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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von Batteriezellen einer Primärbordnetzbatterie eines Kraftfahrzeugs mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie. Dabei wird den Batteriezellen ein Wechselstromsignal mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal aufgeprägt und Zellspannungssignale der Batteriezellen werden als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal erfasst. In Abhängigkeit von dem Anregungssignal und den Antwortsignalen werden Impedanzspektren der Batteriezellen bestimmt. Zum Bereitstellen des Anregungssignals wird die Primärbordnetzbatterie in zumindest zwei Teilstränge mit jeweils zumindest einer Batteriezelle unterteilt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf Bordnetze für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, welche eine wiederaufladbare Primärbordnetzbatterie aufweisen. Diese Primärbordnetzbatterie, welche beispielsweise als eine Traktionsbatterie für das Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann, weist üblicherweise eine Verschaltung mehrerer Batteriezellen auf. Diese Batteriezellen sollen während des Betriebs des Kraftfahrzeugs überwacht werden. Dazu ist es beispielsweise bekannt, mittels Spannungssensoren und Temperatursensoren an den Batteriezellen eine Zellspannung und eine Temperatur der Batteriezellen zu überwachen. Es ist aber auch wünschenswert, ein dynamisches Verhalten der Batteriezellen zu überwachen, welches beispielsweise eine Alterung der Batteriezellen beschreibt. Dazu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Batteriezellen mittels Impedanzspektroskopie zu überwachen. Bei der galvanostatischen Impedanzspektroskopie wird den Batteriezellen ein Wechselstromsignal mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal eingeprägt und das frequenzabhängige Zellspannungssignal der Batteriezellen als Antwortsignal erfasst. Aus dem Zusammenhang zwischen dem Stromsignal und dem Zellspannungssignal wird das Impedanzspektrum der Batteriezellen bestimmt.
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Für die galvanostatische Impedanzspektroskopie können für jede Batteriezelle entsprechende, zelleigene Erregerschaltungen bereitgestellt werden, welche für jede Batteriezelle ein Anregungssignal erzeugen können. Dies ist jedoch sehr aufwändig und mit hohen Kosten verbunden. Auch kann das Anregungssignal mittels einer externen Erregerschaltung erzeugt werden. Eine solche batterieexterne Erregerschaltung kann beispielsweise ein Umrichter, welcher zwischen die Batterie und eine elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs geschaltet ist, oder ein DC/DC-Wandler, welcher zwischen die Batterie und zumindest einen Verbraucher des Kraftfahrzeugs geschaltet ist, sein. Zum Erzeugen des Anregungssignals können beispielsweise Schaltelemente des Umrichters oder des DC/DC-Wandlers entsprechend angesteuert werden. Der Umrichter weisen jedoch üblicherweise einen Zwischenkreiskondensator zur Welligkeitsdämpfung auf, welcher zwischen die Schaltelemente und die Batterie geschaltet ist und welcher das erzeugte Stromsignal vor dem Einprägen in die Batteriezellen in unerwünschter Weise glätten würde.
