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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems für ein Kraftfahrzeug. Durch eine Messschaltung wird nach einem Abschalten eines Betriebsstroms zumindest einer Batteriezelle des Batteriesystems eine Diagnosemessung durchgeführt, die allerdings bei Vorliegen der Ruhespannung der zumindest einen Batteriezelle durchgeführt werden muss. Die Erfindung umfasst auch ein Batteriesystem, das gemäß dem Verfahren betrieben werden kann, sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Batteriesystem.
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Schaltet man bei einer Batteriezelle deren elektrischen Betriebsstrom ab, also einen Ladestrom oder einen Entladestrom, so stellt sich an den äußeren elektrischen Batterieklemmen oder Zellklemmen der Batteriezelle nicht unmittelbar die Ruhespannung ein, sondern es muss die Relaxation der Zellchemie in der Batteriezelle abgewartet werden, bis an den Batterieklemmen tatsächlich die (innere) Ruhespannung vorliegt. Das Vorzeigen des Spannungsunterschieds zwischen der Klemmenspannung und der Ruhespannung ist dabei noch abhängig von der Flussrichtung des zuletzt geflossenen Betriebsstroms. Dieser Effekt wird als Hysterese bezeichnet. Die Dauer der Relaxation und die Abhängigkeit von der Flussrichtung des zuletzt geflossenen Betriebsstroms möchte man kompensieren, um in einer Diagnosemessung die tatsächlich vorhandene Ruhespannung an den Batterieklemmen messen zu können.
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Denn Batteriezellen werden in verschiedenen Anwendungen als elektrochemische Energiespeicher in einem Kraftfahrzeug eingesetzt, wo deren Zellzustand möglichst häufig geprüft oder überwacht werden soll. In Elektro- und Hybridfahrzeugen wird die sogenannte Traktionsbatterie zum Antrieb des Fahrzeugs auf Grundlage solcher Batteriezellen bereitgestellt, so dass die Mobilität des Kraftfahrzeugs von der Zuverlässigkeit der Batteriezellen abhängt. Bei der Verwendung eines Batteriesystems, das heutzutage aus chemischer Sicht meist durch die Lithium-Ionen-Technologie realisiert wird, muss über den gesamten Betriebslebenszyklus (und somit auch im Fahrbetrieb) der Zustand der Batteriezellen bestimmt werden, um kritische Situationen zu vermeiden und so die nötige Sicherheit oder Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
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Eine der gängigsten Methoden, Batteriezellen zu überwachen, ist die Methode der Zellspannung. Dadurch wird unter anderem ein Über- oder Unterschreiten der zulässigen Spannungsgrenzen sichergestellt. Auch für die Schätzung des Ladezustands oder das sogenannte Balancing (Ausgleich der Ladezustände zwischen einzelnen Batteriezellen) in seriell verschalteten Batteriezellen kann die Spannungsmessung eingesetzt werden.
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Batteriezellen verhalten sich aber in der beschriebenen Weise nicht wie eine perfekte Spannungsquelle, das heißt, die innere Ruhespannung ist nicht immer an den Batterieklemmen der Batteriezelle vorhanden oder messbar. Die an den Batterieklemmen gemessene Klemmenspannung entspricht im Betrieb nicht der Ruhespannung, das heißt der Leerlaufspannung nach sehr langer Wartezeit ohne Betriebsstrom (insbesondere eine Wartezeit größer als eine Stunde). Die Ruhespannung ist aber für die Beurteilung des Batteriezustands hilfreich oder informativ. Die Klemmenspannung weist aber in Bezug auf die Ruhespannung einen Spannungsunterschied auf, der durch interne Widerstände und kapazitive Elemente im Inneren der Batterie verursacht wird und nach dem Abstellen eines Batteriestroms erst durch eine Entspannung oder Relaxation der Batteriezelle (keine Belastung) abklingt.
