DE102021210298A1

DE102021210298A1 - Batteriemesssystem

Info

Publication number: DE102021210298A1
Application number: DE102021210298.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Weber; Clemens Van Zeyl
Original assignee: Heimdalytics GmbH
Current assignee: HEIMDALYTICS GMBH, DE
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2023-03-16
Also published as: AU2022346190A1; WO2023041727A1; CA3231626A1; WO2023041727A4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batteriezellen-Messeinheit (213...218), die eingerichtet ist, Messgrößen einer Batteriezelleinheit (223...228) in einem Zellstrang (202, 204) einer Batterie zu erfassen. Die Messeinheit (213...218) ist weiterhin eingerichtet, während des Betriebs der Batterie Messgrößen für die Ermittlung eines Zustandes der Batteriezelleinheit (223...228) zu erfassen und die ermittelten Messgrößen als Messdatensatz einer Batteriesteuereinheit (104) bereitzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Batteriezellen-Messeinheit, eine Messeinheitenanordnung, ein Batteriemesssystem, eine Verwendung des Batteriemesssystems, ein elektrisch betriebenes Fortbewegungsmittel, ein stationärer Speicher, z. B. zur Netzfrequenzregulierung oder ein Microgrid-Speicher, und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Messdatensatzes einer Batteriezelleinheit in einem Zellstrang einer Batterie für eine Ermittlung eines Zustands der Batteriezelleinheit.
Stand der Technik
Der Zustand von Batterien, z.B. Batterien eines Fortbewegungsmittels oder auch in einem stationären Speicher, wird gewöhnlicher Weise durch das Monitoren von Zellspannungen, -strömen und -temperaturen ermittelt. Dieses Verfahren ist oft ungenau, da in diesem nicht das komplexe Verhalten der Batterie berücksichtig wird. Des Weiteren bleiben auch alterungsbedingte Veränderungen unberücksichtigt. Um eine hochgenaue Zustandserfassung zu erhalten, kann die Batterie ausgebaut und in einen Messstand gebracht werden. Dort kann dann ein Impedanzspektrum der gesamten Batterie ermittelt werden und mit Referenzwerten verglichen werden. Diese Vorgehensweise ist umständlich und teuer und wird daher relativ selten durchgeführt. Dies hat dann auch beispielsweise die Konsequenz, dass der aktuelle Status nicht ständig verfügbar ist und die erwartete Lebensdauer nicht hinreichend bekannt ist. Dies kann zu gefahrbringenden Situationen führen, weshalb in regelmäßigen Abständen Batterien ausgetauscht werden müssen und Ersatzbatterien vorgehalten werden müssen.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung könnte daher sein, ein verbessertes System zur Zustandsermittlung einer Batterie bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen in ähnlicher Weise die Batteriezellen-Messeinheit, die Messeinheitenanordnung, das Batteriemesssystem, die Verwendung des Batteriemesssystems, das elektrisch betriebene Fortbewegungsmittel, den stationären Speicher und das Verfahren zum Bereitstellen eines Messdatensatzes einer Batteriezelleinheit in einem Zellstrang einer Batterie für eine Ermittlung eines Zustands der Batteriezelleinheit. Synergieeffekte können sich aus verschiedenen Kombinationen der Ausführungsformen ergeben, obwohl sie möglicherweise nicht im Detail beschrieben werden.
Ferner ist zu beachten, dass alle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die ein Verfahren betreffen, in der beschriebenen Reihenfolge der Schritte ausgeführt werden können, jedoch muss dies nicht die einzige und wesentliche Reihenfolge der Schritte des Verfahrens sein. Die hier vorgestellten Verfahren können mit einer anderen Reihenfolge der offenbarten Schritte ausgeführt werden, ohne von der jeweiligen Verfahrensausführungsform abzuweichen, sofern im Folgenden nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Batteriezellen-Messeinheit bereitgestellt. Die Messeinheit ist eingerichtet, Messgrößen einer Batteriezelleinheit in einem Zellstrang einer Batterie zu erfassen. Die Messeinheit ist weiterhin eingerichtet, während des Betriebs der Batterie Messgrößen für die Ermittlung eines Zustandes der Batteriezelleinheit zu erfassen und die ermittelten Messgrößen als Messdatensatz einer Batteriesteuereinheit bereitzustellen.
Somit wird eine Messeinheit bereitgestellt, die z. B. physikalische oder chemische Messgrößen erfasst, die geeignet sind, einen Zustand der Batterie oder Umgebungsbedingen der Batterie zu beschreiben. Eine wesentliche Eigenschaft der Messeinheit ist hierbei, dass sie eingerichtet, die Messgrößen während des zweckbestimmten Betriebs der Batterie zu erfassen. Dies kann zum Beispiel im Falle eines Fortbewegungsmittels während der Fahrt oder Flugs sein. Es wird darauf hingewiesen, dass durch die Messeinheit nicht der Zustand des Batteriesystems als Ganzes erfasst wird, sondern lediglich der Zustand einer Batteriezelleinheit. Es ist dabei auch möglich, den Zustand mehrerer Zelleinheiten gleichzeitig zu erfassen. Das heißt, ein wesentlicher Punkt hierbei ist, dass diejenigen Zelleinheiten, für die gerade keine Messung vorgenommen werden, weiterhin operativ sind, so dass das Batteriesystem durch diese Zelleinheiten auch während der Messung im Einsatz ist bzw. sein kann. Die in der Messung befindlichen Batteriezelleinheiten hingegen werden dabei während der Messung kurzzeitig vom operativen Betrieb abgekoppelt, so dass eine exakte Messung ohne z.B. Abfluss von Messströmen oder Interferenzen erfolgen kann, wie in den nachfolgenden Ausführungsformen genauer beschrieben.
Ein Zustand ist beispielsweise ein Ladezustand oder ein „Gesundheits-“ Zustand, oder eine physikalische oder chemische Eigenschaft, die sich durch die Nutzung der Batterie oder generell über die Zeit ändern kann. Eine Batteriezelleinheit kann ein Energiespeicherelement oder mehrere parallel oder seriell angeordnete Energiespeicherelemente aufweisen. Der Aufbau der Batterie mit Batteriezelleinheiten und Zellsträngen wird unten beschrieben.
Der Messdatensatz kann außer den gemessenen Größen noch weitere Werte enthalten, die die Messeinheit z.B. aus den Messgrößen berechnet, wie z.B. Impedanzwerte. Der Messdatensatz enthält nicht notwendigerweise alle gemessenen Werte.
Die ermittelten Messgrößen als Messdatensatz einer Batteriesteuereinheit bereitgestellt. Die Batteriesteuereinheit steuert beispielsweise die Messung und kann die Messdaten auswerten, wie nachfolgend weiter ausgeführt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Messeinheit weiterhin eingerichtet, folgende Messgrößen zu erfassen: Einen in die Batteriezelleinheit injizierten Wechselstrom mit unterschiedlichen Frequenzen als Anregung für eine Bestimmung eines Impedanzspektrums, und eine Spannung und eine Phase relativ zum injizierten Wechselstrom als Spannungsantwort für die Bestimmung des Impedanzspektrums. Hierbei ist die Messeinheit ferner eingerichtet, Werte der erfassten Messgrößen und/oder Werte des Impedanzspektrums mit einem Zeitstempel zu versehen und als Messdatensatz der Batteriesteuereinheit bereitzustellen.
Die Bestimmung des Impedanzspektrums kann durch die Messeinheit erfolgen, die die bestimmten bzw. berechneten Werte des Impedanzspektrums an die Batteriesteuereinheit sendet, oder die Messeinheit sendet die Rohdaten an die Batteriesteuereinheit, die dann aus den empfangenen Rohdaten Werte des Impedanzspektrums bestimmt.
