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Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Bestimmen einer komplexen Impedanz eines elektrischen Bauteils, wie zum Beispiel einer Batteriezelle, wobei die Messanordnung das elektrische Bauteil und eine Messeinheit 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 eine Hochvoltbatterie, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Bestimmen einer komplexen Impedanz eines elektrischen Bauteils.
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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 lässt sich aus Strom- und Spannungswerten berechnen.
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Zur Messung des Wechselstromwiderstands, der auch Impedanz genannt wird, als komplexwertige Funktion der Frequenz, wird die Batterie beziehungsweise die Batteriezelle über die Pole gezielt angeregt. Dadurch kann ein ganzes Impedanzspektrum aufgenommen werden, welches als Übertragungsfunktion das elektrische Verhalten der Batteriezelle widerspiegelt, und häufig durch ein elektrisches Ersatzschaltbild approximiert wird. Durch das Anlegen eines Impedanzmessgeräts, wie der oben genannten Messeinheit, ist die Durchführung einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie, die auch kurz als EIS bezeichnet wird, oder im Allgemeinen eine Impedanzbestimmung an Batteriezellen möglich. Bei der Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung müssen jedoch nicht notwendigerweise Impedanzen für verschiedene Anregungsfrequenzen bestimmt werden, sondern es kann auch nur ein Impedanzwert für eine bestimmte Frequenz bestimmt werden.
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Beispielsweise beschreibt die
DE 11 2016 002 067 T5 ein Verfahren zum Überwachen eines Batteriesystems mit einer Mehrzahl von Batteriezelleneinheiten, wobei basierend auf Messdaten mindestens ein leistungsbezogener Parameter für jede der Batteriezelleneinheiten bestimmt wird. Eine Batteriezelleneinheit umfasst dabei zwei parallel geschaltete Batteriezellen. Als Parameter kann beispielsweise die Impedanz einer jeweiligen Batteriezelleneinheit ermittelt werden.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2013 218 081 A1 eine Batteriemoduleinrichtung mit einem Batteriemodul mit mehreren seriell und/oder parallel geschalteten Batteriezellen und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen des Batteriemodulzustandes. In einem Impedanzspektroskopiemodus kann das Batteriemodul zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie des Batteriemoduls mit Messströmen beaufschlagt werden. Daraus kann eine komplexe Impedanz des Batteriemoduls ermittelt werden. Dabei kann auch der Strom und/oder die Spannung für jede Einzelzelle erfasst werden und daraus eine Gesamtspannung beziehungsweise ein Gesamtstrom ermittelt werden, um die komplexe Impedanz des Batteriemoduls zu berechnen, jedoch nicht die einer einzelnen Batteriezelle.
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Weiterhin beschreibt die
DE 10 2013 218 077 A1 eine Batteriezelleneinrichtung mit einer Batteriezelle und einer Überwachungsvorrichtung zum Überwachen des Batteriezellenzustandes. In einem Impedanzspektroskopiemodus kann die Batteriezelle zur Durchführung einer Impedanzspektroskopie der Batteriezelle mit Messströmen beaufschlagt werden und daraus eine komplexe Impedanz der Batteriezelle ermittelt werden.
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Es kann also entweder nur die komplexe Impedanz einer einzelnen Batteriezelle bestimmt werden, oder, für den Fall, dass sich eine solche Batteriezelle in einer Zellenanordnung mit mehreren Batteriezellen befindet, nur die Impedanz einer solchen Gesamtanordnung mittels einer Messeinheit bestimmt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Messanordnung, eine Hochvoltbatterie, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Bestimmen einer komplexen Impedanz eines elektrischen Bauteils bereitzustellen, mittels welchen eine Bestimmung der komplexen Impedanz des elektrischen Bauteils ermöglicht wird, selbst wenn sich das elektrische Bauteil in einer Anordnung mit anderen elektrischen Bauteilen befindet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messanordnung, eine Hochvoltbatterie, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Messanordnung zum Bestimmen einer ersten komplexen Impedanz eines ersten elektrischen Bauteils weist das erste elektrische Bauteil und eine Messeinheit auf, die mit dem ersten elektrischen Bauteil gekoppelt ist und die dazu ausgelegt ist, insbesondere mittels Impedanzspektroskopie, die erste komplexe Impedanz des ersten elektrischen Bauteils zu bestimmen. Dabei weist die Messanordnung mindestens ein zweites elektrisches Bauteil auf, welches mit dem ersten elektrischen Bauteil in einer Parallelschaltung angeordnet ist, die wiederum parallel zur Messeinheit geschaltet ist, wobei die Parallelschaltung mindestens eine Schalteinrichtung aufweist, mittels welcher eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Bauteil und dem mindestens einen zweiten elektrischen Bauteil trennbar ist, und wobei die Messanordnung dazu ausgelegt ist, zum Bestimmen der ersten komplexen Impedanz des ersten elektrischen Bauteils zumindest die elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Bauteil und dem mindestens einen zweiten elektrischen Bauteil mittels der zugeordneten Schalteinrichtung temporär zu trennen.
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Wie eingangs erwähnt, kann es sich bei den elektrischen Bauteilen um Batteriezellen handeln, die beschriebene Messanordnung und auch das nachfolgend noch beschriebene Verfahren zum Bestimmen der Impedanz kann jedoch ganz analog auf jede beliebige Art von elektrischem Bauteil angewandt werden, dessen beziehungsweise deren Impedanzen bestimmt werden sollen und die sich in einer Parallelschaltung befinden.