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Des Weiteren können in Lithium-Ionen-Zellen auch Hysterese-Effekte vorherrschen. Dabei nimmt die Klemmenspannung nach einer Belastung (Fluss eines Betriebsstroms) auch nach unendlich langer Zeit nicht den Wert der Ruhespannung an. Das bedeutet beispielsweise, dass für einen zugehörigen Ladezustand (State of Charge - SOC) verschiedene Spannungswerte gemessen werden können, die von der Vorgeschichte (Flussrichtung des vorangegangenen Betriebsstroms) abhängig sind.
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Für den Ausgleich einer Hysterese ist bekannt, die die Hysterese verursachende Betriebsgröße mehrfach im Vorzeichen wechseln zu lassen, wodurch sich ein System auf den (wahren) hysteresefreien Wert einschwingen kann.
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In Bezug auf Messschaltungen für Batteriesysteme ist aus der
DE 10 2004 021 346 A1 bekannt, dass man eine Messschaltung in einen integrierten Schalkreis oder Chip integrieren kann.
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Aus der
US 2010/0216043 A1 ist bekannt, dass man an einer individuellen galvanischen Zelle mittels eines Wechselstroms (AC - Alternating Current) je nach eingestellter Wechselfrequenz einen frequenzabhängigen Impedanzwert messen kann. Dies wird auch als elektrochemische Impedanzspektroskopie, EIS, bezeichnet.
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Aus der
DE 10 2013 213 982 A1 ist bekannt, dass man mit einer Messschaltung für die elektrochemische Impedanzspektroskopie, EIS, Anregungssignale für eine Diagnosemessung erzeugen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einem Batteriesystem eines Kraftfahrzeugs in zumindest einer Batteriezelle für eine Diagnosemessung die Ruhespannung an den Batterieklemmen der jeweiligen Batteriezelle einzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines Batteriesystems für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt. Durch eine Messschaltung wird hierbei nach einem Abschalten eines Batteriestroms zumindest einer Batteriezelle des Batteriesystems an der zumindest einen Batteriezelle eine Diagnosemessung durchgeführt. Der Betriebsstrom ist ein elektrischer Strom, der zwischen der zumindest einen Batteriezelle einerseits und zumindest einem batterieexternen Gerät andererseits ausgetauscht wird. Ein Betriebsstrom kann hierbei ein Entladestrom sein, wenn das zumindest eine batterieexterne Gerät ein elektrischer Verbraucher ist, beispielsweise eine elektrische Maschine. Der Betriebsstrom kann ein Ladestrom sein, wenn das zumindest eine batterieexterne Gerät dann ein Ladegerät und/oder eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb (Rekuperationsbetrieb) ist. Durch die besagte Diagnosemessung wird die Ruhespannung der zumindest einen Batteriezelle ermittelt. Wie bereits ausgeführt, kann anhand der Ruhespannung beispielsweise ein Ladezustand der zumindest einen Batteriezelle ermittelt werden. Die Ruhespannung wird bevorzugt an den Batterieklemmen der jeweiligen Batteriezelle ermittelt.
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Um sicherzustellen, dass an den Batterieklemmen auch tatsächlich die Ruhespannung anliegt und nicht aufgrund einer Hysterese ein Spannungsunterschied zu der Ruhespannung vorliegt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass durch die Messschaltung in einem Übergangszeitraum nach dem Abschalten des Betriebsstroms und vor der Diagnosemessung in der zumindest einen Batteriezelle ein vorbestimmtes Wechselstromprofil eines elektrischen Stroms der zumindest einen Batteriezelle und/oder ein vorbestimmtes Wechselspannungsprofil einer elektrischen Spannung der zumindest einen Batteriezelle eingestellt wird. Ein Profil ist hierbei allgemein ein zeitlicher Verlauf der jeweiligen elektrischen Größe (Strom und/oder Spannung).
