DE102019200506A1 - Measuring arrangement, motor vehicle and method for determining a complex impedance - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz (Z1, Z2) zumindest eines ersten elektrischen Bauteils (12), wobei die Messanordnung (10) das elektrische Bauteil (12) und eine Messeinrichtung (16) aufweist, die mit dem ersten elektrischen Bauteil (12) gekoppelt ist, und die dazu ausgelegt ist, zum Beispiel mittels Impedanzspektroskopie, die komplexe Impedanz (Z1, Z2) des ersten elektrischen Bauteils (12) zu bestimmen. Dabei weist die Messanordnung (10) mindestens ein zweites elektrisches Bauteil (12) auf, welches mit dem ersten elektrischen Bauteil (12) in einer Parallelschaltung (14) angeordnet ist, wobei zumindest dem ersten elektrischen Bauteil (12) ein Stromsensor (18) zugeordnet ist, der in Reihe zum ersten elektrischen Bauteil (12) geschaltet ist, wobei die Messeinrichtung (16) dazu ausgelegt ist, die komplexe Impedanz (Z1, Z2) des ersten elektrischen Bauteils (12) in Abhängigkeit von einem von dem Stromsensor (18) erfassten durch das erste Bauteil (12) fließenden Strom (Iac1, lac2, lacn) zu bestimmen.The invention relates to a measuring arrangement for determining a complex impedance (Z1, Z2) of at least one first electrical component (12), the measuring arrangement (10) having the electrical component (12) and a measuring device (16) which is connected to the first electrical component (12) is coupled and which is designed, for example by means of impedance spectroscopy, to determine the complex impedance (Z1, Z2) of the first electrical component (12). The measuring arrangement (10) has at least one second electrical component (12) which is arranged in a parallel circuit (14) with the first electrical component (12), a current sensor (18) being assigned to at least the first electrical component (12) which is connected in series with the first electrical component (12), the measuring device (16) being designed to measure the complex impedance (Z1, Z2) of the first electrical component (12) as a function of one of the current sensors (18) determined current (Iac1, lac2, lacn) flowing through the first component (12).
Description
Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz zumindest eines elektrischen Bauteils, wie beispielsweise einer Batteriezelle, wobei die Messanordnung das elektrische Bauteil und eine Messeinrichtung aufweist, die mit dem elektrischen Bauteil gekoppelt ist, und die dazu ausgelegt ist, die komplexe Impedanz des elektrischen Bauteils, zu bestimmen. Zur Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Bestimmen einer komplexen Impedanz zumindest eines elektrischen Bauteils.The invention relates to a measuring arrangement for determining a complex impedance of at least one electrical component, such as a battery cell, the measuring arrangement comprising the electrical component and a measuring device which is coupled to the electrical component and which is designed to determine the complex impedance of the electrical component Component. The invention also includes a motor vehicle and a method for determining a complex impedance of at least one electrical component.
Eine Batteriezelle ist keine ideale Spannungsquelle, sondern vielmehr ein elektrochemisches System, das durch interne Widerstände beziehungsweise dynamische Prozesse eine begrenzte Energie und Leistung zur Verfügung stellen kann. Der Widerstand, insbesondere der komplexe Widerstand, der vorliegend als komplexe Impedanz bezeichnet wird, lässt sich aus Strom- und Spannungswerten berechnen. Zum Beispiel kann zur Messung des Wechselstromwiderstands als komplexwertige Funktion der Frequenz die Batterie über die Pole gezielt angeregt werden. Dadurch kann ein ganzes Impedanzspektrum aufgenommen werden, welches als Übertragungsfunktion das elektrische Verhalten der Batteriezelle widerspiegelt, und häufig durch ein elektrisches Ersatzschaltbild approximiert wird. Bei einer solchen Impedanzspektroskopie müssen jedoch nicht notwendigerweise Impedanzen für verschiedene Anregungsfrequenzen bestimmt werden, sondern es kann auch nur ein Impedanzwert für eine bestimmte Frequenz bestimmt werden. Durch das Anlegen eines Impedanzmessgeräts ist die Durchführung einer solchen elektrochemischen Impedanzspektroskopie, die auch als EIS bezeichnet wird, bzw. im Allgemeinen eine Impedanzbestimmung an Batteriezellen möglich. Aus der ermittelten Impedanz lassen sich dann weitere Aussagen über die Batteriezelle treffen, wie beispielsweise über ihren Alterungszustand.A battery cell is not an ideal voltage source, but rather an electrochemical system that can provide limited energy and power through internal resistances or dynamic processes. The resistance, in particular the complex resistance, which is referred to in the present case as complex impedance, can be calculated from current and voltage values. For example, to measure the AC resistance as a complex function of frequency, the battery can be selectively excited via the poles. As a result, an entire impedance spectrum can be recorded, which, as a transfer function, reflects the electrical behavior of the battery cell and is often approximated by an electrical equivalent circuit diagram. With such an impedance spectroscopy, however, impedances for different excitation frequencies do not necessarily have to be determined, but it is also possible to determine only one impedance value for a specific frequency. By applying an impedance measuring device, it is possible to carry out such an electrochemical impedance spectroscopy, which is also referred to as EIS, or in general to determine impedance on battery cells. From the determined impedance, further statements can then be made about the battery cell, for example about its state of aging.
Weiterhin zeigt die
Weiterhin beschreiben die
Gerade mit der zunehmenden Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen kommen auch immer mehr Hochvolt-Batterien zum Einsatz. Gerade in Bezug auf Hochvolt-Batterien ist einerseits die Ermittlung beziehungsweise Prognose des Alterungszustands der Hochvolt-Batterie sowie auch die Bestimmung elektrischer Eigenschaften dieser Hochvolt-Batterie aus Sicherheitsgründen besonders relevant. Entsprechend ist es vorteilhaft, solche Eigenschaften einer solchen Batterie möglichst einfach, detailliert und umfassend bestimmen zu können.With the increasing electrification of motor vehicles, more and more high-voltage batteries are being used. With regard to high-voltage batteries, on the one hand, the determination or prognosis of the aging condition of the high-voltage battery and the determination of electrical properties of this high-voltage battery are particularly relevant for safety reasons. Accordingly, it is advantageous to be able to determine such properties of such a battery as simply, detailed and comprehensively as possible.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Messanordnung, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren bereitzustellen, die mittels Impedanzbestimmung bzw. Impedanzspektroskopie eine möglichst detaillierte und einfache Bestimmung elektrischer Eigenschaften eines Bauteilverbunds mit mehreren elektrischen Bauteilen ermöglichen.It is therefore an object of the present invention to provide a measuring arrangement, a motor vehicle and a method which, by means of impedance determination or impedance spectroscopy, enable the most detailed and simple determination of electrical properties of a component assembly with a plurality of electrical components.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messanordnung, durch ein Kraftfahrzeug und durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.This object is achieved by a measuring arrangement, by a motor vehicle and by a method with the features according to the respective independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.