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Die Erfindung beruht dabei auf mehreren Erkenntnissen: Zum einen können in einem Batteriesystem Zellen, oder im Allgemeinen die oben genannten elektrischen Bauteile, sowohl seriell, das heißt in Reihe, als auch parallel verschaltet werden, um die benötigten Leistungs- und Kapazitätsvorgaben zu erreichen. In einer Parallelschaltung werden die Pole der Batterien, das heißt der einzelnen Batteriezellen, auf das gleiche Potential gesetzt. Dadurch ist es bei parallel verschalteten Zellen nicht ohne weiteres möglich, individuelle Charakteristika wie die Ruhespannung und die Impedanz zu messen. Bei parallel verschalteten Zellen verteilt sich, wie auch im Allgemeinen bei parallel verschalteten Bauteilen, der Strom auf die Zellen und die Gesamtimpedanz des Systems und nicht eine einzelne Impedanz kann gemessen werden. Entsprechend sind derartige Einzelmessungen von Impedanzen von Batteriezellen, wenn diese sich in einem Zellverbund, insbesondere in einer Parallelschaltung mit anderen Batteriezellen, befinden, gar nicht möglich. Gemäß der derzeitigen Standardkonfiguration von Batteriesystemen kann lediglich eine Gesamtstrommessung des Pack-Stroms aller Batteriezellen, eine Spannungsmessung jeder Einzelzelle und sporadische Temperaturmessungen durchgeführt werden. In einer solchen Konfiguration wird jedoch der Parallelschaltung von Zellen keine Aufmerksamkeit gewidmet. Im Allgemeinen werden üblicherweise parallel verschaltete Zellen wie eine einzelne größere Batteriezelle behandelt. Es ergeben sich jedoch signifikante Unterschiede für die technischen Möglichkeiten, die sich daraus ergeben, wenn jede Einzelzelle in einem elektrischen Verbund 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. Denn auch im Parallelverbund weist jede Einzelzelle ein individuelles Verhalten auf. Beispielsweise können mit zunehmender Alterung die Zellen auseinanderdriften, das heißt auch der Innenwiderstand einer jeweiligen Batteriezelle ändert sich. Die Erfindung ermöglicht dagegen eine neue Dimension, nämlich die der elektrischen Unterscheidung von parallel verschalteten Zellen. Dies wird zudem erfindungsgemäß auf besonders einfache Weise ermöglicht, nämlich durch ein gezieltes Wegschalten von elektrischen Bauteilen, wie zum Beispiel Batterieeinzelzellen, wodurch der Parallelverbund aufgetrennt werden kann. Danach ist eine Vermessung jedes einzelnen elektrischen Bauteils, insbesondere jeder Einzelzelle, möglich. Dies erlaubt vorteilhafterweise eine hochgenaue Zustandsbestimmung aller elektrischen Bauteile, insbesondere aller Zellen im Batteriesystem, die ohne äußere Einflüsse durch andere elektrische Bauteile, insbesondere durch andere Zellen, oder auch einer Last auch im Betrieb zumindest gemäß manchen vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung erfolgen kann.
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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.
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Im Allgemeinen kann die Impedanz des ersten elektrischen Bauteils, oder analog auch jedes weiteren Bauteils, wie nachfolgend näher beschrieben, als Impedanz für eine einzelne Frequenz, insbesondere Anregungsfrequenz, ermittelt werden oder auch für mehrere verschiedene Frequenzen zur Bereitstellung eines Impedanzspektrums.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellt die mindestens eine Schalteinrichtung eine Schalteinrichtung dar, die einem jeweiligen des mindestens einen zweiten elektrischen Bauteils zugeordnet ist, mittels welcher das zugeordnete mindestens eine zweite elektrische Bauteil aus der Parallelschaltung wegschaltbar ist. Dabei ist die Messanordnung weiterhin dazu ausgelegt, zum Bestimmen der ersten komplexen Impedanz des ersten elektrischen Bauteils das mindestens eine zweite elektrische Bauteil mittels der zugeordneten Schalteinrichtung temporär aus der Parallelschaltung wegzuschalten. Soll beispielsweise die Impedanz des ersten Bauteils im Parallelverbund mit dem mindestens einen zweiten elektrischen Bauteil ermittelt werden, so kann das zweite elektrische Bauteil zumindest temporär, zum Beispiel für eine vorgegebene oder vorgebbare Zeitdauer und/oder für die Dauer des Messzyklus zum Vermessen des ersten elektrischen Bauteils, einfach weggeschaltet werden, während das erste Bauteil vermessen wird. Somit kann das erste Bauteil auf besonders einfache Weise vermessen werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auch dem ersten elektrischen Bauteil eine Schalteinrichtung zugeordnet, mittels welcher das zugeordnete erste elektrische Bauteil aus der Parallelschaltung wegschaltbar ist, wobei die Messanordnung dazu ausgelegt ist, mindestens eine zweite komplexe Impedanz des mindestens einen zweiten elektrischen Bauteils zu bestimmen und zum Bestimmen der mindestens einen zweiten komplexen Impedanz des mindestens einen zweiten elektrischen Bauteils, das erste elektrische Bauteil mittels der zugeordneten Schalteinrichtung temporär aus der Parallelschaltung wegzuschalten.
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Mit anderen Worten kann nicht nur durch Wegschalten des mindestens einen zweiten Bauteils die Einzelimpedanz des ersten Bauteils ermittelt werden, sondern auch umgekehrt die komplexe Impedanz des zweiten Bauteils, indem während des korrespondierenden Messzyklus das erste Bauteil durch die zugeordnete Schalteinrichtung aus der Parallelschaltung weggeschaltet wird. Die entsprechenden Schaltelemente können sich dabei zum Beispiel in Serie zu den zugeordneten elektrischen Bauteilen befinden. Sowohl das erste als auch das zweite elektrische Bauteil können somit vorteilhafterweise durch das Wegschalten vom restlichen System entkoppelt werden und das andere der beiden Bauteile kann vorteilhafterweise durch die Messeinheit vermessen werden. Es gibt jedoch auch noch andere vorteilhafte Möglichkeiten, um den Parallelverbund temporär aufzulösen, wie diese später näher beschrieben werden. Dieses Prinzip sowie die nachfolgend noch näher erläuterten Beispiele sind jedoch nicht auf zwei elektrische Bauteile beschränkt, sondern können ganz analog auf eine beliebige Anzahl von elektrischen Bauteilen, insbesondere eine beliebige Anzahl von einzelnen Batteriezellen, ausgeweitet werden.