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In der zumindest einen Batteriezelle wird also ein Anregungsprofil zumindest einer elektrischen Größe (elektrischer Strom und/oder elektrische Spannung) angelegt oder hervorgerufen. Da es sich um ein Wechselprofil handelt (Wechselstrom und/oder Wechselspannung), wird an der zumindest einen Batteriezelle mehrfach hintereinander abwechselnd jeweils ein Ladevorgang und ein Entladevorgang bewirkt. Mit anderen Worten kommt es mehrfach abwechselnd zu Ladevorgängen und Entladevorgängen. Jeder Ladevorgang und Entladevorgang dauert dabei weniger als eine Sekunde. Mit anderen Worten ist die Frequenz bei dem Wechselstromprofil und/oder Wechselspannungsprofil größer als ein Hertz. Der Übergangszeitraum, während welchem dies bewirkt wird, ist dabei bevorzugt kürzer als 5 Minuten, insbesondere kürzer als 1 Minute, insbesondere kürzer als 30 Sekunden.
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Durch die Wechselfolge von Ladevorgängen und Entladevorgängen mit jeweils einer Dauer von weniger als einer Sekunde kann in der zumindest einen Batteriezelle die Relaxation beschleunigt und/oder die Hysterese abgebaut werden. Somit wird eine Annäherung der Klemmenspannung der Batterieklemmen der zumindest einen Batteriezelle an die Ruhespannung der zumindest einen Batteriezelle begünstigt oder gefördert.
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Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Ausführungsform wird durch das Wechselstromprofil und/oder Wechselspannungsprofil ein mittelwertfreier elektrischer Zellstrom in der zumindest einen Batteriezelle erzeugt. In dem Übergangszeitraum ergibt sich also durch das Wechselstromprofil und/oder Wechselspannungsprofil in der Summe oder als Ladungsintegral über der Zeit kein Ladungsaustausch der zumindest einen Batteriezelle mit der Umgebung. Somit bleibt also ein Ladezustand (SOC) der zumindest einen Batteriezelle erhalten oder unverfälscht. Damit wird die Diagnosemessung durch das Wechselstromprofil und/oder Wechselspannungsprofil nicht verfälscht.
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In einer Ausführungsform ist das Wechselstromprofil und/oder Wechselspannungsprofil jeweils als zumindest ein Chirp-Signal mit einer mit der Zeit ansteigenden Frequenz ausgestaltet. Es kann also ein einzelnes Chirp-Signal oder eine Abfolge mehrerer Chirp-Signale (von denen jedes den in der Frequenz ansteigenden Verlauf von vorne durchführt) oder als ein Chirp-Signal mit mehreren Einzelphasen (von denen jede in der Frequenz dort anfängt, wo die vorangegangene Einzelphase aufgehört hat) vorgesehen sein. Ein Chirp-Signal weist den Vorteil auf, dass unterhalb einer Resonanzfrequenz eines elektrochemisches Prozesses in der zumindest einen Batteriezelle begonnen werden kann und dann die Resonanzfrequenz durch das Chirp-Signal überstrichen werden kann, um dann mit steigender Frequenz ein Einpendeln oder Einschwingen der Klemmenspannung auf die Ruhespannung zu erzwingen. Bei dem Chirp-Signal kann mit der Zeit auch die Amplitude verringert werden, so dass also die Amplitude des Chirp-Signals kleiner wird, während die Frequenz ansteigt. Die Veränderung der Amplitude kann beispielsweise durch eine exponentielle oder eine lineare Hüllkurve angegeben sein. Hierdurch wird also das Wechselstromprofil und/oder das Wechselspannungsprofil mit der Zeit ausgeblendet, was einen Einfluss des Wechselstromprofils und/oder des Wechselspannungsprofils an dessen Ende oder unmittelbar vor dessen Abschalten minimiert. Somit kann durch bei Abschalten des Chirp-Signals selbst ein Hystereseeffekt verhindert werden.
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Bevorzugt wird das Wechselstromprofil und/oder das Wechselspannungsprofil in einem Nulldurchgang beendet oder abgeschaltet. Mit anderen Worten nähert sich der zeitliche Verlauf graduell dem Nulldurchgang und wird bei dessen Erreichen dann auf Null gehalten oder abgeschaltet.
