaxationszeitspektrum: vorzugsweise Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen Maxima, Frequenz der lokalen Maxima, Anzahl der lokalen Maxima, Verteilung der lokalen Maxima im Spektrum, der Mittelwert der Maxima, Schwerpunkt des Signals, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche, der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung, beispielsweise im Laborumfeld, für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den charakteristischen Größen den Schwellwert SB überschreitet wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ergebnis des Vergleichs der statistischen Größen des Relaxationszeitspektrum: vorzugsweise Mittelwert und Streuungsmaße für den Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen Maxima, Frequenz der lokalen Maxima, Anzahl der lokalen Maxima, Verteilung der lokalen Maxima im Spektrum, der Mittelwert der Maxima, Schwerpunkt des Signals, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche, der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus dem aktuellen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SA übersteigt, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ergebnis des Vergleichs der statistischen Größen des Relaxationszeitspektrum: vorzugsweise Mittelwert und Streuungsmaße für den Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen Maxima, Frequenz der lokalen Maxima, Anzahl der lokalen Maxima, Verteilung der lokalen Maxima im Spektrum, der Mittelwert der Maxima, Schwerpunkt des Signals, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche, der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SA übersteigt, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Ergebnis des Vergleichs der statistischen Größen des Relaxationszeitspektrum: vorzugsweise Mittelwert und Streuungsmaße für den Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen Maxima, Frequenz der lokalen Maxima, Anzahl der lokalen Maxima, Verteilung der lokalen Maxima im Spektrum, der Mittelwert der Maxima, Schwerpunkt des Signals, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche, der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen wird. Falls der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SA übersteigt, wird ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben. Wenn der Unterschied zwischen den Größen den Schwellwert SB überschreitet, wird ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben.
Eine Aussage über die Geschwindigkeit der Veränderung des Relaxationszeitspektrums kann durch Differenzierung über die Zeit unter Nutzung der in vorherigen Zeitschritten aufgenommenen Spektren geschehen (Trendanalyse). Falls hier schnelle Veränderungen erkennbar sind, kann dies als zusätzliches Warnzeichen genutzt werden. Da hierfür Spektren digital gespeichert werden müssen, ist ein System vorteilhaft, das die gespeicherten Spektren über die Zeit ausdünnt, um Speicherplatz zu sparen. Zur Erkennung langsamerer Vorgänge, wie Zellalterung, ist ein Vergleich mit im Labor ermittelten Spektren möglich, um Rückschlüsse auf die Art der auftretenden Alterungsphänomene zu ziehen. Auch hier ist eine Trendanalyse über größere Zeitbereiche sinnvoll.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass mehrere Frequenzen gleichzeitig angeregt werden. Hiermit lässt sich die Messzeit erheblich reduzieren, so dass unter den meisten Betriebsbedingungen näherungsweise von Zeitinvarianz ausgegangen werden kann. Dieses Multifrequenz-Verfahren wird so ausgestalten, dass eine kontinuierliche Messung der instantanen Impedanz einer oder mehrerer Batteriezellen mittels einer Anregungseinheit und weiteren nachgelagerten Einheiten erreicht wird. Hierzu wird eine vorab definierte Form des Stromanregungssignals (Anregungsstromform), die zum Beispiel 2 bis 100, vorzugsweise 5 bis 50, beispielsweise 20 geeignet verteilte, beispielsweise linear oder vorzugsweise logarithmisch verteilte Frequenzkomponenten in einem Bereich von vorzugsweise 1 Hz bis 10 kHz enthalten kann, kontinuierlich fortgesetzt auf die Batteriezelle oder Mehrzahl von Batteriezellen aufgeprägt.
Vorzugsweise ist in der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens eine der einzelnen Frequenzkomponenten des Stromanregungssignals abhängig von den Eigenschaften und dem Betriebszustand der einzelnen Batteriezelle oder dem durchschnittlichen Betriebszustand mehrerer seriell und/oder parallel verschalteter Batteriezellen adaptiv angepasst wird und der Messfehler so minimiert wird. Das Stromanregungssignal besteht aus mindestens zwei periodischen Signalen mit voneinander verschiedenen Frequenzen und ist so angelegt, dass es über mindestens eine Periode der kleinsten enthaltenen Frequenz mittelwertfrei ist, so dass ein erstes Antwortmesssignal der Batteriezelle ermittelt und ausgewertet wird, dass mindestens einer der Parameter Amplitude, Frequenz und relative Phasenlage wenigstens einer Komponente des Stromanregungssignals in Abhängigkeit von dem ersten Antwortmesssignal verändert wird, so dass ein Messfehler minimiert wird, dass ein weiteres Antwortmesssignal ermittelt und ausgewertet wird und dass der ausgewertete Wert als Auswertgröße eingesetzt wird.
Das Merkmal, dass mindestens einer der Parameter Amplitude, Frequenz und relative Phasenlage wenigstens einer Komponente des Stromanregungssignals in Abhängigkeit von dem ersten Antwortmesssignal verändert wird, bedeutet insbesondere, dass die Änderung, beziehungsweise die Änderungen in Abhängigkeit von wenigstens einer der Auswertegrößen des ersten Antwortsignals erfolgen.
Vorzugsweise wird bei einem ungünstigen Signal-zu-Rausch-Verhältnis die Amplitude vergrößert.
Zweckmäßigerweise wird bei einer Nichtlinearität des Antwortmesssignals die Amplitude verkleinert; eine derartige Nichtlinearität ist insbesondere bei Oberwellen im Antwortmesssignal erkennbar.
Es ist bevorzugt, die Parameter Amplitude, Frequenz und relative Phasenlage iterativ zu ändern, wobei vorteilhafterweise zuerst die Amplitude geändert wird.
Ferner ist es zweckmäßig, nur zwei der drei Parameter Amplitude, Frequenz und relative Phasenlage iterativ zu ändern.
Die Auswertgröße kann insbesondere unter Einbeziehung einer oder mehrerer der folgenden Größen ermittelt werden:

- Ergebnis einer Konsistenzprüfung von aufgenommenen Impedanzspektren
- Signal-zu-Rausch-Verhältnis zwischen Antwortmesssignal und überlagerten Rauschsignalen
- Amplitude des Antwortmesssignals
- Oberwellengehalt des Antwortmesssignals (dies dient zur Beurteilung der Linearität der Messung).

Der zeitliche Verlauf des zu konstruierenden Stromanregungssignals lässt sich mit beliebigen periodischen Schwingungen realisieren, beispielsweise Sinusschwingungen, Cosinusschwingungen, Rechteckschwingungen oder Dreiecksfolgen. Nachfolgend beispielhaft anhand einer Sinusschwingung erläutert, wobei die mutatis mutandis auch auf die anderen Schwingungsformen, insbesondere Cosinusschwingungen anwendbar ist. Sinusschwingungen und Cosinusschwingungen sind vorteilhaft um eine schnelle Fourier Transformation, insbesondere eine Goertzel Transformation zu ermöglichen.