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Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Messeinrichtung mehr als zwei elektrische Bauteile umfassend das erste und das mindestens eine zweite Bauteil in der Parallelschaltung aufweist, wobei die Messeinheit dazu ausgelegt ist, die komplexe Impedanz eines jeweiligen Bauteils separat zu bestimmen. Dies kann insbesondere wie bereits beschrieben erfolgen, indem jedem dieser Bauteile eine entsprechende Schalteinrichtung, insbesondere ein Schalter wie zum Beispiel ein elektronisch steuerbarer Schalter, zum Beispiel ein MOSFET, zugeordnet ist, wobei dann, wenn die komplexe Impedanz eines bestimmten dieser mehreren Bauteile bestimmt werden soll, die übrigen Bauteile in der Parallelschaltung durch ihre zugeordneten Schaltelemente entkoppelt werden, sodass eine Einzelvermessung des bestimmten Bauteils möglich ist. Damit können vorteilhafterweise die jeweiligen Bauteile zeitlich sequentiell, zum Beispiel in einer vorbestimmten Reihenfolge, vermessen werden, das heißt ihre jeweiligen zugeordneten komplexen Einzelimpedanzen, insbesondere auch ganze Impedanzspektren, können so bestimmt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die mindestens eine Schalteinrichtung dem ersten elektrischen Bauteil zugeordnet und in Reihe zum ersten elektrischen Bauteil geschaltet, wobei die Messeinheit zum Bestimmen der ersten komplexen Impedanz des ersten elektrischen Bauteils einen Messabgriff aufweist, der zwischen dem ersten elektrischen Bauteil und der dem ersten elektrischen Bauteil zugeordneten Schalteinrichtung angeordnet ist, und wobei die Messanordnung dazu ausgelegt ist, zum Bestimmen der ersten komplexen Impedanz des ersten elektrischen Bauteils das erste elektrische Bauteil mittels der zugeordneten Schalteinrichtung temporär aus der Parallelschaltung wegzuschalten. Ein zweiter Messabgriff der Messeinheit kann sich auf einer gegenüberliegenden Seite des ersten elektrischen Bauteils befinden. Im Falle einer Batteriezelle als elektrisches Bauteil ist also ein erster Messabgriff mit einem positiven Zellpotential gekoppelt und ein zweiter Messabgriff mit einem negativen Zellpotential. Dadurch, dass nun einer der beiden Messabgriffe zwischen dem ersten elektrischen Bauteil und der zugeordneten Schalteinrichtung, wie dem oben beschriebenen Schalter, angeordnet ist, kann vorteilhafterweise das zu vermessende erste Bauteil aus der Parallelschaltung durch Öffnen der zugeordneten Schalteinrichtung weggeschaltet werden und dann dessen Impedanz unbeeinflusst von den übrigen zweiten Bauteilen über die beschriebenen Messabgriffe, die auch bei geöffneter Schalteinrichtung weiterhin mit dem ersten Bauteil gekoppelt sind, mittels der Messeinheit bestimmt werden. Mit anderen Worten kann auf diese Weise gezielt das zu vermessende Bauteil mittels der zugeordneten Schalteinrichtung während der Messphase von dem übrigen Parallelverbund entkoppelt werden und danach wieder zugeschaltet werden.
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Weiterhin kann bei dieser Variante entweder jedem der elektrischen Bauteile, d.h. dem ersten und dem mindestens einen zweiten Bauteil, eine korrespondierende Messeinheit zugeordnet sein, die auch bei geöffneter Schalteinrichtung des zugeordneten Bauteils weiterhin mit dem diesem Bauteil gekoppelt ist, oder es kann auch nur eine Messeinheit vorgesehen sein, die mittels einer Selektionsschalteinheit, zum Beispiel einer Art Multiplexer, zeitlich sequentiell mit den jeweiligen Messabgriffen, die sich zwischen den jeweiligen elektrischen Bauteilen und ihren zugeordneten Schalteinrichtungen befinden, koppelbar ist, um so zeitlich sequentiell die Impedanzen der jeweiligen Bauteile zu bestimmen. Mehrere Messeinheiten haben dabei den Vorteil, dass sich die Impedanzen mehrerer elektrischer Bauteile auch gleichzeitig bestimmen lassen, während durch nur eine Messeinheit ein deutlich einfacherer und kostengünstigerer Aufbau bereitgestellt werden kann. In beiden Fällen ist jedoch vorteilhafterweise die Möglichkeit bereitgestellt, eine entsprechendes elektrisches Bauteil auch im Betrieb, d.h. wenn ein Laststrom verursacht durch einen Verbraucher oder auch ein Ladestrom, der von einem Ladegerät als Last bereitgestellt wird, durch die Parallelschaltung fließt, zu vermessen, da das zu vermessende Bauteil bei dieser Variante durch die zugeordnete Schalteinrichtung von der übrigen Parallelschaltung entkoppelt wird und damit nicht dem Laststrom und auch nicht dem Lasteinfluss im inaktiven Zustand der Last bzw. des Verbrauchers ausgesetzt ist. Mit anderen Worten ist man sicher von möglichen seriellen Zellen und der Last entkoppelt, die einen Einfluss auf die Messung auch im Stehen des Fahrzeugs haben kann, denn auch ohne Laststrom wäre andernfalls eventuell ein Lasteinfluss zu spüren, da der Verbraucher kontaktiert und somit mitgemessen werden würde.
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Bevorzugt stellen das erste elektrische Bauteil und das mindestens eine zweite elektrische Bauteil einen jeweiligen elektrochemischen Speicher, insbesondere eine Batteriezelle für eine Hochvoltbatterie wie zum Beispiel eine Lithium-Ionenzelle, dar. 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. Beispiele für solche anderen elektrischen Bauteile sind zum Beispiel Doppelschichtkondensatoren und/oder Brennstoffzellen. 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 Hochvoltbatterien aufweisen. Eine Überwachung einer solchen Hochvoltbatterie und insbesondere auch ihrer Einzelzellen ist dabei einerseits aus sicherheitstechnischer Sicht besonders relevant, sowie andererseits auch hinsichtlich der Ermittlung verschiedener Zustände und Parameter, wie zum Beispiel der Ermittlung und/oder Prognose eines Alterungszustands beziehungsweise der Restlebensdauer einer solchen Hochvoltbatterie oder auch der Bestimmung der Zelltemperatur einer oder mehrerer Einzelzellen. 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.