Das Impedanzspektrum bildet die Impedanz der Batteriezelleinheit in Abhängigkeit der Frequenz ab. Die Impedanz kann als Betrag und Phase oder als Realteil und Imaginärteil dargestellt werden. Der Frequenzbereich liegt beispielsweise zwischen wenigen Millihertz und wenigen Kilohertz. Dabei wird eine sinusförmige (auch multisinusförmige) Stromanregung mit ganzzahliger Periode in jede Zelleinheit injiziert und mit Hilfe z.B. einer Vierpunktmessung die Spannungsantwort gemessen. Durch Fourier-Transformation erhält man das komplexe Frequenzspektrum der Impedanz nach Betrag und Phase (oder auch Real- und Imaginärteilwert). Das Erfassen des Wechselstroms und der Spannungsantwort für die Impedanzspektroskopie wird durch die Messeinheit für die einzelne Batteriezelleinheit vorgenommen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Messeinheit weiterhin eingerichtet, zusätzlich einen oder mehrere der folgenden Messgrößen zu erfassen: Temperatur, Druck in der Batteriezelleinheit, chemische und physikalische Parameter.
Auf den Gesamtzustand der Batteriezelleinheit kann somit durch die einzelnen physikalischen und chemischen Zustände geschlossen werden, die beispielsweise einen Ladezustand, einen „Gesundheits-“ Zustand und/oder die Lebensdauer der Batteriebeeinflussen können.
Die Messeinheit kann weiterhin eingerichtet sein, den Messdatensatz der Batteriesteuereinheit drahtlos z.B. gemäß einem Kurzreichweiten-Funkstandard oder drahtgebunden, z.B. über Ethernet oder einen CAN-Bus bereitzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Messeinheitenanordnung mit einer Vielzahl von hierin beschriebenen Messeinheiten für eine Vielzahl von Batteriezelleinheiten in der Batterie bereitgestellt. Die Batterie weist eine Gleichstrom-Sammelverbindung mit mehreren an dieser Gleichstrom-Sammelverbindung parallel angeordneten Zellsträngen auf, wobei jeder Zellstrang ein oder mehreren in Serie geschalteten Batteriezelleinheiten aufweist. Zumindest ein Teil der Zellstränge weist jeweils eine oder mehrere Messeinheiten auf, die jeweils Messgrößen einer Batteriezelleinheit erfassen. Die eine oder mehrere Messeinheiten sind eingerichtet, Messgrößen von Batteriezelleinheiten des Zellstrangs gleichzeitig zu erfassen und die erfassten Messgrößen für die Bereitstellung für die Batteriesteuereinheit als Messdatensatz zu organisieren.
Die Batteriezelleinheiten können als in Serie und/oder parallel geschaltete Zellen organisiert sein, die Zellmodule bilden.
Die Anzahl der Messeinheiten kann dabei der Anzahl der Batteriezelleinheiten entsprechen, so dass beispielsweise jeder Batteriezelleinheit eine Messeinheit zugeordnet ist. Es wären aber auch möglich, dass mehrere Batteriezelleinheiten eines Zellstrangs einer Messeinheit zugeordnet sind. Vorzugsweise werden alle Batteriezelleinheiten eines Zellstrangs gleichzeitig gemessen. Dies ist insofern von Bedeutung, als dass dadurch Messungen z.B. schaltbar pro Zellstrang vorgenommen werden können, wie weiter unten noch ausführlicher beschrieben wird, wodurch die Messzeit verkürzt wird. Es sei hier angemerkt, dass in dieser Offenbarung eine Batteriezelleinheit mehrere Zellen, die hierin auch als Energiespeicherelemente bezeichnet werden, enthalten kann. Das heißt, eine Messeinheit injiziert Strom und misst Werte für eine Batteriezelleinheit mit mehreren, z.B. 14. Zellen bzw. Energiespeicherelementen. Die Energiespeicherelemente werden in dieser Offenbarung nicht weiter unterschieden.
Die Zellstränge enden an einem ihrer Enden an einer Gleichstrom-Sammelverbindung, die beispielsweise durch eine Stromsammelschiene oder Kabelverbindung realisiert sein kann, an der die Batteriespannung bzw. der Strom aus allen angeschlossenen Zellsträngen zur Verfügung steht, bzw. zur Verfügung gestellt wird.
Die Messdaten können z.B. als Messdatensatz, der z.B. mehrere Messgrößen sowie Zeitparameter enthalten kann, organisiert sein, die die Messeinheiten an die Batteriesteuereinheit übertragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Batteriemesssystem bereitgestellt, das eine hierein beschriebene Messeinheitenanordnung mit einer Vielzahl von in mindestens einem Zellstrang angeordneten Messeinheiten aufweist, sowie eine Batteriesteuereinheit und jeweils eine Stromquelle für jede Messeinheit, die auch als Senke arbeiten kann. Jede der Messeinheiten ist mindestens einer Batteriezelleinheit zugeordnet, und jede der Messeinheiten ist eingerichtet, Messdatensätze an die Batteriesteuereinheit zu senden. Die Batteriesteuereinheit ist eingerichtet, Messdatensätze von Messeinheiten mindestens eines Zellstrangs zu empfangen. Die Stromquellen sind jeweils eingerichtet, um einen mit einer Frequenz beaufschlagten Strom in die Batteriezelleinheit der zugeordneten Messeinheit zu injizieren.
In anderen Worten ist jeder Messeinheit eine Stromquelle zugeordnet, die einen Strom in diejenigen Batteriezelleinheiten injiziert, die der Messeinheit zugeordnet sind. Der Strom weist dabei eine Frequenz auf. Dass der Strom eine Frequenz aufweist, ist hierbei so zu verstehen, dass er mindestens eine Frequenz aufweist bzw. dass er eine Überlagerung oder Sequenz von Strömen mit unterschiedlichen Frequenzen darstellt. Die verschiedenen Frequenzen können gleichzeitig oder nacheinander auftreten. Die Stromquelle kann als Quelle und als Senke arbeiten. Daraus kann der Strom z.B. sinusförmig, also mit positiver und negativer Amplitude als Anregung moduliert werden.
Die Batteriesteuereinheit ist weiterhin mit einer Logik ausgestattet, die auch die Ausführung von Diagnosefunktionen erlaubt. Die Diagnosefunktionen basieren auf einem Modell eines Maschinenlernverfahrens. Die Batteriesteuereinheit empfängt das Modell, bzw. die Werte der Modellparameter über eine Drahtloslosschnittstelle, oder alternativ über eine drahtgebundene Schnittstelle von einer Recheneinheit, wie nachfolgend genauer beschrieben wird. Die Logik kann Hardware- und/oder Softwareelemente enthalten. Es versteht sich, dass die Batteriesteuereinheit entsprechend ihrer Aufgaben über Hardware wie Prozessoren, Logikbausteine, Programmspeicher und Register, Uhrbausteine etc. verfügen kann. Die Diagnosefunktionen betreffen insbesondere Merkmale des Inneren der Batterie, Stromstatistiken, etc. Beispiele für Diagnosefunktionen sind der aktuelle Ladezustand oder „State of Charge“ (SoC), der State of Health (SoH), die Temperatur des Zellkerns oder auch ein Vorgabe-(empfehlungs-) wert für die kommende maximale Leistungsabgabe/-aufnahme des Batteriesystems zur Schonung und Lebensdauerverlängerung. Es müssen hierbei nicht zwangsweise alle gennannten oder bereitgestellten Diagnosefunktionen durch das Modell bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die Zelltemperatur weiterhin direkt durch einen Temperatursensor erfasst werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist jeder Zellstrang einen Schalter oder einen schaltbaren Wandler zur Abtrennung des Zellstrangs von den anderen Zellsträngen auf, wobei nur diejenigen Messeinheiten Messgrößen und Messdatensätze bereitstellen, die diesem Zellstrang zugeordnet sind.