Nachfolgend wird das Stromanregungssignal beispielhaft mit N (natürliche Zahl) überlagerten Sinusschwingungen beschrieben. $I_{E x c} (t) = b * \sum_{k = 1}^{N} a_{k} * sin (2 π f_{k} t + ϕ_{k})$
Dabei ist a_k die Amplitude, f_k die Frequenz und Phasenlage Φ_k der k-ten Komponente des Anregungssignals. Der Parameter b ist ein zusätzlicher Skalierungsfaktor für das aus N Frequenzkomponenten bestehende Summensignal. Die Wahl dieser Parameter ist abhängig von dem Betriebszustand des Batteriesystems. Typische reale Anregungseinheiten liefern eine begrenzte Gesamtstromamplitude, so dass abhängig von der Wahl der individuellen Parameter a und Φ der N Komponenten vorteilhaft Skalierungen vorgenommen werden, da diese auch einen Einfluss auf die Amplitude des Gesamtsignals haben. Die Parameter Φ wird möglichst so gewählt, dass möglichst keine konstruktive Überlagerung der Sinusschwingungen entsteht. Die Anzahl N muss abhängig davon gewählt werden, welche Störeinflüsse vorliegen, da die resultierende Amplitude des Messsignals pro Frequenzpunkt hiervon abhängt. In Betriebszuständen mit wenigen Störungen (z.B. im Ruhezustand des Batteriesystems) werden beispielsweise mehrere Frequenzkomponenten angeregt, um ein vollständigeres Spektrum zu erhalten. In Betriebszuständen mit vielen Störungen (z.B. im dynamischen Betrieb) werden beispielsweise wenige Frequenzkomponenten anregt, um schnell besonders relevante Abschnitte des Impedanzspektrums zu erhalten. Die Wahl der Frequenzpunkte (Parameter f) hängt davon ab, welche Effekte im Spektrum beobachtet werden sollen. So sind kathoden- oder anodenseitige Effekte typischerweise bei unterschiedlichen Frequenzen zu beobachten, ebenso wie Effekte die beispielsweise die SEI (Solid Electrolyte Interphase) einer Lithium-Ionen-Batteriezelle betreffen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anregungseinheit zur Durchführung des Verfahrens, umfassend einen Speicherkondensator, einen bidirektionalen leistungselektronischen Wandler und einem Filter, mit einem Mittel zum Aufladen des Speicherkondensator vor Beginn einer Messung wobei der Speicherkondensator eine Energie liefert um ein mittelwertfreies Stromanregungssignal mittels des bidirektionalen, leistungselektronischen Wandlers auf eine oder mehrere Batteriezellen aufzuprägen, so dass Energie zwischen Speicherkondensator und Batterie zyklisch verschoben werden kann.
Eine mögliche Ausführung einer Anregungseinheit besteht aus einem Speicherkondensator, einem bidirektionalen leistungselektronischen Wandler und einem Filter. Der enthaltene Speicherkondensator muss vor Beginn der Messung aufgeladen werden, und liefert die notwendige Energie um ein mittelwertfreies Stromanregungssignal mittels des bidirektionalen, leistungselektronischen Wandlers auf eine oder mehrere Batteriezellen aufzuprägen. Es wird also Energie zwischen Speicherkondensator und Batterie zyklisch verschoben. Hierdurch müssen nur die Verluste in der Anregungseinheit ausgeglichen werden. Dies kann entweder durch die dauerhafte Überlagerung eines geringen Gleichstromanteils geschehen, wodurch die Anregungssignalkonstruktion allerdings nicht mehr vollkommen mittelwertfrei ist. Unter Umständen ist dies jedoch tolerabel, wenn die Batterie ohnehin in einem Betriebszustand ist, der dies erlaubt. Alternativ kann der Speicherkondensator auch zyklisch nachgeladen werden. Diese Ausführung einer Anregungseinheit bietet auch den Vorteil, dass eine Überladung der Batterie technisch ausgeschlossen wird.
In Anwendungen, zum Beispiel elektrisch betriebenen Fahrzeugen, liegen häufig wechselnde Betriebs- und Umgebungsbedingungen vor, wie zum Beispiel stark unterschiedliche Temperaturen, inhomogene Ladezustände oder Alterung der Batteriezellen oder elektrische Störungen. Daher müssen die Anregungseinheit und die Charakteristika des Anregungsstroms für die Impedanzmessung sehr robust sein gegenüber diesen Einflüssen sein. Letzteres lässt sich durch eine adaptive Beschaffung des Anregungssignals erreichen. Dies betrifft die enthaltenen Frequenzen, relative Phasenlagen und Amplituden der einzelnen Frequenzkomponenten und die Amplitudenskalierung des überlagerten Gesamtsignals.
Durch dynamische Anpassung der enthaltenen Frequenzkomponenten wird der Einfluss von Frequenzbereichen in denen transiente Störungen vorliegen minimiert. Dies bedingt auch eine dynamische Anpassung der relativen Phasenlagen der Frequenzkomponenten, um ein Gesamtsignal mit möglichst geringem Scheitelfaktor zu erhalten. Dies reduziert die notwendige Spitzenleistung der Anregungsschaltung, und minimiert den störenden Einfluss von Nichtlinearitäten des Prüflings (der Batteriezelle). Gleichzeitig oder auch unabhängig davon wird auch die Amplitude der einzelnen Frequenzkomponenten auf den Prüfling und die äußeren Bedingungen angepasst. Da der Betrag der Impedanz frequenzabhängig ist, wird bei Frequenzen mit betragsmäßig größeren Impedanzen dynamisch die Anregungsamplitude reduziert, um einen dynamisch vorgegebenen Sollwert für den Signal-zu-Rausch Abstand des Messsignals zu erreichen. Dies reduziert sowohl die notwendige Anregungsleistung und als auch den Einfluss von Nichtlinearitäten. In ähnlicher Weise wird die Gesamtamplitude des Anregungssignals im Zeitbereich skaliert. Diese Funktionen sind innerhalb einer Steuerungseinheit umgesetzt, die das notwendige Signal für die Anregungseinheit generiert.
Vorzugseise wird das erhaltene Antwortmesssignal (Messsignal) dann von einer Messeinheit innerhalb eines gleitenden Auswertungsfensters, dessen Breite der Periodendauer der geringsten enthaltenen Frequenz, oder einem ganzzahligen vielfachen davon entspricht, abgetastet. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein einfaches Rechteck-Fenster handeln, oder auch um speziellere Ausprägungen handeln, die eine Gewichtung der einzelnen Sampling-Werte durchführen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine adaptive Kompensation von Lade- und Entladeströmen im Antwortmesssignal erfolgt, die aufgrund eines realen Batteriebetriebs auftreten, wie beispielsweise während der Fahrt eines Elektrofahrzeugs. Eine adaptive Kompensation von Lade- und Entladeströmen im Antwortmesssignal erfolgt durch einen Vergleich der Spannung des Antwortmesssignals zu einem Zeitpunkt t₀ und einem Zeitpunkt t₁ = t₀ + N · T, wobei T die Periodendauer der kleinsten Frequenzkomponente ist, und N eine Ganzzahl.
Der zweite Zeitpunkt ist dabei um die Periodendauer der kleinsten enthaltenen Frequenzkomponente, oder eines vielfachen davon, gegenüber dem ersten Zeitpunkt verschoben. Aus den erhaltenen Werten kann dann mittels einer Interpolation ein Korrektursignal gewonnen werden, welches auf die innerhalb des Messfensters aufgenommenen Werte des Antwortmesssignals angewendet wird, um die durch den überlagerten Lade- oder Entladestrom verursachte Spannungsänderung zu kompensieren.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass Momentanimpedanzen einer oder mehreren Frequenzen aus dem Stromanregungssignal und Spannungsmesssignal innerhalb eines Messzeitfensters bestimmt werden. Die Folge der Impedanzen wird als Impedanzspektrum bezeichnet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Impedanzspektrum oder die Impedanzspektren mittels einer Kramers-Kronig-Relation sowie weiterer Parameter auf ihre Qualitätsmerkmale, insbesondere Konsistenz wenigstens eines der folgenden Parameter:

- Signal-zu-Rausch-Verhältnis
- Amplitude des Antwortmesssignals
- Linearität des Impedanzspektrums
- Zeitinvarianz des Antwortmesssignals

Die Erfindung betrifft ferner eine Anregungseinheit zur Durchführung des Verfahrens umfassend einen Speicherkondensator, einen bidirektionalen leistungselektronischen Wandler und optional einen Filter, mit einem Mittel zum Aufladen des Speicherkondensator vor Beginn einer Messung wobei der Speicherkondensator eine Energie liefert, um ein mittelwertfreies Stromanregungssignal mittels des bidirektionalen, leistungselektronischen Wandlers auf eine oder mehrere Batteriezellen aufzuprägen, so dass Energie zwischen Speicherkondensator und Batterie zyklisch verschoben werden kann.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfassend eine Steuerungseinheit, eine Anregungseinheit, eine Messeinheit, eine Auswerteeinheit, eine Regelungseinheit, eine Diagnoseeinheit und eine Übermittelungseinheit.