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Die Messeinheit ist entsprechend zur Durchführung einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung ausgebildet. Dabei lässt sich letztendlich die komplexe Impedanz aus Strom- und Spannungswerten berechnen, wobei entweder der Strom vorgegeben werden kann und die Spannung gemessen oder der Strom bei festgelegter Spannung erfasst wird. Soll also beispielsweise die komplexe Impedanz einer betreffenden Batteriezelle bestimmt werden, so werden entweder die übrigen Batteriezellen temporär durch ihre zugeordneten Schalteinrichtungen aus dem Parallelverbund weggeschaltet oder die zu vermessende Batteriezelle selbst, und die zu vermessende Batteriezelle dann über ihre Pole gezielt angeregt, das heißt entweder mit einem entsprechenden Strom- oder Spannungsanregungssignal mit einer oder mehreren gewünschten Anregungsfrequenzen, und die entsprechende Antwort auf dieses Anregungssignal gemessen. Wird also beispielsweise die betreffende Batteriezelle mit einem Strom, insbesondere Wechselstrom, angeregt, so wird entsprechend die Spannungsantwort durch die Messeinheit gemessen und aus der gegebenen Stromanregung sowie der korrespondierenden Spannungsantwort die komplexe Impedanz der Batteriezelle ermittelt. Insbesondere kann die Anregung der Batteriezelle dabei für verschiedene Frequenzen erfolgen, wobei zu einer jeweiligen Frequenz auch die korrespondierende Antwort mittels der Messeinheit erfasst und daraus dann letztendlich die frequenzabhängige komplexe Impedanz der betreffenden Batteriezelle berechnet werden kann. Dies gilt im Allgemeinen auch für jedes beliebige elektrische Bauteil. Auf diese Weise lassen sich also vorteilhafterweise Unterschiede in den komplexen Impedanzen der jeweiligen Batteriezellen feststellen, was beispielsweise ein Indiz für unterschiedlich starke Alterung der Batteriezellen sein kann.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das erste elektrische Bauteil und das mindestens eine zweite elektrische Bauteil jeweils als Teil einer Zelleneinheit ausgebildet, die im Folgenden auch Smartcell genannt wird, wobei eine jeweilige der Zelleneinheiten einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, eine Batteriezelle und einen ersten Schalter, der mit der Batteriezelle in Reihe geschaltet ist, und einen zweiten Schalter zum Überbrücken der Batteriezelle, der zur Batteriezelle und zum ersten Schalter parallel geschaltet ist. Insbesondere kann eine solche Zelleneinheit, insbesondere Smartcell, auch eine zugeordnete Steuereinheit aufweisen, die zur Ansteuerung des korrespondierenden ersten und zweiten Schalters ausgelegt ist. Eine solche Smartcell hat den gro-ßen Vorteil, dass sie auf besonders flexible Weise beliebige und vor allem auch änderbare Zellkonfigurationen, das heißt diverse Parallel- und/oder Reihenschaltungen, ermöglicht. Da eine solche Smartcell darüber hinaus einen ersten Schalter aufweist, der mit der Batteriezelle bezüglich der Anschlüsse dieser Smartcell in Reihe geschaltet ist, kann ein solcher erster Schalter gleichzeitig als die zugeordnete Schaltereinrichtung zum Wegschalten der betreffenden Batteriezelle aus der Parallelschaltung verwendet werden. Mit anderen Worten erübrigt sich bei dem Vorsehen solcher Smartcells als die beschriebenen elektrischen Bauteile in der Parallelschaltung mit anderen Smartcells die Notwendigkeit, separate Schalteinrichtungen vorsehen zu müssen. Denn diese sind in der Funktionalität dieser Smartcells ohnehin bereits integriert. Entsprechend lässt sich unter Verwendung solcher Smartcells die Erfindung auf besonders einfache und kostengünstige Weise umsetzen, während gleichzeitig diese Smartcells besonders flexible Zellkonfigurationen ermöglichen.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Messanordnung einen mit der Parallelschaltung koppelbaren elektrischen Verbraucher und/oder eine Energie bereitstellende Komponente, wie zum Beispiel ein Ladegerät, auf, wobei die Messanordnung dazu ausgelegt ist, den elektrischen Verbraucher und/oder die Komponente während eines Messzyklus zum Bestimmen der ersten komplexen Impedanz des ersten Bauteils und insbesondere auch zum Bestimmen der komplexen Impedanz eines jeweiligen weiteren in der Parallelschaltung vorgesehenen elektrischen Bauteils, zumindest vom ersten Bauteil, oder auch zusätzlich von jedem betreffenden anderen elektrischen Bauteil, zu entkoppeln. Dies hat den gro-ßen Vorteil, dass auch eine Last wie ein solcher elektrischer Verbraucher und/oder Komponente die Messergebnisse nicht verfälschen kann. Somit kann vorteilhafterweise die Impedanz einer betreffenden Batteriezelle beziehungsweise im Allgemeinen des betreffenden elektrischen Bauteils ohne Lasteinfluss gemessen werden. Die Last, das heißt der elektrische Verbraucher und/oder die Komponente, kann nämlich andernfalls eine Verschiebung im Arbeitspunkt bewirken und auch für Rauscheinfluss aus Motor, Umrichter und weiteren Bauteilen sorgen, wodurch das Messergebnis erheblich verfälscht werden könnte. Dieser Vorteil ist für alle Arten der Verschaltung und nicht nur für parallele Batteriezellen von Relevanz.
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Eine solche oben genannte Last bzw. ein solcher elektrischer Verbraucher kann zum Beispiel eine Leistungselektronik für einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs, in welchem die Messanordnung Anwendung finden soll, sein und/oder auch jeder weitere elektrische Verbraucher, insbesondere Hochvoltverbraucher, eines üblichen Hochvoltbordnetzes eines Kraftfahrzeugs, wie zum Beispiel ein elektrischer Klimakompressor, eine Wandlereinrichtung und so weiter. Vorteilhaft ist es, wenn zumindest die aktuell vermessene Batteriezelle während des Messzyklus lastfrei geschaltet wird. Dabei kann zum Beispiel nur die einzelne aktuell zu vermessende Batteriezelle oder auch der Zellverbund, das heißt die Parallelschaltung, von der Last abgekoppelt werden. Eine Abkopplung von der Last bzw. dem Verbraucher ist zumindest bei inaktivem Verbraucher, insbesondere bei inaktivem Kraftfahrzeug, auf einfache Weise durch einen geeigneten Trennschalter möglich. Soll als Beispiel eine betreffende Batteriezelle als elektrisches Bauteil während des Betriebs aber ohne Lasteinfluss vermessen werden, so ist es vorteilhaft, die zu vermessende Batteriezelle von den übrigen Zellen im Parallelverbund sowie auch von der Last durch Öffnen des ihr zugeordneten Schalters, der in Reihe zur betreffenden zu vermessenden Batteriezelle angeordnet ist, zu entkoppeln, während dann die übrigen Batteriezellen die aktive Last weiter mit Energie versorgen können. Alternativ kann aber auch der Laststrom durch das betreffende zu vermessende elektrische Bauteil erfasst werden und bei der Ermittlung bzw. Bestimmung der Impedanz des betreffenden Bauteils berücksichtigt werden. Da die übrigen Bauteile der Parallelschaltung während dieses Messzyklus von dem zu vermessenden elektrischen Bauteil entkoppelt sind, kann durch den Stromsensor der Messeinheit vorteilhafterweise auch nur der Strom durch das betreffende Bauteil erfasst werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Hochvoltbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung oder einer ihrer Ausgestaltungen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Hochvoltbatterie oder einer ihrer Ausgestaltungen. Die für die erfindungsgemäße Messanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Hochvoltbatterie und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bestimmen einer ersten komplexen Impedanz eines ersten elektrischen Bauteils mittels einer Messanordnung mit einer Messeinheit, die mit dem elektrischen Bauteil gekoppelt ist und die, insbesondere mittels Impedanzspektroskopie, die erste komplexe Impedanz des elektrischen Bauteils bestimmt. Dabei ist mindestens ein zweites elektrisches Bauteil mit dem ersten elektrischen Bauteil in einer Parallelschaltung angeordnet, wobei die Parallelschaltung mindestens eine Schalteinrichtung aufweist, mittels welcher eine elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Bauteil und dem mindestens einen zweiten elektrischen Bauteil trennbar ist, wobei zum Bestimmen der ersten komplexen Impedanz des ersten elektrischen Bauteils zumindest die elektrische Verbindung zwischen dem ersten elektrischen Bauteil und dem mindestens einen zweiten elektrischen Bauteil mittels der zugeordneten Schalteinrichtung temporär getrennt wird.
