DE102019103144B4

DE102019103144B4 - Einrichtung und Verfahren zur Überwachung der Zuverlässigkeit einer Zellenimpedanzmessung einer Batteriezelle

Info

Publication number: DE102019103144B4
Application number: DE102019103144.3A
Authority: DE
Inventors: Klaus Hoermaier; Günter Hofer; Stefano Marsili
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-02-09
Also published as: CN111551865A; DE102019103144A1; US20200256924A1; US11280844B2; CN111551865B

Abstract

Verschiedene Beispiele betreffen Techniken zur Überwachung der Zuverlässigkeit einer Zellenimpedanzmessung einer Batteriezelle. In einem Beispiel beinhaltet eine Einrichtung (125) eine erste Anschlussstelle, die dazu ausgelegt ist, einen AC-Anregungsstrom in eine Batteriezelle und in einen Shunt-Widerstand, der parallel mit der Batteriezelle (200) gekoppelt ist, zu injizieren. Die Einrichtung beinhaltet außerdem eine zweite Anschlussstelle, die dazu ausgelegt ist, einen AC-Teststrom in den Shunt-Widerstand zu injizieren. Die Einrichtung beinhaltet auch Analog-Digital-Wandler, die dazu ausgelegt sind, eine Zellenspannung über die Batteriezelle, die mit dem AC-Anregungsstrom assoziiert ist, eine Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand, die mit dem AC-Anregungsstrom assoziiert ist, und die Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand, die mit dem AC-Teststrom assoziiert ist, zu messen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Verschiedene Beispiele für die Erfindung betreffen allgemein die Überwachung einer elektrischen Charakteristik einer Batteriezelle einer Batterie. Verschiedene Beispiele für die Erfindung betreffen insbesondere das Bestimmen der Zuverlässigkeit einer Zellenimpedanzmessung der Batteriezelle der Batterie.
HINTERGRUND
Wiederaufladbare Batterien - z. B. Lithium-Ionen-Batterien - werden bei verschiedenen Anwendungen verwendet.
Beispielsweise werden Elektrofahrzeugbatterien oder Antriebsbatterien verwendet, um den Antrieb von Elektrofahrzeugen mit Leistung zu versorgen. Mobile Einrichtungen, wie etwa Mobiltelefone, setzen auch wiederaufladbare Batterien ein.
In verschiedenen Verwendungsfällen wird der Zustand der wiederaufladbaren Batterien überwacht. Zum Beispiel kann eine Zellenspannung über eine Batteriezelle überwacht werden. Außerdem kann eine Temperatur oder ein Druck der Batteriezelle überwacht werden. Dies kann durchgeführt werden, um z. B. eine Fehlfunktion zu detektieren oder den Alterungsprozess zu verfolgen. Es kann ein Ladungszustand (SOC: state of charge) und/oder ein Gesundheitszustand (SOH: state of health) bestimmt werden. Beispielsweise kann ein Coulomb-Zähler eingesetzt werden, um den SOC zu bestimmen. Der SOH kann von einem Ladezyklus der Batterie abhängen. Es würde auch möglich sein, eine oder mehrere elektrische Charakteristiken der Batteriezellen zu messen.
Es ist beobachtet worden, dass in gewissen Szenarios die Zustandsüberwachung selbst versagen kann. Dann können fehlerhafte Messungen des Zustands der wiederaufladbaren Batterie, wie etwa der Temperatur, auftreten. Dies kann sicherheitskritisch sein, z. B. in Verbindung mit Verwendungsfällen wie etwa Antriebsbatterien usw.
DE 10 2014 007 304 A1 beschreibt ein Betriebsverfahren für ein Steuergerät eines Batteriemanagementsystems in einem Kraftfahrzeug, wobei jeweils eine Batteriezelle an ihrem Minuspol über eine erste Leitung und an ihrem Pluspol über eine zweite Leitung mit einem Eingang des Steuergeräts gekoppelt ist und in dem Steuergerät ein Parallelstrompfad zwischen der ersten Leitung und der zweiten Leitung angeordnet ist.
US 2014 / 0 167 684 A1 beschreibt eine Shunt-Schaltung umfassend einen Shunt-Widerstand; einen Transistor, der über den Shunt-Widerstand parallel zu einem Speicherelement geschaltet ist; einen ersten OP-Verstärker, der eingerichtet ist, eine dem Speicherelement zugeführte Batteriespannung mit einer Detektionsspannung zu vergleichen; und einen zweiten OP-Verstärker, der eingerichtet ist, einen Shunt-Strom von einem Ladestrom abzuleiten, der von einer Ladeeinheit zugeführt wird, wenn die Batteriespannung die Detektionsspannung erreicht.
US 2019 / 0 036 356 A1 beschreibt ein Verfahren und System zur Schätzung der Open Cell Voltage der Batterie, des State of Charge, und State of Health während des Betriebs der Batterie.
US 2012 / 0 185 189 A1 beschreibt ein Verfahren zum Testen der Lade- und Entladezuverlässigkeit einer wieder aufladbaren Batterie, wobei eine Testvorrichtung die Batterie misst, um erste Klemmenspannungen und erste elektrische Ströme zu erhalten, wenn die Batterie durch eine Stromversorgung geladen wird.
KURZDARSTELLUNG
Daher besteht ein Bedarf zur Bestimmung der Zuverlässigkeit von Zustandsmessungen einer Batteriezelle.
Dieser Bedarf wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche erfüllt. Die Merkmale der abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen.
Eine Einrichtung beinhaltet eine erste Anschlussstelle. Die erste Anschlussstelle ist dazu ausgelegt, einen AC-Anregungsstrom in eine Batteriezelle und einen Shunt-Widerstand zu injizieren. Der Shunt-Widerstand ist parallel mit der Batteriezelle gekoppelt. Die Einrichtung beinhaltet auch eine zweite Anschlussstelle. Die zweite Anschlussstelle ist dazu ausgelegt, einen AC-Teststrom in den Shunt-Widerstand zu injizieren. Die Einrichtung beinhaltet zusätzlich einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler, die dazu ausgelegt sind, eine Zellenspannung über die Batteriezelle, die mit dem AC-Anregungsstrom assoziiert ist, eine Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand, die mit dem AC-Anregungsstrom assoziiert ist, und die Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand, die mit dem AC-Teststrom assoziiert ist, zu messen.
Ein System beinhaltet die Einrichtung. Das System kann auch den Shunt-Widerstand beinhalten. Das System kann auch die Batteriezelle beinhalten. Das System kann auch eine Steuerlogik beinhalten.
Ein Verfahren beinhaltet in einem ersten Betriebsmodus Injizieren eines AC-Anregungsstroms in eine Batteriezelle und in einen Shunt-Widerstand, der parallel mit der Batteriezelle gekoppelt ist. Das Verfahren beinhaltet im ersten Betriebsmodus außerdem Bestimmen einer Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf einer Zellenspannung über die Batteriezelle, die mit dem AC-Anregungsstrom assoziiert ist, und basierend auf einer Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand, die mit dem AC-Anregungsstrom assoziiert ist. Das Verfahren beinhaltet außerdem in einem zweiten Betriebsmodus Injizieren eines AC-Teststroms in den Shunt-Widerstand. Das Verfahren beinhaltet im zweiten Betriebsmodus auch Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf der Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand, die mit dem AC-Teststrom assoziiert ist.
Ein Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines ersten AC-Anregungsstroms zu einer Batteriezelleneinrichtung. Das Verfahren beinhaltet auch Messen eines ersten Werts einer Zellenimpedanz einer Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung basierend auf dem ersten AC-Anregungsstrom. Das Verfahren beinhaltet außerdem Bereitstellen eines zweiten AC-Anregungsstroms zu der Batteriezelle. Der erste AC-Anregungsstrom und der zweite AC-Anregungsstrom weisen unterschiedliche Frequenzen auf. Das Verfahren beinhaltet auch Messen eines zweiten Werts der Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf dem zweiten AC-Anregungsstrom. Das Verfahren beinhaltet ferner, basierend auf einer vordefinierten Temperatur-Impedanz-Charakteristik, Bestimmen einer ersten Temperatur basierend auf dem ersten Wert der Zellenimpedanz und Bestimmen einer zweiten Temperatur basierend auf dem zweiten Wert der Zellenimpedanz. Das Verfahren beinhaltet auch Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf einem Vergleich der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur.
Eine Steuerlogik ist dazu ausgelegt, ein Testmodul zu steuern, einer Batteriezelleneinrichtung einen AC-Anregungsstrom bereitzustellen. Die Steuerlogik ist auch dazu ausgelegt, einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler zu steuern, einen ersten Wert einer Zellenimpedanz einer Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung basierend auf dem ersten AC-Anregungsstrom zu messen. Die Steuerlogik ist auch dazu ausgelegt, das Testmodul zu steuern, der Batteriezelle einen zweiten AC-Anregungsstrom bereitzustellen. Der erste AC-Anregungsstrom und der zweite AC-Anregungsstrom weisen unterschiedliche Frequenzen auf. Die Steuerlogik ist auch dazu ausgelegt, den einen oder die mehreren Analog-Digital-Wandler zu steuern, einen zweiten Wert der Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf dem zweiten AC-Anregungsstrom zu messen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, basierend auf einer vordefinierten Temperatur-Impedanz-Charakteristik, eine erste Temperatur basierend auf dem ersten Wert der Zellenimpedanz zu bestimmen. Die Steuerlogik ist auch dazu ausgelegt, basierend auf der vordefinierten Temperatur-Impedanz-Charakteristik, eine zweite Temperatur basierend auf dem zweiten Wert der Zellenimpedanz zu bestimmen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf einem Vergleich der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur zu bestimmen.
Ein Verfahren beinhaltet Injizieren eines AC-Anregungsstroms in eine Batteriezelle unter Verwendung eines Kraftanschlusses. Das Verfahren beinhaltet auch Messen einer Zellenspannung über die Batteriezelle unter Verwendung eines Erfassungsanschlusses. Das Verfahren beinhaltet auch Bestimmen einer Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf der Zellenspannung und dem AC-Anregungsstrom. Das Verfahren beinhaltet außerdem Messen eines Widerstands zwischen dem Kraftanschluss und dem Erfassungsanschluss. Das Verfahren beinhaltet auch Durchführen eines Schwellenvergleichs zwischen einem vordefinierten Schwellenwiderstand und dem gemessenen Widerstand zwischen dem Kraftanschluss und dem Erfassungsanschluss. Das Verfahren beinhaltet auch Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf dem Schwellenvergleich.
Eine Steuerlogik ist dazu ausgelegt, ein Testmodul zu steuern, einen AC-Anregungsstrom unter Verwendung eines Kraftanschlusses in eine Batteriezelle zu injizieren. Die Steuerlogik ist dazu ausgelegt, einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler zu steuern, eine Zellenspannung über die Batteriezelle unter Verwendung eines Erfassungsanschlusses zu messen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, eine Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf der Zellenspannung und dem AC-Anregungsstrom zu bestimmen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, den einen oder die mehreren Analog-Digital-Wandler zu steuern, einen Widerstand zwischen dem Kraftanschluss und dem Erfassungsanschluss zu messen. Die Steuerlogik ist auch dazu ausgelegt, einen Schwellenvergleich zwischen einem vordefinierten Schwellenwiderstand und dem gemessenen Widerstand zwischen dem Kraftanschluss und dem Erfassungsanschluss durchzuführen; und die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf dem Schwellenvergleich zu bestimmen.
Ein Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines AC-Anregungsstroms zu einer Batteriezelleneinrichtung. Das Verfahren beinhaltet auch Messen einer Zellenspannung über eine Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung. Das Verfahren beinhaltet auch Bestimmen einer Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf der Zellenspannung und dem AC-Anregungsstrom. Das Verfahren beinhaltet außerdem Bereitstellen eines Teststromimpulses zu der Batteriezelleneinrichtung. Das Verfahren beinhaltet auch Messen einer Spannungsantwort der Batteriezelleneinrichtung auf den Teststromimpuls. Das Verfahren beinhaltet auch Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf der Spannungsantwort.
Eine Steuerlogik ist dazu ausgelegt, ein Testmodul zu steuern, einer Batteriezelleneinrichtung einen AC-Anregungsstrom bereitzustellen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler zu steuern, eine Zellenspannung über eine Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung zu messen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, eine Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf der Zellenspannung und dem AC-Anregungsstrom zu bestimmen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, das Testmodul zu steuern, der Batteriezelleneinrichtung einen Teststromimpuls bereitzustellen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, den einen oder die mehreren Analog-Digital-Wandler zu steuern, eine Spannungsantwort der Batteriezelleneinrichtung auf den Teststromimpuls zu messen. Die Steuerlogik ist auch dazu ausgelegt, die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf der Spannungsantwort zu bestimmen.
Ein Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines AC-Anregungsstroms zu einer Batteriezelleneinrichtung. Das Verfahren beinhaltet auch Messen einer Zellenspannung über eine Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung. Das Verfahren beinhaltet auch Bestimmen einer Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf der Zellenspannung und dem AC-Anregungsstrom. Das Verfahren beinhaltet auch Durchführen eines Schwellenvergleichs zwischen einer Amplitude des AC-Anregungsstroms und einer Referenzamplitude. Das Verfahren beinhaltet auch Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf dem Vergleich.
Eine Steuerlogik ist dazu ausgelegt, ein Testmodul zu steuern, einer Batteriezelleneinrichtung einen AC-Anregungsstrom bereitzustellen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler zu steuern, eine Zellenspannung über eine Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung zu messen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, eine Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf der Zellenspannung und dem AC-Anregungsstrom zu bestimmen. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausgelegt, einen Schwellenvergleich zwischen einer Amplitude des AC-Anregungsstroms und einer Referenzamplitude durchzuführen; und die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.
Ein Verfahren beinhaltet Bereitstellen eines AC-Anregungsstroms zu einer Batteriezelleneinrichtung. Der AC-Anregungsstrom wird unter Verwendung einer ersten Timing-Referenz erzeugt. Das Verfahren beinhaltet auch Messen einer Zellenspannung über eine Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung. Das Verfahren beinhaltet auch Bestimmen einer Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf der Zellenspannung und dem AC-Anregungsstrom. Das Verfahren beinhaltet außerdem Durchführen eines Vergleichs zwischen einem Timing des AC-Anregungsstroms und einem zusätzlichen Timing, das mit einer zweiten Timing-Referenz assoziiert ist, die sich von der ersten Timing-Referenz unterscheidet. Das Verfahren beinhaltet auch Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf dem Vergleich.
Eine Steuerlogik ist dazu ausgelegt, ein Testmodul zu steuern, einer Batteriezelleneinrichtung einen AC-Anregungsstrom bereitzustellen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, einen oder mehrere Analog-Digital-Wandler zu steuern, eine Zellenspannung über eine Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung zu messen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, eine Zellenimpedanz der Batteriezelle basierend auf der Zellenspannung und dem AC-Anregungsstrom zu bestimmen. Die Steuerlogik ist ferner dazu ausgelegt, einen Vergleich zwischen einem Timing des AC-Anregungsstroms und einem zusätzlichen Timing, das mit einer zweiten Timing-Referenz assoziiert ist, die sich von der ersten Timing-Referenz unterscheidet, durchzuführen; und die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz basierend auf dem Vergleich zu bestimmen.
Es versteht sich, dass die oben erwähnten Merkmale und jene, die unten noch erklärt werden, nicht nur in den jeweiligen angegebenen Kombinationen verwendet werden können, sondern auch in anderen Kombinationen oder isoliert, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Figurenliste