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Aus der
US 2018/0364311 A1 ist eine Diagnosevorrichtung für eine Batterie eines Kraftfahrzeugs bekannt, die in einen ersten und einen zweiten Teilstrang teilbar ist. Die Diagnosevorrichtung ist ausgebildet, um einen Strom aus dem ersten Teilstrang zu extrahieren und diesen Strom mit mindestens einer Frequenz in den zweiten Teilstrang einzuspeisen. Die Diagnosevorrichtung ist dabei ein fahrzeugexternes, beispielsweise tragbares Diagnosegerät, welches keine On-Board-Diagnose im Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglicht. Die Diagnose kann beispielsweise nur in einer Werkstatt durchgeführt werden.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, wie eine Impedanzspektroskopie zur Überwachung von Batteriezellen einer Primärbordnetzbatterie eines Kraftfahrzeugs auf einfache und kostengünstige Weise on-board und automatisiert durchgeführt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren, ein Bordnetz sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum Überwachen von Batteriezellen einer Primärbordnetzbatterie eines Kraftfahrzeugs mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie. Bei dem Verfahren wird den Batteriezellen ein Wechselstromsignal mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal eingeprägt und Zellspannungssignale der Batteriezellen werden als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal erfasst. In Abhängigkeit von dem Anregungssignal und den Antwortsignalen werden Impedanzspektren der Batteriezellen bestimmt. Zum Bereitstellen des Anregungssignals wird die Primärbordnetzbatterie in zumindest zwei Teilstränge mit jeweils zumindest einer Batteriezelle unterteilt. Darüber hinaus wird die Primärbordnetzbatterie mit einer Sekundärbordnetzbatterie des Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden und es werden zwei mit den unterschiedlichen Frequenzen alternierende Zyklen durchgeführt. Dabei werdenden Teilsträngen alternierend zwei unterschiedliche Ströme entnommen und ein über die Zyklen aus den zwei Strömen gebildeter sekundärseitiger Konstantstrom wird der Sekundärbordnetzbatterie zugeführt. Alternativ oder zusätzlich wird ein sekundärseitig von der Sekundärbordnetzbatterie bereitgestellter Konstantstrom primärseitig bereitgestellt und den Teilsträngen werden alternierend zwei unterschiedliche, aus dem Konstantstrom gebildete Ströme zugeführt. und ein primärseitig aus den zwei Strömen gebildeter Differenzstrom, dessen Richtung mit den Zyklen alterniert, wird den Batteriezellen als Anregungssignal eingeprägt.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Bordnetz aufweisend eine Primärbordnetzbatterie mit mehreren verschalteten Batteriezellen, eine Sekundärbordnetzbatterie und eine On-Board-Diagnosevorrichtung, welche dazu ausgelegt ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Dazu weist die On-Board-Diagnosevorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, den Batteriezellen das Wechselstromsignal mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal einzuprägen. Außerdem weist die On-Board-Diagnosevorrichtung eine Messeinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, die Zellspannungssignale der Batteriezellen als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal zu erfassen und in Abhängigkeit von dem Anregungssignal und den Antwortsignalen die Impedanzspektren der Batteriezellen zu bestimmen. Die Primärbordnetzbatterie ist in zumindest zwei Teilstränge mit jeweils zumindest einer Batteriezelle unterteilt und über die Steuereinrichtung mit der Sekundärbordnetzbatterie elektrisch verbunden. Die Steuereinrichtung ist dazu ausgelegt, zwei mit den unterschiedlichen Frequenzen alternierende Zyklen durchzuführen. Dabei ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, den Teilsträngen alternierend zwei unterschiedliche Ströme zu entnehmen und einen über die Zyklen aus den zwei Strömen gebildeten sekundärseitigen Konstantstrom der Sekundärbordnetzbatterie zuzuführen. Auch ist die Steuereinrichtung dazu ausgelegt, einen sekundärseitigen von der Sekundärbordnetzbatterie bereitgestellten Konstantstrom primärseitig bereitzustellen und den Teilsträngen alternierend zwei unterschiedliche, aus dem Konstantstrom gebildete Ströme zuzuführen. Die Steuereinrichtung ist außerdem dazu ausgelegt, einen primärseitig aus den zwei Strömen gebildeten Differenzstrom, dessen Richtung mit den Zyklen alterniert, den Batteriezellen der Primärbordnetzbatterie als Anregungssignal zuzuführen bzw. einzuprägen.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Bordnetz mit einem Primärbordnetz und einem Sekundärbordnetz. Die Primärbordnetzbatterie des Primärbordnetzes ist insbesondere eine Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs, sodass das Kraftfahrzeug als ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug ausgebildet ist. Die wiederaufladbare Primärbordnetzbatterie bzw. der Primärbordnetzakkumulator ist insbesondere ein Hochvoltenergiespeicher und zur Energieversorgung zumindest einer Primärbordnetzkomponente des Primärbordnetzes, beispielsweise einer Hochvoltkomponente in Form von einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs, ausgebildet. Die wiederaufladbare Sekundärbordnetzbatterie bzw. der Sekundärbordnetzakkumulator des Sekundärbordnetzes ist insbesondere ein Niedervoltenergiespeicher, beispielsweise eine 12 V-Batterie, und zur Energieversorgung zumindest einer Sekundärbordnetzkomponente des Sekundärbordnetzes ausgebildet. Das Sekundärbordnetz kann beispielsweise zum Bereitstellen eines hochautomatisierten Fahrens (HAF) des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein und als die zumindest eine Sekundärbordnetzkomponente eine Niedervoltkomponente in Form von einem HAF-Steuergerät aufweisen.