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In einer Ausführungsform wird durch die Messschaltung eine Amplitude des Wechselstromprofils und/oder Wechselspannungsprofils (z.B. die Anfangsamplitude) abhängig von einem aktuellen Verschleißzustand und/oder Betriebszustand und/oder einer Zelltechnologie der zumindest einen Batteriezelle eingestellt. Ein aktueller Verschleißzustand kann beispielsweise durch einen aktuellen Wert eines Innenwiderstands und/oder einer Energiespeicherkapazität und/oder einer elektrischen Kapazität C beschrieben sein. Ein Betriebszustand kann beispielsweise durch einen geschätzten Ladezustand (geschätzter SOC) und/oder durch einen Temperaturwert einer Temperatur der zumindest einen Batteriezelle beschrieben sein. Die Zelltechnologie kann beispielsweise die besagte Lithium-Ionen-Technologie sein. Durch Berücksichtigen der besagten Größen beim Einstellen des Wechselspannungsprofils und/oder Wechselstromprofils ergibt sich der Vorteil, dass die Beschleunigung der Relaxation und/oder der Abbau der Hysterese optimiert oder maximiert werden kann.
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In einer Ausführungsform wird durch die Messschaltung das Wechselstromprofil und/oder Wechselspannungsprofil für eine vorbestimmte Zeitdauer erzeugt. Die Zeitdauer ist also fix. Es handelt sich hierbei also um einen Steuervorgang ohne Feedback oder Rückwirkung. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Verfahren auf Grundlage einer technisch einfach zu realisierenden Steuerung durchgeführt werden kann.
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In einer Ausführungsform wird durch die Messschaltung das Wechselstromprofil und/oder Wechselspannungsprofil in mehreren Einzelphase erzeugt oder ausgegeben. Zwischen den Einzelphasen ist ein elektrischer Strom der zumindest einen Batteriezelle unterbrochen (kein Stromfluss). Mit anderen Worten kann sich bei unterbrochenem elektrischem Strom zwischen den Einzelphasen an den Klemmen eine Klemmenspannung einstellen, wie sie sich im lastfreien Zustand ergibt. An einem jeweiligen Ende der Einzelphasen, also nachdem der elektrische Strom unterbrochen ist, wird ein Unterschiedswert ermittelt, welcher einen Unterschied einer aktuellen elektrischen Spannung der zumindest einen Batteriezelle vor und nach der Einzelphase angibt. Es kann also beispielsweise die Klemmenspannung erfasst oder ermittelt werden, wie sie sich nach der jeweiligen Einzelphase ergibt. Dieser Wert wird mit dem Wert der Spannung vor der Einzelphase verglichen, also dem Wert, der in der letzten Unterbrechungsphase oder ganz zu Beginn gemessen wurde. Der Unterschiedswert beschreibt also, inwieweit sich die Spannung, beispielsweise die Klemmenspannung, durch den Einfluss der letzten Einzelphase des Wechselstromprofils und/oder des Wechselspannungsprofils verändert hat. Für den Fall, dass der Unterschiedswert größer als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, wird die nächste Einzelphase durchgeführt oder mit der nächsten Einzelphase fortgefahren. Ein Unterschied größer als der Schwellenwert gibt nämlich an, dass sich durch das Anlegen des Wechselstromprofils und/oder des Wechselspannungsprofils die Klemmenspannung immer noch verändert, das heißt die Ruhespannung noch nicht erreicht worden ist. Andernfalls, falls also der Unterschiedswert kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist, wird der Übergangszeitraum beendet (also keine weitere Einzelphase des Wechselstromprofils und/oder des Wechselspannungsprofils durchgeführt) und stattdessen die Diagnosemessung durchgeführt. In diesem Fall hat sich also die Klemmenspannung durch den Einfluss der letzten Einzelphase nicht signifikant oder nur weniger als der Schwellenwert verändert. Es kann daher davon ausgegangen werden, dass die Ruhespannung erreicht ist oder zumindest der verbleibende Spannungsunterschied zur Ruhespannung kleiner als ein Toleranzwert ist, der durch den Schwellenwert angegeben ist.