Eine erfindungsgemäße Messanordnung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz zumindest eines ersten elektrischen Bauteils weist das erste elektrische Bauteil und eine Messeinrichtung auf, die mit dem ersten elektrischen Bauteil gekoppelt ist, und die dazu ausgelegt ist, die komplexe Impedanz des ersten elektrischen Bauteils zu bestimmen, zum Beispiel mittels Impedanzspektroskopie. Dabei weist die Messanordnung mindestens ein zweites elektrisches Bauteil auf, welches mit dem ersten elektrischen Bauteil in einer Parallelschaltung angeordnet ist, wobei zumindest dem ersten elektrischen Bauteil ein Stromsensor zugeordnet ist, der in Reihe zum ersten elektrischen Bauteil geschaltet ist, wobei die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, die komplexe Impedanz des ersten elektrischen Bauteil in Abhängigkeit von einem von dem Stromsensor erfassten, durch das erste Bauteil fließenden Strom zu bestimmen.A measuring arrangement according to the invention for determining a complex impedance of at least one first electrical component has the first electrical component and a measuring device which is coupled to the first electrical component and which is designed to determine the complex impedance of the first electrical component, for example using impedance spectroscopy. The measuring arrangement has at least one second electrical component which is arranged in parallel with the first electrical component, with at least the first electrical component being assigned a current sensor which is connected in series with the first electrical component, the measuring device being designed for this to determine the complex impedance of the first electrical component as a function of a current detected by the current sensor and flowing through the first component.
Wie eingangs erwähnt, handelt es sich bei dem ersten elektrischen Bauteil sowie bei dem mindestens einen zweiten elektrischen Bauteil vorzugsweise um Batteriezellen, insbesondere einer Hochvolt-Batterie, nichtsdestoweniger lassen sich die Erfindung und ihre Ausgestaltungen vorteilhafterweise im Allgemeinen auch zur Bestimmung der komplexen Impedanz eines beliebigen elektrischen Bauteils beziehungsweise beliebiger elektrischer Bauteile ganz analog anwenden. Bei solchen elektrischen Bauteilen kann es sich beispielsweise auch um Doppelschichtkondensatoren und/oder Brennstoffzellen handeln.As mentioned at the beginning, the first electrical component and the at least one second electrical component are preferably battery cells, in particular a high-voltage battery; nevertheless, the invention and its configurations can advantageously also generally be used to determine the complex impedance of any electrical component Apply component or any electrical components in a completely analogous manner. Such electrical components can also be double-layer capacitors and / or fuel cells, for example.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass Batteriezellen in Batteriesystemen zunehmend auch parallel verschaltet werden, um die benötigten Leistungs- und Kapazitätsvorgaben erreichen zu können. Allerdings ist gerade bei parallel verschalteten Zellen eine Ermittlung individueller Charakteristika, wie Ruhespannung und die Impedanz, nicht ohne weiteres möglich, da sich bei parallel verschalteten Zellen der Strom auf die Zellen verteilt und mit einem einzelnen Stromsensor zur Messung des Gesamtstroms, wie dies im Stand der Technik üblich ist, entsprechend nicht die einzelne Impedanz von Batteriezellen in einem Parallelverbund ermittelt werden kann. Insbesondere wird aktuell einer Konfiguration einer Parallelschaltung von Zellen keinerlei Aufmerksamkeit gewidmet. Parallel verschaltete Zellen werden dagegen üblicherweise wie eine einzelne größere Batteriezelle behandelt. Daraus resultiert beispielsweise, dass oftmals auch eine Parallelverschaltung aus mehreren Einzelzellen synonym als „Zelle“ bezeichnet wird. Bekannte Messanordnungen sind entsprechend also nicht in der Lage, das elektrische Verhalten von Einzelzellen in einer Parallelschaltung aus Zellen zu extrahieren. Damit resultiert ein signifikanter Unterschied für die technischen Möglichkeiten, die sich aus der Erfindung ergeben, wenn jede Einzelzelle in einem elektrischen Parallelverbund aus Zellen identifiziert und charakterisiert werden kann. Wenn dagegen nur die (Super-)Zelle aus mehreren verschalteten Einzelzellen als Gesamtzelle ohne Rückschluss auf die Einzelzellen im Parallelverbund charakterisiert werden kann, stellt dies eine wesentliche Beschränkung der Funktionalität dar. Die Erfindung dagegen eröffnet neue Dimensionen, nämlich die der elektrischen Unterscheidung von parallel verschalteten Zellen.The invention is based on the finding that battery cells in battery systems are increasingly also connected in parallel in order to to achieve the required performance and capacity requirements. However, in the case of cells connected in parallel in particular, it is not readily possible to determine individual characteristics, such as quiescent voltage and impedance, since in cells connected in parallel the current is distributed to the cells and with a single current sensor for measuring the total current, as is shown in the prior art Technology is common, according to the individual impedance of battery cells can not be determined in a parallel network. In particular, no attention is currently paid to the configuration of a parallel connection of cells. In contrast, cells connected in parallel are usually treated like a single larger battery cell. This means, for example, that a parallel connection of several individual cells is often synonymously referred to as "cell". Known measuring arrangements are accordingly not able to extract the electrical behavior of individual cells from cells in a parallel connection. This results in a significant difference for the technical possibilities that result from the invention if each individual cell can be identified and characterized in an electrical parallel network of cells. If, on the other hand, only the (super) cell from a plurality of interconnected individual cells can be characterized as an overall cell without any reference to the individual cells in a parallel network, this represents a significant restriction of the functionality. The invention, on the other hand, opens up new dimensions, namely that of electrical differentiation from parallel-connected Cells.
Dies wird zudem erfindungsgemäß auf besonders einfache Weise ermöglicht, indem ein Stromsensor in Serie zur Zelle, beziehungsweise im Allgemeinen zum ersten elektrischen Bauteil, geschaltet wird, was es nun vorteilhafterweise ermöglicht, gezielt den durch dieses elektrische Bauteil fließenden Strom zu erfassen, und nicht nur einen Gesamtstrom durch die gesamte Parallelschaltung, welcher keine individuellen Zellcharakteristika enthält. Zur Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung kann nun also vorteilhafterweise dieser erfasste, durch das erste Bauteil fließende Einzelstrom verwendet werden, was es vorteilhafterweise ermöglicht, die komplexe Impedanz dieses ersten elektrischen Bauteils zu bestimmen, wenngleich dieses sich auch in einer Parallelschaltung mit weiteren elektrischen Bauteilen wie dem mindestens einen zweiten elektrischen Bauteil befindet.This is also made possible according to the invention in a particularly simple manner in that a current sensor is connected in series with the cell, or in general with the first electrical component, which now advantageously makes it possible to specifically detect the current flowing through this electrical component, and not just one Total current through the entire parallel connection, which does not contain individual cell characteristics. This detected individual current flowing through the first component can now advantageously be used for impedance spectroscopy or impedance determination, which advantageously makes it possible to determine the complex impedance of this first electrical component, although this can also be achieved in a parallel connection with other electrical components such as the at least one is a second electrical component.