Vorteilhaft zeichnet sich die Vorrichtung dadurch aus, dass die Steuerungseinheit zur Erzeugung einer Anregungssignalkonstruktion mit geeigneten Parametern, insbesondere Anregungsfrequenzen, Anregungsamplituden, Phasenlagen und einer Gesamtamplitudenskalierung (Skalierungsfaktor) eingerichtet ist, dass die Anregungseinheit ferner so ausgestattet ist, dass sie eine adaptive Beschaffung der Anregungssignalkonstruktion ermöglicht, und insbesondere eingerichtet ist, wenigsten einen der Parameter der Anregungssignalkonstruktion adaptiv anzupassen.
Die einzelnen Bestandteile, insbesondere die Steuerungseinheit und die Anregungseinheit können sowohl einzeln als auch auf einer Platine vereint oder in einer einzelnen Einheit vereint sein. Die einzelnen Bestandteile können auch als Softwareeinheiten realisiert sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messeinheit (ein Mittel zur Aufnahme des Impedanzspektrums) für eine simultane Erfassung und Aufzeichnung des Spannungsmesssignals in einem zuvor definierten Messzeitfenster von einer oder mehrerer gleichzeitig angeregter Batteriezellen eingerichtet ist.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuerungseinheit für eine Erzeugung einer Anregungssignalkonstruktion eines charakteristischen in einer Steuerungseinheit definierten multifrequenten periodischen, kontinuierlichen Signals in einer oder gleichzeitig mehreren seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen eingerichtet ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Regelungseinheit enthält, die so eingerichtet ist, dass sie aus den aufzeichneten Spannungswerten adaptive Korrekturparameter für die Amplituden, Frequenzen und relativen Phasenlagen für das nächste Messzeitfenster bestimmt und an eine Steuereinheit übermittelt werden.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Vorrichtung,

- mit einer Anregungseinheit zum Anlegen eines Stromanregungssignals;
- mit einem Mittel zur Aufnahme eines Impedanzspektrums der Batteriezelle;
- mit einem Mittel zur Ermittlung einer Auswertgröße anhand des gemessenen Impedanzspektrums

- die Anregungseinheit (das Mittel zum Anlegen eines Stromanregungssignals) so gestaltet ist, dass das Stromanregungssignal aus mindestens zwei periodischen Signalen mit voneinander verschiedenen Frequenzen besteht,
- dass das Stromanregungssignal so angelegt werden kann, dass es über mindestens eine Periode der kleinsten enthaltenen Frequenz mittelwertfrei ist,
- dass das Mittel zur Aufnahme des Impedanzspektrums der Batteriezelle so ausgestaltet ist, dass ein erstes Antwortmesssignal der Batterie ermittelt und ausgewertet werden kann und dass mindestens einer der Parameter Amplitude, Frequenz und relative Phasenlage wenigstens eines der Signale in Abhängigkeit von dem ersten Antwortmesssignal verändert werden kann, so dass ein Messfehler minimiert wird, dass ein weiteres Antwortmesssignal ermittelt und ausgewertet wird, dass der ausgewertete Wert als Auswertgröße eingesetzt werden kann und dass die Bestimmung des Batteriezustands der Batteriezelle anhand eines Vergleichs der Diagnosegröße mit einem Referenzwert und/oder mit mindestens einer weiteren Diagnosegröße erfolgt.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen
Figurenliste
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt:

1: Eine Schar von Impedanzspektren vor, während und nach dem Einsetzen von Elektrolytzersetzung und Gasbildung
2: Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3: Ablauf eines bevorzugten Verfahrens
4: Ausführungsbeispiel für die Anregungseinheit, bestehend aus einem Speicherkondensator, einem bidirektionalen leistungselektronischen Wandler sowie optional einen oder mehrere Filterelemente
5: Eine Schar von Relaxationszeitspektren vor und während dem Einsetzen von Elektrolytzersetzung und Gasbildung
6: Ein Relaxationszeitspektrum nach dem Einsetzen von Elektrolytzersetzung und Gasbildung, im Vergleich mit den Relaxationszeitspektren vor und während dem Einsetzen von Elektrolytzersetzung und Gasbildung.

Eine mögliche Ausführung einer vorteilhaften Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 dargestellt. Sie besteht aus einer Steuerungseinheit 10, einem Mittel zum Erzeugen eines externen Triggersignals 15, einer Anregungseinheit 20, einer Messeinheit 30, einer Auswerteeinheit 40, einer Regelungseinheit 50, einer Diagnoseeinheit 60 und einer Übermittelungseinheit 70.
Das Mittel zum Erzeugen des externen Triggersignals 15 und das Triggersignal 15 sind optional und ermöglichen es, in Abhängigkeit von äußeren Ereignissen einen neuen Messzyklus zu starten. Vorzugsweise wird das externe Triggersignal 15 über einen nicht dargestellten Datenbus übertragen.
Mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung können erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
Eine bevorzugte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand von 3 erläutert. Dieses Verfahren wird zweckmäßigerweise mit der in 2 dargestellten Vorrichtung durchgeführt.
Es erfolgt eine Anregungssignalkonstruktion 100 mit geeigneten Parametern, insbesondere Anregungsfrequenzen, Anregungsamplituden, Phasenlagen und einer Gesamtamplitudenskalierung (Skalierungsfaktor).
Da in Anwendungen, zum Beispiel elektrisch betriebenen Fahrzeugen, häufig wechselnde Betriebs- und Umgebungsbedingungen vorliegen, wie zum Beispiel stark unterschiedliche Temperaturen, inhomogene Ladezustände oder Alterung der Batteriezellen oder elektrische Störungen, müssen die Anregungseinheit und die Charakteristika des Anregungsstroms für die Impedanzmessung sehr robust sein gegenüber diesen Einflüssen. Letzteres lässt sich durch eine adaptive Beschaffung des Anregungssignals erreichen. Dies betrifft die enthaltenen Frequenzen, relative Phasenlagen und Amplituden der einzelnen Frequenzkomponenten und die Amplitudenskalierung des überlagerten Gesamtsignals.
Durch dynamische Anpassung der enthaltenen Frequenzkomponenten wird der Einfluss von Frequenzbereichen in denen transiente Störungen vorliegen minimiert. Dies bedingt auch eine dynamische Anpassung der relativen Phasenlagen der Frequenzkomponenten, um ein Gesamtsignal mit möglichst geringem Scheitelfaktor zu erhalten. Dies reduziert die notwendige Spitzenleistung der Anregungsschaltung, und minimiert den störenden Einfluss von Nichtlinearitäten des Prüflings (der Batteriezelle). Gleichzeitig oder auch unabhängig davon wird die Amplitude der einzelnen Frequenzkomponenten auf den Prüfling und die äußeren Bedingungen angepasst. Da der Betrag der Impedanz frequenzabhängig ist, lässt sich mit dem Verfahren bei Frequenzen mit betragsmäßig größeren Impedanzen die Anregungsamplitude reduziert, um einen dynamisch vorgegebenen Sollwert für den Signal-zu-Rausch Abstand des Messsignals zu erreichen. Dies reduziert ebenso die notwendige Anregungsleistung und den Einfluss von Nichtlinearitäten. In ähnlicher Weise lässt sich in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gesamtamplitude des Anregungssignals im Zeitbereich skalieren. Diese Funktionen werden innerhalb einer Steuerungseinheit umgesetzt, die das notwendige Steuersignal für die Anregungseinheit generiert. Dabei werden von einer Regelungseinheit aus den im vorherigen Schritt durch die Auswerteeinheit bestimmten Impedanzwerten die jeweiligen Sollwerte für den nächsten Messdurchlauf bestimmt und an die Steuerungseinheit übertragen.