Somit kann der Zellstrang, in welchem Messungen erfolgen, von der Gleichstrom-Sammelverbindung und damit z.B. von der Last, Verbraucher oder einer Energiequelle und von anderen Zellsträngen getrennt bzw. abgekoppelt werden. Die Abtrennung kann galvanisch durch einen Schalter, z.B. ein Relais oder durch einen Halbleiter, z.B. einem Transistor in einem Konverter, erfolgen oder durch Schalten einer Impedanz des Konverters, so dass der Zellstrang nur noch hochohmig an die Stromschiene angeschlossen ist.
Der Begriff „Wandler“ ist gleichzusetzen mit dem Begriff „Konverter“. Beispiele von Wandlern sind DC/DC-Wandler oder DC/AC- bzw. AC/DC- Wandler, wobei „DC“ für Gleichstrom steht und „AC“ für Wechselstrom.
In anderen Worten wird bevorzugt zu einem Zeitpunkt nur die Batteriezelleinheiten eines Zellstrangs gemessen werden oder einer Auswahl an Zellsträngen. Die anderen Zellstränge werden hochohmig oder alternativ galvanisch von diesem Zellstrang getrennt. Auf diese Weise kann der von der Quelle/Senke injizierte Strom vollständig in die an den Messeinheiten des Strangs verbundenen Zellen fließen und Störungen aus anderen Zellsträngen vermieden. Die Zellstränge können beispielsweise rotierend für eine Messung „aktiviert“ werden bzw. von der Gleichstrom-Sammelverbindung getrennt werden.
Durch die Isolierung aufgrund der hohen Impedanzen der Konverter können alternativ auch Zellstränge parallel gemessen werden, ohne dass sich die Zellstränge gegenseitig beeinflussen. Des Weiteren kann ein bidirektional arbeitender Konverter dazu genutzt werden, dass der getrennte Strang jederzeit wieder an die Gleichstrom-Sammelverbindung angekoppelt werden kann, unabhängig von Ladezustand des Strangs.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Batteriesteuereinheit eingerichtet, aus den Messdatensätzen der Messeinheiten jeweils einen Merkmalsdatensatz zu generieren, dem Merkmalsdatensatz einen Zeitstempel aufzuprägen und den Merkmalsdatensatz einschließlich dem Zeitstempel zwischenzuspeichern.
Der Merkmalsdatensatz kann neben dem Zeitstempel beispielsweise Impedanzwerte an Frequenzstützstellen, sowie Strom- und Spannungswerte, statistische Angaben über gemessene Strom- und Spannungsbereiche, einen SoC, mittels einer Stromintegration über das Zeitintervall zwischen der letzten Messung und der aktuellen Messung berechnet wird, eine Temperatur, etc. enthalten.
Zum Speichern der Merkmalsdatensätze weist das Batteriemesssystem einen lokalen Speicher auf. Ferner kann das Batteriemesssystem Sensoren zur Messung einer Temperatur jeweils einer Batteriezelleinheit aufweisen oder weitere Sensoren, die beispielsweise Umgebungsparameter wie Temperatur, Feuchtigkeit, mechanischen Stress, etc. der Umgebung erfassen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Batteriemesssystem eine Recheneinheit und eine Kommunikationsschnittstelle auf, die beispielsweise eine lokale oder drahtgebundene, wie Ethernet, sein kann, oder eine drahtlose wie z.B. WiFi, Bluetooth, LTE, 5G, Funk, Cloud, die eingerichtet sind, die zwischengespeicherten Merkmalsdatensätze an die Recheneinheit, z.B. einen Server, zu übertragen, wobei die Recheneinheit eingerichtet ist, die zwischengespeicherten Merkmalsdatensätze zu empfangen und zyklisch bzw. dynamisch auf Basis aktueller Merkmalsdatensätze ein Modell eines maschinenlernenden Systems zu berechnen, wobei das Modell jeweils für jede Messeinheit Diagnosefunktionen bereitstellt, und die Recheneinheit weiterhin eingerichtet ist, das Modell über die Kommunikationsschnittstelle an die Batteriesteuereinheit zu übertragen.
Die Recheneinheit, z.B. ein Cloud-Computer, ein Server oder Controller, speichert alle Merkmalsdatensätze mit Zeitstempel in einer Datenbank. Damit entsteht eine digitale Lebens-/Gesundheitsakte, mit welcher die wichtigsten Merkmale des Batteriesystems lückenlos überwacht werden können. Bereits in diesem Stadium der Datenlage können durch simple Prüfungen von Bereichsgrenzen Anomalien im Batteriesystem auf der Zelleinheitsebene erkannt werden. Durch den Cloud Computer ist es des Weiteren möglich, auf Basis der den letzten aktuellen Merkmalsdatensätzen (z. B. aus den letzten 6 Monaten) aktualisierte Modelle mit Hilfe von maschinellen Lernverfahren zu trainieren.
Das heißt, dass die Recheneinheit das Modell regelmäßig trainiert und das daraus resultierende Modell wieder an die Batteriesteuereinheit zurücksendet. Die Batteriesteuereinheit gibt dann die aktuellen Merkmalsdatensätze in das Modell hinein. Somit können von der Batteriesteuereinheit wichtige Diagnosefunktionen bereitgestellt werden, welche periodisch aktualisiert werden. Beispiele für Diagnosefunktionen sind der aktuelle Ladezustand oder „State of Charge“ (SoC), der State of Health (SoH), die Temperatur des Zellkerns oder auch ein Vorgabe-(empfehlungs-) wert für die kommende maximale Leistungsabgabe/-aufnahme des Batteriesystems zur Schonung und Lebensdauerverlängerung. Es müssen hierbei nicht zwangsweise alle gennannten oder bereitgestellten Diagnosefunktionen durch das Modell bereitgestellt werden.
Im Falle, dass die Batteriesteuereinheit eine ausreichende Rechenkapazität und einen ausreichenden Speicherplatz, insbesondere um die Historie der Batteriezelleinheiten zu speichern, aufweist, kann die Funktion der Recheneinheit von der Batteriesteuereinheit übernommen werden. Die Kommunikationsschnittstellen und -Einheiten entfallen in diesem Fall.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Batteriemesssystem eingerichtet, den abgetrennten Zellstrang für eine kurze Zeit zum Messen abzutrennen, während die anderen Zellstränge gemäß einem regulären Betrieb der Batterie weiterarbeiten.
Das heißt, dass der zu messende Zellstrang für eine kurze Zeit zum Messen abgeschaltet wird, während die anderen Stränge zum regulären Betrieb der Batterie weiterarbeiten können, anstatt die Messung nach einer langen Relaxationszeit von Stunden durchführen zu müssen. Unter „regulärem Betrieb“ ist hierbei der Betrieb der Zelle gemäß ihrer Bestimmung zu verstehen, im Gegensatz zu einem Messbetrieb. Der reguläre Betrieb kann dabei eine Entnahme oder eine Zuführung von Strom, oder auch eine Ruhephase enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Batteriemesssystem weiterhin Sensoren auf, die zum Erfassen weiterer Umgebungsmessgrößen, wie beispielsweise physikalische und chemische Messgrößen, eingerichtet sind, sowie einen lokalen Speicher, der zum Speichern der Merkmalsdatensätze und der erfassten weiteren Umgebungsmessgrößen eingerichtet ist.