Damit ermöglicht die Erfindung vorteilhafterweise eine Einzelzellcharakterisierung von parallel verschalteten Batteriezellen durch eine Sensorik und eine intelligente Erfassung der Stromaufteilung. Dadurch wird eine hochgenaue Zustandsbestimmung aller Einzelzellen im Batteriesystem ermöglicht. Die Messanordnung ermöglicht damit eine genaue Zustandsbestimmung einer Einzelzelle unter Zuhilfenahme der Stromverteilung und liefert das Wissen über die Impedanz jeder einzelnen Zelle zum Beispiel im Batteriesystem ab und nicht nur die Impedanz der Gesamtbatterie oder eines gesamten Parallelstrangs. Ein weiterer Vorteil besteht zudem darin, dass das angesprochene Verfahren, welches durch die Messanordnung ausgeführt wird, auch während des Betriebes angewandt werden kann, wie dies später näher beschrieben wird. Somit können die Einzelimpedanzen einzelner Batteriezellen auch während des Betriebes der Batteriezelle und ohne, dass einzelne Zellen isoliert werden müssen, bestimmt werden.The invention thus advantageously enables individual cell characterization of battery cells connected in parallel by means of sensors and intelligent detection of the current distribution. This enables a highly precise determination of the condition of all individual cells in the battery system. The measuring arrangement thus enables an exact determination of the condition of an individual cell with the aid of the current distribution and provides knowledge about the impedance of each individual cell, for example in the battery system, and not just the impedance of the entire battery or an entire parallel line. Another advantage is that the method mentioned, which is carried out by the measuring arrangement, can also be used during operation, as will be described in more detail later. The individual impedances of individual battery cells can thus also be determined during operation of the battery cell and without the need to isolate individual cells.
Handelt es sich bei den elektrischen Bauteilen, wie dies bevorzugt der Fall ist, um Batteriezellen, so ist die Messeinrichtung vorzugsweise zur elektrochemischen Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung ausgelegt. Dabei kann die Messeinrichtung insbesondere zur Durchführung einer galvanostatischen Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung und/oder einer potentiostatischen Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung ausgebildet sein. Bei der galvanostatischen Impedanzspektroskopie werden die elektrischen Bauteile durch ein Stromanregungssignal angeregt und die Spannungsantwort gemessen, während bei der potentiostatischen Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung die elektrischen Bauteile durch ein Spannungsanregungssignal angeregt werden, und entsprechend die Stromantwort gemessen wird. Das Anregungssignal kann dabei durch die Messeinrichtung bereitgestellt sein, was jedoch nicht zwingend der Fall sein muss. Beispielsweise lässt sich auch als Stromanregungssignal der Laststrom einer mit den elektrischen Bauteilen gekoppelten Last nutzen, wie dies ebenfalls später näher erläutert wird. Unter einer Last, wie auf diese nachfolgend des Öfteren Bezug genommen wird, soll dabei im Allgemeinen sowohl eine Energiesenke als auch eine Energiequelle oder Kombinationen hiervon verstanden werden können. Eine solche Last kann also zum Beispiel einen elektrischen Verbraucher des Kraftfahrzeugs darstellen, sowie auch zum Beispiel ein mit einer externen Energiequelle koppelbares Ladegerät des Kraftfahrzeugs, eine induktive Ladeeinheit, der Motor des Kraftfahrzeugs im Generatorbetrieb, oder Ähnliches, über welche einer oder mehreren der Batteriezellen Energie zuführbar ist. Entsprechend soll im Allgemeinen unter einem Laststrom auch ein Ladestrom verstanden werden können.If the electrical components, as is preferably the case, are battery cells, the measuring device is preferably designed for electrochemical impedance spectroscopy or impedance determination. The measuring device can in particular be designed to carry out galvanostatic impedance spectroscopy or impedance determination and / or potentiostatic impedance spectroscopy or impedance determination. In galvanostatic impedance spectroscopy, the electrical components are excited by a current excitation signal and the voltage response is measured, while in potentiostatic impedance spectroscopy or impedance determination, the electrical components are excited by a voltage excitation signal, and the current response is measured accordingly. The excitation signal can be provided by the measuring device, but this does not necessarily have to be the case. For example, the load current of a load coupled to the electrical components can also be used as the current excitation signal, as will also be explained in more detail later. A load, as is often referred to below in the following, should generally be understood to mean both an energy sink and an energy source or combinations thereof. Such a load can thus represent, for example, an electrical consumer of the motor vehicle, and also, for example, a charger of the motor vehicle that can be coupled to an external energy source, an inductive charging unit, the motor of the motor vehicle in generator operation, or the like, via which one or more of the battery cells supply energy is feedable. Accordingly, a load current should generally also be understood to mean a charge current.
Weiterhin erfolgt die Anregung der elektrischen Bauteile zumindest mit einer Frequenz, insbesondere mit einem Spannungsanregungssignal mit mindestens einer Frequenz oder einem Stromanregungssignal mit mindestens einer Frequenz. Eine Anregung kann aber auch mit einem Signal, welches mehrere verschiedene Frequenzen aufweist, erfolgen.Furthermore, the electrical components are excited at least with one frequency, in particular with a voltage excitation signal with at least one frequency or a current excitation signal with at least one frequency. A suggestion can also be made with a signal which has several different frequencies.
In gleicher Weise, wie die komplexe Impedanz des ersten elektrischen Bauteils ermittelt wird, kann ganz analog auch die komplexe Impedanz jedes weiteren elektrischen Bauteils, welches sich in der Parallelschaltung befindet, ermittelt werden.In the same way as the complex impedance of the first electrical component is determined, the complex impedance of each further electrical component that is in the parallel connection can also be determined quite analogously.
Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Messanordnung mehrere elektrische Bauteile umfassend das erste und das mindestens eine zweite elektrische Bauteil in der Parallelschaltung aufweist, wobei jedem der elektrischen Bauteile ein Stromsensor zugeordnet ist, der zum zugeordneten elektrischen Bauteil in Reihe geschaltet ist und zur Messung des elektrischen Stroms durch das zugeordnete elektrische Bauteil ausgelegt ist, wobei die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, die komplexe Impedanz eines jeweiligen Bauteils in Abhängigkeit von den jeweiligen mittels der Stromsensoren erfassten Ströme separat zu bestimmen. Dabei können also im Allgemeinen zwei oder mehrere solcher elektrischen Bauteile zueinander parallel geschaltet sein, das heißt sich in der Parallelschaltung befinden, und entsprechend kann für jedes elektrische Bauteil der durch dieses betreffende Bauteil fließende Strom durch den zugeordneten Stromsensor ermittelt werden, der dann vorteilhafterweise zur Bestimmung der jeweiligen komplexen Impedanz der einzelnen Bauteile genutzt werden kann.Accordingly, it is a further advantageous embodiment of the invention if the measuring arrangement has a plurality of electrical components comprising the first and the at least one second electrical component in the parallel connection, with each of the electrical components being assigned a current sensor which is connected in series with the associated electrical component and is designed to measure the electrical current through the associated electrical component, the measuring device being designed to separately determine the complex impedance of a respective component as a function of the respective currents detected by the current sensors. In general, two or more such electrical components can be connected to one another in parallel, that is to say they are located in parallel, and the current flowing through this component can be determined for each electrical component by the assigned current sensor, which is then advantageously used for determination the respective complex impedance of the individual components can be used.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Messanordnung mehrere elektrische Bauteile umfassend das erste und das mindestens eine zweite elektrische Bauteil in der Parallelschaltung auf, wobei jedem bis auf ein einziges bestimmtes der Bauteile ein Stromsensor zugeordnet ist, der zum zugeordneten elektrischen Bauteil in Reihe geschaltet ist und zur Messung des elektrischen Stroms durch das zugeordnete elektrische Bauteil ausgelegt ist, insbesondere wobei die Messanordnung einen Gesamtstromsensor aufweist, der zur Parallelschaltung in Serie geschaltet ist, und der zur Messung eines durch die Parallelschaltung fließenden Gesamtstroms ausgebildet ist, wobei die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Strom durch das einzige bestimmte Bauteil in Abhängigkeit von den jeweiligen mittels der den elektrischen Bauteilen zugeordneten Stromsensoren erfassten Ströme und dem mittels des Gesamtstromsensors erfassten Gesamtstrom zu bestimmen.In a further advantageous embodiment of the invention, the measuring arrangement has a plurality of electrical components comprising the first and the at least one second electrical component in the parallel connection, each of which, apart from a single specific one of the components, being assigned a current sensor which is connected in series with the assigned electrical component is and is designed for measuring the electrical current through the associated electrical component, in particular with the measuring arrangement having a total current sensor which is connected in series for parallel connection and which is designed for measuring a total current flowing through the parallel connection, the measuring device being designed for this purpose to determine a current through the only specific component as a function of the respective currents detected by means of the current sensors assigned to the electrical components and the total current detected by means of the total current sensor.