Der zeitliche Verlauf des zu konstruierenden Stromanregungssignals lässt sich mit beliebigen periodischen Schwingungen realisieren, beispielsweise Sinusschwingungen, Cosinusschwingungen, Rechteckschwingungen oder Dreiecksfolgen. Nachfolgend wird das Verfahren beispielhaft anhand einer Sinusschwingung erläutert, wobei die mutatis mutandis auch auf die anderen Schwingungsformen, insbesondere Cosinusschwingungen anwendbar sind. Sinusschwingungen und Cosinusschwingungen sind vorteilhaft um eine schnelle Fourier Transformation, insbesondere eine Goertzel-Transformation zu ermöglichen.
Nachfolgend wird das Stromanregungssignal beispielhaft mit N (natürliche Zahl) überlagerten Sinusschwingungen beschrieben. $I_{E x c} (t) = b * \sum_{k = 1}^{N} a_{k} * sin (2 π f_{k} t + ϕ_{k})$
Dabei ist a_k die Amplitude, f_k die Frequenz und Phasenlage Φ_k der k-ten Komponente des Anregungssignals. Der Parameter b ist ein zusätzlicher Skalierungsfaktor für das aus N Frequenzkomponenten bestehende Summensignal. Die Wahl dieser Parameter ist abhängig von dem Betriebszustand des Batteriesystems. Typische reale Anregungseinheiten liefern eine begrenzte Gesamtstromamplitude, so dass abhängig von der Wahl der individuellen Parameter a und Φ der N Komponenten erfindungsgemäß müssen Skalierungen vorgenommen werden, da diese auch einen Einfluss auf die Amplitude des Gesamtsignals haben. Die Parameter Φ wird möglichst so gewählt, dass möglichst keine konstruktive Überlagerung der Sinusschwingungen entsteht. Die Anzahl N muss abhängig davon gewählt werden, welche Störeinflüsse vorliegen, da die resultierende Amplitude des Messsignals pro Frequenzpunkt hiervon abhängt. In Betriebszuständen mit wenigen Störungen (z.B. im Ruhezustand des Batteriesystems) werden beispielsweise mehrere Frequenzkomponenten angeregt, um ein vollständigeres Spektrum zu erhalten. In Betriebszuständen mit vielen Störungen (z.B. im dynamischen Betrieb) werden beispielsweise wenige Frequenzkomponenten anregt, um schnell besonders relevante Abschnitte des Impedanzspektrums zu erhalten. Die Wahl der Frequenzpunkte (Parameter f) hängt davon ab, welche Effekte im Spektrum beobachtet werden sollen. So sind kathoden- oder anodenseitige Effekte typischerweise bei unterschiedlichen Frequenzen zu beobachten, ebenso wie Effekte die beispielsweise die SEI (Solid Electrolyte Interphase) einer Lithium-Ionen-Batteriezelle betreffen.
Nachdem die Anregungskonstruktion 100 in der Steuerungseinheit 10 durchgeführt wurde, erfolgt ein Erzeugen 110 eines Stromanregungssignals durch die Anregungseinheit 20. Die Anregungseinheit 20 wird auch als Treiber bezeichnet.
Eine mögliche Ausführung einer erfindungsgemäßen Anregungseinheit 20 ist in 4 dargestellt. Sie besteht aus einem Speicherkondensator, einem bidirektionalen leistungselektronischen Wandler und einem Filter. Der enthaltene Speicherkondensator muss vor Beginn der Messung aufgeladen werden, und liefert die notwendige Energie um ein mittelwertfreies Stromanregungssignal mittels des bidirektionalen, leistungselektronischen Wandlers auf eine oder mehrere Batteriezellen aufzuprägen. Es wird also Energie zwischen Speicherkondensator und Batterie zyklisch verschoben. Hierdurch müssen nur die Verluste in der Anregungseinheit ausgeglichen werden. Dies kann entweder durch die dauerhafte Überlagerung eines geringen Gleichstromanteils geschehen, wodurch die Anregungssignalkonstruktion allerdings nicht mehr vollkommen mittelwertfrei ist. Anwendungsbedingt sind Batteriezustände möglich, die eine solche Anregung tolerieren. Alternativ kann der Speicherkondensator auch zyklisch nachgeladen werden. Diese Ausführung einer Anregungseinheit bietet auch den Vorteil, dass eine Überladung der Batterie technisch ausgeschlossen werden kann. Die Anregungseinheit 20 kann beliebige Anregungssignalkonstruktionen 100 für die erfindungsgemäße Diagnose 185 erzeugen. Ferner ist es möglich, die erfindungsgemäße Anregungssignalkonstruktion 100 mit einer beliebigen Diagnose 185 zu kombinieren. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt erfolgt eine Spannungsantwortmessung 120. Danach wird eine Driftkorrektur 130 und eine Transformation 140 im Frequenzbereich (Frequenzbereichstransformation) durchgeführt. Die Frequenzbereichstransformation 140 kann vorteilhafterweise mit dem sogenannten Görtzel-Algorithmus durchgeführt werden, der eine Spezialform der diskreten Fourier Transformation (DFT) ist. Dieser hat gegenüber der bekannteren „Fast Fourier Transform“ (FFT) den Vorteil einer höheren Rechenzeiteffizienz, für den hier typischerweise vorliegenden Fall das nur vergleichsweise wenig diskrete Spektralkomponenten, typischerweise genau diejenigen die auch im Anregungssignal enthalten waren, benötigt werden. Alternativ ist auch eine Wavelet-Transformation vorteilhaft, wenn nicht periodische oder periodische nicht-trigonometrische Anregungsfunktionen verwendet werden. Auch bei Spannungsantwortmessungen, bei denen das Messsignal gefenstert wird, ist eine Wavelet-Transformation vorteilhaft.
Eine Impedanzspektrumsbestimmung 150 und eine optionale Relaxationszeitenbestimmung 160 erfolgen vorzugsweise zeitgleich. Es ist gleichfalls möglich, die Bestimmung 160 des Relaxationszeitspektrums wegzulassen oder die Relaxationszeitbestimmung im Anschluss an eine Konsistenzprüfung 170 durchzuführen.
Durch die Konsistenzprüfung 170 wird eine adaptive Regelung 180 wenigstens eines der Parameter der Anregungssignalkonstruktion 100 ermöglicht. Die Konsistenzprüfung dient der Beurteilung der Gültigkeit der aufgenommenen Impedanzspektren. Eine übliche Grundvoraussetzung für elektrochemische Impedanzspektroskopie ist, dass sich das Verhalten des untersuchten Systems als linear und zeitinvariant beschrieben lässt. Die Einhaltung dieser Kriterien erfolgt durch Konsistenzprüfung.
Vorteilhaft erfolgt die Konsistenzprüfung 170 auf mehrere Arten. In dem Fall, dass ein Frequenzspektrum des Messsignals vorliegt, wird dieses hinsichtlich enthaltener Oberwellen des Anregungssignals untersucht. Falls Oberwellen erkannt werden, ist dies ein Anzeichen für nichtlineares Verhalten. Anschließend wird das Anregungssignal durch die adaptive Regelung 180 und die angepasste Anregungssignalkonstruktion 100 modifiziert bist keine Oberwellen mehr erkannt werden.