1 veranschaulicht schematisch ein System gemäß verschiedenen Beispielen, wobei das System ein Batteriemodul einschließlich mehrerer Batteriezelleneinrichtungen, eines Testmoduls, eines Kommunikationsmoduls und einer Steuereinrichtung beinhaltet.
2 ist ein schematisches Zustandsdiagramm, das einen Messmodus und einen Testmodus, gemäß denen das Batteriemodul von 1 arbeiten kann, veranschaulicht.
3 veranschaulicht schematisch Einzelheiten einer Batteriezelleneinrichtung gemäß verschiedenen Beispielen.
4 veranschaulicht schematisch Einzelheiten des Kommunikationsmoduls gemäß verschiedenen Beispielen und veranschaulicht schematisch insbesondere einen Teil des Impedanzmessungspfades, der Messung-Analog-Digital-Wandler zum Messen einer Spannung und eines Stroms mit einem zusätzlichen Multiplexer zum Konfigurieren eines Routings zu den ADCs zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen.
7 veranschaulicht schematisch Einzelheiten des Testmoduls gemäß verschiedenen Beispielen.
8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen.
9 veranschaulicht schematisch den Betrieb eines Analog-Digital-Wandlers gemäß verschiedenen Beispielen.
10 veranschaulicht schematisch eine Abhängigkeit zwischen einer Zellenimpedanz einer Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung, einer Frequenz des AC-Anregungsstroms und einer Temperatur der Batteriezelle der Batteriezelleneinrichtung gemäß verschiedenen Beispielen.
11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen.
12 veranschaulicht schematisch einen elektrischen Kurzschluss zwischen einem Zellenkraftanschluss und einem Zellenerfassungsanschluss gemäß verschiedenen Beispielen.
13 veranschaulicht schematisch eine Spannungsantwort der Batteriezelleneinrichtung auf einen Stromimpuls gemäß verschiedenen Beispielen.
14 veranschaulicht schematisch einen Schwellenvergleich zwischen einer Amplitude eines AC-Anregungsstroms und vordefinierten Schwellen gemäß verschiedenen Beispielen.
15 veranschaulicht schematisch einen Vergleich zwischen einer Frequenz des AC-Anregungsstroms und einer Timing-Referenz gemäß verschiedenen Beispielen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Manche Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen allgemein mehrere Schaltungen oder andere elektrische Einrichtungen bereit. Alle Bezüge auf die Schaltungen und anderen elektrischen Einrichtungen und die Funktionalität, die durch jede von diesen bereitgestellt wird, sollen nicht auf den Einschluss nur des hierin Veranschaulichten und Beschriebenen beschränkend sein. Obwohl verschiedenen hierin offenbarten Schaltungen oder anderen elektrischen Einrichtungen spezielle Bezeichnungen zugewiesen sind, sollen derartige Bezeichnungen nicht den Umfang des Betriebs der Schaltungen und der anderen elektrischen Einrichtungen beschränken. Derartige Schaltungen und anderen elektrischen Einrichtungen können basierend auf dem speziellen Typ der gewünschten elektrischen Implementierung miteinander kombiniert und/oder auf eine beliebige Art und Weise getrennt werden. Es wird erkannt, dass eine beliebige hierin offenbarte Schaltung oder andere elektrische Einrichtung eine beliebige Anzahl von Mikrocontrollern, eine Grafikprozessoreinheit (GPU), integrierte Schaltungen, Speichereinrichtungen (z. B. FLASH, Direktzugriffsspeicher (RAM), Nurlesespeicher (ROM), elektrisch programmierbaren Nurlesespeicher (EPROM), elektrisch löschbaren programmierbaren Nurlesespeicher (EEPROM) oder andere geeignete Varianten davon) und Software beinhalten kann, die miteinander agieren, um eine oder mehrere hierin offenbarte Operationen durchzuführen. Zusätzlich dazu können eine oder mehrere beliebige der elektrischen Einrichtungen dazu ausgelegt sein, einen Programmcode auszuführen, der in einem nichtflüchtigen computerlesbaren Medium umgesetzt ist, das dazu programmiert ist, eine beliebige Anzahl der Funktionen durchzuführen, wie offenbart.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung ausführlich unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es versteht sich, dass die folgende Beschreibung der Ausführungsformen nicht in einem beschränkenden Sinn zu verstehen ist. Der Schutzumfang der Erfindung soll nicht durch die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen oder durch die Zeichnungen beschränkt werden, die nur veranschaulichend aufzufassen sind.
Die Zeichnungen sind als schematische Repräsentationen zu betrachten und in den Zeichnungen veranschaulichte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. Stattdessen sind die verschiedenen Elemente so repräsentiert, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck einem Fachmann ersichtlich wird. Eine beliebige Verbindung oder Kopplung zwischen funktionalen Blöcken, Einrichtungen, Komponenten oder anderen physischen oder funktionalen Einheiten, die in den Zeichnungen gezeigt oder hier beschrieben sind, können auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Kopplung zwischen Komponenten kann auch über eine drahtlose Verbindung hergestellt werden. Funktionale Blöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination von diesen implementiert werden.
Nachfolgend werden verschiedene Techniken zum Betreiben von Batterien, insbesondere wiederaufladbaren Batterien, beschrieben. Batterien, wie hierin beschrieben, können ein oder mehrere Batteriemodule beinhalten. Jedes Batteriemodul kann im Gegenzug eine oder mehrere Batteriezellen beinhalten. Die Batteriezellen eines Batteriemoduls können parallel und/oder in Reihe verbunden sein. Im Allgemeinen können die hierin beschriebenen Techniken für verschiedene Arten und Typen von Batterien einsetzbar sein, z. B. Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Ionen-Polymer-Batterien, Vanadium-basierte Batterien usw. Die Batterien können als Antriebsbatterien für Batterie-Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Andere Verwendungsfälle der Batterien beinhalten bordinterne Batterien für Flugzeuge oder Züge, elektrische Speichereinrichtungen in einem elektrischen Mikronetz, Batterien für handgehaltene elektronische Einrichtungen, z. B. Smartphones, usw.
Genauer gesagt werden nachfolgend Techniken zur Batterieverwaltung beschrieben. Hierin beschriebene Techniken können zum Beispiel durch eine oder mehrere Komponenten eines Batterieverwaltungssystems (BMS) ausgeführt werden.
Im Allgemeinen können die hierin beschriebenen Techniken auf Batteriezellenebene arbeiten. Genauer gesagt kann eine Batterieverwaltung für individuelle Batteriezellen bereitgestellt werden. Zur Einfachheit halber sind nachfolgend verschiedene Techniken in Verbindung mit einer einzelnen Batteriezelle beschrieben. Derartige Techniken können leicht auf mehrere Batteriezellen angewendet werden.
Gemäß verschiedenen Beispielen kann eine elektrische Charakteristik der Batteriezelle überwacht werden. Basierend auf der Überwachung der elektrischen Charakteristik wird es möglich, einen elektrischen Zustand der Batteriezelle zu bestimmen. Genauer gesagt ist es gemäß hierin beschriebenen Beispielen möglich, eine elektrische Impedanz der Batteriezelle (Zellenimpedanz) zu überwachen. Entsprechende Techniken für eine Zellenimpedanzmessung sind beschrieben.
Die Zellenimpedanz ist ein Maß des Widerstands, den die Batteriezelle einer AC-Spannung entgegensetzt, wenn ein AC-Anregungsstrom angelegt wird. Die Impedanz kann allgemein durch das Verhältnis der komplexen Repräsentation einer sinusförmigen AC-Spannung zwischen den beiden Anschlüssen der Batteriezelle und der komplexen Repräsentation des durch die Batteriezelle fließenden AC-Anregungsstroms definiert werden.
Basierend auf der Zellenimpedanz würde es möglich sein, z. B. einen SOH und/oder SOC und/oder eine Temperatur an der Batteriezelle zu bestimmen. Wenn die Zellenimpedanz zur Bestimmung der Temperatur verwendet wird, wird es möglich, eine genaue Messung der inneren Zellentemperatur zu erhalten (im Vergleich zu Referenzimplementierungen, bei denen ein externes temperaturempfindliches Element verwendet wird, das beabstandet zu der Batteriezelle angeordnet ist). Dies reduziert die Verzögerungszeit und kann dabei helfen, Fehlerspannen zu reduzieren. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der SOH der Batteriezelle basierend auf der Zellenimpedanz bestimmt werden: zum Beispiel kann es eine Tendenz geben, dass sich die Zellenimpedanz mit der Alterung der Batteriezelle erhöht. Der SOH kann dann im Gegenzug mit der elektrischen Zellenkapazität korrelieren. Es wird aus dem Obigen gewürdigt werden, dass verschiedene Anwendungen einer Zellenimpedanzmessung denkbar sind.
Verschiedene hierin beschriebene Techniken basieren auf der Erkenntnis, dass sich zumindest manche derartiger Anwendungen der Zellenimpedanzmessung auf Sicherheit beziehen können. Falls zum Beispiel die Temperatur basierend auf der Impedanz der Batteriezelle bestimmt wird, kann eine Fehlfunktion der Zellenimpedanzmessung zu einem erheblichen Fehler in der Temperatur führen. Dann kann die Sicherheit des Betriebs der batteriebetriebenen Einrichtungen - z. B. des Fahrzeugs im Fall einer Antriebsbatterie - kompromittiert sein.
Nachfolgend sind verschiedene Sicherheitsmechanismen beschrieben, die dabei helfen, die Zellenimpedanzmessung auf eine zuverlässige Art und Weise zu implementieren. Hierin beschriebene Techniken können das Detektieren von Betriebsfehlern in einer oder mehreren Komponenten des BMS, die an der Zellenimpedanzmessung beteiligt sind, ermöglichen. Allgemein können verschiedene hierin beschriebene Techniken somit dabei helfen, die Zuverlässigkeit der gemessenen Zellenimpedanz zu bestimmen. Die Zuverlässigkeit kann Fehlerspannen oder einem Ungewissheitsgrad, mit dem die Zellenimpedanz gemessen werden kann, entsprechen.
Beispielhafte Komponenten des BMS, die auf die Betriebszuverlässigkeit geprüft werden können, beinhalten: (i) einen Shunt-Widerstand; (ii) einen AC-Anregungsstrom einschließlich eines Transistors zum Schalten des AC-Anregungsstroms; (iii) Komponenten wie etwa Filterwiderstände, ein Filterkondensator,
Verdrahtung/Leiterbahnen, Verbinder; (iv) Kurzschlüsse zwischen Zellenkraft- und Zellenerfassungsanschlüssen; (v) Messungseinstellungen; und (vi) eine Datenkommunikation zu einer Steuereinrichtung.
Im Allgemeinen stehen verschiedene Optionen zur Verfügung, um die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz zu bestimmen. Unterschiedliche Optionen können die Betriebszuverlässigkeit verschiedener Komponenten anzielen. Bei verschiedenen Beispielen würde es möglich sein, nur eine oder manche dieser Optionen zu verwenden. In weiteren Beispielen ist es möglich, derartige Optionen zu kombinieren. Zum Beispiel kann eine erste Option zum Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz dabei helfen, eine Fehlfunktion eines Shunt-Widerstands zu detektieren, während eine zweite Option dabei helfen kann, eine Fehlfunktion eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) zu detektieren. Eine dritte Option kann verwendet werden, um eine Ende-zu-Ende-Fehlfunktion zu detektieren, d. h. von einer oder mehreren Komponenten des BMS (eine Unterscheidung, welche spezielle Komponente versagte, ist möglicherweise nicht in allen Fällen möglich).
1 veranschaulicht schematisch ein System 90 gemäß verschiedenen Beispielen.
Das System 90 beinhaltet ein Batteriemodul 100. Das Batteriemodul 100 beinhaltet mehrere Batteriezelleneinrichtungen 111-113. Jede Batteriezelleneinrichtung 111-113 beinhaltet eine jeweilige Batteriezelle (nicht in 1 veranschaulicht). Während in dem Beispiel von 1 die Batteriezelleneinrichtungen 111-113 eine Reihenverbindung auf einer Batterieleistungsleitung 119 bilden, können bei anderen Beispielen alternativ oder zusätzlich zumindest manche der Batteriezelleneinrichtungen 111-113 eine Parallelverbindung entlang der Batterieleistungsleitung 119 bilden. Jede Batteriezelleneinrichtung 111-113 kann ein Zellenüberwachungsmodul beinhalten (nicht in 1 veranschaulicht). Die Zellenüberwachungsmodule der Batteriezelleneinrichtungen 111-113 können Erfassungsfunktionalität bereitstellen, um einen oder mehrere Zustände der Batteriezellen zu messen.
Das System 90 beinhaltet auch eine Anschlussstelleneinrichtung 125. Die Anschlussstelleneinrichtung 125 und die Batteriezelleneinrichtungen 111-113 sind über eine oder mehrere Anschlussstellen gekoppelt (1 veranschaulicht keine Einzelheiten der Anschlussstellen). Im Allgemeinen können derartige Anschlussstellen einen Pin und/oder eine Verdrahtung und/oder eine Drahtbondung usw. beinhalten.
Die Anschlussstelleneinrichtung 125 beinhaltet ein Kommunikationsmodul 120. Das Kommunikationsmodul 120 ermöglicht eine Kommunikation von Daten 129 zwischen dem Batteriemodul 100 und einer Steuerlogik wie etwa einer Steuereinrichtung 91, die durch einen Mikrocontroller oder ein feldprogrammierbares Gate-Array oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung usw. implementiert wird.
Die Daten 129 können zum Beispiel eine oder mehrere beobachtbare Größen angeben, die den Betriebszustand der Batteriezelleneinrichtungen 111-113 charakterisieren. Die Daten 129 können zum Beispiel eine jeweilige Zellenimpedanz von jeder der Zellen der Zelleneinrichtungen 111-113 angeben. Die Daten 129 können einen oder mehrere jeweilige Werte digital codieren.