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In einer Ausführungsform umfasst die besagte Messschaltung einen Schaltungskreis für eine elektrochemische Impedanzspektroskopie, EIS. Hiermit ergibt sich der Vorteil, dass Schaltungselemente des Schaltungskreises für die EIS auch für die Diagnosemessung genutzt werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird durch die Messschaltung das Wechselstromprofil und/oder das Wechselspannungsprofil mittels des Schaltungskreises für die EIS erzeugt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass nahezu keine zusätzliche schaltungstechnische Hardware notwendig ist, um das erfindungsgemäße Verfahren in ein Batteriesystem zu implementieren.
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Ein Batteriesystem, welches für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, ist ebenfalls Bestandteil der Erfindung. Das erfindungsgemäße Batteriesystem ist für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, kann also beispielsweise als sogenannte Hochvolt-Batterie (Hochvolt-elektrische Spannung größer als 60 Volt) ausgelegt sein. Das erfindungsgemäße Batteriesystem weist zumindest eine Batteriezelle und eine Messschaltung für eine Diagnosemessung an der zumindest einen Batteriezelle auf. Die Messschaltung kann für eine einzelne Batteriezelle vorgesehen sein und an der Batteriezelle angeordnet oder in die Batteriezelle integriert sein. Die Messschaltung kann aber auch einen Verbund aus einigen oder allen der Batteriezellen des Batteriesystems in der Diagnosemessung berücksichtigen. Die Messschaltung ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Zum Vorgeben oder Einstellen eines Wechselstromprofils und/oder Wechselspannungsprofils kann die Messschaltung beispielsweise einen Mikrocontroller oder zumindest einen Mikroprozessor aufweisen. Der zumindest eine Mikrocontroller und/oder Mikroprozessor kann mit einem Datenspeicher gekoppelt sein, mit welchem Programminstruktionen gespeichert sein können, die bei Ausführung durch den zumindest einen Mikrocontroller und/oder Mikroprozessor diesen veranlassen, die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
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Die Erfindung umfasst schließlich auch ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesystems. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist insbesondere dazu eingerichtet, während einer Fahrt oder in einem Fahrbetrieb in dem Batteriesystem das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Hierzu kann ein Teil der eine einzelne der Batteriezellen des Batteriesystems für die Diagnosemessung aus dem Verbund der Batteriezellen des Batteriesystems abgekoppelt oder weggeschaltet werden. Andernfalls kann der beschriebene Hystereseausgleich auch im Ruhezustand des Fahrzeugs durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
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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 Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs; und
- 2 ein Diagramm mit schematisierten zeitlichen Verläufen von elektrischen Größen des Batteriesystems des Kraftfahrzeugs von 1.
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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 ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. In dem Kraftfahrzeug 10 kann beispielsweise für einen elektrischen Antrieb und/oder eine Klimaanlage ein Batteriesystem 11 bereitgestellt sein, welches in dem Kraftfahrzeug 10 eine Batteriespannung, insbesondere eine Gleichspannung, für zumindest ein batterieexternes Gerät 12 bereitstellen kann. Ein solches Gerät 12 kann beispielsweise eine elektrische Maschine für den Fahrantrieb und/oder ein Klimakompressor sein. Zum Übertragen von elektrischer Energie zwischen dem Batteriesystem 11 und dem zumindest einen batterieexternen Gerät 12 kann ein elektrischer Betriebsstrom 13 ausgetauscht werden.