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Die Primärbordnetzbatterie weist eine Verschaltung, beispielsweise eine Serienschaltung, von Batteriezellen auf. Die Batteriezellen können beispielsweise als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet sein. Die Primärbordnetzbatterie weist insbesondere einen Mittelabgriff auf, über welchen die Verschaltung in die zumindest zwei, insbesondere gleich großen, und seriell miteinander verschalteten Teilstränge unterteilt wird. Jeder Teilstrang weist insbesondere mehrere miteinander verschaltete Batteriezellen auf. Um die Batteriezellen im Betrieb der Batterie überwachen zu können, wird mittels der On-Board-Diagnosevorrichtung die galvanostatische Impedanzspektroskopie durchgeführt. Mittels der Impedanzspektroskopie können physikalisch-chemische Effekte der Batteriezelle, welche ein dynamisches Verhalten der Batteriezellen beschreiben und damit insbesondere für die Batteriedynamik von Bedeutung sind, erfasst bzw. identifiziert werden.
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Dazu werden die Batteriezellen jeweils mit einem Wechselstromsignal belastet, welches Wechselströme unterschiedlicher Frequenzen aufweist. Die Wechselströme können beispielsweise sinusförmig oder rechteckförmig sein. Dieses Wechselstromsignal stellt ein Anregungssignal für die Batteriezellen dar, auf welches eine Zellchemie der Batteriezellen reagiert. Diese Reaktion einer Batteriezelle ist anhand des zugehörigen, frequenzabhängigen Zellspannungssignals erfassbar, welches insbesondere für jede Batteriezelle als Antwortsignal auf das aufgeprägte Anregungssignal bestimmt wird. Zum Erfassen des Zellspannungssignals einer Batteriezelle wird für verschiedene Frequenzen, beispielsweise ausgehend von mehreren Kilohertz bis hinab in den Millihertz-Bereich, die Zellspannung der Batteriezelle als Reaktion auf den ihr zugeführten Wechselstrom gemessen. Insbesondere weist die Messeinrichtung der On-Board-Diagnosevorrichtung für jede Batteriezelle einen Spannungssensor zum Erfassen des Zellspannungssignals auf. Aus dem Zusammenhang zwischen dem frequenzabhängigen Wechselstromsignal und dem frequenzabhängigen Zellspannungssignal einer Batteriezelle kann das Impedanzspektrum für diese Batteriezelle bestimmt werden.
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Um das Anregungssignal in Form von dem Wechselstromsignal zu erzeugen, wird die Primärbordnetzbatterie in die zumindest zwei Teilstränge bzw. Batterieeinheiten unterteilt. Die Teilstränge werden über die Steuereinrichtung in jeweils einen Stromkreis eingebunden, wobei die Stromflüsse in den Stromkreisen separat steuerbar sind. Anders ausgedrückt ist Steuereinrichtung dazu ausgelegt, ein Entladen und Laden der jeweiligen Teilstränge, und damit der Batteriezellen der Teilstränge, zu steuern. Die Steuereinrichtung koppelt außerdem das Primärbordnetz mit dem Sekundärbordnetz. Die Steuereinrichtung weist insbesondere eine Gleichspannungswandlungseinrichtung auf, welche mit den Teilsträngen und mit der Sekundärbordnetzbatterie elektrisch verbunden ist und welche dazu ausgelegt ist, den Teilsträngen die unterschiedlichen Ströme bzw. die Ströme unterschiedlicher Höhe zu entnehmen und/oder zuzuführen.