Mit anderen Worten kann auch ein Gesamtstromsensor vorgesehen sein, der den Gesamtstrom durch die Parallelschaltung erfasst, so muss nicht notwendigerweise für jedes einzelne Bauteil in der Parallelschaltung ein Stromsensor vorgesehen sein, sondern es kann auch auf einen verzichtet werden, da sich der Einzelstrom durch dieses betreffende einzelne Bauteil dann aus der Differenz des Gesamtstroms und der übrigen Einzelströme ermitteln lässt. Dabei ist die Verwendung eines Gesamtstromsensors insbesondere vorteilhaft, da auf diese Weise dann auch die betreffenden Impedanzen der jeweiligen elektrischen Bauteile bestimmt werden können, selbst wenn das Stromanregungssignal unbekannt ist, da dieses dann entsprechend durch den Gesamtstromsensor erfasst werden kann. Ist die Messeinrichtung, wie zuvor beschrieben, zum Beispiel zur aktiven Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung ausgebildet und kann den elektrischen Bauteilen einen bekannten Gesamtstrom als Anregungssignal, insbesondere als Wechselstrom, aufprägen, so kann, da dann dieser Gesamtstrom bekannt ist, optional auch der Gesamtstromsensor entfallen.In other words, a total current sensor can also be provided, which detects the total current through the parallel connection, so a current sensor does not necessarily have to be provided for each individual component in the parallel connection, but one can also be dispensed with, since the individual current through it affects individual component can then be determined from the difference between the total current and the remaining individual currents. The use of an overall current sensor is particularly advantageous, since the relevant impedances of the respective electrical components can then also be determined in this way, even if the current excitation signal is unknown, since this can then be detected accordingly by the overall current sensor. If, as described above, the measuring device is designed, for example, for active impedance spectroscopy or impedance determination and can impress a known total current as an excitation signal, in particular as an alternating current, the electrical components can optionally also dispense with the total current sensor since this total current is then known.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellen das erste elektrische Bauteil und das mindestens eine zweite elektrische Bauteil einen jeweiligen elektrochemischen Speicher, insbesondere eine Batteriezelle, zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Zelle, für eine Hochvolt-Batterie eines Kraftfahrzeugs dar.In a further advantageous embodiment of the invention, the first electrical component and the at least one second electrical component represent a respective electrochemical memory, in particular a battery cell, for example a lithium-ion cell, for a high-voltage battery of a motor vehicle.
Wie eingangs bereits erwähnt, lässt sich jedoch die Erfindung auf jede beliebige Art von elektrischem Bauteil beziehungsweise elektrischen Bauteilen, die in einer Parallelschaltung angeordnet sind, ganz analog verwenden. Gerade jedoch im Zusammenhang mit elektrochemischen Energiespeichern wie Batteriezellen hat die Erfindung besonders große Vorteile. Dies ist dadurch bedingt, dass heutige Kraftfahrzeuge zunehmend elektrifiziert sind und entsprechende Hochvolt-Batterien aufweisen. Eine Überwachung einer solchen Hochvolt-Batterie und insbesondere auch ihrer Einzelzellen ist dabei einerseits aus sicherheitstechnischer Sicht besonders relevant, sowie andererseits auch hinsichtlich der Ermittlung und/oder Prognose eines Alterungszustands beziehungsweise der Restlebensdauer einer solchen Hochvoltbatterie. Möglichst detaillierte Analysemöglichkeiten der elektrischen Eigenschaften einzelner Batteriezellen sind damit insbesondere für Benutzer solcher Elektrofahrzeuge von besonders großem Vorteil. In gleicher Weise hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, Parallelschaltungen von einzelnen Batteriezellen innerhalb eines solchen Verbundes zum Bereitstellen einer Hochvoltbatterie zu verwenden, da hierdurch benötigte Leistungs- und Kapazitätsvorgaben einfacher erreicht werden können. Somit bietet die Erfindung gerade im Zusammenhang mit der Bestimmung der einzelnen komplexen Impedanzen von Batteriezellen innerhalb einer Parallelschaltung einen besonderen Mehrwert für die Elektromobilität.As already mentioned at the beginning, however, the invention can be used in a completely analog manner on any type of electrical component or electrical components which are arranged in a parallel connection. However, especially in connection with electrochemical energy stores such as battery cells, the invention has particularly great advantages. This is due to the fact that today's motor vehicles are increasingly electrified and have corresponding high-voltage batteries. Monitoring such a high-voltage battery and in particular also its individual cells is particularly relevant on the one hand from a safety perspective, and on the other hand also with regard to the determination and / or prognosis of an aging state or the remaining service life of such a high-voltage battery. The most detailed possible analysis options for the electrical properties of individual battery cells are therefore particularly advantageous for users of such electric vehicles. In the same way, it has also proven to be advantageous to use parallel connections of individual battery cells within such a network to provide a high-voltage battery, since this makes it easier to achieve the required performance and capacity requirements. Thus, especially in connection with the determination of the individual complex impedances of battery cells within a parallel connection, the invention offers particular added value for electromobility.