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Die für die erfindungsgemäße Messanordnung und ihre Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten auch hier in gleicher Weise für das erfindungsgemäße Verfahren.
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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.
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Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Messanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung während eines Messzyklus, in welchem eine erste Batteriezelle vermessen wird;
- 2 eine schematische Darstellung der Messanordnung aus 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, in einem Messzyklus, in welchem eine zweite Batteriezelle, welche zur ersten Batteriezelle parallel geschaltet ist, vermessen wird;
- 3 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einer Parallelschaltung mehrerer Batteriezellen und einer mit der Parallelschaltung gekoppelten Last gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 4 ein Nyquist-Diagram zur Veranschaulichung der ermittelten ersten Impedanz der ersten Batteriezelle, der ermittelten zweiten Impedanz der zweiten Batteriezelle sowie der Gesamtimpedanz der Parallelschaltung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 eine schematische Darstellung einer Messanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 6 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit mehreren jeweiligen Batteriezellen zugeordneten Messeinheiten zum Bestimmen der jeweiligen komplexen Impedanzen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 7 eine schematische Darstellung einer Messanordnung mit einer Messeinheit, die mittels einer Selektionsschalteinheit, zeitlich sequentiell mit jeweiligen Messabgriffen koppelbar ist, die jeweils zwischen einer Batteriezelle und dem Schalter, welcher der Batteriezelle zugeordnet ist, angeordnet sind, um so zeitlich sequentiell die Impedanzen der jeweiligen Batteriezellen zu bestimmen.
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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.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 10 zum Bestimmen einer komplexen Impedanz gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Messanordnung 10 weist eine Parallelschaltung 12 mehrerer elektrischer Bauteile auf, die in diesem Beispiel als Batteriezellen 14 ausgeführt sind. Exemplarisch sind hier lediglich zwei Batteriezellen 14 dargestellt, die Parallelschaltung 12 kann jedoch auch mehr als zwei zueinander parallel geschaltete Batteriezellen 14 aufweisen. Weiterhin ist parallel zu dieser Parallelschaltung 12 eine Messeinheit 16 geschaltet. Diese Messeinheit 16 ist dabei als Impedanzmesseinheit ausgebildet und entsprechend dazu ausgelegt, eine elektrochemische Impedanzspektroskopie bzw. Impedanzbestimmung durchzuführen. Bei einer solchen elektrochemischen Impedanzspektroskopie wird das zu vermessende Bauteil mit einem Anregungssignal beaufschlagt und die korrespondierende Antwort gemessen. Bei der galvanostatischen Impedanzspektroskopie stellt das Anregungssignal ein Stromsignal dar, und bei der potentiostatischen Impedanzspektroskopie ein Spannungssignal.
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Im vorliegenden Beispiel ist die Messeinheit 16 als galvanostatische Messeinheit 16 ausgeführt und weist entsprechend eine Signalquelle 16a auf, welche dazu ausgelegt ist, zur Anregung ein Stromsignal, insbesondere ein Wechselstromsignal, zu generieren. Zur Messung der Spannungsantwort weist die Messeinheit 16 weiterhin einen Spannungssensor 16b auf. Darüber hinaus kann die Messeinheit 16 auch einen Stromsensor 16c umfassen, der lediglich optional ist und nicht notwendigerweise vorgesehen sein muss, insbesondere dann nicht, wenn das Anregungssignal, welches von der Signalquelle 16a erzeugt wird, bekannt ist und auch sonst kein Laststrom durch die Parallelschaltung 12 fließt. Andernfalls kann das durch die Signalquelle 16a erzeugte Anregungssignal durch den Stromsensor 16c erfasst werden.
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Üblicherweise ist es nicht möglich, mit einer solchen Messeinheit, wie der beschriebenen Messeinheit 16, die Einzelimpedanzen der einzelnen Batteriezellen 14 zu bestimmen, wenn diese sich in einer herkömmlichen Parallelschaltung befinden. Grund ist, dass sich bei parallel verschalteten Zellen der Strom auf die Zellen verteilt und daher letztendlich nur die Gesamtimpedanz des Systems, das heißt die der Parallelschaltung der mehreren Zellen, jedoch nicht eine einzelne Impedanz der jeweiligen Batteriezellen, gemessen werden kann.
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Die Erfindung dagegen ermöglicht es nun vorteilhafterweise, dennoch die einzelnen Impedanzen der jeweiligen einzelnen Batteriezellen 14 in der Parallelschaltung 12, insbesondere in diesem Beispiel mit nur einer einzigen Messeinheit 16, wie diese zum Beispiel in 1 dargestellt ist, zu bestimmen. Zu diesem Zweck sind den jeweiligen Batteriezellen 14 entsprechende Schalteinheiten in Form von Schaltern 18 zugeordnet, die zum Beispiel als elektronisch steuerbare Schalter, zum Beispiel MOSFETs, ausgebildet sein können. Diese Schalter 18 befinden sich dabei bezüglich der zugeordneten Batteriezelle 14 in Serie. Wird also ein Schalter 18 der zugeordneten Batteriezelle 14 geöffnet, so wird die betreffende Batteriezelle 14 aus der Parallelschaltung 12 weggeschaltet. Dies kann nun auf verschiedene Weise zur Impedanzbestimmung der jeweiligen Batteriezellen 14 genutzt werden, wie dies nun anhand von 1 und später noch anhand von 5, 6 und 7 erläutert wird.