Weitere Umgebungsmessgrößen sind zum Beispiel Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit, etc.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Modell ein Modell gemäß einem Verfahren eines Rekurrenten (Encoder/Decoder) Neuronale Netzwerkes bekannter oder zukünftiger Art, einem bestärkenden Lernverfahren wie z. B. das Distributed Distributional/Deep Deterministic Policy Grading (D4DPG/DDPG)-Verfahren und/oder einem Aktor/-Kritiker-Verfahren ist, wobei das bestärkende Lernverfahren zum Lernen innerhalb eines Umgebungsmodells eine Belohnung verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Modell ein Modell der künstlichen Intelligenz (z. B. eines neuronalen Netzwerks), das eingerichtet ist, jeweils unter Verwendung der Zeitstempel aus den Merkmalsdatensätzen zu generieren.
Diese Ausführungsform beschreibt die Belohnungsfunktion für das Erlernen des SoC-Diagnosemodells. Der Agent des Neuronalen Netzwerks schätzt fortlaufend die zukünftige Diagnosegröße SoC zwischen 0..100%. Zwischen direkt benachbarten Zeitstempeln kann damit auch jeweils ein Differenzwert ΔSoC geschätzt werden. ΔSoC kann damit Werte zwischen -100% und 100% annehmen. Dieser ΔSoC-Wert steht auch im Coulombcounter der Batteriesteuereinheit (Integration des Stromwertes) als gemessene Größe als sehr genaue Größe zur Verfügung. Der Vergleich zwischen den geschätzten ΔSoC und den gemessenen ΔSoC - Werten kann in dem Umgebungsmodell zur Bewertung/Belohnung der zu schätzende Diagnosegröße „Absolut-SoC“ verwendet werden. Da der SoC technisch zwischen 0..100% begrenzt ist, verbessert das Lernverfahren fortlaufend nicht nur die Schätzung des ΔSoC, sondern auch (indirekt) die Schätzung des absoluten SoC.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Modell ein Modell der künstlichen Intelligenz, das weiterhin eingerichtet ist, einen SoC-Zustandswert, einen SoH-Zustandswert, einen Zustandswert hinsichtlich einer Temperatur, einer chemischen und/oder einer physikalischen Eigenschaft zu schätzen.
Unter künstlicher Intelligenz werden hier auch neuronalen Netzwerke oder maschinelles Lernen verstanden.
In einer Variante kann das Lernen auch durch eine Simulation unterstützt werden. Hierbei fährt beispielsweise eine auf einem PC oder Laptop laufende Software ein vordefiniertes, typisches Leistungsprofil z.B. eines Gabelstaplers oder eines anderen Fortbewegungsmittels durch. Die Leistungseinheit weist hierbei Treiber auf, die eine Leistungsquelle darstellen und einen Ladestrom bereitstellen, oder Einheiten, die eine Last darstellen, und den Batteriestrom aufnehmen. Die Messdaten werden wie bereits beschrieben an die Recheneinheit geschickt, um das Modell, bzw. die Werte für die Parameter des Modells, zu berechnen. Nach der Lernphase kann das Modell an die Batteriesteuereinheit übertragen werden und die für den realen Betrieb z.B. des Fortbewegungsmittels und damit zur ständigen Überwachung der Batterie während des Betriebs eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Bereitstellen eines Messdatensatzes einer Batteriezelleinheit eines Zellstrangs einer Batterie für eine Ermittlung eines Zustands der Batteriezelleinheit bereitgestellt, mit folgenden Schritten:

Erfassen von Messgrößen der Batteriezelleinheit während des Betriebs der Batterie;
Bereitstellen der erfassten Messgrößen als Messdaten für eine Batteriesteuereinheit zur Ermittlung eines Zustandes der Batteriezelleinheit durch ein zuvor trainiertes Modell einer künstlichen Intelligenz.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Verwendung eines hier vorgestellten Batteriemesssystems in einem elektrisch betriebenen Fortbewegungsmittel, einem stationären Speicher elektrischer Energie, für z.B. die Netzfrequenzregulierung oder in einem Microgrid bereitgestellt.
Unter dem Begriff Fortbewegungsmittel werden hier z.B. Kraftfahrzeuge, Züge, Boote und Schiffe, Flugzeuge, Hubschrauber und dergleichen verstanden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein elektrisch betriebenes Fortbewegungsmittel oder ein stationärer Speicher elektrischer Energie bereitgestellt, das ein hier beschriebenes Batteriemesssystem aufweist.
Man kann somit sagen, dass die generierten Modelle „leben“ und sich mit dem individuellen Betrieb des Batteriesystems weiterentwickeln. Die Modellgeneration wird daher im laufenden Betrieb und unabhängig von der verwendeten Zellchemie und der Einbausituation sowie der Verkabelungseigenschaften und damit unabhängig von den Übergangswiderständen betrieben. Anomalien können durch das Modell und den darin abgebildeten Diagnosefunktionen in der Batteriesteuereinheit schnell und zuverlässig erkannt werden. Dies kann z.B. durch simple Prüfungen von Bereichsgrenzen im Batteriesystem auf der Zelleinheitsebene erfolgen. Weiterhin kann für jede Batterie eine individuelle digitale Lebens- und/oder Gesundheitsakte, mit welcher die wichtigsten Merkmale des Batteriesystems lückenlos überwacht werden können, erstellt und geführt werden, indem beispielsweise die Recheneinheit die Merkmalsdatensätze mit Zeitstempel in einer Datenbank entsprechend speichert.
Das Verfahren kann zumindest in Teilen durch ein Computerprogrammelement durchgeführt werden, das auf einem oder auf mehreren Prozessoren ausgeführt wird. Das Computerprogrammelement kann Teil eines Computerprogramms sein, es kann jedoch auch ein ganzes Programm für sich sein. Beispielsweise kann das Computerprogrammelement verwendet werden, um ein bereits vorhandenes Computerprogramm zu aktualisieren, um zur vorliegenden Erfindung zu gelangen.
Das computerlesbare Medium kann als ein Speichermedium angesehen werden, wie beispielsweise ein USB-Stick, eine CD, eine DVD, ein Datenspeichergerät, eine Festplatte oder ein beliebiges anderes Medium, auf dem sich ein Programmelement wie oben beschrieben befinden kann gelagert.
Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Ein einzelner Prozessor oder eine andere Einheit kann die Funktionen mehrerer Gegenstände oder Schritte erfüllen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Ein Computerprogramm kann auf einem geeigneten Medium wie einem optischen Speichermedium oder einem Halbleitermedium, das zusammen mit oder als Teil einer anderen Hardware geliefert wird, gespeichert / verteilt werden, kann aber auch in anderen Formen, beispielsweise über das Internet oder andere drahtgebundene oder drahtlose Telekommunikationssysteme verteilt sein. Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche begrenzen.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt

1 Eine Gesamtübersicht eines Batteriemesssystems,
2 ein Blockdiagramm eines Batteriesystems,
3 ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm für ein Batteriesystem,
4 ein Diagramm von Impedanzspektren einer Batteriezelleinheit zu verschiedenen Zeitpunkten,
5 ein Diagramm von Impedanzspektren zu verschiedenen Zeitpunkten und verschiedener Batteriezelleinheiten,
6 ein Diagramm einer Messschaltung in einer Messeinheit,
7 ein Blockdiagram einer künstlichen Intelligenz,
8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen eines Messdatensatzes einer Batteriezelleinheit.
9 eine Tabelle mit einem Beispiel eines Merkmaldatensatzes.
10 eine Tabelle mit einem Beispiel und einer Erläuterung einer Berechnungsvorschrift zur Bewertung der „Schätzqualität“ eines ausgewählten Merkmalsdatensatzes.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsformen
1 zeigt ein Blockdiagramm mit einer Gesamtübersicht eines Batteriemesssystems 100, das eine Batteriesteuereinheit 104, eine Messeinheitenanordnung 106 mit Messeinheiten, die in 1 beispielhaft mit Referenzzeichen 213 und 218 versehen sind, sowie eine Recheneinheit 102 aufweist. Die genannten Komponenten können einzelne Geräte sein oder in ein Gehäuse integriert sein. Die Datenverbindungen können drahtlos und/oder drahtgebunden sein.