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Messeinrichtung zumindest einen Spannungssensor aufweist, welcher dazu ausgelegt ist, eine am ersten elektrischen Bauteil abfallende Spannung zu erfassen, wobei die Messeinrichtung dazu ausgelegt ist, die komplexe Impedanz des ersten elektrischen Bauteils in Abhängigkeit von der erfassten Spannung zu bestimmen. Wie bereits beschrieben, ist zur Ermittlung der komplexen Impedanz die Kenntnis über den Strom, der durch das betreffende elektrische Bauteil fließt, sowie über die an diesem elektrischen Bauteil abfallende Spannung erforderlich. Eine dieser beiden Größen wird als Anregungsgröße aufgeprägt, was jedoch auch durch eine Last geschehen kann und nicht notwendigerweise aktiv durch die Messeinrichtung erfolgen muss. Ist diese dennoch zur aktiven Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung ausgebildet, insbesondere zur potentiostatischen Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung, gemäß welcher eine Anregungsspannung aufgeprägt wird, so kann der beschriebene Spannungssensor auch entfallen, da somit dann ebenfalls die am ersten elektrischen Bauteil abfallende Spannung, die insbesondere identisch zu der an der Parallelschaltung insgesamt abfallenden Gesamtspannung und zur Einzelspannung, welche an den jeweiligen weiteren parallel geschalteten elektrischen Bauteilen abfällt, ist, vorab bekannt ist und nicht gemessen werden muss. Nichtsdestoweniger zeigen sich jedoch gerade im Zusammenhang mit der Vermessung von Batteriezellen große Vorteile der galvanostatischen Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung. Unabhängig davon, ob diese nun aktiv oder passiv durch die Messeinrichtung ausgeführt wird, ist entsprechend eine Spannungsmessung vorteilhaft, die entsprechend vom genannten Spannungssensor durchgeführt werden kann.Furthermore, it is advantageous if the measuring device has at least one voltage sensor, which is designed to detect a voltage drop across the first electrical component detect, the measuring device being designed to determine the complex impedance of the first electrical component as a function of the detected voltage. As already described, knowledge of the current flowing through the electrical component in question and the voltage drop across this electrical component is required to determine the complex impedance. One of these two variables is impressed on as an excitation variable, which, however, can also be done by a load and does not necessarily have to be actively by the measuring device. If this is nevertheless designed for active impedance spectroscopy or impedance determination, in particular for potentiostatic impedance spectroscopy or impedance determination, according to which an excitation voltage is impressed, then the voltage sensor described can also be omitted, since the voltage drop across the first electrical component, which is in particular identical to it, is then also eliminated the total voltage drop across the parallel circuit and the individual voltage drop across the respective further electrical components connected in parallel is known in advance and does not have to be measured. Nonetheless, great advantages of galvanostatic impedance spectroscopy or impedance determination can be seen in connection with the measurement of battery cells. Regardless of whether this is now carried out actively or passively by the measuring device, a voltage measurement is accordingly advantageous, which can be carried out accordingly by the voltage sensor mentioned.
Dieser Spannungssensor kann im Prinzip an beliebiger Stelle bezüglich der elektrischen Bauteile angeordnet sein, insbesondere parallel zu einem, mehreren oder allen der elektrischen Bauteile. Prinzipiell können aber auch mehrere Sensoren, insbesondere Spannungssensoren, zum Beispiel parallel zu einem jeweiligen elektrischen Bauteil geschaltet sein, um die jeweiligen Spannungen, die ohnehin, bis auf Messfehler bzw. Messrauschen, identisch sind, zu messen und zur Bestimmung der jeweiligen komplexen Impedanzen zu verwenden. Denkbar ist es auch, zur Spannungsmessung mehrere Spannungssensoren zu verwenden und diese getrennt von oder zusammen mit einem, einem Teil oder allen Stromsensoren in einem oder mehreren Gehäusen oder Geräten unterzubringen. Beispielsweise kann der zu einem jeweiligen Bauteil parallel geschaltete Spannungssensor sowie der in Reihe zu dem betreffenden elektrischen Bauteil geschaltete Stromsensor ein Messgerät bilden, welches dem betreffenden elektrischen Bauteil zugeordnet ist. Ein solches Messgerät kann zudem optional auch noch eine Anregungsquelle, wie zum Beispiel eine Stromanregungsquelle, umfassen. Damit kann die Messeinrichtung im Prinzip auch mit mehreren Impedanzmessgeräten realisiert werden, indem ein, mehrere oder alle Impedanzmessgeräte zur Anregung verwendet werden, die Stromsensoren der Impedanzmessgeräte zur beschriebenen Strommessung verwendet werden und die Spannungssensoren der Impedanzmessgeräte entsprechend zur beschriebenen Spannungsmessung herangezogen werden.In principle, this voltage sensor can be arranged at any point with respect to the electrical components, in particular parallel to one, more or all of the electrical components. In principle, however, a plurality of sensors, in particular voltage sensors, can also be connected, for example, in parallel to a respective electrical component in order to measure the respective voltages, which are identical anyway, except for measurement errors or measurement noise, and to use them to determine the respective complex impedances . It is also conceivable to use a plurality of voltage sensors for voltage measurement and to accommodate them separately from or together with one, part or all of the current sensors in one or more housings or devices. For example, the voltage sensor connected in parallel with a respective component and the current sensor connected in series with the relevant electrical component can form a measuring device which is assigned to the relevant electrical component. Such a measuring device can also optionally also include an excitation source, such as a current excitation source. In principle, the measuring device can thus also be implemented with several impedance measuring devices by using one, several or all impedance measuring devices for excitation, the current sensors of the impedance measuring devices are used for the described current measurement and the voltage sensors of the impedance measuring devices are used accordingly for the described voltage measurement.