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Über die Steuereinrichtung werden den Teilsträngen pro Zyklus Ströme unterschiedlicher Höhe entnommen oder zugeführt. In einem ersten Zyklus wird dem ersten Teilstrang dabei ein erster Strom und dem zweiten Teilstrang ein zweiter Strom entnommen oder zugeführt. In einem zweiten Zyklus wird dem ersten Teilstrang der zweite Strom und dem zweiten Teilstrang der erste Strom entnommen oder zugeführt. Es wird also jedem Teilstrang abwechselnd ein erster und ein zweiter Strom so entnommen oder zugeführt, dass die den Teilsträngen entnommenen oder zugeführten Ströme pro Zyklus unterschiedlich sind, der Primärbordnetzbatterie jedoch ein über die Zyklen konstanter Gesamtstrom, nämlich der Konstantstrom, entnommen oder zugeführt wird. Mit dem entnommenen Konstantstrom kann die Sekundärbordnetzbatterie geladen werden, welche als Puffer bzw. Zwischenspeicher der der Primärbordnetzbatterie entnommenen elektrischen Energie dient. Mit dieser Energie kann beispielsweise die zumindest eine Sekundärbordnetzkomponente versorgt werden. Auch kann die Sekundärbordnetzbatterie diesen Konstantstrom bereitstellen, welcher über die bidirektionale Gleichspannungswandlungseinrichtung in das Primärbordnetz überführt wird.
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Die alternierende Belastung der Teilstränge mit unterschiedlichen Strömen führt im Mittelabgriff zu einem Differenzstrom, dessen Richtung sich mit jedem Zyklus ändert und welcher primärseitig in den Batteriezellen wie ein Wechselstromsignal wirkt. Während eines Zyklus wird somit eine Periodenhälfte des Wechselstromsignals generiert. Dieses Wechselstromsignal stellt das Anregungssignal dar. Die Zyklen können mit unterschiedlichen Frequenzen alterniert werden, indem eine Zeitdauer der einzelnen Zyklen variiert wird. So können Wechselströme unterschiedlicher Frequenz bereitgestellt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, da keine zusätzlichen Erregerschaltungen für die Batteriezellen vorgesehen werden müssen. Vielmehr wird die Steuereinrichtung, welche das Primärbordnetz und das Sekundärbordnetz koppelt, verwendet und befähigt, das Anregungssignal zu erzeugen. Dies spart sowohl Bauraum als auch Materialkosten. Dadurch, dass die für die Anregungssignalerzeugung verwendete elektrische Energie nur zwischen der Sekundärbordnetzbatterie und der Primärbordnetzbatterie transferiert wird, ist das Verfahren außerdem besonders energieeffizient ausgebildet.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn aus dem Impedanzspektrum einer Batteriezelle zumindest eine frequenzabhängige Kenngröße der Batteriezelle bestimmt wird. Vorzugsweise wird als die zumindest eine frequenzabhängige Kenngröße der Batteriezelle eine Temperatur und/oder ein Ladezustand und/oder eine Alterung der Batteriezelle bestimmt. Mittels der Impedanzspektroskopie kann also sowohl ein dynamisches Verhalten der Batteriezellen als auch ein statisches Verhalten der Batteriezellen bestimmt werden. Dazu wird das Impedanzspektrum einer Batteriezelle als Impedanzkurve dargestellt, deren qualitativer und quantitativer Verlauf untersucht werden kann und beispielsweise mit einer Referenzimpedanzkurve verglichen werden kann. In dieser Impedanzkurve spiegeln sich Änderungen des Batteriezellverhaltens infolge der Temperatur, des Ladezustands (SOC) und des Alterungszustands bzw. Gesundheitszustands (SOH) wider.