Wie in 2 dargestellt, ist jede der Batteriezellen-Messeinheiten 213...218 der Messeinheitenanordnung 106 mit einer Batteriezelleinheit 223...228 verbunden. Die Zellstränge 202 und 204 mit den Batteriezelleinheiten 223...225 bzw. 226...228 sind jeweils an einem ihrer Enden mit der Gleichstrom-Sammelverbindung 240 verbunden, die mit einer Last oder Verbraucher bzw. einem Stromerzeuger verbunden ist (nicht eingezeichnet).
Jede der Batteriezellen-Messeinheiten 213...218 erfasst Messgrößen wie Strom und Spannung der zugeordneten Batteriezelleinheit 223...228 eines Zellstrangs 202, 204 einer Batterie während dessen Betriebs. Sie können dadurch den Zustand der Batteriezelleinheiten erfassen. Durch die gesamte Anordnung 106 kann somit der Zustand des Batteriesystems 110 abgeschätzt werden. Die Messeinheiten 213...218 stellen die ermittelten Messgrößen als Merkmalsdatensatz mit Zeitstempel der in 1 dargestellten Batteriesteuereinheit 104 bereit. Das Speichervolumen der Batteriesteuereinheit 104 ist ausreichend groß, so dass alle gewonnenen Messdaten auch über mehrere Tage zwischengespeichert werden können. Die Batteriesteuereinheit 104 steuert die Messungen und wertet sie aus, wobei sie für die die Auswertung bzw. Teile der Auswertung die Messdaten an die Recheneinheit 102 sendet. Zum Senden der Daten und Steuersignale zwischen der Messeinheitenanordnung 106 und der Batteriesteuereinheit 104 bzw. der Batteriesteuereinheit 104 und der Recheneinheit 102 weisen die beteiligten Komponenten 102, 104, 106 drahtlose oder drahtgebundene Kommunikationseinheiten und -Schnittstellen auf. Die Batteriesteuereinheit 104 verfügt z.B. über eine gängige Funkschnittstelle wie z.B. WiFi, Bluetooth, LTE, 5G, etc.
Die Recheneinheit 102 ist beispielsweise ein Cloud-Computer mit hoher Rechenleistung und weist neben einer oder mehreren Prozessierungseinheiten 112 bzw. Controllern 112 einen Speicher 114 auf, in dem sowohl die aktuellen Merkmalsdatensätze als auch frühere Merkmalsdatensätze gespeichert sind. Die Recheneinheit 102 beherbergt ferner künstliche Intelligenz wie z.B. ein neuronales Netzwerk. Die Recheneinheit trainiert das neuronale Netz, so dass ein aktuelles Diagnosemodell für jede Zelleinheit erhalten wird. Die Batteriesteuereinheit 104 erhält über die Funkschnittstelle vom Cloud Computer 102 zyklisch das aktuelle Diagnosemodell für jede Zelleinheit, das auf der zentralen Batteriesteuereinheit 104 auf Basis aktueller Merkmalsdatensätzen wichtige Diagnosefunktionen wie z.B. den aktuellen Ladezustand (State of Charge, SoC), den Gesundheitszustand (State of Health), die Temperatur des Zellkerns oder auch einen Vorgabewert für die kommende maximale Leistungsabgabe/-aufnahme des Batteriesystem zur Schonung und Lebensdauerverlängerung bereitstellen kann..
Die Batteriesteuereinheit 104 empfängt Merkmalsdatensätze von Messeinheiten 213...218 mindestens eines Zellstrangs 202, 204. Ein Zellstrang 202, 204 kann ein oder mehrere Batteriezelleinheiten aufweisen. Eine Batteriezelleinheit wiederum kann eine einzelne Zelle oder mehrere parallel oder seriell geschaltete Zellen sein, so dass die Batteriezelleinheit ein Modul bildet. Vorzugsweise werden die Batteriezelleinheiten 223...225 eines Zellstrangs 202 gleichzeitig während einer ersten Zeitspanne gemessen und die Batteriezelleinheiten 226...228 eines Zellstrangs 204 gleichzeitig während einer zweiten Zeitspanne unterschiedlich von der ersten Zeitspanne. Hierdurch werden gegenseitige Störungen in den Zellsträngen 202, 204 vermieden. Je nach Kapazität, insbesondere Speicher- und Rechenkapazität der Batteriesteuereinheit 104 und/oder der Recheneinheit 102 kann auch innerhalb eines Stranges erst ein Teil der Batteriezelleinheiten 223...225 bzw. gemessen werden und danach ein weiterer Teil.
3 zeigt ein vereinfachtes Schaltungsdiagramm, das ein Batteriesystem 110 bestehend aus zwei Strängen 202, 204 mit jeweils einer Batteriezelleinheit 223, 226, die wiederum aus jeweils drei Energiespeicherelementen oder Zellen 311, 312, 313 bzw. 321, 322, 323, die in Reihe geschaltet sind, bestehen.
Diese Entkopplung kann beispielsweise durch einen Schalter, wie beispielsweise ein einfaches Relais erfolgen. In 3 sind Schalter 331 und 332 eingezeichnet, die eine solche Entkopplung für jeden Strang vornehmen können. Hierbei können auch elektronische Lösungen, wie z.B. Transistoren zum Einsatz kommen. Weiterhin ist in 3 ein Hauptschütz 333 eingezeichnet, mit dem die betriebenen Verbraucher / Erzeuger 340 während der Messung von den Zellsträngen 202, 204 getrennt werden können, sowie eine gesteuerte Spannungsquelle 342 zur Darstellung eines veränderlichen Standby-Stroms.
In einer speziellen Ausführungsform weisen die Zellstränge 202, 204 zum Beispiel am positiven Ende einen jeweils über einen eigenen DC/DC-Wandler auf. Dies ist z. B. in stationären Großspeichern der Fall. Diese DC/DC-Wandler sorgen eigentlich dafür, dass die Spannungsniveaus zwischen den Strängen „kontrolliert“ ausgeglichen werden können. Diese können so eingesetzt und geschaltet werden, dass sie als „Relais“ 331 und 332 fungieren, das den zu messenden Strang von den übrigen Strängen hochohmig trennt. Beispielsweise kann dies ein DC/DC-Resonanzkonvertersein, so dass die Impedanz über die Schaltfrequenz gesteuert werden kann, oder ein Konverter, der als Schalter verwendet werden kann.
Die Quelle/Senke I1 314 ist Bestandteil der Batteriemesseinheit 213, welche in diesem Beispiel die drei Energiespeicherelemente 311, 312, 313 in Reihe des ersten Stranges 202 gleichzeitig spektroskopieren kann.
Die Anzahl der notwendigen Batteriemesseinheiten pro Strang beträgt (N DIV In + 1, wobei N die Anzahl der Energiespeicherelemente pro Strang ist, DIV eine ganzzahlige Division ist und K die Maximalanzahl an Energiespeicherelementen, an denen pro Messeinheit 213...218 die Spannungen, die Temperaturen und der Strom aus I1 314, und damit das Impedanzspektrum gemessen werden können.
Beispiel: N=30 Energiespeicherelemente pro Strang; K=12 Messeingänge in der Messeinheit, so dass (30 DIV 12) + 1 = 3 Messeinheiten.