Damit sind vielzählige mögliche Ausführungsformen der Messeinrichtung bereitgestellt. Bei einer bevorzugten und besonders kostengünstigen und einfachen Variante ist die Messeinrichtung als zur Parallelschaltung parallel geschaltete Impedanzmesseinheit ausgebildet. Mit anderen Worten kann die Messeinrichtung als ein einzelnes Impedanzmessgerät ausgeführt sein, welches zur Parallelschaltung der mehreren elektrischen Bauteile parallel geschaltet ist. Zusätzlich sind entsprechende Stromsensoren zu den betreffenden Bauteilen, insbesondere optional bis auf eines, in Serie geschaltet. Die jeweiligen Strommesswerte können zum Beispiel ebenfalls an das Impedanzmessgerät übermittelt werden, welches darauf basierend dann die entsprechenden Einzelimpedanzen sowie zum Beispiel auch die Gesamtimpedanz der Parallelschaltung ermitteln kann.Numerous possible embodiments of the measuring device are thus provided. In a preferred and particularly inexpensive and simple variant, the measuring device is designed as an impedance measuring unit connected in parallel with the parallel connection. In other words, the measuring device can be designed as a single impedance measuring device which is connected in parallel to connect the plurality of electrical components in parallel. In addition, corresponding current sensors are connected in series with the relevant components, in particular, optionally except for one. The respective current measurement values can, for example, also be transmitted to the impedance measuring device, which can then determine the corresponding individual impedances based thereon and, for example, also the total impedance of the parallel connection.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Messeinrichtung zumindest eine Anregungsquelle auf, die dazu ausgelegt ist, ein Anregungssignal zu erzeugen und die Parallelschaltung und/oder das erste Bauteil und/oder das mindestens eine zweite Bauteil mit dem Anregungssignal zu beaufschlagen. Die Messeinrichtung ist also zur Durchführung einer aktiven Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung ausgebildet, gemäß welcher nun den einzelnen Bauteilen aktiv ein Anregungssignal durch die Anregungsquelle der Messeinrichtung aufgeprägt werden kann. Diese Anregungsquelle kann zum Beispiel ebenfalls parallel zur Parallelschaltung der elektrischen Bauteile geschaltet sein, sie kann aber auch an jeder beliebigen anderen Position, zum Beispiel auch in Serie zu den jeweiligen elektrischen Bauteilen, geschaltet sein. Gleichzeitig lassen sich auch mehrere Anregungsquellen verwenden, deren Anregungssignale sich dann entsprechend überlagern können. Im Allgemeinen kann die Anregungsquelle beziehungsweise die mindestens eine Anregungsquelle dazu ausgelegt sein, das System, insbesondere die jeweiligen elektrischen Bauteile, galvanostatisch oder potentiostatisch anzuregen. Das Anregungssignal ist zur Bestimmung der jeweiligen Einzelimpedanzen nicht notwendigerweise als bekannt vorauszusetzen, wie dies bereits beschrieben wurde, da dieses durch die beschriebenen Sensoren, insbesondere Spannungs- und/oder Stromsensoren, gemessen werden kann, insbesondere für jedes elektrische Bauteil der Parallelschaltung separat. Auch die Art und Ausgestaltung des Anregungssignals kann beliebig sein. Es sind also sinusförmige, multi-sinus-förmige, oder beliebige Anregungsformen denkbar. Eine multi-sinus-förmige Anregung stellt dabei eine Anregung mittels eines Anregungssignals dar, welches aus mehreren sinusförmigen und überlagerten Einzelanregungssignalen besteht.In a further advantageous embodiment of the invention, the measuring device has at least one excitation source, which is designed to generate an excitation signal and to apply the excitation signal to the parallel connection and / or the first component and / or the at least one second component. The measuring device is thus designed to carry out an active impedance spectroscopy or impedance determination, according to which an excitation signal can now be actively impressed on the individual components by the excitation source of the measuring device. This excitation source can, for example, also be connected in parallel to the parallel connection of the electrical components, but it can also be connected in any other position, for example also in series with the respective electrical components. At the same time, several excitation sources can be used, the excitation signals of which can then be superimposed accordingly. In general, the excitation source or the at least one excitation source can be designed to excite the system, in particular the respective electrical components, galvanostatically or potentiostatically. The determination of the respective individual impedances does not necessarily require the excitation signal to be known, as has already been described, since this can be measured by the sensors described, in particular voltage and / or current sensors, in particular separately for each electrical component of the parallel connection. The type and configuration of the excitation signal can also be of any type. So they are sinusoidal, multi-sinusoidal, or any Possible forms of suggestion. A multi-sinusoidal excitation represents an excitation by means of an excitation signal, which consists of several sinusoidal and superimposed individual excitation signals.
Besonders vorteilhaft ist es nichtsdestoweniger, wenn die Anregung vorgegeben und somit als bekannt vorausgesetzt werden kann. Entsprechend muss das Anregungssignal nicht gemessen werden und Messfehler können reduziert werden. Darüber hinaus hat sich vor allem auch eine Anregung mit einem sinusförmigen Anregungssignal einer einzelnen Frequenz als besonders vorteilhaft erwiesen, die durch eine oder auch durch mehrere Quellen, den genannten Anregungsquellen, erzeugt werden kann. Der große Vorteil einer sinusförmigen Anregung, insbesondere eine monofrequenten sinusförmigen aktiven Anregung, besteht darin, dass die Frequenz des Anregungssignals gezielt auf den Anwendungsfall und auf den aktuell interessierenden Frequenzbereich abgestimmt werden kann. Es können somit bei der Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung gezielt die interessierenden Frequenzbereiche durch geeignete Wahl des Anwendungssignals beziehungsweise dessen Frequenz angefahren und abgetastet werden. Im Allgemeinen liegt der bevorzugte Frequenzbereich dabei in einem Bereich zwischen dem Millihertzbereich und dem Kilohertzbereich. Zudem lässt sich durch ein Anregungssignal mit einer einzelnen Frequenz ein besonders gutes Signal-Rausch-Verhältnis bereitstellen, was letztendlich die Messfehler der Messergebnisse reduziert und die Messgenauigkeit erhöht.Nonetheless, it is particularly advantageous if the suggestion can be predetermined and can therefore be assumed to be known. Accordingly, the excitation signal does not have to be measured and measurement errors can be reduced. In addition, an excitation with a sinusoidal excitation signal of a single frequency, which can be generated by one or more sources, the excitation sources mentioned, has proven to be particularly advantageous. The great advantage of a sinusoidal excitation, in particular a monofrequency sinusoidal active excitation, is that the frequency of the excitation signal can be specifically tailored to the application and the frequency range of interest. Thus, in the case of impedance spectroscopy or impedance determination, the frequency ranges of interest can be approached and scanned by a suitable choice of the application signal or its frequency. In general, the preferred frequency range is in a range between the millihertz range and the kilohertz range. In addition, a particularly good signal-to-noise ratio can be provided by an excitation signal with a single frequency, which ultimately reduces the measurement errors of the measurement results and increases the measurement accuracy.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Messeinrichtung dazu ausgelegt, die Impedanz in Abhängigkeit von einem durch das erste Bauteil fließenden Strom, der zumindest zum Teil einen Laststrom darstellt, der durch einen mit zumindest dem ersten elektrischen Bauteil gekoppelten elektrischen Verbraucher und/oder durch eine Energie bereitstellende Komponente bewirkt ist, und in Abhängigkeit von der erfassten, an dem ersten elektrischen Bauteil abfallenden Spannung zu bestimmen.In a further advantageous embodiment of the invention, the measuring device is designed to measure the impedance as a function of a current flowing through the first component, which at least partially represents a load current, through an electrical consumer coupled to at least the first electrical component and / or an energy-providing component is effected, and to be determined as a function of the detected voltage drop across the first electrical component.
Insbesondere kann die Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung zur Bestimmung der komplexen Impedanz zumindest des ersten elektrischen Bauteils auch vollständig passiv unter Ausnutzung eines solchen Laststroms, der von einem elektrischen Verbraucher und/oder durch eine Energie bereitstellende Komponente bewirkt wird, der zum Beispiel durch die elektrischen Bauteile, wenn diese als entsprechende Batteriezellen ausgebildet sind, mit elektrischer Energie versorgt wird oder diese mit Energie zum Laden versorgt, bestimmt werden. Entsprechend ist also die Messeinrichtung zur Durchführung einer passiven Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung ausgebildet. Vorteilhafterweise kann die Messeinrichtung aber auch eine aktive Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung mit einer passiven Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung vereinen. Mit anderen Worten kann die Messeinrichtung, wie bereits beschrieben, aktiv ein Anregungssignal auf die elektrischen Bauteile aufprägen. Dieses kann sich dabei auch mit einem durch den genannten elektrischen Verbraucher bzw. durch die Energie bereitstellende Komponente bewirkten Laststrom überlagern. Der resultierende, durch die jeweiligen elektrischen Bauteile fließende Strom kann dann wiederum durch die beschriebenen betreffenden Stromsensoren erfasst werden. Entsprechend kann also vorteilhafterweise eine Bestimmung der komplexen Impedanz der jeweiligen elektrischen Bauteile uneingeschränkt jederzeit, insbesondere auch während des Betriebs des Kraftfahrzeugs und während die Batteriezellen unter Last stehen, erfolgen.In particular, the impedance spectroscopy or impedance determination for determining the complex impedance of at least the first electrical component can also be carried out completely passively using such a load current, which is caused by an electrical consumer and / or by an energy supplying component, for example by the electrical components, if they are designed as corresponding battery cells, are supplied with electrical energy or are supplied with energy for charging, can be determined. Accordingly, the measuring device is designed to carry out a passive impedance spectroscopy or impedance determination. Advantageously, however, the measuring device can also combine an active impedance spectroscopy or impedance determination with a passive impedance spectroscopy or impedance determination. In other words, as already described, the measuring device can actively impress an excitation signal on the electrical components. This can also overlap with a load current caused by the named electrical consumer or by the component providing energy. The resulting current flowing through the respective electrical components can then in turn be detected by the relevant current sensors described. Accordingly, the complex impedance of the respective electrical components can advantageously be determined without restriction at any time, in particular also during the operation of the motor vehicle and while the battery cells are under load.