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Im Beispiel in 1 ist der rechte Schalter 18, welcher der rechts dargestellten Batteriezelle 14 zugeordnet ist, geöffnet, und der andere Schalter 18, welcher der anderen Batteriezelle 14 zugeordnet ist, geschlossen. Wird nun durch die Anregungsquelle 16a der Messeinheit 16 ein Anregungssignal in Form eines Stromsignals, insbesondere eines Wechselstroms, zum Beispiel eines sinusförmigen Wechselstroms, erzeugt, so fließt dieser Anregungsstrom lediglich durch die linke erste Batteriezelle 14 und nicht durch die andere, von der Parallelschaltung 12 entkoppelte zweite Batteriezelle 14. Somit ist also bekannt, welcher Strom durch diese erste Batteriezelle 14 fließt, und die zugehörige Spannungsantwort kann mittels des Spannungssensors 16b gemessen werden. Ist das Anregungssignal dagegen unbekannt, so kann diese Stromanregung durch den Stromsensor 16c erfasst werden. Aus diesein durch die Batteriezelle 14 fließenden Anregungsstrom sowie der zugeordneten und mittels des Spannungssensors 16b erfassbaren Spannungsantwort kann dann vorteilhafterweise die Impedanz dieser ersten Batteriezelle 14 ermittelt werden. Eine Ermittlung der Impedanz der Batteriezelle 14 kann dabei für nur eine oder auch für mehrere verschiedene Anregungsfrequenzen, gleichzeitig oder zeitlich nacheinander, erfolgen. Während eines ersten Messzyklus, während welchem also diese erste Batteriezelle 14 vermessen werden soll, wird also die zweite Batteriezelle 14 durch Öffnen ihres zugeordneten Schalters 18 von der Parallelschaltung 12 entkoppelt. Soll anschließend die andere Batteriezelle 14, das heißt die rechts dargestellte Batteriezelle 14, vermessen werden, so wird ihr zugeordneter Schalter 18 geschlossen und stattdessen der linke Schalter 18, welcher der ersten Batteriezelle 14, die links dargestellt ist, geöffnet und somit die erste Batteriezelle 14 von der Parallelschaltung 12 weggeschaltet, wie dies in 2 schematisch veranschaulicht ist. Entsprechend stellt der von der Anregungsquelle 16a erzeugte Strom nun den Strom dar, welcher durch die zweite Batteriezelle 14 und nicht mehr durch die erste Batteriezelle 14 fließt, und auch die vom Spannungssensor 16b erfasste Spannung stellt die Spannungsantwort der zweiten Batteriezelle 14 dar. Aus diesen Größen kann dann wiederum, wie bereits beschrieben, die einzelne Impedanz dieser zweiten Batteriezelle 14 ermittelt werden.
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Durch ein gezieltes Wegschalten von Batteriezellen 14 kann also der Parallelverbund aufgetrennt werden. Danach ist eine Vermessung jeder Einzelzelle 14 möglich. Weiterhin können die einzelnen Batteriezellen 14 auch als sogenannte Smartcells ausgeführt werden, also als intelligente Batteriezellen beziehungsweise intelligente Zelleneinheiten 20, wie diese exemplarisch in 3 als Teil einer Messanordnung 10 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt sind. Auch hier befinden sich wiederum zwei Batteriezellen 14 in einer Parallelschaltung 12 zueinander, und die Messeinheit 16, die wie die zuvor beschriebene Messeinheit 16 ausgebildet sein kann, ist wiederum parallel zu dieser Parallelschaltung 12 geschaltet. Die einzelnen Batteriezellen 14 sind in diesem Beispiel Teil einer jeweiligen intelligenten Batteriezelleneinheit 20 beziehungsweise einer Smartcell 20.
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Eine solche Zelleneinheit 20 weist neben der Batteriezelle 14 zwei Schalter 18, 22 auf. Zum Ansteuern der Schalter kann die Smartcell 20 zudem noch eine Steuereinheit bzw. Steuerelektronik aufweisen, die hier nicht explizit dargestellt ist. Ein erster Schalter 18 ist dabei wiederum zur betreffenden Batteriezelle 14 in Reihe geschaltet, und ein zweiter Schalter 22 ist parallel zur Anordnung aus der Batteriezelle 14 und dem ersten Schalter 18 parallel geschaltet und kann somit die Batteriezelle 14 überbrücken. Dieser zweite Schalter 22 ist also entsprechend Teil einer Bypassschaltung zum Überbrücken der betreffenden Batteriezelle 14. Um also entsprechend eine Batteriezelle 14 zu überbrücken, wird dieser Bypassschalter beziehungsweise der zweite Schalter 22 geschlossen und der erste Schalter 18 geöffnet. Dieser zweite Schalter 22 ist jedoch vorliegend weniger relevant. Eine solche Ausbildung einer Batteriezelle beziehungsweise Zelleneinheit 20 hat den großen Vorteil, dass diese sehr viele flexible Verschaltungsmöglichkeiten bereitstellt, was die Anordnung von Zellen 14 in einem Zellverbund untereinander betrifft. Da solche Smartcells 20 ohnehin einen zur Batteriezelle 14 in Serie geschalteten ersten Schalter 18 aufweisen, lassen sich nun diese Zelleneinheiten 20 auch besonders vorteilhafterweise zur Einzelvermessung der Impedanzen der jeweiligen Batteriezellen 14 nutzen. Wie bereits zu 1 und 2 beschrieben, können zu entsprechenden Vermessungen der ersten Batteriezelle 14 wiederum der zu dieser in Reihe geschaltete, zugeordnete Schalter 18 geschlossen werden und der Schalter 18, welcher der zweiten Batteriezelle 14 zugeordnet und zu dieser in Reihe geschaltet ist, geöffnet werden und so die zweite Batteriezelle 14 aus der Parallelschaltung 12 weggeschaltet werden. Umgekehrt gilt dies, wenn die zweite Batteriezelle 14 vermessen werden soll. Damit ist in einem solchen Smartcell-Konzept bestehend aus zwei Schaltern 18, 22 pro Batteriezelle 14 eine solche Impedanzmessung, insbesondere Einzelimpedanzmessung, durch die Auftrennung der elektrischen Verbindung beziehungsweise der Parallelschaltung 12 ohne weiteres möglich.