Der Widerstand R2 326 und die Kapazität C1 327 symbolisieren eine mögliche Last der Batterie, die während der Impedanzmessung des Stanges 202 von dem nicht gemessenen Strang 204 versorgt werden muss. Impedanzen sind von den Batteriemesseinheiten sinnvoll nur dann zu messen, wenn sich die zu messenden Zelleinheiten in „Ruhe“ befinden, d. h. es fließt nahezu kein Strom in die zu messenden Zelleinheiten hinein oder heraus. Diese „Ruhephasen“ kommen bezüglich der gesamten Batterie in vielen Batteriesystemen während des normalen Betriebes vor:

1) Ein Elektroauto parkt oder steht an der Ampel.
2) Ein Gabelstapler wird kurzzeitig vom Fahrer verlassen, damit er einer Kommissionieraufgabe nachgehen kann.
3) Ein stationärer Speicher nimmt aktuell nahezu keine elektrische Leistung auf oder gibt diese ab, wenn das Ab/Wegschalten eines Strangs den Betrieb des Batteriesystems weiterhin gewährleistet.

In anderen stationären Systemen, wie z.B. Frequenzregulierung, Microgrids, etc., wo ein ständiger Strom, evtl. sogar ein konstanter Stromfluss aufrechterhalten werden muss, kann wie bereits beschrieben, ein einzelner Strang für die Messung isoliert werden, der dann während der Messung keinen Stromzufluss oder Stromabfluss aufweist. Zur Aufrechterhaltung eines kleinen Stroms können dann die anderen Zellstränge herangezogen werden. In diesem Fall können die Stränge der Reihe nach gemessen werden. Im Falle von plötzlich auftretenden großen Leistungsanforderungen, welche einen Schwellwert überschreiten, kann die Messung des Impedanzspektrums sofort unterbrochen werden und der Strang über den zugeordneten Schalter, z. B. 331 oder 332 wieder an das gesamte Batteriesystem zugeschaltet werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass alle Stränge auch nach der Messung einen nahezu gleichen Ladezustand beibehalten.
Die Quelle/Senke I1 314 kann mit einer einzelnen sinusförmigen Anregung mit z.B. einer Frequenz von 10 Hz betrieben werden, oder mit mehreren sinusförmigen Strömen gleicher Amplitude, die unterschiedliche Frequenzen aufweisen, beispielsweise im Bereich von 25 mHz ... 1,5 kHz. Durch die gleichzeitige Einprägung mehrerer Ströme kann die Messzeit verkürzt werden. Beispielsweise wird die Impedanz pro Frequenzdekade an folgenden Stützstellen gleichzeitig gemessen: f₁ = 25 mHz, f₂ = 50 mHz, f₃ = 75 mHz, f₄ = 125 mHz und f₅ = 200 mHz. Die sinusförmige Anregung folgt dann gemäß folgender Reihenfunktion: $I_{Andregung} = I_{ampl} [sin (ω_{1} t + φ_{1}) + sin (ω_{2} t + φ_{2}) + \dots + sin (ω_{5} t + φ_{5})], wobei ω_{i} = 2 π f_{i}$
Für die Auswertung der Strom- und/oder Spannungsmessungen für das Impedanzspektrum kann eine Fourieranalyse durchgeführt werden. Die Fourieranalyse kann beispielsweise in der Batteriesteuereinheit durchgeführt werden, oder bereits in den jeweiligen Messeinheiten 213 ... 218. Für die digitale Fourieranalyse ist es vorteilhaft, wenn ω₂... ω₅ jeweils Vielfache von ω₁ sind. φ₁,..., φ₅ können dann offline so optimiert werden das I_Anregung insgesamt bei der Überlagerung der einzelnen Stromkomponenten eine möglichst kleine Amplitude aufweist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass während der Messung die Kleinsignaleigenschaften erfüllt werden. Es kann z. B. mathematisch bewiesen werden, dass bei einer optimierten Wahl von φ₁,..., φ₅ seine Gesamtmaximalamplitude von 2,3* I_ampl nicht überschritten wird. Ohne eine optimierte Wahl von φ₁,..., φ₅ könnte die gesamte Amplitude im schlechtesten Fall maximal 5* I_ampl betragen.
Durch die Wahl von konkreten Frequenzstützstellen kann die Auswertung der Impedanz durch die schnelle Fourier-Transformation (FFT) auf dem digitalen Wege hochgenau erfolgen. Gleichanteile bzw. „Störfrequenzen“ lassen sich aus dem gemessenen Spektrum des Stroms und der Zellspannungen leicht herausfiltern.
4 zeigt ein Beispieldiagramm von in der Batteriesteuereinheit berechneten Impedanzspektren einer Batteriezelleinheit mit Realteil (x-Achse) und Imaginärteil (y-Achse) der Impedanz Z in Ohm, gemäß den von einer Messeinheit erfassten Strom- und Spannungswerten. Jeder Messpunkt (Frequenzstützstelle) stellt die Impedanz für eine Frequenz dar, die der Frequenz des injizierten Stroms entspricht. Das Spektrum stellt die Impedanzspektren für drei verschiedene Zeitpunkte „Zeit 1“, „Zeit 2“, „Zeit 3“ dar, die in 4 durch unterschiedliche geometrische Formen der Messpunkte gekennzeichnet sind. Aus dem Spektrum kann auf den Gesundheitszustand und den Ladezustand der Batteriezelleinheit beispielsweise durch Vergleich mit Referenzkurven geschlossen werden. Eine weitere Möglichkeit zur Schätzung des Gesundheitszustands und des Ladezustandes, ist die Anwendung von künstlicher Intelligenz beispielsweise durch neuronale Netze, wie hierin beschrieben.
5 zeigt ein Beispieldiagramm mit Impedanzspektren mehrerer Batteriezelleinheiten eines Stranges, die entsprechend auf der Messung mehrerer Messeinheiten basieren. Auch hier sind wieder die Spektren zu drei unterschiedlichen Zeitpunkten „Zeit 1“, „Zeit 2“, „Zeit 3“ dargestellt, die durch verschiedene geometrische Formen der Messpunkte unterscheidbar sind. Es ist zu erkennen, dass sich die „Kurven“ der verschiedenen Batteriezelleinheiten zu einem Zeitpunkt ähnlich verhalten, wohingegen sich das Verhalten zu unterschiedlichen Zeitpunkten deutlich unterscheidet.
6 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer Messschaltung 600 einer Messeinheit 213 ... 218. Die Messung wird durch einen Mikroprozessor 602 gesteuert. Der Mikroprozessor 602 gibt überlagerte Signale 604 unterschiedlicher Frequenz aus, die analoggewandelt 606 und als überlagerte Sinusströme zu einem Multiplexer 608 gelangen. Der Mikroprozessor 602 wählt über das Kanalsignal 610 die zu messenden Batteriezelleinheit aus, in die die überlagerten Sinusströme injiziert werden, und deren Spannung als Reaktion auf die Ströme mit einer 4-Punkte-Messung 612 erfasst wird und differentiell an einen Demultiplexer 614 gegeben wird. Der zu injizierende Strom am Multiplexer 608 wird mit dem Stromsensor 614 gemessen und die Strommessung ebenfalls zu dem Demultiplexer 614 geleitet, so dass der Mikroprozessor den gemessenen Strom für den oben ausgewählten Kanal und die gemessene zugehörige Spannung am Demultiplexer 614 abfragen kann. Die Spannung ist hierbei die Summe der Einzelspannungen, die sich aus den injizierten überlagerten Sinusströmen ergibt. Beide Werte werden durch einen Analog-Digital Wandler 616 in einen digitalen Wert gewandelt und an eine schnelle Mikrocontroller-Schnittstelle des Mikroprozessors 602 als Eingangssignal angelegt. Der Mikroprozessor 602 kann nun die Werte an die Batteriesteuereinheit 104 senden, und/oder, falls er leistungsfähig genug ist, eine Fourier-Analyse durchführen, um das Impedanzspektrum zu erhalten.