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Vorzugsweise weist die Gleichspannungswandlungseinrichtung einen ersten Gleichspannungswandler, welcher primärseitig mit dem ersten Teilstrang elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Gleichspannungswandler auf, welcher primärseitig mit dem zweiten Teilstrang elektrisch verbunden ist, wobei die Gleichspannungswandler sekundärseitig miteinander und mit der Sekundärbordnetzbatterie elektrisch verschaltbar sind. Somit ist ein erster Stromkreis aufweisend den ersten Gleichspannungswandler und den ersten Teilstrang und ein zweiter Stromkreis aufweisend den zweiten Gleichspannungswandler und den zweiten Teilstrang ausgebildet. In diesen zwei Stromkreisen können unterschiedliche Ströme zirkulieren. Die Verwendung von zwei Gleichspannungswandlern weist außerdem den Vorteil auf, dass bei einem Fehler in einem Teilstrang der Primärbordnetzbatterie die Sekundärbordnetzbatterie aus dem jeweils anderen, fehlerlosen Teilstrang über den zugehörigen Gleichspannungswandler mit Energie versorgt werden kann. Die Gleichspannungswandler stellen also eine Redundanz bereit, durch welche eine hohe Zuverlässigkeit, beispielsweise für die HAF-Steuergeräte, bereitgestellt werden kann.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Bordnetz sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Darstellung einer Ausführungsform eines Bordnetzes während eines ersten Zyklus; und
- 2 das Bordnetz gemäß 1 während eines zweiten Zyklus.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 und 2 zeigen ein Bordnetz 1 für ein Kraftfahrzeug. Das Bordnetz 1 weist ein Primärbordnetz 2 und ein Sekundärbordnetz 3 auf. Das Primärbordnetz 2 weist eine Primärbordnetzbatterie 4 auf, welche beispielsweise als Traktionsbatterie für das als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildete Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Die Primärbordnetzbatterie 4 ist hier als eine Hochvoltbatterie ausgebildet und mit zumindest einem Hochvoltverbraucher des Bordnetzes 1, beispielsweise einer elektrischen Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs, elektrisch verbunden. Die Primärbordnetzbatterie 4 ist hier über einen Mittelabgriff M in zwei Teilstränge 4a, 4b unterteilt, welche jeweils eine Verschaltung von Batteriezellen 5 aufweisen. Das Sekundärbordnetz 3 weist eine Sekundärbordnetzbatterie 6 auf, welche insbesondere als eine Niedervoltbatterie ausgebildet ist und dazu ausgelegt ist, zumindest einen Niedervoltverbraucher, beispielsweise zumindest ein Steuergerät zum autonomen Fahren, mit elektrischer Energie zu versorgen.
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Das Primärbordnetz 2 und das Sekundärbordnetz 3 sind über eine Steuereinrichtung 7 elektrisch verschaltet, welche hier eine Gleichspannungswandlungseinrichtung 8 aufweist. Die Gleichspannungswandlungseinrichtung 8 weist einen ersten Gleichspannungswandler DCDC-1 auf, welcher primärseitig, also aufseiten des Primärbordnetzes 2, über einen ersten Anschlusspunkt A1 der Primärbordnetzbatterie 4 und den Mittelabgriff M der Primärbordnetzbatterie 4 mit dem ersten Teilstrang 4a der Primärbordnetzbatterie 4 elektrisch verbunden ist, und einen zweiten Gleichspannungswandler DCDC-2 auf, welcher primärseitig über einen zweiten Anschlusspunkt A2 der Primärbordnetzbatterie 4 und den Mittelabgriff M mit dem zweiten Teilstrang 4b der Primärbordnetzbatterie 4 elektrisch verbunden ist. Sekundärseitig, also aufseiten des Sekundärbordnetzes 3, sind die Gleichspannungswandler DCDC-1, DCDC-2 miteinander und mit der Sekundärbordnetzbatterie 6 elektrisch verbunden. Die Gleichspannungswandler DCDC-1, DCDC-2 bilden eine Redundanz aus. Falls zumindest eine Batteriezelle 5 in einem der Teilstränge 4a, 4b, beispielsweise im zweiten Teilstrang 4b, einen Fehler aufweist, so kann die Sekundärbordnetzbatterie 6 über den ersten Gleichspannungswandler DCDC-1 weiterhing mit Energie aus dem ersten Teilstrang 4a versorgt werden. Die Gleichspannungswandlungseinrichtung 8 ist außerdem über zwei Anschlusspunkte B1, B2 mit einer Zwischenkreiskondensator Cz des Primärbordnetzes 2 elektrisch verbunden.