Um das Erzeugen der Daten 129 zu ermöglichen, kann die Anschlussstelleneinrichtung 125 ein Testmodul 121 beinhalten (während in dem Szenario von 1 das Testmodul 121 und das Kommunikationsmodul 120 jeweils mit mehreren Batteriezelleneinrichtungen 111-113 assoziiert sind, könnten das Testmodul 121 und/oder das Kommunikationsmodul 120 bei anderen Beispielen mit einer einzelnen Batteriezelleneinrichtung 111-113 assoziiert sein). Im Allgemeinen würde es möglich sein, dass das Kommunikationsmodul 120 und das Testmodul 121 als eine integrierte Schaltung (IC) implementiert werden.
Das Testmodul 121, das Kommunikationsmodul 120 und die Steuereinrichtung 91 können ein BMS implementieren.
Das Testmodul 121 kann dazu ausgelegt sein, eine Zellenimpedanzmessung zu ermöglichen - z. B. nach einem jeweiligen Befehl, der durch die Steuereinrichtung 91 erstellt wird. Das Testmodul 121 könnte zum Beispiel eine oder mehrere Stromquellen beinhalten, die dazu ausgelegt sind, einer oder mehreren der Batteriezelleneinrichtungen 111-113 einen AC-Anregungsstrom bereitzustellen. Dann könnten die Spannung über die Batteriezelleneinrichtungen 111-113 und eine Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem AC-Anregungsstrom gemessen werden, um dadurch die Zellenimpedanz zu bestimmen. Die Zellenimpedanz kann durch die Steuereinrichtung 91 bestimmt werden.
Gemäß verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen ist das Testmodul 121 auch dazu ausgelegt, die Bestimmung der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz zu ermöglichen. Die Zuverlässigkeit kann einem Ungewissheitsgrad entsprechen, der mit der Messung der Zellenimpedanz assoziiert ist. Zu diesem Zweck kann das Testmodul 121 dazu ausgelegt sein, in verschiedenen Modi zu arbeiten. Dies ist in Verbindung mit 2 erläutert.
2 ist ein schematisches Zustandsdiagramm, das verschiedene Modi 2001, 2002 veranschaulicht, in denen die Anschlussstelleneinrichtung 125 arbeiten kann. Das Testmodul 121 und/oder das Kommunikationsmodul 120 können zum Beispiel dazu ausgelegt sein, in den Modi 2001, 2002 zu arbeiten.
Ausführlich gesagt kann die Anschlussstelleneinrichtung 125 dazu ausgelegt sein, selektiv in (i) einem Messmodus 2001 - in dem die Zellenimpedanz gemessen werden kann - und (ii) einem Testmodus 2002 - in dem die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz bestimmt werden kann - zu arbeiten. In Abhängigkeit davon, ob die Anschlussstelleneinrichtung 125 im Messmodus 2001 oder im Testmodus 2002 arbeitet, können zum Beispiel unterschiedliche Signale durch eine oder mehrere Stromquellen des Testmoduls 121 erzeugt werden oder Signale können im Kommunikationsmodul 120 unterschiedlich geleitet werden usw.
Die Steuereinrichtung 91 kann zum Beispiel einen Übergang zwischen dem Messmodus 2001 und dem Testmodus 2002 befehlen. Die Steuereinrichtung 91 kann zum Beispiel einen jeweiligen Befehl zu der Anschlussstelleneinrichtung 125 erstellen. Der Messmodus 2001 und der Testmodus 2002 können zum Beispiel gemäß einem vordefinierten Timing-Zeitplan aktiviert werden. Die Steuereinrichtung 91 kann zum Beispiel Einstellungen für den Betrieb des Testmoduls 121 und/oder des Kommunikationsmoduls 120 gemäß dem Messmodus 2001 bzw. dem Testmodus 2002 bereitstellen.
Der Betrieb im Messmodus 2001 oder im Testmodus 2002 kann zum Beispiel zwischen der Steuereinrichtung 91 und der Anschlussstelleneinrichtung 125 synchronisiert sein.
Während in 2 zwei verschiedene Modi 2001, 2002 veranschaulicht sind, würde es im Allgemeinen möglich sein, dass zumindest manche Tests, die mit dem Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz assoziiert sind, im Messmodus 2001 bestimmt werden. Daher ist es möglicherweise nicht in allen Szenarios erforderlich, zwei verschiedene Modi aufzuweisen.
Derartige Techniken zum Einsetzen des Messmodus 2001 und des Testmodus 2002 basieren auf der Erkenntnis, dass, falls die gleichen Einstellungen für den Messmodus 2001 und den Testmodus 2002 verwendet werden, dann diese Einstellungen eine gemeinsame Ursache in einer Fehlerkette werden können. Falls kein externer Sicherheitsmechanismus möglich ist, der eine Plausibilitätsprüfung in der Steuereinrichtung 91 durchführt, müssen die Einstellungen geschützt werden. Um dies durchzuführen, würde es möglich sein, dass die Steuereinrichtung 91 die Einstellungen für den Messmodus 2001 und den Testmodus 2002 bevor jeder Aktivierung des jeweiligen Modus 2001, 2002 zu dem Batteriemodul 100 sendet. Derartige Einstellungen für den Testmodus 2002 können bei der Steuereinrichtung 91 in anderen Registern als die Einstellungen für den Messmodus 2001 gespeichert werden.
3 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf die Batteriezelleneinrichtung 111 und die Anschlussstellen 201, 212-216, 218, 298-299 zwischen der Batteriezelleneinrichtung 111 und der Anschlussstelleneinrichtung 125.
Die Anschlussstellen 201, 212-216, 218, 298-299 sind teilweise mit der Batteriezelleneinrichtung 111 und teilweise mit der Anschlussstelleneinrichtung 125 assoziiert. Die Anschlussstelleneinrichtung 125 und die Batteriezelleneinrichtung 111 können zum Beispiel jeweils ein oder mehrere Pins und/oder eine oder mehrere Verdrahtungen zur Implementierung der Anschlussstellen 201, 212-216, 218, 298-299 beinhalten.
3 veranschaulicht die Batteriezelleneinrichtung 111 ausführlicher. Die Batteriezelleneinrichtungen 112-113 könnten ähnlich konfiguriert sein.
Die Batteriezelleneinrichtung 111 beinhaltet die Batteriezelle 200. Die Batterieleistungsleitung 119 ist mit der Batteriezelle 200 verbunden. Die Batteriezelleneinrichtung 111 kann über eine High-Side-Zellenanschlussstelle 201 (mit VCELL bezeichnet) und eine masseseitige Zellenanschlussstelle 218 (mit GND bezeichnet) angeschlossen sein, sodass sie die Batteriezelle 200 kontaktiert.
Die Batteriezelleneinrichtung 111 beinhaltet auch ein Zellenüberwachungsmodul 270. Das Zellenüberwachungsmodul 270 kann Komponenten beinhalten, die auf einem oder mehreren Chips integriert sind. Das Zellenüberwachungsmodul ermöglicht eine Erfassungsfunktionalität zum Bestimmen eines oder mehrerer Zustände der Batteriezelle 200.
Um einen AC-Anregungsstrom 71 in die Batteriezelle 200 durch die Anschlussstelleneinrichtung 125 über die Zellenanschlussstellen 201, 218 zu injizieren, wird ein Zweig 251 als Teil des Zellenüberwachungsmoduls 270 bereitgestellt; wobei sich der Zweig 251 zwischen der Zellenanschlussstelle 201 und der Zellenanschlussstelle 218 erstreckt. Der Zweig 251 beinhaltet einen Shunt-Widerstand 252. Der Shunt-Widerstand 252 ist parallel mit der Batteriezelle 200 zwischen den Zellenanschlussstellen 201, 218 gekoppelt. Es ist auch möglich, die Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252 unter Verwendung von Shunt-Anschlussstellen 215, 216 (mit CS1 und CS0 in 3 bezeichnet) zu messen. Ein Transistorschalter 253 ist im Zweig 251 bereitgestellt. Ein Steueranschluss des Transistorschalters 253 (z. B. ein Gate-Anschluss, falls der Transistorschalter durch einen Feldeffekttransistor implementiert wird) ist mit einer Anschlussstelle 214 der Batteriezelleneinrichtung 111 gekoppelt. Durch das zweckmäßige Ein- und Ausschalten des Transistorschalters 253 ist es möglich, eine Frequenz des AC-Anregungsstroms 71 zu setzen.
Der Zweig 251 beinhaltet optional auch einen Lastwiderstand 254. Der Lastwiderstand 254 ist mit dem positiven Anschluss der Batteriezelle 200 verbunden; bei anderen Beispielen könnte der Lastwiderstand 254 auch mit dem negativen Anschluss der Batteriezelle 200 verbunden sein.
Da der AC-Anregungsstrom 71 der Batteriezelle 200 mittels der Zellenanschlussstelle 201 bereitgestellt werden kann, implementiert die Zellenanschlussstelle 201 einen Zellenkraftanschluss.
Die Batteriezelleneinrichtung 111 kann auch über AC-Anschlussstellen 212, 213 (mit V1AC und V0AC bezeichnet) angeschlossen sein, die dazu ausgelegt sind, ein Signal bereitzustellen, das die AC-Komponente der Spannung 51 über die Batteriezelle 200 angibt. Daher implementiert die AC-Anschlussstelle 212 einen Zellenerfassungsanschluss.
Die AC-Anschlussstellen 212, 213 sind über ein Filter 231 des Zellenüberwachungsmoduls 270 mit der Batteriezelle 200 gekoppelt, wobei das Filter 231 eine Kapazität 232 und einen Widerstand 233 und einen Widerstand 234 beinhaltet. Das Filter 231 kann Tiefpassfunktionalität implementieren. Die Grenzfrequenz des Filters 231 kann höher als die Frequenz des AC-Anregungsstroms 71 sein.
Die Batteriezelleneinrichtung 111 kann auch über DC-Anschlussstellen 298, 299 angeschlossen sein, die dazu ausgelegt sind, ein Signal bereitzustellen, das die DC-Komponente der Spannung 51 über die Batteriezelle 200 angibt. Für diesen Zweck sind die DC-Anschlussstellen 298, 299 über ein Filter 241 des Zellenüberwachungsmoduls 270 mit der Batteriezelle 200 verbunden, wobei das Filter 241 einen Widerstand 243, einen Kondensator 242 und einen Widerstand 244 beinhaltet. Das Filter 241 kann eine Tiefpassfunktionalität implementieren.
Im Allgemeinen würde es möglich sein, dass alle Elemente des Zellenüberwachungsmoduls 270 als eine integrierte Schaltung (IC) bereitgestellt werden. Bei anderen Beispielen würde es möglich sein, dass zumindest manche Teile des Zweigs 251 - z. B. der Transistorschalter 253 und/oder der Shunt-Widerstand 252 - im Vergleich zu dem Filter 231 und/oder dem Filter 241 auf einem anderen Chip bereitgestellt werden können: Zum Beispiel kann ein separater Chip für den Shunt-Widerstand 252 und/oder den Transistorschalter 253 verwendet werden. In manchen Beispielen würde es sogar möglich sein, dass der Shunt-Widerstand 252 und/oder der Transistorschalter 253 auf demselben Chip als zumindest manche der Elemente der Anschlussstelleneinrichtung 125 integriert sind.
Als Nächstes wird die Funktion der Batteriezelleneinrichtung im Messmodus 2001 (vgl. 2) zum Ermöglichen der Zellenimpedanzmessung erläutert.
Im Messmodus 2001 wird der Batteriezelleneinrichtung 111 der AC-Anregungsstrom 71 durch das Testmodul 121 der Anschlussstelleneinrichtung 125 bereitgestellt und über die Zellenanschlussstellen 201, 218 in die Batteriezelle 200 injiziert. Das Testmodul 121 könnte zum Beispiel ein Steuersignal über die Anschlussstelle 214 bereitstellen.
Die Spannung 51 über die Batteriezelle kann über die AC-Anschlussstellen 212, 213 überwacht werden. Der AC-Anregungsstrom 71 kann über die Shunt-Anschlussstellen 215, 216 überwacht werden. Aspekte bezüglich des Überwachens sind in Verbindung mit 4 veranschaulicht.
4 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf die Anschlussstelleneinrichtung 125. 4 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf das Kommunikationsmodul 120. 4 veranschaulicht auch Aspekte mit Bezug auf die Anschlussstellen 212, 213, 215, 216.
Ein ADC 311 des Kommunikationsmoduls 120 ist mit den AC-Anschlussstellen 212, 213 verbunden; und ein zusätzlicher ADC 312 des Kommunikationsmoduls 120 ist mit den Shunt-Anschlussstellen 215, 216 verbunden. Ein jeweiliger Multiplexer (MUX) 311 ist allgemein optional.
Die ADCs 311, 312 können dann die Daten 129 erzeugen, die die Amplitude und/oder Phase der Spannung 51 und des AC-Anregungsstroms 71 angeben. Dann kann die Zellenimpedanz basierend auf den Daten 129 bestimmt werden. Einzelheiten bezüglich der Bestimmung der Zellenimpedanz sind in Verbindung mit 5 erläutert.
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen. Das Verfahren von 5 könnte zum Beispiel durch eine Steuereinrichtung eines BMS ausgeführt werden, z. B. die Steuereinrichtung 91 des Systems 90 gemäß 1. Das Verfahren von 5 wird in Verbindung mit dem System 90 von 1 erläutert, könnte aber auch bei anderen Systemen angewendet werden.
5 veranschaulicht Aspekte mit Bezug auf die Bestimmung der Zellenimpedanz: Bei Block 1001 wird die Impedanz einer Batteriezelle 200 einer Batteriezelleneinrichtung 111-113 bestimmt. Dafür kann die Steuereinrichtung 91 den Messmodus 2001 aktivieren (vgl. 2). Die Steuereinrichtung 91 kann zum Beispiel einen jeweiligen Befehl und optional Einstellungen zu der Anschlussstelleneinrichtung 125 senden.
Die Aktivierung des Messmodus 2001 kann eine Injektion des AC-Anregungsstroms 71 in die Batteriezelle 200 und den Shunt-Widerstand 254 bewirken, wie in Verbindung mit 3 erläutert.
Dann empfängt die Steuereinrichtung 91 die Daten 129 vom Kommunikationsmodul 120, die (i) die Amplitude und/oder die Phase des AC-Anregungsstroms 71 und (ii) die Amplitude und/oder die Phase der Spannung 51 über die Batteriezelle 200, die mit dem AC-Anregungsstrom 71 assoziiert ist, angeben (wie in Verbindung mit 3 und 4 erläutert). Basierend auf den Daten 129 ist es dann möglich, die Impedanz der Batteriezelle 200 durch das Vergleichen der (i) Amplitude und/oder Phase des AC-Anregungsstroms 71 mit der (ii) Amplitude und/oder Phase der Spannung 51 über die Batteriezelle 200, die mit dem AC-Anregungsstrom 71 assoziiert ist, zu bestimmen.