7 zeigt ein Diagramm einer künstlichen Intelligenz zur Schätzung des Lade- und/oder Gesundheitszustand der Batteriezelleinheiten. Eine mögliche Ausführung von Maschinellen Lernverfahren sind sogenannte Aktor-/Kritiker-Netzwerke, die beispielsweise als Deep Deterministic Policy Grading (DDPG)-Verfahren implementiert sind. Exemplarisch soll hier der Trainingsvorgang auf dem Cloud Computer 102 für die Erzeugung des individuellen SoC einer Zelleinheit erläutert werden.
Der Cloud Computer 102 greift auf mehrere tausend Merkmalsdatensätze aus der Vergangenheit (z. B. aus den letzten 6 Monaten bis zur Gegenwart) zurück. Dafür legt der Cloud Computer 102 einen sogenannten „Replaybuffer“ an. Ein Merkmalsdatensatz besteht aus dem Zeitstempel, allen gemessenen Impedanzwerten des erfassten Spektrums (typisch innerhalb weniger mHz und weniger kHz), der mittleren Temperatur der Batteriezelleinheit, sowie eine Liste von gemessenen Strom- und Spannungswerten der Batteriezelleinheit z.B. über die vergangene Stunde vor dem betrachteten Zeitstempel. Des Weiteren kann zum letzten Zeitstempel die umgeladene Ladungsmenge in Ampere-Sekunden [As] gewonnen werden, indem der abgetastete Stromwert über der Zeit integriert wird (Coulomb-Counting). Bezogen auf die Nennkapazität der Batteriezelleinheiten kann daraus ein Differenzwert eines umgeladenen Ladezustandes in Prozent berechnet werden.
Anmerkung: In vielen BMS wird die Coulomb-Counting Methode zu Bestimmung des absoluten SoC verwendet. Diese wird jedoch mit zunehmender Zeitdauer immer ungenauer wegen der Integrationsverfahrens, das z.B. auch systematische Messfehler wie z.B. Offsets nicht kompensieren kann.

9 zeigt eine Tabelle mit einem Beispiel eines Merkmalsdatensatzes. Dabei bedeuten:

t_meas(k):	Zeitstempel des betrachteten, k-ten, erfassten Merkmalsdatensatz
Z1:	Erster komplexer Impedanzwert der Zelleinheit bei der ersten gemessenen Frequenzstützstelle (Betrag und Phase oder Real- und Imaginärteil)
ZN:	Letzte komplexer Impedanzwert der Zelleinheit bei der letzten gemessenen Frequenzstützstelle (Betrag und Phase oder Real- und Imaginärteil)
T:	Mittlere Temperatur der Zelleinheit
I25%/U25%:	Unteres Quartil der gemessenen Strom-/Spannungswerte aus der unmittelbaren Vergangenheit zu t_meas(k)
I75%/U75%:	Oberes Quartil der gemessenen Strom-/Spannungswerte aus der unmittelbaren Vergangenheit zu t_meas(k)
ΔSoC[t_meas(k-1 ) → t_meas(k)]:
	Differenz SoC zum vorangegangenen erfassten Zeitstempel. Dieser kann mit Hilfe einer Stromintegration über der Zeit einfach ermittelt werden (Stichwort: Coulomb-Counting, welche in jedem BMS implementiert ist)

Ein solcher Merkmalsdatensatz wird bereits im zentralen Batteriesteuergerät angelegt und im Falle einer Funkverbindung zum Cloud Computer in die digitale Lebensakte übertragen.
In dem Lernverfahren einer Energiespeichereinheit schätzt der Agent 702 fortlaufend die Zielgröße (hier den absoluten SoC_Est([t_meas(k)]), indem er aus dem Replaybuffer mit den Merkmalsdatensätzen nicht nur den willkürlich gewählten, k-ten Merkmalsdatensatz zur Schätzung heranzieht, sondern auch weitere Merkmalsdatensätze nutzt, welche sich chronologisch in der direkten zeitlichen Vergangenheit zum gewählten Zeitstempel befinden. In der Regel ist diese direkte zeitliche „Nähe“ für eine Anzahl von Merkmalsdatensätzen (z. B. M Stück) gegeben, deren Zeitstempel um 8-12 Stunden in der Vergangenheit zum gewählten Zeitstempel liegen. Innerhalb dieser Zeitdifferenzen liegt mittels der Coulomb Counting-Methode ein sehr genauer ΔSoC-Wert als Differenzwert vor.
Für alle Zeitstempel (also aus dem gewählten k-ten und aus den 8-12-stündigen Vergangenheit liegenden) schätzt der Agent 702 jeweils den SoC als absolute Größe auf Basis des aktuellen Agentenmodells SoC_Est[t_meas(k)], SoC_Est[t_meas(k-1)], ... , SoC_Est[t_meas(k-M)].
Diese Schätzergebnisse können dazu genutzt, um in einer Modellumgebung 704 einen Gesamtbelohnungswert (s. 7 „Belohnung“) für den geschätzten SoC_Est[t_meas(k)] festzulegen.
Zur Bewertung der „Schätzqualität“ eines ausgewählten Merkmalsdatensatzes als Reward-Wert kann nun beispielsweise eine wie in 10 gezeigte Berechnungsvorschrift eingesetzt werden.
Der auf diese Weise bestimmte Gesamtrewardwert ist ein geeignetes Maß dafür, dass die einzelnen absoluten Schätzwerte SoC_Est[t_meas(k)], SoC_Est[t_meas(k-1)], ..., SoC_Est[t_meas(k-M)] in den meisten Fällen mit den tatsächlich vorliegenden, absoluten, jedoch unbekannten SoC-Werten zu den vorliegenden Zeitstempeln übereinstimmen müssen.
Zusätzlich wird in dem maschinellen Lernverfahren ein weiteres hier nicht dargestelltes Kritiker-Netzwerk trainiert, mit dem der zukünftige kumulierte Gesamtreward des Aktornetzwerkes geschätzt wird. Das Kritikernetzwerk liefert damit eine Schätzgröße, mit welcher die „verallgemeinerte Güte“ des Agentennetzwerkes bewertet werden kann.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 800 zum Bereitstellen eines Messdatensatzes einer Batteriezelleinheit in einem Zellstrang einer Batterie für eine Ermittlung eines Zustands der Batteriezelleinheit, aufweisend die Schritte: Erfassen 802 von Messgrößen der Batteriezelleinheit während des Betriebs der Batterie; Bereitstellen 804 der erfassten Messgrößen als Messdaten für eine Batteriesteuereinheit zur Ermittlung eines Zustandes der Batteriezelleinheit.
In einer anderen Ausführungsform der künstlichen Intelligenz können sogenannte Rekurrente (Encoder/Decoder) Netzwerke zum Einsatz kommen. In einem rekurrenten neuronalen Netz sind auch Rückkopplungen zwischen Neuronen der gleichen Schicht oder vorangegangener Schichten möglich.
In einer solchen Lösung kann die Outputschicht des neurolen Netzwerks z. B. der geschätzte Differenzwert des aktuellen Messzeitpunktes t_meas(k) zum Vorgänger-Messzeitpunkt t_meas(k-1) $Δ S o C_{E s t} [t_{m e a s} (k)] = S o C_{E s t} [t_{meas} (k)] - S o C_{E s t} [t_{m e a s} (k - 1)]$
sein. Dieser liegt als tatsächliche gemessene Größe immer zum Zeitpunkt t_meas(k-1) immer vor.
Die Topologie des Netzwerkes kann so gewählt werden, dass SoC_Est[t_meas(k)], SoC_Est[t_meas(k-1)] als Vorgängerneuronenschicht (Hidden Neurons) vorliegen.