Die letztendlich ermittelten Impedanzen der jeweiligen elektrischen Bauteile können dann vorteilhafterweise zum Beispiel zur Bestimmung eines Alterungszustands der jeweiligen elektrischen Bauteile und/oder auch zur Temperaturbestimmung einer aktuellen Temperatur der jeweiligen elektrischen Bauteile verwendet werden, sowie zu vielzähligen weiteren Auswertungs- oder Analyseverfahren. Da eine Bestimmung der jeweiligen Impedanzen auch während des Betriebs möglich ist, kann zum Beispiel eine Impedanzbestimmung der jeweiligen elektrischen Bauteile zu vorbestimmten Zeitpunkten unabhängig von einem aktuellen Betriebszustand des Kraftfahrzeugs ausgeführt werden.The ultimately determined impedances of the respective electrical components can then advantageously be used, for example, to determine an aging state of the respective electrical components and / or also to determine the temperature of a current temperature of the respective electrical components, as well as for numerous other evaluation or analysis methods. Since a determination of the respective impedances is also possible during operation, for example an impedance determination of the respective electrical components can be carried out at predetermined times independently of a current operating state of the motor vehicle.
Bei dem mindestens einen elektrischen Verbraucher kann es sich zum Beispiel um einen typischen Hochvoltverbraucher, wie zum Beispiel eine Leistungselektronik für einen Elektromotor und/oder einen elektrischen Klimakompressor und/oder eine Wandlereinrichtung, handeln.The at least one electrical consumer can be, for example, a typical high-voltage consumer, such as power electronics for an electric motor and / or an electric air conditioning compressor and / or a converter device.
Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Hochvolt-Batterie für ein Kraftfahrzeug, welche eine erfindungsgemäße Messanordnung oder einer ihrer Ausführungsformen aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung oder eine ihrer Ausgestaltungen.Furthermore, the invention also relates to a high-voltage battery for a motor vehicle, which has a measuring arrangement according to the invention or one of its embodiments. Furthermore, the invention also relates to a motor vehicle with a measuring arrangement according to the invention or one of its configurations.
Entsprechend gelten die für die erfindungsgemäße Messanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Hochvolt-Batterie und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.Accordingly, the advantages described for the measuring arrangement according to the invention and their configurations apply in the same way to the high-voltage battery according to the invention and the motor vehicle according to the invention.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.The motor vehicle according to the invention is preferably used as a motor vehicle, in particular as Cars or trucks, or designed as a bus or motorcycle.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bestimmen einer komplexen Impedanz zumindest eines ersten elektrischen Bauteils mittels einer Messeinrichtung, die mit dem ersten elektrischen Bauteil gekoppelt ist und die die komplexe Impedanz des ersten elektrischen Bauteils bestimmt. Dabei weist die Messanordnung mindestens ein zweites elektrisches Bauteil auf, welches mit dem ersten elektrischen Bauteil in einer Parallelschaltung angeordnet ist, wobei zumindest dem ersten elektrischen Bauteil ein Stromsensor zugeordnet ist, der in Reihe zum ersten elektrischen Bauteil geschaltet ist, wobei die Messeinrichtung die komplexe Impedanz des ersten elektrischen Bauteils in Abhängigkeit von einem von dem Stromsensor erfassten, durch das erste Bauteil fließenden, Strom bestimmt.Furthermore, the invention also relates to a method for determining a complex impedance of at least one first electrical component by means of a measuring device which is coupled to the first electrical component and which determines the complex impedance of the first electrical component. The measuring arrangement has at least one second electrical component, which is arranged in parallel with the first electrical component, with at least the first electrical component being associated with a current sensor which is connected in series with the first electrical component, the measuring device having the complex impedance of the first electrical component as a function of a current detected by the current sensor and flowing through the first component.
Auch hier gelten die für die erfindungsgemäße Messanordnung und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.Here, too, the advantages mentioned for the measuring arrangement according to the invention and its configurations apply in the same way to the method according to the invention.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messanordnung beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.The invention also includes further developments of the method according to the invention which have features as have already been described in connection with the further developments of the measuring arrangement according to the invention. For this reason, the corresponding developments of the method according to the invention are not described again here.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.The invention also includes combinations of the features of the described embodiments.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 eine schematische Darstellung einer Messanordnung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz mit verschiedenen Möglichkeiten zur Anordnung einer oder mehrerer Anregungsquellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
3 eine grafische Darstellung des Stromanregungssignals sowie der gemessenen Gesamtspannung und der gemessenen Einzelströme durch die jeweiligen Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
4 eine grafische Darstellung der Fourier-Transformierten des Stromanregungssignals, der gemessenen Gesamtspannung sowie der gemessenen Einzelströme gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und -
5 eine grafische Darstellung der aus den gemessenen jeweiligen Einzelströmen durch die jeweiligen Batteriezellen und der Gesamtspannung ermittelten komplexen Impedanzen für die einzelnen Batteriezellen sowie die Gesamtimpedanz der Parallelschaltung der Batteriezellen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
1 a schematic representation of a measuring arrangement for determining a complex impedance according to an embodiment of the invention; -
2nd a schematic representation of a measuring arrangement for determining a complex impedance with different possibilities for arranging one or more excitation sources according to an embodiment of the invention; -
3rd a graphical representation of the current excitation signal and the measured total voltage and the measured individual currents through the respective battery cells according to an embodiment of the invention; -
4th a graphic representation of the Fourier transform of the current excitation signal, the measured total voltage and the measured individual currents according to an embodiment of the invention; and -
5 a graphic representation of the complex impedances for the individual battery cells determined from the measured individual currents through the respective battery cells and the total voltage and the total impedance of the parallel connection of the battery cells according to an embodiment of the invention.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.The exemplary embodiments explained below are preferred embodiments of the invention. In the exemplary embodiments, the described components of the embodiments each represent individual features of the invention that are to be considered independently of one another and that further develop the invention independently of one another. Therefore, the disclosure is intended to include combinations of the features of the embodiments other than those shown. Furthermore, the described embodiments can also be supplemented by further features of the invention that have already been described.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.In the figures, the same reference numerals designate elements that have the same function.