Bei Block 1002 kann eine Temperatur der Batteriezelle bestimmt werden. Dafür kann eine vordefinierte Temperatur-Impedanz-Charakteristik verwendet werden. Die vordefinierte Temperatur-Impedanz-Charakteristik kann zum Beispiel in Form einer parametrisierten Funktion, z. B. einer Polynomfunktion, bereitgestellt sein. Alternativ oder zusätzlich dazu könnte die vordefinierte Temperatur-Impedanz-Charakteristik auch in Form einer Nachschlagetabelle bereitgestellt sein. Alternativ oder zusätzlich zu der Bestimmung der Temperatur würde es möglich sein, eine oder mehrere andere Charakteristiken der Batteriezelle, z. B. SOH und/oder SOC, zu bestimmen.
Als Nächstes wird bei Block 1003 die Zuverlässigkeit der bei Block 1001 bestimmten Impedanz bestimmt. Dafür kann der Testmodus 2002 aktiviert werden. Die Steuereinrichtung 91 kann zum Beispiel einen jeweiligen Befehl und optional Einstellungen zu dem Testmodul 121 senden.
Im Allgemeinen gibt es verschiedene Optionen, die zum Bestimmen der Zuverlässigkeit der Impedanz im Block 1003 zur Verfügung stehen, und manche der Optionen sind in Verbindung mit 6 veranschaulicht.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen. Das Verfahren gemäß 6 hilft dabei, die Zuverlässigkeit einer Zellenimpedanz zu bestimmen, die z. B. unter Verwendung der Techniken, wie oben in Verbindung mit 5: Block 1001 beschrieben, gemessen wird.
Das Verfahren gemäß 6 beinhaltet mehrere Blöcke 1010-1016. Diese Blöcke 1010-1016 entsprechen unterschiedlichen Optionen zum Implementieren der Bestimmung der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz. Im Allgemeinen ist nicht erforderlich, dass alle Blöcke 1010-1016 implementiert werden, um die Zuverlässigkeit zu bestimmen; stattdessen würde es möglich sein, dass nur ein einzelner der Blöcke 1010-1016 implementiert wird, um die Zuverlässigkeit zu bestimmen, oder dass eine gewisse Kombination von Blöcken 1010-1016 implementiert wird, um die Zuverlässigkeit zu bestimmen. Es wird auch möglich sein, dass die Ausführungsabfolge der Blöcke 1010-1016 geändert wird. Einer oder mehrere der Blöcke 1010-1016 können als Teil des Blocks 1003 von 5 ausgeführt werden.
Bei Block 1010 wird der Batteriezelleneinrichtung 111-113 ein AC-Teststrom bereitgestellt. Der AC-Teststrom unterscheidet sich vom AC-Anregungsstrom, der während des Messmodus 2001 verwendet wird. Unter Verwendung des AC-Teststroms wird es daher möglich, eine Integrität des Shunt-Widerstands 252 zu testen. Es würde auch möglich sein, die Integrität der Shunt-Anschlussstellen 215, 216 und/oder der AC-Anschlussstellen 212, 213 zu testen. In manchen Beispielen ist es möglich, die Integrität des MUX 301 des Kommunikationsmoduls 120 und/oder der ADCs 311, 312 des Kommunikationsmoduls 120 zu testen. Durch das Vergleichen einer Antwort/eines Verhaltens von einer oder mehreren der identifizierten Komponenten des BMS auf den AC-Teststrom wird es möglich, ihre Integrität zu testen. Falls eine kompromittierte Integrität von einer oder mehreren der Komponenten identifiziert wird, kann dies ein Kennzeichen einer reduzierten Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz sein.
Bei Block 1011 werden die Eigenschaften des AC-Anregungsstroms 71 geändert. Insbesondere ist es möglich, die Frequenz des AC-Anregungsstroms 71 z. B. zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert zu ändern. Es ist möglich, die Zellenimpedanz für beide Werte der Frequenz des AC-Anregungsstroms 71 zu bestimmen. Es würde möglich sein, die Temperatur für beide Werte der Frequenz des AC-Anregungsstroms 71 zu bestimmen. Basierend auf einem Vergleich zwischen den beiden Impedanzen oder den beiden Temperaturen können dann Unregelmäßigkeiten identifiziert werden. Falls die beiden Messungen zum Beispiel wesentlich voneinander abweichen, kann die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz als niedrig beurteilt werden. Die in Verbindung mit Block 1011 beschriebene Option kann einem Ende-zu-Ende-Test der bei der Impedanzmessung beteiligten Komponenten entsprechen.
Bei Block 1012 kann eine Nullstrom-Zellenimpedanzmessung implementiert werden. Daher kann eine besonders niedrige Amplitude des AC-Anregungsstroms 71 - z. B. Nullamplitude - gewählt werden. Zum Beispiel könnte elektromagnetische Störung (EMI: electromagnetic interference) in die Komponenten des BMS eingekoppelt werden und in einer erheblichen Spannung über die Batteriezelle resultieren. Falls EMI mit der Frequenz des AC-Anregungsstroms 71 zum Beispiel bei der Batteriezelle 200 vorhanden ist (z. B. aufgrund eines Stroms im Hochspannungsstrompfad), wird diese Spannung mit der durch den AC-Anregungsstrom 71 erzeugten Spannung überlagert. Dies wird zu einem Messfehler führen.
Um dieses Versagen zu detektieren, kann eine Messung ohne den AC-Anregungsstrom 71 durchgeführt werden und die Rohdaten des jeweiligen ADC 311, 312 können evaluiert werden; diese Rohdaten repräsentieren dann die Störung. Die Ausgabe des ADC 311, 312 kann mit einer vordefinierten Schwelle gegenüber der Grenze für den zulässigen Rauschboden verglichen werden. Somit kann die Nullstrommessung dabei helfen, einen Rauschboden der Messung der Zellenimpedanz zu identifizieren.
Bei Block 1013 kann der Widerstand der Zellenanschlussstellen 201, 218 und/oder der AC-Anschlussstellen 212, 213 gemessen werden. Es kann zum Beispiel ein Widerstand zwischen dem Zellenkraftanschluss, der durch die Zellenanschlussstelle 201 implementiert wird, und dem Zellenerfassungsanschluss, der durch die AC-Anschlussstelle 212 implementiert wird, gemessen werden. Wie oben in Verbindung mit 3 erläutert, agieren die Zellenanschlussstellen 201, 218 als Zellenkraftanschlüsse; während die AC-Anschlussstellen 212, 213 als Zellenerfassungsanschlüsse agieren. Durch das Messen des Widerstands ist es möglich, einen elektrischen Kurzschluss zu detektieren. Ein derartiger elektrischer Kurzschluss kann in einer ungenauen Messung der Spannung 51 über die Batteriezelle 200 resultieren; sodass die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz kompromittiert werden würde.
Bei Block 1014 kann der AC-Anregungsstrom diagnostiziert werden. Dafür würde es möglich sein, z. B. zu prüfen, ob die Amplitude des AC-Anregungsstroms innerhalb eines gewissen Akzeptanzfensters liegt, d. h. über einer vordefinierten unteren Schwelle bleibt und unter einer vordefinierten oberen Schwelle bleibt. Dadurch kann eine Fehlfunktion einer entsprechenden AC-Anregungsstromquelle identifiziert werden. Eine Fehlfunktion der AC-Anregungsstromquelle kann die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz kompromittieren.
Bei Block 1015 kann die Frequenz des AC-Anregungsstroms diagnostiziert werden. Der AC-Anregungsstrom könnte zum Beispiel mit einem periodischen Referenzsignal, das unter Verwendung einer unabhängigen Timing-Referenz erzeugt wird, verglichen werden. Dann können Abweichungen der Frequenz des AC-Anregungsstroms basierend auf diesem Vergleich detektiert werden. Derartige Abweichungen können eine Fehlfunktion der entsprechenden AC-Anregungsstromquelle angeben. Eine Fehlfunktion der AC-Anregungsstromquelle kann die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz kompromittieren.
Bei Block 1016 kann eine Filterbandbreite von einem oder mehreren Filtern der Batteriezelleneinrichtung 111-113 geprüft werden. Zum Beispiel kann die Grenzfrequenz des Filters 231 und/oder des Filters 241 bestimmt werden. Änderungen in den Filtercharakteristiken können einen Schaden der jeweiligen Filterkomponenten 232, 233, 242, 243 angeben. Dies kann die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz kompromittieren.
Nachfolgend werden Einzelheiten bezüglich zumindest mancher der Optionen gemäß den Blöcken 1010-1016 besprochen.
7 veranschaulicht Aspekte mit Bezug auf das Testmodul 121. Genauer gesagt veranschaulicht 7 Aspekte in Verbindung mit der Injektion von AC-Testströmen 61, 63, z. B. wie oben in Verbindung mit 6: Block 1010 erläutert.
Im Allgemeinen, während 7 Aspekte bezüglich des Testmoduls 121, das die AC-Testströme 61, 63 bereitstellt, veranschaulicht, würde es möglich sein, dass das Testmodul 121 auch eine oder mehrere Stromquellen und/oder Spannungsquellen zum Bereitstellen des AC-Anregungsstroms 71 (in 7 nicht dargestellt) beinhaltet. Das Testmodul 121 kann zum Beispiel den Transistorschalter 253 über die Anschlussstelle 214 ein-/ausschalten, um den AC-Anregungsstrom 71 bereitzustellen.
In 7 wird veranschaulicht, dass das Testmodul 121 dazu ausgelegt ist, den AC-Teststrom 61 bereitzustellen. Der AC-Teststrom 61 wird über die Shunt-Anschlussstellen 215, 216 in den Shunt-Widerstand 252 injiziert. Daraus ergibt sich eine entsprechende Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252, die mit dem AC-Teststrom 61 assoziiert ist.
Während in dem Beispiel von 7 der AC-Teststrom 61 unter Verwendung von zwei Stromquellen 351, 352 erzeugt wird, die jeweils mit einer der Shunt-Anschlussstellen 215, 216 verbunden sind (d. h. unterschiedlichen Seiten des Shunt-Widerstands 252), kann der AC-Teststrom 61 bei anderen Beispielen unter Verwendung von nur einer einzelnen Stromquelle erzeugt werden, die mit einer der Shunt-Anschlussstellen 215, 216 verbunden ist. Durch das Verwenden von zwei Stromquellen 351, 352 ist es möglich, einen Verdrahtungs- oder Verbindungswiderstand 261, 262 zu kompensieren (vgl. 3).
Der ADC 311 und/oder der ADC 312 (in Abhängigkeit von der Einstellung des MUX 301) sind dazu ausgelegt, die Shunt-Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252, die mit dem AC-Teststrom 61 assoziiert ist, zu messen.
Wie in 7 veranschaulicht, sind die AC-Stromquellen 351, 352 über die Schalter 361, 362 mit den Shunt-Anschlussstellen 215, 216 verbunden. Es würde möglich sein, dass die Schalter 361, 362 dazu ausgelegt sind, den AC-Teststrom 61 selektiv weiterzuleiten, wenn der Testmodus 2002 aktiv ist. Außerdem können die AC-Stromquellen 351, 352 im Testmodus 2002 selektiv eingeschaltet werden (und im Messmodus 2001 ausgeschaltet werden). Dies basiert auf der Erkenntnis, dass, falls der AC-Teststrom 61 während der Zellenimpedanzmessung im Messmodus 2001 aktiv war, der AC-Teststrom 61 die Zellenimpedanzmessung beeinflussen könnte. Der AC-Teststrom 61 beeinflusst die Strommessung durch das Einführen eines zusätzlichen Stroms im Bereich von 1 mA, was im Vergleich zu den z. B. 500 mA während des Messmodus 2001 recht klein ist. Außerdem kann der Spannungsabfall, der durch den AC-Teststrom 61 über die Shunt-Anschlussstellen 215, 216 verursacht wird, typischerweise vernachlässigt werden, da die zusätzliche Spannung im Bereich von 1 mA * 10 mOhm = 10 µV liegt. Nichtsdestotrotz können die beiden Stromquellen 351, 352 zusätzlich durch zwei unabhängige Mechanismen geschützt werden: erstens werden die Stromquellen 351, 352 im Messmodus 2001 deaktiviert; zweitens werden die Schalter 361, 362 verwendet, um den AC-Teststrom 61 im Testmodus 2002 selektiv weiterzuleiten.
Es würde möglich sein, die Shunt-Spannung 52, die mit dem AC-Teststrom 61 assoziiert ist, mit einer Referenzspannung z. B. an der Steuereinrichtung 61 zu vergleichen. Dadurch kann es möglich sein, eine Fehlfunktion des Shunt-Widerstands 252 zu detektieren.
Dies liefert eine vergleichsweise einfache Testfunktionalität. Bei verschiedenen Optionen kann eine komplexere Testfunktionalität bereitgestellt werden, z. B. unter Verwendung der zusätzlichen Stromquelle 353.
In dem Beispiel von 7 beinhaltet das Testmodul 121 außerdem die zusätzliche Stromquelle 353, die dazu ausgelegt ist, einen zusätzlichen AC-Teststrom 63 über eine entsprechende Anschlussstelle 363 in einen Widerstand 365 zu injizieren. Eine Spannung 53 über den Widerstand 365, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom 63 assoziiert ist, ist in 7 veranschaulicht. Es würde dann möglich sein, dass der ADC 311 und/oder der ADC 312 dazu eingerichtet sind, die Spannung 53 über den Widerstand 365, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom 63 assoziiert ist, zu messen.
Wie zu verstehen ist, hilft das Bereitstellen des Multiplexers 301 dabei, den Widerstand 365 selektiv mit einem oder mehreren der ADCs 311, 312 zu verbinden. Es würde zum Beispiel möglich sein, dass der Multiplexer 301 ein Signal, das mit der Spannung 53 über den Widerstand 365 assoziiert ist, selektiv weiterzuleiten, wenn der Testmodus 2002 aktiv ist. Um ein spezifisches Beispiel zu nennen, würde es möglich sein, dass der Multiplexer 301 dazu ausgelegt ist, im Messmodus 2001 die Zellenspannung 51, die mit dem AC-Anregungsstrom 71 assoziiert ist (vgl. 3), einem oder mehreren der ADCs 311, 312 bereitzustellen; und im Testmodus 2002 die Spannung 53 über den Widerstand 365, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom 63 assoziiert ist, einem oder mehreren der ADCs 311, 312 bereitzustellen (z. B. anstelle des Bereitstellens der Zellenspannung 51).
In einem Szenario würde es zum Beispiel möglich sein, dass der Multiplexer 301 im Testmodus 2002 die Spannung 53, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom 63 assoziiert ist, abwechselnd dem ADC 311 bzw. dem ADC 312 bereitstellt; und die Shunt-Spannung 52, die mit dem AC-Teststrom 61 assoziiert ist, abwechselnd dem jeweiligen anderen des ADC 312 bzw. des ADC 311 bereitstellt.
Ein derartiges Beispiel ist in den folgenden Tabellen 1 und 2 veranschaulicht: Tabelle 1 (Abbildung von ADCs 311, 312 im Messmodus 2001 unter Verwendung des AC-Anregungsstroms 71)