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Die Steuereinrichtung 7 mit der Gleichspannungswandlungseinrichtung 8 ist außerdem Teil einer On-Board-Diagnosevorrichtung 9, über welche die Batteriezellen 5 im Betrieb der Primärbordnetzbatterie 4, beispielsweise während eines Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs, überwacht werden können. Dazu wird zumindest eine frequenzabhängige, batteriedynamische Kenngröße der Batteriezellen 5, beispielsweise eine Temperatur und/oder ein Ladezustand und/oder eine Alterung der Batteriezellen 5, bestimmt. Hierfür ist die On-Board-Diagnosevorrichtung 9 dazu ausgelegt, die Batteriezellen 5 der Primärbordnetzbatterie 4 mittels galvanostatischer Impedanzspektroskopie zu überwachen. Die On-Board-Diagnosevorrichtung 9 umfasst neben der Steuereinrichtung 7 außerdem eine Messeinrichtung 10.
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Zum Durchführen der Impedanzspektroskopie kann die Steuereinrichtung 7 den Batteriezellen 5 ein Anregungssignal in Form von einem Wechselstromsignal mit Wechselströmen unterschiedlicher Frequenzen einprägen. Das Anregungssignal erzeugt einen Spannungsabfall an den Batteriezellen 5, welcher von der Messeinrichtung 10 erfasst werden kann. Die Messeinrichtung 10 ist ein Impedanzspektroskopiemessgerät und weist insbesondere für jede Batteriezelle 5 einen Spannungssensor zur Erfassung eines Zellspannungssignals der zugeordneten Batteriezelle 5 auf. Die Messeinrichtung 10 erfasst dabei an jeder Batteriezelle 5 das Zellspannungssignal als Antwortsignal der Batteriezelle 5 auf das Anregungssignal. Eine Auswerteeinheit der Messeinrichtung 10 ist dazu ausgelegt, aus dem Zellspannungssignal und dem Wechselstromsignal für jede Batteriezelle 5 ein Impedanzspektrum zu bestimmen. Dazu wird die Impedanz der Batteriezelle 5 bei den verschiedenen Frequenzen des Anregungssignals ermittelt. Anhand des Impedanzspektrums einer Batteriezelle 5 können die batteriedynamischen Kenngrößen dieser Batteriezellen 5 bestimmt und überwacht werden.
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Zur Erzeugung des Anregungssignals werden abwechselnd zwei Zyklen Z1, Z2 durchgeführt, wobei ein erster Zyklus Z1 in 1 und ein zweiter Zyklus Z2 in 2 gezeigt ist. In jedem Zyklus Z1, Z2 wird dabei eine Periodenhälfte des, beispielsweise sinusförmigen oder rechteckförmigen, Wechselstroms für das Anregungssignal erzeugt. Zum Variieren der Frequenzen der Wechselströme des Anregungssignals werden die Zeitdauern der Zyklen Z1, Z2 variiert. Während des ersten Zyklus Z1 wird hier dem ersten Teilstrang 4a über den ersten Gleichspannungswandler DCDC-1 ein erster Strom I1, beispielsweise 20 A, und dem zweiten Teilstrang 4büber den zweiten Gleichspannungswandler DCDC-2 ein im Vergleich zum ersten Strom I1 unterschiedlicher zweiter Strom I2, beispielsweise 10A, entnommen. Die Batteriezellen 5 des ersten Teilstrangs 4a werden also während des ersten Zyklus Z1 beispielsweise mit 20 A entladen und die Batteriezellen 5 des zweiten Teilstrangs 4b werden mit 10 A entladen. Während des zweiten Zyklus Z2 wird dabei dem ersten Teilstrang 4a über den ersten Gleichspannungswandler DCDC-1 der zweite Strom I2 und dem zweiten Teilstrang 4b über den zweiten Gleichspannungswandler DCDC-2 der erste Strom I1 entnommen. Die Batteriezellen 5 des ersten Teilstrangs 4a werden also während des zweiten Zyklus mit 10 A entladen und die Batteriezellen 5 des zweiten Teilstrangs 4b werden mit 20 A entladen. Die unterschiedliche Belastung der Teilstränge 4a, 4b während eines Zyklus Z1, Z2 kann auf einfache Weise über die Ansteuerung der Gleichspannungswandler DCDC-1 und DCDC-2 realisiert werden.