Weitere vorteilhafte Kriterien für die Konsistenzprüfung 170 und Beurteilung von zeitinvarianten Verhalten sind die Kramers-Kronig Relationen (dargelegt beispielsweise in folgender Publikation: M. Schönleber, D. Klotz and E. Ivers-Tiffee, A Method for Improving the Robustness of linear Kramers-Kronig Validity Tests, Electrochimica Acta 131, pp. 20-27 (2014)), die Real- und Imaginärteil der aufgenommenen Impedanzspektren miteinander in Beziehung setzen, und auf Konsistenz prüfen. Falls während der Konsistenzprüfung 186 eine zu starke Abweichung zwischen gemessenen Realteilen oder gemessen Imaginärteilen der Impedanz und mittels Kramers-Kronig Relationen konstruierter Impedanz, beziehungsweise Impedanzen festgestellt wird, wird eine Verletzung des Zeitinvarianzkriteriums erkannt und die Messung wird als inkonsistent erkannt und verworfen. Durch die adaptive Regelung 180 und die angepasste Anregungssignalkonstruktion 100 wird ein neues Anregungssignal konstruiert und die Messung wiederholt.
Während einer dynamischen Belastung der Batterie mit einem überlagerten Laststrom oder Ladestrom erfolgt die Konsistenzprüfung 170 der Impedanzmessung zusätzlich oder ersetzend mit Analyse der Stromstärke. Wenn der Laststrom oder Ladestrom sich während der Messung stärker als ein Toleranzband D ändert wird die Messung als inkonsistent erkannt, weil der Zustand der Batterie sich soweit geändert hat, dass keine Zeitinvarianz mehr vorliegt. In Anhängigkeit der Stromstärke des überlagerten Stroms werden durch die adaptive Regelung 180 und die angepasste Anregungssignalkonstruktion 100 die niedrigen Frequenzanteile eliminiert und die Messdauer soweit reduziert, so dass in dem nächsten Messschritt wieder ein zeitinvariantes Verhalten vorliegt und die notwendige Konsistenz wiederhergestellt ist.
Ein weiteres Merkmal der Konsistenzprüfung 170 in der Auswerteeinheit 40 ist eine Störanalyse des Messsignals. Dafür wird beispielsweise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Messsignals ausgewertet. Wenn eine hohe spektrale Rauschleistungsdichte in der Nähe der angeregten Frequenzen vorliegt, ist dies ein Hinweis auf einen Störeinfluss. Durch die adaptive Regelung 180 und die angepasste Anregungssignalkonstruktion 100 wird die mindestens eine Frequenz oder Amplitude des Anregungssignals verändert um das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu vergrößern.
Die adaptive Regelung 180 verarbeitet die Ergebnisse der Konsistenzprüfung weiter, und definiert die Anforderungen an ein neues Anregungssignal. Beispielsweise muss im nächsten Zeitschritt die Amplitude des Stromanregungssignals verringert werden, wenn Nichtlinearitäten festgestellt werden. Falls in bestimmten Frequenzbändern starke Störungen festgestellt werden, erfolgt eine Variation der Anregungsfrequenzen. Falls einer Verletzung des Zeitinvarianzkriteriums erkannt wird, wird erfindungsgemäß adaptiv die Messdauer verkürzt, indem tiefe Frequenzen ausgespart und/oder unvollständig erfasst werden.
Vorzugsweise führt die Auswerteeinheit 40 die Verfahrensschritte 130 bis 170 durch. Anschließend erfolgt eine Weiternutzung der Messdaten zur Diagnose 185. Abschließend erfolgt noch eine Reduktion des benötigten Speicherplatzes 186 indem Spektren über die Zeit ausgedünnt werden.
In 1 ist eine Schar von Impedanzspektren einer beispielhaften Lithium-Ionen-Batterie bei verschiedenen Temperaturen dargestellt. Die Darstellung erfolgt in Form eines sogenannten Nyquist-Diagramms, in der auf der X-Achse der Realteil der Impedanz und auf der Y-Achse der negative Imaginärteil der komplexen Impedanz aufgetragen ist.
Die Impedanzspektren 300 - 320, entsprechend einem Temperaturbereich von 40°C - 60°C weisen insofern ein normales Verhalten auf, als das der typischerweise als ein gestauchter Halbkreis erkennbare Ladungstransferprozess einer oder beider Elektroden kleiner wird, was einer Verringerung der hiermit verbundenen Verluste entspricht. Die bei 70°C, 80°C und 90°C aufgenommenen Impedanzspektren 330 - 350 zeigen bereits zunehmende Auffälligkeiten, die sich darin äußern, dass eine zunehmende Verschiebung hin zu größeren Werten auf der Achse des Realteils erfolgt. Dies ist typisch für die in diesem Temperaturbereich einsetzende Zersetzung von dem Elektrolyt bzw. SEI, und die darauffolgende Gasbildung. Bei weiter ansteigenden Temperaturen von 100°C und 110°C (Impedanzspektren 360 und 370) treten noch stärkere Auffälligkeiten zutage, die sich in einem angedeuteten zusätzlichen Halbkreis im höherfrequenten Teil des Spektrums im Nyquist-Diagramm äußern. Das Impedanzspektrum 380 wurde während der folgenden Abkühlphase bei einer Temperatur von 80°C aufgenommen, und zeigt gegenüber dem vorher bei gleicher Temperatur aufgenommenen Spektrum 340 deutliche Veränderungen. Das nach erneutem Erreichen der Ausgangstemperatur von 40°C aufgenommene Spektrum 390 zeigt eine bleibende Veränderung des Impedanzspektrums, die eine starke, dauerhafte Schädigung der Batteriezelle bedeutet.
Aus der Analyse der Frequenzspektren einer einzelnen Batteriezelle und der Vergleich der Frequenzspektren mit weiteren Batteriezellen im Batteriesystem erfolgt die Diagnose 185 des Zustands der einzelnen Batterie und/oder der Gesamtzustand des Batteriesystems. Vorzugsweise führt die Diagnoseeinheit 60 den Verfahrensschritt Diagnose 185 durch.
Die Impedanzwerte von n Batteriezellen bei k Frequenzen für einen Zeitpunkt to lassen sich in Matrixform darstellen: $\underline{A} (t_{0}) = [\begin{matrix} {\underline{Z}}_{C_{1}}^{f_{1}} & \dots & {\underline{Z}}_{C_{1}}^{f_{k}} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ {\underline{Z}}_{C_{n}}^{f_{1}} & \dots & {\underline{Z}}_{C_{n}}^{f_{k}} \end{matrix}]$
Für die Diagnostizierung der eingangs erwähnten Betriebs- und Sicherheitsparameter ist eine Weiterverarbeitung der aufgenommenen Impedanzspektren vorteilhaft, um daraus Diagnosegrößen zu generieren. Dies wird durch die Diagnoseeinheit 60 durchgeführt. Diese verarbeitet die aufgenommenen Spektren in mehreren Arten:

Es werden die charakteristischen Größen der Impedanz Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit den Größen aus dem aktuellen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen. Abhängig von den Streuungsmaßen werden Schwellwerte definiert, um unerwünschte elektrochemische Prozesse, wie Elektrolyt- und SEI-Zersetzung und Gasbildung in den Batteriezellen, zu detektieren. Wie bereits anhand von 1 erläutert, ergeben sich irreversible Veränderungen in den Impedanzspektren 380 und 390 durch Degenerationsphänomene beim Überschreiten einer gewissen Temperatur. Durch Vergleich der Spektren zwischen verschiedenen Batteriezellen des Batteriepacks, kann eine betroffene Batteriezelle oder mehrere betroffene Batteriezellen identifiziert werden. Wenn beispielsweise die Batteriezelle A das Spektrum 330 aufweisen und Batteriezelle B das Spektrum 350 aufweist, ist die Diagnoseeinheit 60 in der Lage Batteriezelle B als defekte Batterie zu identifizieren. Alternativ wird für den Vergleich auch ein künstlich aus Mittelwert und/oder Median der Impedanzwerte ermitteltes Spektrum genutzt werden. Alternativ oder ergänzend werden für den Vergleich Impedanzspektren aus zuvor durchgeführten Messungen, beispielsweise unter Laborbedingungen, als Referenz verwendet.