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Weiterhin ist im in 3 dargestellten Beispiel noch eine Last 24 zur Parallelschaltung 12 parallel geschaltet. Diese Last 24 kann sich auch aus mehreren Einzelverbrauchern, wie zum Beispiel Hochvoltbordnetzverbrauchern wie Leistungselektronik, elektrischer Klimakompressor, ein DC/DC-Wandler und so weiter zusammensetzen. Ist eine solche Last 24 während eines Messzyklus zum Vermessen einer bestimmten Batteriezelle 14 mit dieser Batteriezelle 14 gekoppelt und fließt entsprechend durch eine solche Batteriezelle 14 ein entsprechender Laststrom, so kann dies das Messergebnis verfälschen. Daher ist es bevorzugt, eine betreffende Batteriezelle 14 ohne Lasteinfluss zu vermessen. Dies lässt sich dadurch realisieren, indem eine solche Last, wie zum Beispiel einer oder mehrere der genannten Verbraucher, zumindest von der aktuell vermessenen Batteriezelle 14 und/oder auch von der gesamten Parallelschaltung 12 während der betreffenden Messzyklen weggeschaltet wird.
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Das Resultat der Impedanzmessungen ist in 4 veranschaulicht. 4 zeigt dabei ein Nyquist-Diagramm, in welchem also der Realteil Re einer Impedanz Z in Einheiten Ohm Ω auf der Abszisse aufgetragen ist, und der Imaginärteil -Im der Impedanz Z ebenfalls in Einheiten Ohm Ω an der Ordinate aufgetragen ist. Z1 stellt dabei das Messergebnis der Vermessung der ersten Batteriezelle 14, wie in 1 dargestellt, dar, die Kurve Z2 stellt das Messergebnis der in 2 dargestellten Vermessung der zweiten Batteriezelle 14 dar, und ZG stellt ein Messergebnis einer Vermessung der Gesamtimpedanz der Parallelschaltung 12 dar, das heißt also eine Vermessung beider parallel zueinander geschalteter Batteriezellen 14, wenn die beiden zugeordneten Schalter 18 gleichzeitig geschlossen sind. Wie im Vergleich der beiden Kurven Z1 und Z2 zu erkennen ist, weist die rechte Batteriezelle 14, das heißt die zweite Batteriezelle 14, welcher die zweite Impedanzkurve Z2 zugeordnet ist, einen deutlich höheren ohmschen Widerstand auf, der wiederum den Realteil Re der gemessenen Impedanz darstellt, als die linke Batteriezelle 14, das heißt die erste Batteriezelle 14, was beispielsweise ein Indiz für eine starke Alterung der zweiten Batteriezelle 14 sein kann.
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Mit den mathematischen Methoden der Netzwerktheorie errechnet sich aus der ersten und der zweiten Impedanzkurve Z1, Z2 auch die Gesamtimpedanz bei geschlossenen Schaltern 18, wobei dieses Berechnungsergebnis der Gesamtimpedanz durch die Kurve ZB veranschaulicht ist. Das Ergebnis der Berechnung ZB zeigt, dass sich die Gesamtimpedanz aus den einzelnen Impedanzen Z1, Z2 zusammensetzen lässt, da die errechneten Werte ZB nahezu deckungsgleich die Messkurve für die Gesamtimpedanz ZG nachbilden. Mit anderen Worten stimmt die errechnete Gesamtimpedanz ZB mit der gemessenen Gesamtimpedanz ZG sehr gut überein. Allerdings ist ein Zurückrechnen von der Gesamtimpedanz, die durch die Kurve ZG veranschaulicht ist, auf die einzelnen Impedanzwerte der jeweiligen Batteriezellen 14, die durch die beiden Kurven Z1 und Z2 veranschaulicht sind, nicht möglich, weshalb das beschriebene Schaltkonzept die optimale Möglichkeit darstellt, einzelne Zellimpedanzen Z1, Z2 zu ermitteln.
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Die Bestimmung der Einzelimpedanzen Z1, Z2, wie exemplarisch für die beiden Batteriezellen 14 beschrieben, lässt sich ganz analog auf beliebig viele in der Parallelschaltung 12 angeordnete Batteriezellen 14, die entsprechend alle zueinander parallel geschaltet sind, anwenden.
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Beispielsweise zeigt 5 einen zu 1, 2 und 3 analogen Schaltungs- und Messaufbau mit mehr als zwei Batteriezellen 14, insbesondere exemplarisch drei Batteriezellen 14. Die Bestimmung der Impedanz der jeweiligen Batteriezellen 14 kann also wie oben beschrieben erfolgen. Bei dieser Variante ist eine isolierte Messung einer Einzelzelle 16 nur möglich, wenn die Last 24 abgeklemmt oder der Lastpfad eine elektrische Unterbrechung beinhaltet. Erfolgt die Messung im Betrieb (Last/Laden) ohne elektrische Unterbrechung, muss die zu messende Zelle 14 des Weiteren im Parallelverbund 12 für den gesamten Energie- und Leistungsbedarf aufkommen und ist somit nicht in Ruhe. Der in 5 dargestellte und mit 22 bezeichnete Bypassschalter kann nicht während der Messung verwendet werden, da sonst ein Kurzschluss entsteht.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 10 zum Bestimmen einer komplexen Impedanz gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Messanordnung 10 weist wiederum eine Parallelschaltung 12 mehrerer elektrischer Bauteile auf, die in diesem Beispiel wieder als Batteriezellen 14 ausgeführt sind. Exemplarisch sind hier wieder drei Batteriezellen 14 dargestellt, die Parallelschaltung 12 kann jedoch auch mehr zueinander parallel geschaltete Batteriezellen 14 aufweisen. Wiederum sind den jeweiligen Batteriezellen 14 entsprechende Schalteinheiten in Form von Schaltern 18 zugeordnet, die zum Beispiel als elektronisch steuerbare Schalter, zum Beispiel MOSFETs, ausgebildet sein können. Diese Schalter 18 befinden sich dabei bezüglich der zugeordneten Batteriezelle 14 wieder in Serie. Im Unterschied zu den vorherigen Beispielen ist nun auch jeder der Batteriezellen 14 eine Messeinheit 16 zugeordnet und zu der zugeordneten Batteriezelle 14 parallel geschaltet. Diese Messeinheiten 16 können wie die Messeinheit aus 1 und zuvor beschrieben ausgebildet sein und entsprechende Komponenten wie eine Anregungsquelle 16a, einen Stromsensor 16c und einen Spannungssensor 16b aufweisen.