Claims

Batteriezellen-Messeinheit (213...218), wobei die Messeinheit (213...218) zur Erfassung von Messgrößen einer Batteriezelleinheit (223...228) in einem Zellstrang (202, 204) einer Batterie eingerichtet ist, wobei die Messeinheit (213...218) weiterhin eingerichtet ist, während des Betriebs der Batterie Messgrößen für die Ermittlung eines Zustandes der Batteriezelleinheit (223...228) zu erfassen und die ermittelten Messgrößen als Messdatensatz einer Batteriesteuereinheit (104) bereitzustellen.
Messeinheit (213...218) nach Anspruch 1, wobei die Messeinheit (213...218) weiterhin eingerichtet ist, folgende Messgrößen zu erfassen: einen in die Batteriezelleinheit (223...228) injizierten Wechselstrom mit unterschiedlichen Frequenzen als Anregung für eine Bestimmung eines Impedanzspektrums; und eine Spannung und eine Phase relativ zum injizierten Wechselstrom als Spannungsantwort für eine Bestimmung des Impedanzspektrums; wobei die Messeinheit (213...218) weiterhin eingerichtet ist, Werte der erfassten Messgrößen und/oder Werte des Impedanzspektrums mit einem Zeitstempel zu versehen und als Messdatensatz der Batteriesteuereinheit (104) bereitzustellen.
Messeinheit (213...218) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Messeinheit (213...218) weiterhin eingerichtet ist, zusätzlich einen oder mehrere der folgenden Messgrößen zu erfassen: Temperatur, Druck in der Batteriezelleinheit (223...228), chemische und physikalische Parameter.
Messeinheitenanordnung (106) mit einer Vielzahl von Messeinheiten (213...218) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für eine Vielzahl von Batteriezelleinheiten (223...228) in der Batterie, wobei die Batterie eine Gleichstrom-Sammelverbindung (240) mit mehreren parallel daran angeordneten Zellsträngen mit jeweils einer oder mehreren in Serie geschalteten Batteriezelleinheiten (223...228) aufweist; wobei zumindest ein Teil der Zellstränge (202, 204) jeweils eine oder mehrere Messeinheiten (213...218) aufweist, die jeweils Messgrößen einer Batteriezelleinheit (223...228) erfassen, wobei die eine oder mehrere Messeinheiten (213...218) eines Zellstrangs eingerichtet sind, Messgrößen einer Batteriezelleinheit (223...228) in dem Zellstrang (202, 204) gleichzeitig zu erfassen und die erfassten Messgrößen für die Bereitstellung für die Batteriesteuereinheit (104) als Messdatensatz zu organisieren.
Batteriemesssystem, aufweisend eine Messeinheitenanordnung (106) nach dem vorhergehenden Anspruch mit einer Vielzahl von in mindestens einem Zellstrang (202, 204) angeordneten Messeinheiten (213...218); eine Batteriesteuereinheit (104); und eine Stromquelle für jede Messeinheit, die auch als Senke arbeiten kann; wobei jeder der Messeinheiten (213...218) mindestens einer Batteriezelleinheit (223...228) zugeordnet ist und jede der Messeinheiten (213...218) eingerichtet ist, Messdatensätze an die Batteriesteuereinheit (104) zu senden; die Batteriesteuereinheit (104) eingerichtet ist, Messdatensätze von Messeinheiten (213...218) mindestens eines Zellstrangs zu empfangen; und die Stromquellen jeweils eingerichtet sind, um einen mit einer Frequenz beaufschlagten Strom in die Batteriezelleinheit (223...228) der zugeordneten Messeinheit (213...218) zu injizieren.
Batteriemesssystem (100) nach Anspruch 5, wobei jeder Zellstrang (202, 204) einen Schalter oder einen schaltbaren Wandler zur Abtrennung des Zellstrangs von den anderen Zellsträngen aufweist, wobei nur diejenigen Messeinheiten (213...218) eingerichtet sind, Messgrößen und Messdatensätze bereitzustellen, die diesem Zellstrang (202, 204) zugeordnet sind.
Batteriemesssystem (100) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Batteriesteuereinheit (104) eingerichtet ist, aus den Messdatensätzen der Messeinheiten (213...218) jeweils einen Merkmalsdatensatz zu generieren, dem Merkmalsdatensatz einen Zeitstempel aufzuprägen und den Merkmalsdatensatz einschließlich dem Zeitstempel zwischenzuspeichern.
Batteriemesssystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, aufweisend weiterhin eine Recheneinheit (102) und eine Kommunikationsschnittstelle, die eingerichtet sind, die zwischengespeicherten Merkmalsdatensätze an die Recheneinheit (102) zu übertragen, wobei die Recheneinheit (102) eingerichtet ist, die zwischengespeicherten Merkmalsdatensätze zu empfangen und zyklisch ein Modell eines maschinenlernenden Systems zu berechnen, wobei das Modell jeweils für jede Messeinheit (213...218) auf Basis aktueller Merkmalsdatensätze Diagnosefunktionen bereitstellt, und die Recheneinheit (102) weiterhin eingerichtet ist, das Modell über die Kommunikationsschnittstelle an die Batteriesteuereinheit (104) zu übertragen.
Batteriemesssystem (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Batteriemesssystem eingerichtet ist, den abgetrennten Zellstrang für eine kurze Zeit zum Messen abzutrennen, während die anderen Zellstränge gemäß einem regulären Betrieb der Batterie weiterarbeiten.
Batteriemesssystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, weiterhin aufweisend Sensoren, die zum Erfassen weiterer Umgebungsmessgrößen eingerichtet sind, sowie einen lokalen Speicher, eingerichtet zum Speichern der Merkmalsdatensätze und der erfassten weiteren Umgebungsmessgrößen.
Batteriemesssystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Modell ein Modell der künstlichen Intelligenz (neuronalen Netzwerks) ist, das eingerichtet ist, jeweils unter Verwendung der Zeitstempel aus den Merkmalsdatensätzen ein Diagnosemodell zu generieren.
Batteriemesssystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei das Modell ein Modell gemäß einem Verfahren eines Rekurrenten Neuronalen Netzwerkes, einem bestärkenden Lernverfahren und/oder einem Aktor/-Kritiker-Verfahren ist, wobei das bestärkende Lernverfahren zum Lernen innerhalb eines Umgebungsmodells eine Belohnung verwendet.
Batteriemesssystem (100) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Modell ein Modell der künstlichen Intelligenz (neuronalen Netzwerks) ist, das weiterhin eingerichtet ist, einen Ladezustand- (State of charge, SoC) Zustandswert, einen Gesundheitszustand- (State of Health, SoH-) Zustandswert, einen Zustandswert hinsichtlich einer Temperatur, einer chemischen und/oder einer physikalischen Eigenschaft zu schätzen.
Verfahren (800) zum Bereitstellen eines Messdatensatzes einer Batteriezelleinheit (223...228) in einem Zellstrang (202, 204) einer Batterie für eine Ermittlung eines Zustands der Batteriezelleinheit (223...228), aufweisend die Schritte: Erfassen (802) von Messgrößen der Batteriezelleinheit (223...228) während des Betriebs der Batterie; Bereitstellen (804) der erfassten Messgrößen als Messdaten für eine Batteriesteuereinheit (104) zur Ermittlung eines Zustandes der Batteriezelleinheit (223...228) durch ein zuvor trainiertes Modell einer künstlichen Intelligenz.
Verwendung eines Batteriemesssystems (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 13 in einem elektrisch betriebenen Fortbewegungsmittel oder einem stationären Speicher elektrischer Energie.
Elektrisch betriebenes Fortbewegungsmittel oder stationärer Speicher elektrischer Energie, aufweisend ein Batteriemesssystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 13.