Phase ADC 311 ADC 312

(i) Zellenspannung 51 Shunt-Spannung 52

Tabelle 2 (Abbildung von ADCs 311, 312 im Testmodus 2002 unter Verwendung der AC-Testströme 61, 63)

Phase ADC 311 ADC 312

(i) Shunt-Spannung 52 Spannung 53

(ii) Spannung 53 Shunt-Spannung 52
Mit anderen Worten kann die Verbindung zwischen den ADCs 311, 312 und dem Widerstand 365 und dem Shunt-Widerstand 252 abwechselnd gewechselt werden, wie in Tabelle 2 veranschaulicht. Dadurch kann eine Fehlfunktion entweder der ADCs 311, 312 oder des MUX 301 detektiert werden. Falls es zum Beispiel eine Abweichung zwischen der durch den ADC 311 für die Spannung 53 vorgenommenen Messung von der durch den ADC 312 für die Spannung 53 vorgenommenen Messung gibt, kann dies eine jeweilige Fehlfunktion angeben.
Im Allgemeinen ist die Phase (ii) der Tabelle 2 optional. Es würde möglich sein, den MUX 301 nur in Phase (i) im Testmodus 2001 zu betreiben.
Wie in 7 veranschaulicht, sind die AC-Stromquellen 351, 352 und die AC-Stromquelle 353 dazu ausgelegt, den AC-Teststrom 61 und den zusätzlichen AC-Teststrom 63 phasenkohärent auszugeben. Daher können sie ein wohldefinierter Phasenoffset oder eine wohldefinierte Phasenverschiebung 355 zwischen dem AC-Teststrom 61 und dem zusätzlichen AC-Teststrom 63 sein.
Im Allgemeinen wird es möglich sein, dass die AC-Stromquellen 351, 352, 353 miteinander abgeglichen sind; d. h. es kann eine relativ hohe Genauigkeit zwischen den AC-Stromquellen 351, 352, 353 geben.
Durch das Verwenden der AC-Testströme 61, 63 ist es zum Beispiel möglich, einen oder mehrere der folgenden Fehler zu bestimmen: Der Shunt-Widerstand 252 kann geprüft werden; dafür sollte der spezifische Nennwiderstand des Shunt-Widerstands 252 bekannt sein; und die Verbindung vom Shunt-Widerstand 252 zum MUX 301 über die Shunt-Anschlussstellen 215, 216 kann getestet werden; der MUX 301 kann getestet werden, z. B. basierend auf einem Vergleich der gemessenen Werte im Testmodus 2002 und Referenzwerte; außerdem kann die Signalverarbeitungskette einschließlich der ADCs 311, 312 getestet werden.
Als Nächstes wird die Funktion der AC-Testströme 61, 63 zum Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz beschrieben.
Die AC-Testströme 61, 63 können zum Emulieren der Zellenimpedanz verwendet werden. Dafür wird die Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252, die mit dem AC-Teststrom 61 assoziiert ist, unter Verwendung der ADCs 311, 312 sowie die Spannung 53 über den Widerstand 365, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom 63 assoziiert ist, gemessen. Ausführlich gesagt kann die Spannung 52, die mit dem AC-Teststrom 61 assoziiert ist, die Spannung 52, die mit dem AC-Anregungsstrom 71 assoziiert ist, emulieren; und die Spannung 53, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom 63 assoziiert ist, kann die Zellenspannung 51, die mit dem AC-Anregungsstrom 71 assoziiert ist, emulieren.
Um die Phaseninformationen der komplexen Zellenimpedanz zu erhalten/zu erzeugen, sind die AC-Testströme 61, 63 zueinander verzögert. Die Verzögerung wird in der Phasenverschiebung 355 resultieren. Aufgrund des Abgleichs der Stromquellen 351-353 können Ungewissheiten in der Stromerzeugung der AC-Testströme 61, 63 aufgehoben werden. Um die Ungewissheiten im Widerstandswert des Widerstands 365 aufzuheben, kann der AC-Teststrom 63 durch einen Widerstand erzeugt werden, der mit dem Widerstand 365 abgeglichen ist.
Die emulierte Impedanz kann wie folgt berechnet werden: $Z_{T e s t m u s t e r} = \frac{I_{D I A G 1} (R_{S} + R_{C O N 1}) + I_{D I A G 2} R_{C O N 2}}{\frac{R_{D I A G} I_{D I A G 3}}{R_{S_N O M}}} e^{2 π f_{E X C^{t} V e r z \ddot{o} g e r u n g}}$
Hier sind R_CON1 und R_CON2 die Widerstände der Verbindungswiderstände 261, 262 der Shunt-Anschlussstellen 215, 216 (vgl. 3), Rs ist der Widerstand des Shunt-Widerstands 252 und R_{S_NOM} ist der Zielwiderstand des Shunt-Widerstands 252, der bei der Nachverarbeitung verwendet wird (die parasitären Verbindungswiderstände 261, 262 können zu einer Messungenauigkeit führen; unter Verwendung von R_{S_NOM} kann eine Kompensation erzielt werden). Da der Strom I_DIAG1 und I_DIAG2 - d. h. die jeweiligen erzeugten Teile des AC-Teststroms 61, die mit jeder Stromquelle 351, 352 assoziiert sind - übereinstimmen, werden die gemeinsamen Widerstände R_CON1 und R_CON2 der Verbindungswiderstände 261, 262 aufgehoben. Was verbleibt, ist die Fehlanpassung der Stromquellen 351, 352 und die Fehlanpassung des Verbindungswiderstands 261, 262. fEXC ist die Frequenz des AC-Anregungsstroms und t_Verzögerung ist ein Phasenoffset.
Die emulierte Impedanz könnte zum Beispiel gemäß Gleichung (1) berechnet und mit dem während des Testmodus 2002 gemessenen Wert verglichen werden. Ein entsprechendes Verfahren, das auf Gleichung 1 aufbaut, ist in 8 veranschaulicht.
8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen. Das Verfahren von 8 kann zum Beispiel durch eine Steuerlogik ausgeführt werden, z. B. die Steuereinrichtung 91. Das Verfahren von 8 kann zum Beispiel als Teil des Blocks 1003 (vgl. 5) ausgeführt werden. Das Verfahren von 8 hilft dabei, die Zuverlässigkeit einer zuvor gemessenen Zellenimpedanz (z. B. als Teil des Blocks 1001, vgl. 5) zu bestimmen.
Bei Block 1021 wird der Testmodus 2002 aktiviert. Dies kann Senden eines Steuersignals zu dem Testmodul 112 zum Schließen der Schalter 361, 362 und zum Einschalten der Stromquellen 351-353 beinhalten. Dadurch wird der AC-Teststrom 61 in den Shunt-Widerstand 254 injiziert und der zusätzliche AC-Teststrom 63 wird in den Widerstand 365 injiziert.
Dann werden die Blöcke 1022-1024 verwendet, um die Zuverlässigkeit der zuvor gemessenen Zellenimpedanz zu bestimmen. Die Zuverlässigkeit wird basierend auf einer Messung der Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252, die mit dem bei Block 1021 in den Shunt-Widerstand 254 injizierten AC-Teststrom 61 assoziiert ist, und basierend auf einer Messung der Spannung 53 über den Widerstand 365, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom 63 assoziiert ist, bestimmt. Aus diesen beiden Werten wird eine emulierte Zellenimpedanz erhalten. Dann kann das Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz ein Vergleichen einer emulierten Zellenimpedanz mit einer Referenzimpedanz beinhalten. Ein derartiges Szenario wird unten in Verbindung mit den Blöcken 1022-1024 erläutert.
Ausführlich gesagt wird bei Block 1022 die Referenzimpedanz bestimmt, z. B. durch Berechnen oder anderweitiges Bestimmen der Referenzimpedanz gemäß Gleichung (1). Zum Beispiel kann eine Nachschlagetabelle eingesetzt werden.
Als Nächstes kann die emulierte Zellenimpedanz bei Block 1023 gemessen werden. Dies kann zum Beispiel das Dividieren der gemessenen Spannung 53 über den Widerstand 365, die mit dem AC-Teststrom assoziiert ist, durch die gemessene Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252, die mit dem AC-Teststrom 61 assoziiert ist, z. B. unter Berücksichtigung des Widerstands des Shunt-Widerstands 252 beinhalten.
Als Nächstes wird bei Block 1024 die emulierte Impedanz des Blocks 1023 mit einem erwarteten Wert verglichen. Allgemein kann der erwartete Wert basierend auf der im Block 1022 bestimmten Referenzimpedanz bestimmt werden. Falls eine signifikante Abweichung - z. B. über gewisse Fehlerspannen hinaus und/oder innerhalb Genauigkeitsanforderungen - detektiert wird, kann dies dann eine Fehlfunktion von einer oder mehreren der Komponenten, z. B. des Shunt-Widerstands 252, einer Verbindung zwischen dem Shunt-Widerstand 252 und dem Kommunikationsmodul 120, des Multiplexers 301 oder eines oder beider der ADCs 311, 312 usw., angeben.
Im Allgemeinen kann die gemessene Spannung über die AC-Testströme 61, 63 (i) statisch, d. h. feste Amplitude, Phase und Frequenz; oder (ii) von der gemessenen Zellenimpedanz der Batteriezelle 200 abhängig sein. Für die dynamischen AC-Testströme 61, 63 würde es somit möglich sein, dass die Steuereinrichtung 91 die AC-Stromquellen 351-353 basierend auf der Zellenimpedanz der Batteriezelle 200 als Teil des Blocks 1023 steuert. Gleichermaßen kann die Referenzimpedanz durch ein zweckmäßiges Anpassen der Werte für die AC-Testströme 61, 63 in Gleichung (1) im Block 1022 bestimmt werden.
Derartige Techniken basieren auf der Erkenntnis, dass - um ein Fehlermodell der ADCs 311, 312 mit hoher Diagnoseabdeckung zu erhalten - Linearitätsfehler abgedeckt werden müssen. Dies ist in Verbindung mit 9 veranschaulicht.
9 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf den Betrieb der ADCs 311, 312. 9 veranschaulicht spezifisch Aspekte mit Bezug auf einen Linearitätsfehler 603. 9 veranschaulicht schematisch den Messwert 319, der durch den ADC 311 oder den ADC 312 ausgegeben wird, in Abhängigkeit von der jeweiligen Eingabe 318. Die jeweilige Charakteristik 601 wurde typischerweise so konzipiert, dass sie eine lineare Abhängigkeit aufweist. Wenn es einen Linearitätsfehler 603 gibt, weicht die jeweilige Charakteristik 602 von der linearen Form ab.
Um eine Detektion eines Linearitätsfehlers des verwendeten ADC zu ermöglichen, können die AC-Testströme 61-63 so gesetzt werden, dass der gleiche Betriebspunkt 604 wie bei der vorherigen Zellenimpedanzmessung im Messmodus 2001 bei dem jeweiligen ADC 311, 312 verwendet wird. Somit kann die Amplitude des AC-Teststroms 61 und/oder des zusätzlichen AC-Teststroms 63 gemäß dem Ergebnis der vorherigen Zellenimpedanzmessung angepasst werden. Außerdem können die Frequenz der AC-Testströme 61, 63 und die Phasenverschiebung 355 gemäß dem Ergebnis der vorherigen Zellenimpedanzmessung bestimmt werden.
Im Allgemeinen sind verschiedene Kombinationen einer statischen oder dynamischen konfigurierbaren Amplitude/Phase/Frequenz für die Testströme 61, 63 möglich, was zu einer unterschiedlichen Diagnoseabdeckung führt.
Eine typische Amplitude des AC-Anregungsstroms 71 liegt in der Ordnung von 1 A; typischerweise ist es nicht einfach, den AC-Teststrom 61 mit einer ähnlich großen Amplitude zu erzeugen. Daher würde es möglich sein, einen kleineren AC-Teststrom 63 zu verwenden und den Widerstandswert des Widerstands 365 derart zu dimensionieren, dass die Spannung 53 während des Messmodus 2001 der Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252 entspricht. Daher kann der Widerstandswert des Widerstands 365 größer sein als der Widerstandswert des Shunt-Widerstands 252.
Es würde dann möglich sein, das Signal, das mit der Spannung 53 über den Widerstand 365, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom 63 assoziiert ist, assoziiert ist, zu dem ADC 311 zu leiten, der während des Messmodus 2001 verwendet wird, um die Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252 zu messen (vgl. Tabelle 1, ADC 312: Phase (i) und Tabelle 2, Phase (i)).
Gleichermaßen würde es möglich sein, das Signal, das mit der Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252, die mit dem AC-Teststrom 61 assoziiert ist, assoziiert ist, zu dem ADC 311 zu leiten, der während des Messmodus 2001 verwendet wird, um die Zellenspannung 51 über die Batteriezelle 200 zu messen (vgl. Tabelle 1, ADC 311: Phase (i) und Tabelle 2, Phase (i)). Wiederum wird es möglich sein, die Amplitude des AC-Teststroms 61 derart zu dimensionieren, dass die Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252, die mit dem AC-Teststrom 61 im Testmodus 2002 assoziiert ist, der Zellenspannung 51 über die Batteriezelle 200, die mit dem AC-Anregungsstrom 71 im Messmodus 2001 assoziiert ist, entspricht.
Es würde auch möglich sein, eine Form der Wellenform des AC-Teststroms 61, 63, z. B. sinusförmig oder rechteckig, dynamisch anzupassen.
Es würde auch möglich sein, dass die Amplitude der AC-Testströme 61, 63 in Abhängigkeit von der Anzahl von Batteriezellen 200, die pro Batteriemodul parallel geschaltet sind, angepasst wird.