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Eine jeweilige Messeinheit 16 ist nun zum Bestimmen der komplexen Impedanz der zugeordneten Batteriezelle 14 mit einem Messabgriff 26 gekoppelt oder koppelbar, der zwischen der zugeordneten Batteriezelle 14 und dem der zugeordneten Batteriezelle 14 zugeordneten Schalter 18 angeordnet ist. Weiterhin ist die Messanordnung 10 dazu ausgelegt, zum Bestimmen der komplexen Impedanz der zugeordneten Batteriezelle 14 diese mittels des zugeordneten Schalters 18 temporär aus der Parallelschaltung 12 wegzuschalten und damit von den anderen Batteriezellen 14 zu entkoppeln, so dass die weggeschaltete Batteriezelle 14 nun unbeeinflusst von einem Stromfluss durch die Parallelschaltung 12 vermessen werden kann. Mit anderen Worten kann auf diese Weise gezielt die zu vermessende Batteriezelle 16 mittels des zugeordneten Schalters 18 während der Messphase von dem übrigen Parallelverbund 12 entkoppelt werden und danach wieder zugeschaltet werden. Ein zweiter Messabgriff der Messeinheit kann sich auf einer gegenüberliegenden Seite der zugeordneten Batteriezelle befinden, es ist also der erster Messabgriff 26 mit einem positiven Zellpotential der Batteriezelle 14 gekoppelt und ein zweiter Messabgriff mit einem negativen Zellpotential der Batteriezelle 14.
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Zwar sind bei dieser Variante mehrere Messeinheiten 16 erforderlich, vorteilhafterweise können so jedoch auch mehrere oder alle der Batteriezellen 14 auch gleichzeitig durch die jeweiligen ihnen zugeordneten Messeinheiten 16 vermessen und so deren Impedanzen bestimmt werden. Zudem ist die zu vermessende Batteriezelle 14 während der Messphase auch von der Last 24 entkoppelt und kann so vorteilhafterweise ohne Lasteinfluss auch im Betrieb vermessen werden, da dann die übrigen, aktuell nicht vermessenen Zellen für den Antrieb aufkommen können.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer Messanordnung 10 zum Bestimmen einer komplexen Impedanz gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Messanordnung 10 weist wiederum eine Parallelschaltung 12 mehrerer elektrischer Bauteile auf, die in diesem Beispiel wieder als Batteriezellen 14 ausgeführt sind. Exemplarisch sind hier wieder drei Batteriezellen 14 dargestellt, die Parallelschaltung 12 kann jedoch auch mehr zueinander parallel geschaltete Batteriezellen 14 aufweisen. Wiederum sind den jeweiligen Batteriezellen 14 entsprechende Schalteinheiten in Form von Schaltern 18 zugeordnet, die zum Beispiel als elektronisch steuerbare Schalter, zum Beispiel MOSFETs, ausgebildet sein können. Diese Schalter 18 befinden sich dabei bezüglich der zugeordneten Batteriezelle 14 wieder in Serie.
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In diesem Beispiel ist wiederum nur eine Messeinheit 16 vorgesehen, die wieder wie zuvor beschrieben ausgebildet sein kann und entsprechende Komponenten wie eine Anregungsquelle 16a, einen Stromsensor 16c und einen Spannungssensor 16b aufweisen kann. Im Unterschied zu den vorherigen Beispielen ist diese Messeinheit 16 mittels einer Selektionsschalteinheit 28, zum Beispiel einer Art Multiplexer, zeitlich sequentiell mit den den jeweiligen Batteriezellen 14 zugeordneten Messabgriffen 26, die sich wieder zwischen den jeweiligen Batteriezellen 14 und ihren zugeordneten Schaltern 18 befinden, koppelbar, um so zeitlich sequentiell die Impedanzen der jeweiligen Batteriezellen 14 zu bestimmen. Die Messeinheit 16 wird nun zum Bestimmen der komplexen Impedanz der zugeordneten Batteriezelle 14 mit dem Messabgriff 26 gekoppelt, der zwischen der zu vermessenden Batteriezelle 14 und dem Schalter, welcher der zu vermessenden Batteriezelle 14 zugeordnet ist, angeordnet ist. Weiterhin ist die Messanordnung 10 dazu ausgelegt, zum Bestimmen der komplexen Impedanz der Batteriezelle 14 diese wieder mittels des zugeordneten Schalters 18 temporär aus der Parallelschaltung 12 wegzuschalten und damit von den anderen Batteriezellen 14 zu entkoppeln, so dass die weggeschaltete Batteriezelle 14 nun wieder unbeeinflusst von einem Stromfluss durch die Parallelschaltung 12 vermessen werden kann. Mit anderen Worten kann auf diese Weise gezielt die zu vermessende Batteriezelle 14 mittels des zugeordneten Schalters 18 während der Messphase von dem übrigen Parallelverbund 12 entkoppelt werden und danach wieder zugeschaltet werden.
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Bei dieser Variante ist vorteilhafterweise wiederum nur eine Messeinheit 16 erforderlich, während die zu vermessende Batteriezelle 14 während der Messphase ebenfalls von der Last 24 entkoppelt ist, da während der Vermessung der betreffenden Batteriezelle 14 der zugeordnete Schalter 18 geöffnet wird, so dass diese Batteriezelle 14 wieder vorteilhafterweise während des Betriebs und dennoch ohne Lasteinfluss vermessen werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Funktionalität entsteht durch die Einbindung von mindestens einem Bypassschalter pro Parallelverbund 12, der in 5, 6 und 7 mit 22 bezeichnet ist. Durch das Überbrücken eines gesamten Parallelstranges aus Zellen 14 in einem Zellverbund aus seriell verschalteten Parallelverbünden 12, kann während des Betriebs (Last/Laden) des Batteriesystems dieser überbrückte Parallelverbund 12 einzeln vermessen werden. Durch diese Methode können gerade bei der in 6 dargestellten Variante alle parallelverschalteten Zellen 14 zeitgleich vermessen werden.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine Impedanzmessung von parallel verschalteten Batteriezellen bereitgestellt wird, die eine hochgenaue Zustandsbestimmung aller Batteriezellen im Batteriesystem ermöglicht, die ohne äußere Einflüsse durch andere Zellen oder eine Last auch im Betrieb erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112016002067 T5 [0004]
- DE 102013218081 A1 [0005]
- DE 102013218077 A1 [0006]