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Zum Bereitstellen der elektrischen Spannung und des elektrischen Betriebsstroms 13 kann in dem Batteriesystem 11 ein Verbund aus Batteriezellen 14 vorgesehen sein, von denen in 1 beispielhaft nur eine einzelne Batteriezelle 14 näher dargestellt ist. An Batterieklemmen 15 jeder Batteriezelle 14 kann eine Klemmenspannung U bereitgestellt oder erzeugt werden. Hierzu kann in jeder Batteriezelle 14 eine galvanische Zelle 16 bereitgestellt sein, von welcher in 1 ein Ersatzschaltbild 17 als Modell zur Veranschaulichung der Funktionsweise der galvanischen Zelle 16 dargestellt ist. Die Klemmenspannung U kann ein Beitrag zur Batteriespannung für das zumindest eine batterieexterne Gerät 12 sein. Zum Erzeugen des Betriebsstroms 13 kann jede Batteriezelle 14 einen eigenen Zellstrom I erzeugen. Die Klemmenspannung U resultiert hierbei gemäß dem Ersatzschaltbild 17 aus einer internen Leerlaufspannung oder Ruhespannung U0, die in dem Ersatzschaltbild 17 durch eine ideale Spannungsquelle 18 repräsentiert oder erzeugt ist. Aufgrund von beispielsweise einem Innenwiderstand 19 und/oder weiteren parasitären Effekten, die beispielsweise durch eine oder mehrere in Serie geschaltete parallele RC-Glieder 20 modelliert sein können, ergibt sich ein Unterschied zwischen der inneren Ruhespannung U0 und der Klemmenspannung U bei einem Stromfluss des Stroms I. Aber selbst wenn der Strom I abgeschaltet ist, kann aufgrund von Relaxation und/oder Hysterese H in der Elektrochemie der galvanischen Zelle der Batteriezelle 14 noch ein Spannungsunterschied zwischen der Ruhespannung U0 und der Klemmenspannung U bestehen. Zum Unterbrechen des Stroms I kann ein Schaltelement 21 vorgesehen sein, das außerhalb der jeweiligen Batteriezelle 14 oder (nicht dargestellt) in die jeweilige Batteriezelle 14 integriert sein kann.
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Zum Messen der Klemmenspannung U kann eine Messschaltung 22 vorgesehen sein, die in die jeweilige Batteriezelle 14 oder (beispielsweise zum Messen der Klemmenspannung U mehrerer Batteriezellen 14) außerhalb an zumindest einer Batteriezelle 14 angeordnet sein kann. In der Messschaltung 22 kann ein Schaltungskreis 23 für eine EIS (elektrochemische Impedanzspektroskopie) vorgesehen sein. Der Schaltungskreis kann beispielsweise als integrierter Schaltkreis (IC) bereitgestellt sein, beispielsweise als ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Um nach dem Abschalten oder Unterbrechen des Stroms I als Beitrag zum Betriebsstrom 13 die Klemmenspannung U der Ruhespannung U0 anzunähern, kann durch die Messschaltung 22 das im Folgenden beschriebene Verfahren durchgeführt werden.
- 2 veranschaulicht hierzu, wie sich die elektrischen Größen aufgrund des Verfahrens verändern können.
- 2 zeigt über der Zeit t einen zeitlichen Verlauf der Klemmenspannung U, des Stroms I in der beispielhaft betrachteten Batteriezelle 14 und einen Ladezustand SOC der Batteriezelle 14.
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In dem beispielhaften Betriebsablauf gemäß 2 ergeben sich folgende Zeiträume:
- Bisher ist eine online-Umsetzung (im Automobil) nicht bekannt, woraus eine schlechtere Messgenauigkeit und Zustandsschätzung resultiert. Die vorliegende Idee beinhaltet die Online-Minimierung der Hysterese-Einflüsse durch einen EIS-Chip. Bei der Elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) soll die komplexe Impedanz (auch der Innenwiderstand) einer Batteriezelle gemessen werden. Dafür kann die Zelle mit einem Sinussignal aktiv angeregt werden. Diese Form der Batterievermessung soll in künftigen Batteriesystemen durch einen integrierten Schaltkreis realisiert werden, der in dieser Patentidee als EIS-Chip bezeichnet wird. Mit diesem Frequenzgenerator ist es ohne zusätzliche Hardware möglich, den nötigen Chirp zur Hysterese-Eliminierung zu erzeugen.