Eine Aussage über die Geschwindigkeit der Veränderung des Spektrums über die Zeit wird ebenfalls für die Diagnose 185 genutzt. Durch Differenzierung über die Zeit erfolgt unter Verwendung der Spektren, die in einem oder mehreren vorherigen Zeitschritten aufgenommen wurden, ebenfalls eine Diagnose. Der Vorgang wird auch als Trendanalyse bezeichnet. Falls hier schnelle Veränderungen erkannt werden, wird dieser zusätzlich oder als einiger Indikator für die Diagnose 185 eines kritischen Zustandes verwendet. Alternativ oder ergänzend werden statistische Größen der Impedanzspektren, wie Mittelwerte und/oder Streuungsmaße für die Trendanalyse verwendet. Alternativ oder ergänzend werden für die Diagnose 185 der Batterie und/oder des Batteriesystems Trends aus zuvor durchgeführten Messungen, beispielsweise unter Laborbedingungen, als Referenz verwendet.
Alternativ oder ergänzend ist für die Erkennung langsamer Vorgänge, wie Zellalterungen ein Vergleich mit im Labor ermittelten Impedanzspektren vorgesehen, um Rückschlüsse auf die Art der auftretenden Alterungsphänomene zu ziehen. Auch hier ist eine Trendanalyse über größere Zeitbereiche sinnvoll.
Bei der Bestimmung 160 der Relaxationszeit handelt es sich um die Berechnung der Verteilung der Relaxationszeitkonstanten, im englischen auch als „Distribution of Relaxation Times“ (DRT) genannt. Die Verteilung wird auch als Relaxationszeitspektrum (RZS) einer Batterie bezeichnet. Diese ermöglicht eine frequenzabhängige Separation der Verlustprozesse der Batteriezelle aufgrund der Eigenschaft, dass die Kramers-Kronig Beziehungen Gültigkeit besitzen, und somit die Impedanz einer Batteriezelle als unendliches Netzwerk von RC-Gliedern mit unterschiedlichen Zeitkonstanten aufgefasst werden kann.
In 5 ist eine Schar von Relaxationszeitspektren einer beispielhaften Lithium-Ionen-Batterie bei verschiedenen Temperaturen dargestellt. Auf der X-Achse ist die Frequenz aufgetragen, welche invers proportional zu der Relaxationszeit ist. Der Betrag der Verteilungsfunktion der Polarisationswiderstände ist auf der Y-Achse dargestellt, die proportional zu den Verlustprozessen in der Batteriezelle sind.
Die Relaxationszeitspektren 400 und 402, entsprechend einem Temperaturbereich von 40°C - 50°C weisen insofern ein normales Verhalten auf, als das in diesem Beispiel drei typische Relaxationsprozesse 460, 465 und 470 erkennbar sind. Mit steigender Temperatur auf 60°C 405 und 80°C 410, wenn erste sicherheitskritische Prozesse einsetzen, verkleinert sich Prozess A 460 und Prozess C 470 deutlich. Diese Auffälligkeiten deuten auf erste sicherheitsrelevante Vorgänge in der Batteriezelle hin, wie die Zersetzung des Elektrolyts bzw. SEI, und die darauffolgende Gasbildung. Bei weiter ansteigenden Temperaturen auf 100°C 415 treten noch stärkere Auffälligkeiten zutage, die sich in einer absoluten Dominanz des Relaxationsprozesses A 460 im Spektrum 415 zeigen. In 6 ist das Relaxationszeitspektrum 420 einer Batterie bei einer Temperatur von 40°C nach Abkühlung von 110°C dargestellt. Das nach erneutem Erreichen der Ausgangstemperatur von 40°C aufgenommene Spektrum 420 zeigt eine bleibende Veränderung der Verteilung der Relaxationszeitkonstanten und der absoluten Dominanz des Relaxationsprozesses A 460 auch nach Abkühlung der Batterie, die eine starke, dauerhafte Schädigung der Batteriezelle hindeutet.
Aus der Analyse der Relaxationszeitspektren einer einzelnen Batterie und dem Vergleich der Relaxationszeitspektren mit einer oder mehreren weiteren Batterien im Batteriesystem erfolgt die Diagnose 185 des Zustands der einzelnen Batterie und/oder des Gesamtzustands des Batteriesystems. Vorzugsweise führt die Diagnoseeinheit 60 den Verfahrensschritt Diagnose 185 durch.
Die Polarisationsbeiträge von n Batteriezellen bei k Frequenzen für einen Zeitpunkt to lassen sich in Matrixform darstellen: $B (t_{0}) = [\begin{matrix} γ_{C_{1}}^{f_{1}} & \dots & γ_{C_{1}}^{f_{k}} \\ ⋮ & ⋱ & ⋮ \\ γ_{C_{n}}^{f_{1}} & \dots & γ_{C_{n}}^{f_{k}} \end{matrix}]$
Für die Diagnostizierung der eingangs erwähnten Betriebs- und Sicherheitsparameter ist eine Weiterverarbeitung der aufgenommenen Relaxationszeitspektren vorteilhaft, um daraus Diagnosegrößen zu generieren. Dies wird durch die Diagnoseeinheit 60 durchgeführt. Diese verarbeitet die aufgenommenen Spektren in mehreren Arten:

Es werden die charakteristischen Größen der Werte des globalen Maximums 430, der Frequenz des globalen Maximums 430, die Werte der lokalen Maxima 435, Frequenz der lokalen Maxima 435, die Anzahl der lokalen Maxima 435, die Verteilung der lokalen Maxima 435 im Spektrum, der Mittelwert der Maxima 435, der Schwerpunkt des Signals, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz 440, der Wert des Integrals 450 des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche, der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche bestimmt. Die Größen aus dem aktuellen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen werden verglichen. Abhängig von den Streuungsmaßen werden Schwellwerte definiert werden, um unerwünschte elektrochemische Prozesse, wie Elektrolyt- und SEI-Zersetzung und Gasbildung in den Batteriezellen, zu detektieren. Wie bereits anhand von 5 erläutert, ergeben sich irreversible Veränderungen in Relaxationszeitspektren 420 durch Degenerationsphänomene beim Überschreiten einer gewissen Temperatur. Durch Vergleich der Spektren zwischen verschiedenen Batteriezellen des Batteriepacks, können eine betroffene Batteriezelle oder mehrere betroffene Batteriezellen identifiziert werden. Wenn beispielsweise die Batteriezelle A das Spektrum 400 aufweisen und Batteriezelle B das Spektrum 415 aufweist, ist die Diagnoseeinheit 60 in der Lage, Batteriezelle B als defekte Batteriezelle zu identifizieren. Alternativ wird für den Vergleich auch ein künstlich aus Mittelwert und/oder Median der Relaxationszeitspektren ermitteltes Spektrum genutzt werden. Alternativ oder ergänzend werden für den Vergleich Relaxationszeitspektren aus zuvor durchgeführten Messungen, beispielsweise unter Laborbedingungen, als Referenz verwendet.