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Da beide Teilstränge 4a, 4b insbesondere die gleiche Spannungshöhe, beispielsweise 400 V, aufweisen, wird in beiden Zyklen Z1, Z2 von der Primärbordnetzbatterie 4 die gleiche Gesamtleistung bereitgestellt. In dem ersten Zyklus Z1 wird beispielsweise von dem ersten Teilstrang 4a die Teilleistung 400 V*20 A=8 kW und von dem zweiten Teilstrang 4b die Teilleistung 400 V*10 A=4 kW, also insgesamt 12 kW Gesamtleistung, bereitgestellt. Im zweiten Zyklus Z2 wird von dem ersten Teilstrang 4a die Teilleistung 400 V*10 A=4 kW und von dem zweiten Teilstrang die Teilleistung 400 V*20 A=8 kW, also insgesamt ebenfalls 12 kW Gesamtleistung, bereitgestellt. Über die Zyklen Z1, Z2 betrachtet, wird also der Primärbordnetzbatterie 4 ein konstanter Gesamtstrom entnommen, welcher als ein Konstantstrom Ik der Sekundärbordnetzbatterie 6 des Sekundärbordnetzes 3 zugeführt wird.
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Alternativ dazu könnten die Teilstränge 4a, 4b in den unterschiedlichen Zyklen Z1, Z2 auch mit den unterschiedlichen Strömen I1, I2 geladen werden. Beispielsweise kann während des ersten Zyklus Z1 der erste Teilstrang 4a mit dem ersten Strom I1 und der zweite Teilstrang 4b mit dem zweiten Strom I2 geladen werden. Während des zweiten Zyklus Z2 wird der erste Teilstrang 4a mit dem zweiten Strom I2 und der zweite Teilstrang 4b mit dem ersten Strom I1 geladen. Zum Bereitstellen der Ladeströme I1, I2 wird der Sekundärbordnetzbatterie 6 ein über die Zyklen Z1, Z2 konstanter Strom Ik entnommen und über die Gleichspannungswandler DCDC-1 und DCDC-2 in das Primärbordnetz 2 überführt. Auch ist es möglich, dass der Konstantstrom lk=0 A beträgt und die Sekundärbordnetzbatterie 6 nur als Puffer verwendet wird.
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Die während eines Zyklus Z1, Z2 unterschiedliche Belastung der Teilstränge 4a, 4b führt im Mittelabgriff M zu einem Differenzstrom Idiff, hier beispielsweise mit einer Amplitudenhöhe von 10 A, welcher mit den Zyklen Z1, Z2 seine Richtung ändert. Dieser Strom Idiff wirkt also in den Batteriezellen 5 als ein Wechselstrom und stellt somit das Anregungssignal dar. Dieser Wechselstrom erzeugt in den Batteriezellen 5 den Spannungsabfall, welcher von der Messeinrichtung 10 erfasst werden kann. Eine solche Anregung der Batteriezellen 5 verursacht in vorteilhafter Weise keine oder kaum eine Welligkeit in Komponenten des Primärbordnetzes 2, welche an die Anschlusspunkte B1, B2 angeschlossen sind, also beispielsweise im Zwischenkreiskondensator Cz.
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Durch das Überführen der Energie aus dem Primärbordnetz 2 in das Sekundärbordnetz 3 können auf kostengünstige und energieeffiziente Weise eine Anregung der Batteriezellen 5 für die Impedanzspektroskopie und gleichzeitig eine Versorgung des Sekundärbordnetzes 3 bereitgestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0364311 A1 [0004]