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Vor der Messung wird die Hysterese der Zelle reduziert, indem ein Chirp-Signal durch den Frequenzgenerator eingebracht wird. Die nachfolgende Messung der Zellspannung erfolgt somit ohne Hysterese-Einfluss. Durch die genauere Zustandsbestimmung kann nicht nur die Sicherheit erhöht, aber auch die Leistungsfähigkeit der Batteriezelle verbessert werden, indem die Systemgrenzen besser ausgenutzt werden.
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Der beschriebene Effekt und die Methodik der Patentidee sind in visualisiert, wobei fünf Zeitbereiche zwischen t0 und t5 betrachtet werden. Im oberen Plot ist der zeitliche Verlauf der Spannung an den Batteriepolen dargestellt. Darunter (im mittleren Fenster) wird der von der Batterie entnommene bzw. eingebrachte Strom aufgezeigt. Im untersten Fenster ist der Ladezustand der Batteriezelle SOC skizziert.
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Zeitraum t0 < t < t1: Die Batteriezelle ist unbelastet (Strom gleich Null) und hat einen Ladezustand von 30 %. Die Zellspannung beträgt ca. 3,6V.
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Zeitraum t1 < t < t2: Die Zelle wird entladen, indem sie den geforderten Strombedarf der Anwendung liefert. Der Ladezustand sinkt kontinuierlich durch die konstante Energieentnahme. Die Ruhespannung der Zelle wird von einem Spannungsabfall am Innenwiderstand und durch ein „Aufladen“ der internen kapazitiven Elemente überlagert.
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Zeitraum t2 < t < t3: Die Zelle wird geladen, wobei sich durch das Umdrehen der Stromrichtung im Vergleich zum Entladen die Spannungsabfälle zur Ruhespannung hinzuaddieren. Der Ladezustand steigt wieder linear auf den Ausgangswert zu Beginn der Simulation, da Lade- und Entladezeit gleich lang sind.
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Übergangszeitraum T: t3 < t < t5:
- Zeitraum t3 < t < t4: In diesem Zeitfenster ist die Zelle wieder unbelastet, wodurch der Spannungsabfall am Innenwiderstand der Zelle Null beträgt und sich die kapazitiven Elemente in exponentieller Form entladen. Da der Ladezustand weiterhin 30% beträgt, müsste nun die Spannung auf 3,6 V zurückkehren. Wie in zu sehen ist, kehrt die Klemmenspannung der Batteriezelle allerdings auch nach Abklingen der Überspannungen nicht auf den Ausgangswert zurück, sondern beträgt ca. 3,8V. Die Differenz aufgrund von Hysterese beträgt somit 0,2V (ΔV bei t4 ≠ 0).
- Zeitraum t4 < t < t5: Somit liegen verschiedene Spannungswerte zu Beginn und nach der Relaxation (bei t4) vor, obwohl der Ladezustand der gleiche ist. Die Hysterese zwischen Klemmenspannung und SOC soll nun durch das vorgeschlagene Verfahren minimiert werden. Durch das aufgeprägte Chirp-Signal wird die Spannung abgesenkt (ΔV bei t5 < ΔV bei t4). Dabei ändert sich mit den gleich großen Halbwellen der Sinus-Schwingungen der Ladezustand der Batteriezelle nicht. Aus der vorliegenden Untersuchung ist ersichtlich, dass durch das Einbringen des entsprechenden Signals der Hysterese-Einfluss minimiert werden kann. Die Umsetzung kann, wie bereits erwähnt, durch einen EIS-Chip erfolgen. Dadurch ist der Einsatz der vorliegenden Patentidee in einem Batteriesystem ohne darüberhinausgehende Messtechnik realisierbar.
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Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung mittels eines Chirp-Signals ein Hysterese-Ausgleich vor einer Diagnosemessung bewirkt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004021346 A1 [0008]
- US 2010/0216043 A1 [0009]
- DE 102013213982 A1 [0010]