Eine Aussage über die Geschwindigkeit der Veränderung des Relaxationszeitspektrums über die Zeit wird ebenfalls für die Diagnose 185 genutzt. Durch Differenzierung über die Zeit erfolgt unter Verwendung der Spektren, die im vorherigen Zeitschritten aufgenommenen wurden. Der Vorgang wird auch als Trendanalyse bezeichnet. Falls hier schnelle Veränderungen erkannt werden, wird diese zusätzlich oder als einiger Indikator für die Diagnose 185 eines kritischen Zustandes verwendet. Alternativ oder ergänzend werden statistische charakteristische Größen des Relaxationszeitspektrums, wie Mittelwert und/oder Median und/oder die Standardabweichung für die Trendanalyse verwendet. Alternativ werden für die Diagnose 185 der Batterie und/oder des Batteriesystems Trends aus zuvor durchgeführten Messungen, beispielsweise unter Laborbedingungen, als Referenz verwendet.
Zur Erkennung langsamerer Vorgänge, wie Zellalterung, ist ein Vergleich mit im Labor ermittelten Relaxationszeitspektren möglich, um Rückschlüsse auf die Art der auftretenden Alterungsphänomene zu ziehen. Auch hier ist eine Trendanalyse über größere Zeitbereiche sinnvoll.
Da hierfür Spektren digital gespeichert werden müssen, ist ein System vorteilhaft, welches die Anzahl der gespeicherten Spektren reduziert 186. Der Speicherplatz hierfür lässt sich reduzieren indem Spektren über die Zeit ausgedünnt werden. Die Auswahl der zu löschenden Spektren erfolgt durch Berücksichtigung der zum Zeitpunkt der Aufnahme und Speicherung des Spektrums vorliegenden Betriebsbedingungen wie Ladezustand und Temperatur. Wird zu einem späteren Zeitpunkt ein gültiges Spektrum unter gleichen Betriebsbedingungen wie ein früheres Spektrum aufgenommen, und ist aufgrund des Vergleichs mit den von anderen Batteriezellen aufgenommenen Spektren Batteriezellen hinreichend sicher, dass keine außergewöhnliche Zustandsabweichung vorliegt, kann zum Beispiel das älteste für diesen Zustand gespeicherte Spektrum aus dem Pufferspeicher gelöscht werden, und das neue Spektrum mit einem Zeitstempel versehen im Pufferspeicher abgelegt werden. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen wird der benötigte Speicherplatz für die zur Diagnosezwecken vorgehaltenen Spektren minimiert. Die Reduktion der Daten wird wahlweise durch die Diagnoseeinheit 60 oder die Auswerteeinheit 40 durchgeführt.
Bezugszeichenliste

10: Steuerungseinheit
15: Externes Triggersignal
20: Anregungseinheit
30: Messeinheit
40: Auswerteeinheit
50: Regelungseinheit
60: Diagnoseeinheit
70: Übermittelungseinheit
100: Anregungssignalkonstruktion
110: Erzeugen eines Stromanregungssignals
120: Spannungsantwortmessung
130: Driftkorrektur
140: Transformation im Frequenzbereich.
150: Impedanzspektrumsbestimmung
160: Bestimmung des Relaxationszeitspektrums
170: Konsistenzprüfung
180: Adaptive Regelung
185: Diagnose
186: Speicherplatzreduzierung
190: Speicherkondensator
200: bidirektionaler leistungselektronischer Wandler
210: Filter
220: Batteriezelle; Batteriestrang
300: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 40°C
310: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 50°C
320: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 60°C
330: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 70°C
340: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 80°C
350: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 90°C
360: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 100°C
370: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 110°C
380: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 80°C nach vorheriger Erwärmung bis auf 110°C
390: Impedanzspektrum einer Batteriezelle bei einer Temperatur von 40°C nach vorheriger Erwärmung bis auf 110°C
400: Relaxationszeitspektrum einer Batterie bei einer Temperatur von 40°C
402: Relaxationszeitspektrum einer Batterie bei einer Temperatur von 50°C
405: Relaxationszeitspektrum einer Batterie bei einer Temperatur von 60°C
410: Relaxationszeitspektrum einer Batterie bei einer Temperatur von 80°C
415: Relaxationszeitspektrum einer Batterie bei einer Temperatur von 100°C
420: Relaxationszeitspektrum einer Batterie bei einer Temperatur von 40°C nach vorheriger Erwärmung bis auf 110°C
430: Globales Maxima eines Relaxationszeitspektrums
435: Lokales Maximum eines Relaxationszeitspektrums
440: Wert der Relaxationszeitkonstante bei 10 Hz
450: Integral des Relaxationszeitspektrums im Frequenzbereich von 100 Hz bis 1 kHz
460: Relaxationsprozess A
465: Relaxationsprozess B
470: Relaxationsprozess C

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009000337 [0004]

Claims

Verfahren zur Bestimmung eines Batteriezustandes mindestens einer Batteriezelle umfassend die Schritte a. Anlegen eines Stromanregungssignals; b. Bestimmung der Impedanz aus einem Antwortmesssignal der Batteriezelle bei mindestens einer Frequenz; c. Bestimmung mindestens einer Diagnosegröße aus der Impedanz dadurch gekennzeichnet, dass dass die Bestimmung der Batteriezustandsgrößen der Batteriezelle anhand eines Vergleichs mindestens einer Diagnosegröße mit mindestens einem Referenzwert und/oder mit mindestens einer weiteren Diagnosegröße erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messungen (Aufnahmen der Impedanzen von mindestens zwei Batteriezellen und zwei Ermittlungen der Diagnosegrößen anhand der gemessenen Impedanzen) gleichzeitig oder sequentiell innerhalb eines bestimmten Messzeitfensters erfolgen, wobei das Messzeitfenster so gewählt wird, dass eine Veränderung des Ladezustandes der Batteriezelle kleiner 5 %, eine Veränderung der Temperatur kleiner 5 K und eine Veränderung der Kapazität kleiner 5 % ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine neue Messung erfolgt, wenn die Veränderung des Ladezustandes der Batteriezelle größer 5 %, oder die Veränderung der Temperatur größer 5 K oder die Veränderung der Kapazität größer 5 % ist, oder wenn ein externes Triggersignal 15 eine neue Messung anfordert.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass Mittelwerte sowie Streuungsmaße aus in einem jeweiligen Messzeitfenster gleichzeitig erfassten Impedanzen einer oder mehrerer Frequenzen in einer ersten und einer oder mehreren weiteren Batteriezellen gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass charakteristische Größen der Impedanz wie Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase einer einzelnen Batteriezelle mit Größen aus dem demselben Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, und dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen einen weiteren Schwellwert SB überschreitet ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass charakteristische Größen der Impedanz wie Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, und dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen einen weiteren Schwellwert SB überschreitet ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass charakteristische Größen der Impedanz wie Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, und dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen einen weiteren Schwellwert SB überschreitet ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statistische Größen der Impedanz, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus dem demselben Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, und dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen einen weiteren Schwellwert SB überschreitet ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statistische Größen der Impedanz, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen ein weiterer Schwellwert SB überschreitet, ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statistische Größen der Impedanz, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter Realteil, Imaginärteil, Betrag und Phase mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, und dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen einen weiteren Schwellwert SB überschreitet ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass charakteristische Größen des Relaxationszeitspektrums wie Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima einer Verteilungsfunktion von Polarisationswiderständen, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit den Größen aus dem demselben Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, und dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen einen weiteren Schwellwert SB überschreitet, ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass charakteristische Größen des Relaxationszeitspektrum wie Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima der Verteilungsfunktion der Polarisationswiderstände, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, und dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen einen weiteren Schwellwert SB überschreitet, ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass charakteristische Größen des Relaxationszeitspektrum wie der Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima der Verteilungsfunktion der Polarisationswiderstände, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, und dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen einen weiteren Schwellwert SB überschreitet ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statistische Größen des Relaxationszeitspektrum, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter, Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima der Verteilungsfunktion der Polarisationswiderstände, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus dem gleichen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen ein weiterer Schwellwert SB überschreitet, ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statistische Größen des Relaxationszeitspektrum, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter, Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima der Verteilungsfunktion der Polarisationswiderstände, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einem vorherigen Zeitschritt für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen ein weiterer Schwellwert SB überschreitet, ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass statistische Größen des Relaxationszeitspektrum, insbesondere Mittelwert und Streuungsmaße für den Parameter, Wert des globalen Maximums, Frequenz des globalen Maximums, die Werte der lokalen und/oder der globalen Maxima, die Frequenz der lokalen und/oder globalen Maxima, Anzahl der Maxima, die Verteilung der Maxima im Spektrum, die Differenz der Relaxationszeiten bezüglich der Maxima der Verteilungsfunktion der Polarisationswiderstände, der Mittelwert der Maxima, der Schwerpunkt des Spektrums, der Wert des Spektrums bei einer bestimmen Frequenz, der Wert des Integrals des Spektrums über einen bestimmten Frequenzbereich, die Integralwerte über mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche und der Mittelwert der Integrale über einen oder mehrere abgegrenzte Frequenzbereiche mit Größen aus mindestens einer zuvor durchgeführten Messung für eine einzelne Batteriezelle oder für mehrere seriell und/oder parallel verschaltete Batteriezellen verglichen werden, und dass falls ein Unterschied zwischen den Größen einen Schwellwert SA überschreitet, ein Warnsignal WA (Batteriezustandsänderung festgestellt) an die Übermittlungseinheit übergeben wird und dass wenn der Unterschied zwischen den Größen einen weiteren Schwellwert SB überschreitet, ein Warnsignal WB (sicherheitskritischer Batteriezustand) an die Übermittlungseinheit übergeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromanregungssignal aus mindestens zwei periodischen Signalen mit voneinander verschiedenen Frequenzen besteht, dass das Stromanregungssignal so angelegt wird, dass es über mindestens eine Periode der kleinsten enthaltenen Frequenz mittelwertfrei ist, dass ein erstes Antwortmesssignal der Batteriezelle ermittelt und ausgewertet wird, dass mindestens einer der Parameter Amplitude, Frequenz und relative Phasenlage wenigstens einer Komponente des Stromanregungssignals in Abhängigkeit von dem ersten Antwortmesssignal verändert wird, so dass ein Messfehler minimiert wird, dass ein weiteres Antwortmesssignal ermittelt und ausgewertet wird und dass der ausgewertete Wert als Auswertgröße eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine adaptive Kompensation von Lade- und Entladeströmen im Antwortmesssignal erfolgt, die aufgrund eines realen Batteriebetriebs auftreten, wie beispielsweise während einer Fahrt eines Elektrofahrzeugs.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Impedanzspektrum mittels einer Kramers-Kronig-Relation sowie weiterer Parameter auf seine Qualitätsmerkmale, insbesondere Konsistenz wenigstens eines der folgenden Parameter: - Signal-zu-Rausch-Verhältnis - Amplitude des Antwortmesssignals - Linearität des Impedanzspektrums - Zeitinvarianz des Antwortmesssignals überprüft wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine neue Messung mindestens ein Parameter des Anregungsstromsignals aus einer vorherigen verworfenen Messung als Startwert gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet, durch die folgenden Schritte eine Anregungssignalkonstruktion (100) mit geeigneten Parametern, insbesondere Anregungsfrequenzen, Anregungsamplituden und Phasenlagen, Erzeugen (110) eines Stromanregungssignals durch die Anregungseinheit (20), einer Spannungsantwortmessung (120), einer Driftkorrektur (130), einer Transformation (140) im Frequenzbereich, wobei eine Impedanzspektrumsbestimmung (150) und eine Bestimmung (160) des Relaxationszeitspektrums vorzugsweise zeitgleich oder unmittelbar aufeinanderfolgend erfolgen, und einer Konsistenzprüfung (170) mittels der eine adaptive Regelung (180) wenigstens eines der Parameter der Anregungssignalkonstruktion (100) beeinflusst wird.
Anregungseinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 21 umfassend einen Speicherkondensator (190), einen bidirektionalen leistungselektronischen Wandler (200) und einem Filter (210) mit einem Mittel zum Aufladen des Speicherkondensator vor Beginn einer Messung wobei der Speicherkondensator (190) eine Energie liefert um ein mittelwertfreies Stromanregungssignal mittels des bidirektionalen, leistungselektronischen Wandlers auf eine oder mehrere Batteriezellen aufzuprägen, so dass Energie zwischen Speicherkondensator und Batterie zyklisch verschoben werden kann.
Batteriesystem mit einer Anregungseinheit nach Anspruch 22.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfassend einer Steuerungseinheit (10), eine Anregungseinheit (20), eine Messeinheit (30), eine Auswerteeinheit (40), eine Regelungseinheit (50), eine Diagnoseeinheit (60) und eine Übermittelungseinheit (70), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (10) zur Erzeugung einer Anregungssignalkonstruktion (100) mit geeigneten Parametern, insbesondere Anregungsfrequenzen, Anregungsamplituden, Phasenlagen und einer Gesamtamplitudenskalierung (Skalierungsfaktor) eingerichtet ist, dass die Anregungseinheit (20) ferner so ausgestattet ist, dass sie eine adaptive Beschaffung der Anregungssignalkonstruktion (100) ermöglicht, und insbesondere so eingerichtet ist, wenigstens einen der Parameter der Anregungssignalkonstruktion (100) adaptiv anzupassen,
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (30) für eine simultane Erfassung und Aufzeichnung des Spannungsmesssignals in einem zuvor definierten Messzeitfenster von einer oder mehrerer gleichzeitig angeregter Batteriezellen eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (10) für eine Erzeugung einer Anregungssignalkonstruktion eines charakteristischen in einer Steuerungseinheit definierten multifrequenten periodischen, kontinuierlichen Signals in einer oder gleichzeitig mehreren seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Regelungseinheit enthält, die so eingerichtet ist, dass sie anhand wenigstens einer Auswertegröße adaptive Korrekturparameter für die Amplituden, Frequenzen und relativen Phasenlagen für das nächste Messzeitfenster bestimmt und an die Steuerungseinheit (10) übermittelt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, - mit einer Anregungseinheit (20) zum Anlegen eines Stromanregungssignals; - mit einem Mittel zur Aufnahme eines Impedanzspektrums der Batteriezelle; - mit einer Auswerteeinheit (40) (Mittel zur Ermittlung einer Auswertgröße) anhand des gemessenen Impedanzspektrums) dadurch gekennzeichnet, dass - die Anregungseinheit (20) (das Mittel zum Anlegen eines Stromanregungssignals) so gestaltet ist, dass das Stromanregungssignal aus mindestens zwei periodischen Signalen mit voneinander verschiedenen Frequenzen besteht, - das Stromanregungssignal so angelegt werden kann, dass es über mindestens eine Periode der kleinsten enthaltenen Frequenz mittelwertfrei ist, - die Messeinheit (30) und die Auswerteeinheit (40) (das Mittel zur Aufnahme des Impedanzspektrums der Batteriezelle) so ausgestaltet sind, dass ein erstes Antwortmesssignal der Batterie ermittelt und ausgewertet werden kann und dass mindestens einer der Parameter Amplitude, Frequenz und relative Phasenlage wenigstens eines der Komponenten des Stromanregungssignal in Abhängigkeit von dem ersten Antwortmesssignal verändert werden kann, so dass ein Messfehler minimiert wird, dass ein weiteres Antwortmesssignal ermittelt und ausgewertet wird, dass der ausgewertete Wert als Auswertgröße eingesetzt werden kann und dass die Bestimmung des Batteriezustands der Batteriezelle anhand eines Vergleichs mindestens einer Diagnosegröße mit mindestens einem Referenzwert erfolgen kann.
Batteriesystem mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28.