Allein auf Basis der durch das Messgerät
Die Erfindung und ihre Ausgestaltungen ermöglichen es nun vorteilhafterweise, diese Einzelzellcharakteristik zu erfassen, indem Stromsensoren
Im Beispiel aus
Um die Gesamtspannung Uges zu messen, ist prinzipiell ein einzelnes Spannungsmessgerät, wie das des Impedanzmessgeräts
Auch für die Ausgestaltung der Anregung durch die Anregungsquelle
In einer bevorzugten Ausführung wird die Anregung, das heißt das von der Anregungsquelle
Es ist jedoch bevorzugt, zumindest zusätzlich zu einem solchen Laststrom ein aktives Anregungssignal zu generieren. Bevorzugt wird hierzu ein sinusförmiges Anregungssignal generiert. Eine aktive Anregung hat den Vorteil, dass hierdurch gezielt die interessierenden Frequenzbereiche untersucht werden können. Eine Anregung mit einem Signal einer einzelnen Frequenz, wie dies zum Beispiel bei einem Sinussignal der Fall ist, erhöht zudem das Signal-Rausch-Verhältnis. Nichtsdestoweniger kann das Anregungssignal auch durch einen Laststrom überlagert sein. Entsprechend kann die Einzelimpedanzmessung vorteilhafterweise auch während des Betriebs des Bordnetzes mit der Messanordnung
Die Anregung kann, wie zum Beispiel in
Sind nun die Einzelströme Iac1, Iac2, lacn durch die jeweiligen Batteriezellen
Im Folgenden wird exemplarisch eine mögliche Umsetzung der Einzelimpedanzbestimmung der parallel verschalteten Zellen
Zur Vereinfachung wird davon ausgegangen, dass die Parallelschaltung
Im Folgenden ist ein Beispiel zur Berechnung der jeweiligen Impedanzen der Batteriezellen
Über eine Fourier-Transformation lassen sich die Zeitsignale, wie in
Hierbei bezeichnen I1, I2 die jeweiligen Amplituden der Einzelströme Iac1, Iac2, und I die Amplitude des Anregungssignals IA, sowie U die Amplitude der Gesamtspannung Uges. Die Frequenzen ω entsprechen in diesem Beispiel jeweils der genannten einzelnen Frequenz ω0. Weiterhin bezeichnen φI1, φI2, φI und φU die Phasen der jeweiligen Signale. Beispielsweise kann die Phase φI des Anregungssignals IA für die anderen Phasen φI1, φI2, φU als Referenzwert genommen werden und zum Beispiel gleich Null gesetzt werden.Here I 1 , I 2 denote the respective amplitudes of the individual currents I ac1 , I ac2 , and I the amplitude of the excitation signal I A , and U the amplitude of the total voltage Uges. In this example, the frequencies ω each correspond to the named individual frequency ω 0 . Furthermore, φ I1 , φ I2 , φ I and φ U denote the phases of the respective signals. For example, the phase φ I of the excitation signal I A can be taken as a reference value for the other phases φ I1 , φ I2 , φ U and, for example, set to zero.
Die Impedanz Z des Gesamtsystems ergibt sich aus der Division der Gesamtspannung Uges durch das Stromanregungssignal IA.The impedance Z of the overall system results from the division of the total voltage Uges by the current excitation signal I A.
Über das ohmsche Gesetz lassen sich nun die Impedanzen Z1, Z2 der Einzelzellen
Hierbei bezeichnen UOCV1 die Ruhespannung (Open Circuit Voltage) der ersten Batteriezelle
Hierbei bezeichnet f-1(SOCx) die SOC-OCV-Beziehung, die die Abhängigkeit der Ruhespannung Uocvx zum Beispiel als Formel, Look-up-Tabelle oder Ähnliches vom Ladezustand SOCx einer betreffenden Batteriezelle
In einer vorteilhaften Umsetzung kann in diesem speziellen Fall durch die gewählte Anregung eine einfache Identifikation der Ruhespannung über folgende Formel bestimmt werden:
Mit den mathematischen Methoden der Netzwerktheorie kann auch aus den beiden Impedanzkurven Z1, Z2 die Gesamtimpedanz Z rechnerisch ermittelt werden, was durch die berechnete Impedanz ZB als entsprechende Kurve in
Neben den hier vorgestellten Verfahren über die Fourier-Transformation und der komplexen Wechselstromrechnung sind bei der Signalverarbeitung auch andere Verfahren wie beispielsweise spezielle Filtertechniken aus der Regelungstechnik mit dem beschriebenen Verfahren umsetzbar. Hier sind beispielsweise modellbasierte Verfahren wie der Kalman-Filter oder Verfahren aus der künstlichen Intelligenz denkbar.In addition to the methods presented here via the Fourier transformation and the complex AC calculation, other methods such as, for example, special filter techniques from control engineering can also be implemented with the described method in signal processing. For example, model-based methods such as the Kalman filter or methods from artificial intelligence are conceivable here.
Das Impedanzbestimmungsverfahren ist zudem nicht auf zwei Zellen begrenzt, sondern kann auf eine beliebige Anzahl an Zellen erweitert werden. Es ist in erster Linie auf die Anwendung in einem Fahrzeug und im Speziellen für die Anwendung bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie von im Fahrzeug eingebauten Traktionsakkumulatoren in der Online-Diagnose vorgesehen, ist jedoch allgemeingültig für die Impedanzbestimmung von jeglichen elektrischen Bauteilen über jegliches Auswerteverfahren.In addition, the impedance determination method is not limited to two cells, but can be expanded to any number of cells. It is primarily intended for use in a vehicle and in particular for use in the electrochemical impedance spectroscopy of traction batteries installed in the vehicle in online diagnostics, but is generally applicable for the impedance determination of any electrical component using any evaluation method.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Impedanzmessung von parallel verschalteten Zellen bereitgestellt werden kann, durch welche unter Verwendung zusätzlicher Stromsensoren eine hochgenaue Zustandsbestimmung aller Einzelzellen im Batteriesystem ermöglicht wird. Sie ermöglicht eine genaue Zustandsbestimmung einer Einzelzelle unter Zuhilfenahme der Stromverteilung und liefert das Wissen über die Impedanz jeder einzelnen Zelle im Batteriesystem und nicht nur der Gesamtbatterie oder eines gesamten Parallelstrangs. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das angesprochene Verfahren auch während des Betriebs angewandt werden kann. Es liefert somit die Einzelzellimpedanzen der Batterie auch während des Betriebs und ohne, dass einzelne Zellen isoliert werden müssen.Overall, the examples show how the invention can provide an impedance measurement of cells connected in parallel, by means of which, using additional current sensors, it is possible to determine the state of all individual cells in the battery system with high precision. It enables an exact determination of the condition of an individual cell with the aid of the current distribution and provides knowledge about the impedance of each individual cell in the battery system and not just the entire battery or an entire parallel line. Another advantage is that the method mentioned can also be used during operation. It therefore delivers the individual cell impedances of the battery even during operation and without the need to isolate individual cells.
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