10 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf die Bestimmung der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz der Batteriezelle 200. 10 veranschaulicht spezifisch Aspekte mit Bezug auf den Testmodus 2002, in dem eine Frequenzumschalttechnik gemäß Block 1011 (vgl. 6) eingesetzt wird.
10 veranschaulicht schematisch die Zellenimpedanz 750 als eine Funktion der Frequenz 751 des AC-Anregungsstroms 71 für drei unterschiedliche Temperaturen 801-803. Jeweilige Temperatur-Impedanz-Charakteristiken 701-703 sind in 10 (unter Verwendung der durchgezogenen Linie, der gestrichelten Linie und der gestrichelt-gepunkteten Linie für die unterschiedlichen Temperaturen 801-803) veranschaulicht.
Gemäß einem Beispiel wird die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz 750 durch das Bestimmen der Zellenimpedanz 750 bei mehr als einer einzelnen Frequenz, d. h. in dem Beispiel von 10 bei den Frequenzen 761 und 762, bestimmt. Die bei den beiden Frequenzen 761, 762 bestimmte Zellenimpedanz 750 würde sich im Fall von Messfehlern wie Hängenbleiben-Fehlern von Registern, falschen Frequenzeinstellungen und Offsets beim Start der Messung unterscheiden. Genauer gesagt wird die bestimmte Zellenimpedanz eine erwartete Frequenzabhängigkeit und Temperaturabhängigkeit gemäß den Temperatur-Impedanz-Charakteristiken 701-703 zeigen. Ein Fehler in der Messung/im Verarbeitungspfad wird zu einem gemeinsamen Fehler 705, 706 in beiden Messungen führen (in Richtung höherer Zellenimpedanzen 750 in dem Beispiel von 10). Wie in 10 dargestellt, wird der Fehler 705 bei der Frequenz 761 durch die Steuereinrichtung 91 als die Temperatur 803 interpretiert. Derselbe Fehler 705 bei der Messfrequenz 762 wird als die Temperatur 801 interpretiert. Die Steuereinrichtung 91 vergleicht die beiden Temperaturen 801, 803 z. B. durch das Anwenden einer Zwei-von-Zwei(2oo2)-Entscheidung. Somit kann eine Abweichung als ein Fehler erkannt werden. Einzelheiten bezüglich der Logik zur Bestimmung der Zuverlässigkeit sind auch in Verbindung mit 11 veranschaulicht.
11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedenen Beispielen. Das Verfahren von 11 könnte zum Beispiel durch die Steuereinrichtung 91 ausgeführt werden. 11 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf die Bestimmung der Zuverlässigkeit einer Zellenimpedanz, die z. B. gemäß den wie oben in Verbindung mit 5: Block 1001 beschriebenen Techniken gemessen wird. 11 veranschaulicht Aspekte mit Bezug auf die Bestimmung der Zuverlässigkeit unter Verwendung von Frequenzumschaltung, wie oben in Verbindung mit 6: Block 1011 erläutert.
Bei Block 1031 wird der Batteriezelleneinrichtung 111-113 ein erster AC-Anregungsstrom 71 bereitgestellt. Der erste AC-Anregungsstrom 71 weist eine erste Frequenz auf.
Als Nächstes wird bei Block 1032 ein erster Wert der Zellenimpedanz 750 gemessen. Diese Messung basiert auf dem ersten AC-Anregungsstrom. Zum Beispiel kann eine Spannung 51 über die Batteriezelle 200 in Beziehung zu dem ersten AC-Anregungsstrom 71, der z. B. als Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 254 gemessen wird, gesetzt werden.
Bei Block 1033 wird als Nächstes der Batteriezelleneinrichtung 111-113 ein zweiter AC-Anregungsstrom 71 bereitgestellt. Der zweite AC-Anregungsstrom 71 weist eine zweite Frequenz auf.
Als Nächstes wird bei Block 1034 ein zweiter Wert der Zellenimpedanz 750 gemessen. Diese Messung basiert auf dem zweiten AC-Anregungsstrom. Eine Spannung über die Batteriezelle, die mit dem zweiten AC-Anregungsstrom assoziiert ist, kann zum Beispiel in Beziehung mit dem zweiten AC-Anregungsstrom 71, der z. B. unter Verwendung eines Shunt-Widerstands 254 gemessen wird, gesetzt werden.
Als Nächstes werden bei Block 1035 die Temperaturen 801-803, die mit den bei den Blöcken 1032 und 1034 gemessenen Zellenimpedanzen 750 assoziiert sind, basierend auf den vordefinierten Temperatur-Impedanz-Charakteristiken 701-703 bestimmt.
Dann wird bei Block 1036 die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz z. B. durch das Vergleichen der bei Block 1035 bestimmten Temperaturen bestimmt.
12 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf die Bestimmung der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz der Batteriezelle 200. 12 veranschaulicht spezifisch Aspekte mit Bezug auf den Testmodus 2002, in dem eine Widerstandswertmessung gemäß Block 1013 (vgl. 6) eingesetzt wird. In 12 sind zwei mögliche Kurzschlüsse 729 zwischen dem Zellenkraftanschluss, der durch die Zellenanschlussstelle 201 implementiert wird, und dem Zellenerfassungsanschluss, der durch die AC-Anschlussstelle 212 implementiert wird, veranschaulicht.
In dem Beispiel von 12 kann ein Widerstand zwischen der Zellenanschlussstelle 201 (die als ein Zellenkraftanschluss für den AC-Anregungsstrom 71 agiert, wie oben erläutert) und der AC-Anschlussstelle 212 (die als ein Zellenerfassungsanschluss für den AC-Anregungsstrom 71 agiert) bestimmt werden. Dann kann ein Schwellenvergleich mit einem vordefinierten Schwellenwiderstand durchgeführt werden. Die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz kann basierend auf dem Schwellenvergleich bestimmt werden. Ein kleiner Widerstand kann beispielsweise einen Kurzschluss zwischen den Schnittstellen 201, 212 angeben.
Diese Techniken basieren auf der Erkenntnis, dass die Kurzschlüsse 729 zwischen der Zellenanschlussstelle 201 und der AC-Anschlussstelle 212 zu einem unbeabsichtigten Spannungsabfall auch entlang der AC-Anschlussstelle 212 führen können. Wenn der Fehler vorhanden ist, erhöht sich die gemessene Zellenimpedanz 750 um den Kontaktwiderstand 721, 722, d. h. an der Verbindung zwischen den jeweiligen Anschlussstellen 201, 212 und der Batteriezelle 200: $Z_{M E A S} = Z_{C E L L} + \frac{R_{C O N_S E N S E} \cdot (R_{F O R C E} + R_{C O N_F O R C E})}{R_{C O N_S E N S E} + R_{F O R C E} + R_{C O N_F O R C E}}$
Um in der Lage zu sein, die Kurzschlüsse 729 zu detektieren, ist es möglich, die Kontaktwiderstände 721, 722 so zu dimensionieren, dass sie ausreichend groß sind, z. B. um einen Faktor von 2 oder 3 oder mehr größer als der Zellenwiderstand. Um die Widerstände 725 der Kurzschlüsse 729 zu erhöhen, kann auch ein Minimalabstand zwischen den Stromleitungen, die mit den Anschlussstellen 201, 202 assoziiert sind, beibehalten werden (Trennungsregel). Falls irgendeine Zunahme im Widerstand gemessen wird, kann dies deshalb den Kurzschluss 729 angeben.
13 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf die Bestimmung der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz der Batteriezelle 200. 13 veranschaulicht spezifisch Aspekte mit Bezug auf den Testmodus 2002, in dem eine Filterbandbreitendetektion gemäß Block 1016 (vgl. 6) eingesetzt wird.
In 13 wird ein AC-Teststromimpuls 749 an der Batteriezelleneinrichtung 111-113 angelegt. Genauer gesagt kann der AC-Teststromimpuls 749 über die AC-Anschlussstellen 212, 213 bereitgestellt werden. Während in 13 ein stufenförmiger AC-Teststromimpuls 749 veranschaulicht ist, würden andere Formen möglich sein.
Dann wird die Spannungsantwort 741 der Batteriezelleneinrichtung 111-113 z. B. unter Verwendung der Zellenanschlussstellen 201, 218 gemessen. Ein Spannungsabfall 742 wird beobachtet, der eine Zeitkonstante 743 aufweist. Basierend auf der Spannungsantwort 741 ist es möglich, die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz zu bestimmen. Es wird zum Beispiel möglich sein, das Filter 231, z. B. die Filterbandbreite, zu charakterisieren.
Dieser Mechanismus kann zusammen mit der Diagnose mit offener Last während des Zeitintervalls 744 implementiert werden, wodurch der Widerstandswert des Widerstands 233 der AC-Anschlussstelle 212 geprüft wird. Es kann ein Schwellenvergleich mit den Referenzschwellen 745, 746 durchgeführt werden.
14 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf die Bestimmung der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz der Batteriezelle 200. 14 veranschaulicht spezifisch Aspekte mit Bezug auf den Testmodus 2002, in dem der AC-Anregungsstrom 71 gemäß Block 1014 (vgl. 6) diagnostiziert wird.
In 14 wird die Amplitude des AC-Anregungsstroms 71 mit einer oberen und unteren vordefinierten Schwelle 961, 962 verglichen. Basierend auf dem Vergleich wird die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz bestimmt. Der Schwellenvergleich kann zum Beispiel durch die Steuereinrichtung 91 ausgeführt werden.
Genauer gesagt sind zwei Prüfungen möglich: (i) Erstens Messergebnisse der Ausgabe des ADC 312; und (ii) zweitens eine Plausibilitätsprüfung einer Stromregelschleife.
Wenn die Ausgabe des ADC 312 geprüft wird, wird die jeweilige Ausgabe unter Verwendung der Schwellen 961, 962 mit dem erwarteten Wert verglichen. Der erwartete Wert wird durch die Amplitude des AC-Anregungsstroms 71, den Widerstand des Shunt-Widerstands 252 und die Verstärkung des ADC 312 gegeben. Alle Parameter sind bekannt, somit kann der erwartete Wert im Voraus bestimmt werden. Die Impedanzmessung ist gegenüber der Amplitude des Anregungsstroms 71 nicht sehr empfindlich. Somit ist die Genauigkeitsanforderung für die Anregungsstromprüfung nicht sehr kritisch.
Die Amplitude des AC-Anregungsstroms 71 kann bestimmt und dann durch Vergleichen der gemessenen Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252 mit dem erwarteten Strom basierend auf der folgenden Gleichung geprüft werden: $I_{Anregung} = V_{PCVM} / (R_{L} + R_{shunt}) = V I A D C / R_{shunt}$
Eine geregelte Stromquelle des AC-Anregungsstroms 71 kann für die verschiedenen Abschnitte der Regelschleife (d. h. Steuerung, Aktor, Übertragungspfad, Messung) geprüft werden.
15 veranschaulicht schematisch Aspekte mit Bezug auf die Bestimmung der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz der Batteriezelle 200. 15 veranschaulicht spezifisch Aspekte mit Bezug auf den Testmodus 2002, in dem die Frequenz des AC-Anregungsstroms 71 gemäß Block 1015 (vgl. 6) diagnostiziert wird.
In 15 wird ein Vergleich zwischen einem Timing einer ersten Timing-Referenz, die zum Bereitstellen des AC-Anregungsstroms 71 verwendet wird, und einem zusätzlichen Timing 771, das mit einer zweiten Timing-Referenz assoziiert ist, die sich von der ersten Timing-Referenz unterscheidet, implementiert. Ein entsprechendes Element 773 ist veranschaulicht, das den Vergleich implementiert. Die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz wird dann basierend auf dem Vergleich bestimmt. Der Vergleich basiert auf der Spannung 52 über den Shunt-Widerstand 252.
Zusammengefasst ist oben ein Bündel von Optionen für einen Sicherheitsmechanismus, der die Impedanzmessung einer Batteriezelle sicher machen soll, beschrieben worden. Gemäß manchen Beispielen wird ein AC-Teststrom unter Verwendung von anpassbaren Stromquellen erzeugt, wodurch die Zellenimpedanz in dem gleichen Bereich wie die gemessene Zellenimpedanz emuliert wird. Durch die Verwendung von anpassbaren Stromquellen ist es möglich, alle typischen Batteriezellenimpedanzen durch das Variieren einer Amplitude von jeweiligen Testströmen zu emulieren. Diese AC-Testströme verwenden manche Teile der Messkette, um diese zu prüfen. Die Erzeugung der AC-Testströme erfordert nur die minimale Menge an zusätzlicher Hardware. Parasitäre Ströme können bei der AC-Teststromerzeugung kompensiert werden.
Ferner sind weitere Optionen für Sicherheitsmechanismen beschrieben, um eine noch höhere Diagnoseabdeckung zu erhalten, z. B. über die Verwendung von nur den AC-Testströmen hinaus. Die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz kann zum Beispiel durch das Evaluieren der Impedanz bei mehr als einer Frequenz des AC-Anregungsstroms bestimmt werden. Ein Fehler in der Messung/im Verarbeitungspfad wird zu einem gemeinsamen Fehler in den Messungen bei den mehreren Frequenzen führen.
Insbesondere wurden die folgenden Beispiele oben beschrieben:

BEISPIEL 1. Eine Einrichtung (125), die Folgendes umfasst:
- eine erste Anschlussstelle (201, 214, 218), die dazu ausgelegt ist, einen AC-Anregungsstrom (71) in eine Batteriezelle (200) und in einen Shunt-Widerstand (252), der parallel mit der Batteriezelle (200) gekoppelt ist, zu injizieren,
- eine zweite Anschlussstelle (215, 216), die dazu ausgelegt ist, einen AC-Teststrom (61) in den Shunt-Widerstand (252) zu injizieren, und
- Analog-Digital-Wandler (311, 312), die dazu ausgelegt sind, eine Zellenspannung (51) über die Batteriezelle (200), die mit dem AC-Anregungsstrom (71) assoziiert ist, eine Shunt-Spannung (52) über den Shunt-Widerstand (252), die mit dem AC-Anregungsstrom (71) assoziiert ist, und die Shunt-Spannung (52) über den Shunt-Widerstand (252), die mit dem AC-Teststrom (61) assoziiert ist, zu messen.
BEISPIEL 2. Die Einrichtung (125) des Beispiels 1, die ferner Folgendes umfasst:
- einen zusätzlichen Widerstand (365), und
- eine dritte Anschlussstelle (363), die dazu ausgelegt ist, einen zusätzlichen AC-Teststrom (63) in den zusätzlichen Widerstand (365) zu injizieren,
- wobei die Analog-Digital-Wandler (311, 312) ferner dazu ausgelegt sind, eine zusätzliche Spannung (53) über den zusätzlichen Widerstand (365), die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom (63) assoziiert ist, zu messen.
BEISPIEL 3. Die Einrichtung (125) des Beispiels 2, die ferner Folgendes umfasst:
- einen Multiplexer (301), der mit den Analog-Digital-Wandlern (311, 312) gekoppelt ist,
- wobei der Multiplexer (301) dazu ausgelegt ist, in einem ersten Betriebsmodus (2001) den Analog-Digital-Wandlern (311, 112) die Zellenspannung (51) bereitzustellen und in einem zweiten Betriebsmodus (2002) den Analog-Digital-Wandlern (311, 312) die zusätzliche Spannung (53) bereitzustellen.
BEISPIEL 4. Die Einrichtung (125) des Beispiels 3,
- wobei die Analog-Digital-Wandler (311, 312) einen ersten Analog-Digital-Wandler (311) und einen zweiten Analog-Digital-Wandler (312) umfassen, und
- wobei der Multiplexer (301) ferner dazu ausgelegt ist, im zweiten Betriebsmodus (2002) dem ersten Analog-Digital-Wandler (311) und dem zweiten Analog-Digital-Wandler (312) abwechselnd die zusätzliche Spannung (53) bereitzustellen und dem zweiten Analog-Digital-Wandler (312) bzw. dem ersten Analog-Digital-Wandler (311) abwechselnd die Shunt-Spannung (52) bereitzustellen.
BEISPIEL 5. Die Einrichtung (125) eines der Beispiele 2 bis 4, wobei mindestens eine erste AC-Stromquelle (351, 352) dazu ausgelegt ist, den AC-Teststrom (61) auszugeben, wobei eine zweite AC-Stromquelle (353) dazu ausgelegt ist, den zusätzlichen AC-Teststrom (63) auszugeben, und wobei die mindestens eine erste AC-Stromquelle (351, 352) und die zweite AC-Stromquelle (353) dazu ausgelegt sind, den AC-Teststrom (61) und den zusätzlichen AC-Teststrom (63) phasenkohärent bereitzustellen.
BEISPIEL 6. Die Einrichtung (125) des Beispiels 5, wobei die mindestens eine erste AC-Stromquelle (351, 352) ein Paar von ersten AC-Stromquellen (351, 352) umfasst, die jeweils mit unterschiedlichen Seiten des Shunt-Widerstands (252) gekoppelt sind.
BEISPIEL 7. Ein System (90), das Folgendes umfasst:
- die Einrichtung (125) des Beispiels 5 oder 6, und
- eine Steuerlogik (91), die dazu ausgelegt ist, die mindestens eine erste AC-Stromquelle und die zweite AC-Stromquelle basierend auf einer Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) zu steuern.
BEISPIEL 8. Das System (90) des Beispiels 7, wobei die Steuerlogik (91) ferner dazu ausgelegt ist, eine Amplitude des AC-Teststroms (61) und/oder eine Amplitude des zusätzlichen AC-Teststroms (63) und/oder einen Phasenoffset (355) zwischen dem AC-Teststrom (61) und dem zusätzlichen AC-Teststrom (63) gemäß der Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) zu setzen.
BEISPIEL 9. Das System (90) des Beispiels 7 oder 8, wobei die Steuerlogik (91) ferner dazu ausgelegt ist, eine emulierte Zellenimpedanz (750) basierend auf der zusätzlichen Spannung (53), die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom (63) assoziiert ist, und basierend auf der Shunt-Spannung (52), die mit dem AC-Teststrom (61) assoziiert ist, zu bestimmen, und wobei die Steuerlogik (91) ferner dazu ausgelegt ist, die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf einem Vergleich der emulierten Zellenimpedanz mit einer vordefinierten Referenzimpedanz zu bestimmen.
BEISPIEL 10. Das System (90) eines der Beispiele 7 bis 9, wobei die Steuerlogik (91) ferner dazu ausgelegt ist, einen Ladungszustand und/oder einen Gesundheitszustand und/oder eine Temperatur (801-803) basierend auf der Zellenimpedanz (750) zu bestimmen.
BEISPIEL 11. Ein Verfahren, das Folgendes umfasst:
- in einem ersten Betriebsmodus (2001):
  - Injizieren eines AC-Anregungsstroms (71) in eine Batteriezelle (200) und in einen Shunt-Widerstand (252), der parallel mit der Batteriezelle (200) gekoppelt ist, und
  - Bestimmen einer Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) basierend auf einer Zellenspannung über die Batteriezelle (200), die mit dem AC-Anregungsstrom (71) assoziiert ist, und basierend auf einer Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand (252), die mit dem AC-Anregungsstrom (71) assoziiert ist, und wobei das Verfahren ferner im zweiten Betriebsmodus (2002) Folgendes umfasst:
    - Injizieren eines AC-Teststroms (61) in den Shunt-Widerstand (252), und
  - Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf der Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand (252), die mit dem AC-Teststrom (61) assoziiert ist.
BEISPIEL 12. Das Verfahren des Beispiels 11, das ferner Folgendes umfasst:
- in dem zweiten Betriebsmodus:
  - Injizieren eines zusätzlichen AC-Teststroms (63) in einen zusätzlichen Widerstand, wobei der AC-Teststrom (61) und der zusätzliche AC-Teststrom (63) phasenkohärent sind, und
  - Bestimmen einer emulierten Zellenimpedanz basierend auf der Shunt-Spannung, die mit dem AC-Teststrom (61) assoziiert ist, und einer zusätzlichen Spannung über den zusätzlichen Widerstand, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom (63) assoziiert ist,
  - wobei die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) ferner basierend auf einem Vergleich zwischen der emulierten Zellenimpedanz (750) und einer vordefinierten Referenzimpedanz bestimmt wird.
BEISPIEL 13. Ein Verfahren, das Folgendes umfasst:
- Bereitstellen eines ersten AC-Anregungsstroms (71) zu einer Batteriezelleneinrichtung (111-113),
- Messen eines ersten Werts einer Zellenimpedanz (750) einer Batteriezelle (200) der Batteriezelleneinrichtung (111-113) basierend auf dem ersten AC-Anregungsstrom (71),
- Bereitstellen eines zweiten AC-Anregungsstroms (71) zu der Batteriezelle (200), wobei der erste AC-Anregungsstrom und der zweite AC-Anregungsstrom unterschiedliche Frequenzen (761, 762) aufweisen,
- Messen eines zweiten Werts der Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) basierend auf dem zweiten AC-Anregungsstrom (71),
- basierend auf einer vordefinierten Temperatur-Impedanz-Charakteristik (701-703), Bestimmen einer ersten Temperatur (801-803) basierend auf dem ersten Wert der Zellenimpedanz (750) und Bestimmen einer zweiten Temperatur (801-803) basierend auf dem zweiten Wert der Zellenimpedanz (750), und
- Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf einem Vergleich der ersten Temperatur (801-803) und der zweiten Temperatur (801-803).
BEISPIEL 14. Ein Verfahren, das Folgendes umfasst:
- Injizieren eines AC-Anregungsstroms (71) in eine Batteriezelle (200) unter Verwendung eines Kraftanschlusses (201),
- Messen einer Zellenspannung (51) über die Batteriezelle (200) unter Verwendung eines Erfassungsanschlusses (212),
- Bestimmen einer Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) basierend auf der Zellenspannung (51) und dem AC-Anregungsstrom (71),
- Messen eines Widerstands zwischen dem Kraftanschluss (201) und dem Erfassungsanschluss (212),
- Durchführen eines Schwellenvergleichs zwischen einem vordefinierten Schwellenwiderstand und dem gemessenen Widerstand zwischen dem Kraftanschluss (201) und dem Erfassungsanschluss (212), und
- Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf dem Schwellenvergleich.
BEISPIEL 15. Ein Verfahren, das Folgendes umfasst:
- Bereitstellen eines AC-Anregungsstroms (71) zu einer Batteriezelleneinrichtung (111-113),
- Messen einer Zellenspannung (51) über eine Batteriezelle (200) der Batteriezelleneinrichtung (111-113),
- Bestimmen einer Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) basierend auf der Zellenspannung (51) und dem AC-Anregungsstrom (71),
- Bereitstellen eines Teststromimpulses (749) zu der Batteriezelleneinrichtung (111-113),
- Messen einer Spannungsantwort (741, 742) der Batteriezelleneinrichtung (111-113) auf den Teststromimpuls, und
- Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf der Spannungsantwort (741, 742).
BEISPIEL 16. Ein Verfahren, das Folgendes umfasst:
- Bereitstellen eines AC-Anregungsstroms (71) zu einer Batteriezelleneinrichtung (111-113),
- Messen einer Zellenspannung (51) über eine Batteriezelle (200) der Batteriezelleneinrichtung (111-113),
- Bestimmen einer Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) basierend auf der Zellenspannung (51) und dem AC-Anregungsstrom (71),
- Durchführen eines Schwellenvergleichs zwischen einer Amplitude des AC-Anregungsstroms (71) und einer Referenzamplitude (961, 962), und
- Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf dem Vergleich.
BEISPIEL 17. Ein Verfahren, das Folgendes umfasst:
- Bereitstellen eines AC-Anregungsstroms (71) zu einer Batteriezelleneinrichtung (111-113), wobei der AC-Anregungsstrom (71) unter Verwendung einer ersten Timing-Referenz erzeugt wird,
- Messen einer Zellenspannung (51) über eine Batteriezelle (200) der Batteriezelleneinrichtung (111-113),
- Bestimmen einer Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) basierend auf der Zellenspannung und dem AC-Anregungsstrom (71),
- Durchführen eines Vergleichs zwischen einem Timing des AC-Anregungsstroms (71) und einem zusätzlichen Timing, das mit einer zweiten Timing-Referenz assoziiert ist, die sich von der ersten Timing-Referenz unterscheidet, und
- Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf dem Vergleich.

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf spezielle bevorzugte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben wurde, werden einem Fachmann Äquivalente und Modifikationen bei der Lektüre und dem Verständnis der Beschreibung ersichtlich. Die vorliegende Erfindung beinhaltet alle solchen Äquivalente und Modifikationen und wird nur durch den Schutzumfang der angehängten Ansprüche beschränkt.
Obwohl oben zur Veranschaulichung verschiedene Techniken zur Bestimmung der Zuverlässigkeit einer Zellenimpedanz, die an einer Batteriezelle gemessen wird, beschrieben wurden, können diese Techniken mit weiteren Techniken zur Bestimmung der Zuverlässigkeit in weiteren Beispielen kombiniert werden. Um ein paar wenige Beispiele zu nennen, würde es möglich sein, die Zuverlässigkeit durch das Überwachen der Datenkommunikation zwischen dem Kommunikationsmodul des jeweiligen Batteriemoduls und einer Steuereinrichtung zu bestimmen. Die Datenkommunikation kann verschiedene Fehlerursachen aufweisen, wie etwa Datenverfälschung oder veraltete oder nicht aktualisierte („hängengebliebene“) Daten. Um z. B. die „hängengebliebenen“ Daten zu detektieren, würde es möglich sein, eine oder mehrere der folgenden Techniken zu verwenden: (i) Aktualisieren eines Zählers; (ii) AC-Teststrom mit etwas unterschiedlich emulierten Impedanzen; (iii) Messung bei zwei unterschiedlichen Frequenzen; (iv) Nullstrommessung; (v) interne Registerprüfung (bevor jeder Messung wird das Register durch das Schreiben von Nullen und abwechselnd Einsen gelöscht und danach geprüft). Die durch die Steuereinrichtung 91 programmierten/konfigurierten Einstellungen können in der ersten Stufe Werte sein, die den Sicherheitsmechanismus auslösen, um nach latenten Fehlern zu prüfen. Und anschließend können die korrekten Parameter durch die Steuereinrichtung 91 zu dem Batteriemodul 100 kommuniziert werden. Um noch ein weiteres Beispiel zu nennen, kann geprüft werden, ob die Zellenimpedanz plötzliche Änderungen während des Messmodus aufweist. Die gemessene Zellenimpedanz ist typischerweise hauptsächlich temperaturabhängig. Falls sich die Zellenimpedanz schneller als die erwartete Temperaturänderungsrate ändert, dann kann geschlussfolgert werden, dass etwas falsch sein muss.

Claims

Einrichtung (125), die Folgendes umfasst: eine erste Anschlussstelle (201, 214, 218), die dazu ausgelegt ist, einen AC-Anregungsstrom (71) in eine Batteriezelle (200) und in einen Shunt-Widerstand (252), der parallel mit der Batteriezelle (200) gekoppelt ist, zu injizieren, eine zweite Anschlussstelle (215, 216), die dazu ausgelegt ist, einen AC-Teststrom (61) in den Shunt-Widerstand (252) zu injizieren, und Analog-Digital-Wandler (311, 312), die dazu ausgelegt sind, eine Zellenspannung (51) über die Batteriezelle (200), die mit dem AC-Anregungsstrom (71) assoziiert ist, eine Shunt-Spannung (52) über den Shunt-Widerstand (252), die mit dem AC-Anregungsstrom (71) assoziiert ist, und die Shunt-Spannung (52) über den Shunt-Widerstand (252), die mit dem AC-Teststrom (61) assoziiert ist, zu messen.
Einrichtung (125) nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: einen zusätzlichen Widerstand (365), und eine dritte Anschlussstelle (363), die dazu ausgelegt ist, einen zusätzlichen AC-Teststrom (63) in den zusätzlichen Widerstand (365) zu injizieren, wobei die Analog-Digital-Wandler (311, 312) ferner dazu ausgelegt sind, eine zusätzliche Spannung (53) über den zusätzlichen Widerstand (365), die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom (63) assoziiert ist, zu messen.
Einrichtung (125) nach Anspruch 2, die ferner Folgendes umfasst: einen Multiplexer (301), der mit den Analog-Digital-Wandlern (311, 312) gekoppelt ist, wobei der Multiplexer (301) dazu ausgelegt ist, in einem ersten Betriebsmodus (2001) den Analog-Digital-Wandlern (311, 112) die Zellenspannung (51) bereitzustellen und in einem zweiten Betriebsmodus (2002) den Analog-Digital-Wandlern (311, 312) die zusätzliche Spannung (53) bereitzustellen.
Einrichtung (125) nach Anspruch 3, wobei die Analog-Digital-Wandler (311, 312) einen ersten Analog-Digital-Wandler (311) und einen zweiten Analog-Digital-Wandler (312) umfassen, und wobei der Multiplexer (301) ferner dazu ausgelegt ist, im zweiten Betriebsmodus (2002) jeweils dem ersten Analog-Digital-Wandler (311) und dem zweiten Analog-Digital-Wandler (312) abwechselnd die zusätzliche Spannung (53) bereitzustellen und dem zweiten Analog-Digital-Wandler (312) und dem ersten Analog-Digital-Wandler (311) abwechselnd die Shunt-Spannung (52) bereitzustellen.
Einrichtung (125) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei mindestens eine erste AC-Stromquelle (351, 352) dazu ausgelegt ist, den AC-Teststrom (61) auszugeben, wobei eine zweite AC-Stromquelle (353) dazu ausgelegt ist, den zusätzlichen AC-Teststrom (63) auszugeben, und wobei die mindestens eine erste AC-Stromquelle (351, 352) und die zweite AC-Stromquelle (353) dazu ausgelegt sind, den AC-Teststrom (61) und den zusätzlichen AC-Teststrom (63) phasenkohärent bereitzustellen.
Einrichtung (125) nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine erste AC-Stromquelle (351, 352) ein Paar von ersten AC-Stromquellen (351, 352) umfasst, die jeweils mit unterschiedlichen Seiten des Shunt-Widerstands (252) gekoppelt sind.
System (90), das Folgendes umfasst: die Einrichtung (125) nach Anspruch 5 oder 6, und eine Steuerlogik (91), die dazu ausgelegt ist, die mindestens eine erste AC-Stromquelle und die zweite AC-Stromquelle basierend auf einer Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) zu steuern.
System (90) nach Anspruch 7, wobei die Steuerlogik (91) ferner dazu ausgelegt ist, eine Amplitude des AC-Teststroms (61) und/oder eine Amplitude des zusätzlichen AC-Teststroms (63) und/oder einen Phasenoffset (355) zwischen dem AC-Teststrom (61) und dem zusätzlichen AC-Teststrom (63) gemäß der Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) einzustellen.
System (90) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Steuerlogik (91) ferner dazu ausgelegt ist, eine emulierte Zellenimpedanz (750) basierend auf der zusätzlichen Spannung (53), die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom (63) assoziiert ist, und basierend auf der Shunt-Spannung (52), die mit dem AC-Teststrom (61) assoziiert ist, zu bestimmen, und wobei die Steuerlogik (91) ferner dazu ausgelegt ist, die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf einem Vergleich der emulierten Zellenimpedanz mit einer vordefinierten Referenzimpedanz zu bestimmen.
System (90) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Steuerlogik (91) ferner dazu ausgelegt ist, einen Ladungszustand und/oder einen Gesundheitszustand und/oder eine Temperatur (801-803) basierend auf der Zellenimpedanz (750) zu bestimmen.
Verfahren, das Folgendes umfasst: in einem ersten Betriebsmodus (2001): Injizieren eines AC-Anregungsstroms (71) in eine Batteriezelle (200) und in einen Shunt-Widerstand (252), der parallel mit der Batteriezelle (200) gekoppelt ist, und Bestimmen einer Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) basierend auf einer Zellenspannung über die Batteriezelle (200), die mit dem AC-Anregungsstrom (71) assoziiert ist, und basierend auf einer Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand (252), die mit dem AC-Anregungsstrom (71) assoziiert ist, und in einem zweiten Betriebsmodus (2002): Injizieren eines AC-Teststroms (61) in den Shunt-Widerstand (252), und Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf der Shunt-Spannung über den Shunt-Widerstand (252), die mit dem AC-Teststrom (61) assoziiert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner Folgendes umfasst: in dem zweiten Betriebsmodus: Injizieren eines zusätzlichen AC-Teststroms (63) in einen zusätzlichen Widerstand, wobei der AC-Teststrom (61) und der zusätzliche AC-Teststrom (63) phasenkohärent sind, und Bestimmen einer emulierten Zellenimpedanz basierend auf der Shunt-Spannung, die mit dem AC-Teststrom (61) assoziiert ist, und einer zusätzlichen Spannung über den zusätzlichen Widerstand, die mit dem zusätzlichen AC-Teststrom (63) assoziiert ist, wobei die Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) ferner basierend auf einem Vergleich zwischen der emulierten Zellenimpedanz (750) und einer vordefinierten Referenzimpedanz bestimmt wird.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Bereitstellen eines ersten AC-Anregungsstroms (71) zu einer Batteriezelleneinrichtung (111-113), Messen eines ersten Werts einer Zellenimpedanz (750) einer Batteriezelle (200) der Batteriezelleneinrichtung (111-113) basierend auf dem ersten AC-Anregungsstrom (71), Bereitstellen eines zweiten AC-Anregungsstroms (71) zu der Batteriezelle (200), wobei der erste AC-Anregungsstrom und der zweite AC-Anregungsstrom unterschiedliche Frequenzen (761, 762) aufweisen, Messen eines zweiten Werts der Zellenimpedanz (750) der Batteriezelle (200) basierend auf dem zweiten AC-Anregungsstrom (71), basierend auf einer vordefinierten Temperatur-Impedanz-Charakteristik (701-703), Bestimmen einer ersten Temperatur (801-803) basierend auf dem ersten Wert der Zellenimpedanz (750) und Bestimmen einer zweiten Temperatur (801-803) basierend auf dem zweiten Wert der Zellenimpedanz (750), und Bestimmen der Zuverlässigkeit der Zellenimpedanz (750) basierend auf einem Vergleich der ersten Temperatur (801-803) und der zweiten Temperatur (801-803).