DE102022133857A1 - METHOD FOR MONITORING SEVERAL BATTERY CELLS CONNECTED IN SERIES, BATTERY SYSTEM AND MOTOR VEHICLE - Google Patents

METHOD FOR MONITORING SEVERAL BATTERY CELLS CONNECTED IN SERIES, BATTERY SYSTEM AND MOTOR VEHICLE Download PDF

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Alexander KROHMER
Stefan Holzknecht
Kevin Pluch
Andre Ribeiro
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Bayerische Motoren Werke AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Batteriesystem, welches aufweist:- eine Batterie mit einer Batteriezellen-Reihenschaltung, die mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen oder Batteriezellenverbände aufweist, wobei zu jeder der mehreren Batteriezellen oder jedem der mehreren Batteriezellenverbände ein jeweiliger frequenzabhängiger elektrischer Schaltkreis, insbesondere elektrischer Schwingkreis, parallel geschaltet ist, der eine spannungsabhängige Frequenzabhängigkeit aufweist, und- eine Überwachungsvorrichtung, die in einem Leistungspfad der Batteriezellen-Reihenschaltung angeordnet ist, mit- einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, der Batteriezellen-Reihenschaltung ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen und/oder ein Spannungssignal mit Spannungen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal über den Leistungspfad aufzuprägen, und- einer Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Zellstromsignale und/oder Zellspannungssignale als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal über den Leistungspfad zu erfassen, und basierend auf den Antwortsignalen eine jeweilige Spannung einer jeweiligen Batteriezelle oder eines jeweiligen Batteriezellenverbunds zu bestimmen.The invention relates to a battery system which comprises: - a battery with a battery cell series circuit which comprises a plurality of battery cells or battery cell assemblies connected in series, wherein a respective frequency-dependent electrical circuit, in particular an electrical oscillating circuit, which has a voltage-dependent frequency dependence, is connected in parallel to each of the plurality of battery cells or each of the plurality of battery cell assemblies, and - a monitoring device which is arranged in a power path of the battery cell series circuit, with - a control device which is set up to impress a current signal with currents of different frequencies and/or a voltage signal with voltages of different frequencies onto the battery cell series circuit as an excitation signal via the power path, and - a measuring device which is set up to detect cell current signals and/or cell voltage signals as frequency-dependent response signals to the excitation signal via the power path, and to determine a respective voltage of a respective battery cell or a respective battery cell assembly based on the response signals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen oder Batteriezellenverbünden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Batteriesystem sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem.The present invention relates to a method for monitoring a plurality of battery cells or battery cell assemblies connected in series. The invention also relates to a battery system and a motor vehicle with the battery system.

Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge wie etwa ein Elektro- oder Hybridfahrzeug weisen eine wiederaufladbare Batterie, insbesondere Lithium-Ionen-Batterie, zur Versorgung eines elektrischen Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie auf. Diese wiederaufladbaren Batterien weisen üblicherweise mehrere Batteriezellen oder Batteriezellenverbünde auf, die in Reihe oder parallel geschaltet sind.Electrically driven motor vehicles such as an electric or hybrid vehicle have a rechargeable battery, in particular a lithium-ion battery, for supplying an electric drive motor of the motor vehicle with electrical energy. These rechargeable batteries usually have several battery cells or battery cell assemblies that are connected in series or in parallel.

Um den Zustand der Zellen bzgl. Spannung und einwandfreie Funktion zu gewährleisten, werden diese während ihres Betriebes überwacht. Hierzu werden beispielsweise mittels Spannungsmessungen an jeder der einzelnen Batteriezellen der Reihenschaltung die einzelnen (Zell-)Spannungen über einen Kabelbaum abgegriffen und an einem zentralen Ort gemessen und mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet. Um den benötigten Bauraum für die für die Überwachung der Batterie benötigten Geräte zu reduzieren, können hierbei fabrizierte gedruckte Leiterbahnen eingesetzt werden, wodurch jedoch hohe Kosten verursacht werden können. Des Weiteren können jeweilige Messungen über lange Leitungen und diverse Übergangswiderstände zum Abgreifen der jeweiligen einzelnen Zellspannungen mit Störungen und/oder Fehlern behaftet sein.To ensure the condition of the cells in terms of voltage and proper functioning, they are monitored during operation. For example, voltage measurements on each of the individual battery cells in the series connection are used to tap the individual (cell) voltages via a cable harness and then measured at a central location and evaluated using an evaluation unit. In order to reduce the installation space required for the devices needed to monitor the battery, fabricated printed conductors can be used, although this can be very costly. Furthermore, measurements over long cables and various contact resistances for tapping the individual cell voltages can be subject to interference and/or errors.

Zudem sind kabellose Lösungen zur Überwachung der Batterien bekannt, bei denen Signale mit Informationen über die einzelnen Zellspannungen von den einzelnen Batteriezellen an eine dezentrale Auswerteeinheit per Funk oder Infrarot übertragen werden. Diese Lösungen sind allerdings sehr kostenintensiv und ausfallbehaftet.There are also wireless solutions for monitoring batteries, in which signals with information about the individual cell voltages are transmitted from the individual battery cells to a decentralized evaluation unit via radio or infrared. However, these solutions are very costly and prone to failure.

Er ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Überwachung von mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen oder Batteriezellenverbünden zu verbessern. It is an object of the present invention to improve the monitoring of several battery cells or battery cell arrays connected in series.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by the features of the independent patent claims. Further preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent patent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Batteriesystem gemäß einer Ausführung auf:

  • - eine Batterie mit einer Batteriezellen-Reihenschaltung, die mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen oder Batteriezellenverbünde, wobei einer oder mehrere der Batteriezellenverbünde parallel geschaltete Batteriezellen aufweisen können, aufweist, wobei zu jeder der mehreren Batteriezellen oder jedem der mehreren Batteriezellenverbünde ein jeweiliger frequenzabhängiger elektrischer Schaltkreis, in einer Ausführung elektrischer Schwingkreis, parallel geschaltet ist, der eine spannungsabhängige Frequenzcharakteristik aufweist, und
  • - eine Überwachungsvorrichtung, die in einem Leistungspfad der Batteriezellen-Reihenschaltung angeordnet ist, mit
  • - einer Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, der Batteriezellen-Reihenschaltung ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen und/oder ein Spannungssignal mit Spannungen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal über den Leistungspfad aufzuprägen, und
  • - einer Messeinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Zellstromsignale und/oder Zellspannungssignale als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal über den Leistungspfad zu erfassen, und basierend auf den Antwortsignalen eine jeweilige Spannung einer jeweiligen Batteriezelle oder eines jeweiligen Batteriezellenverbunds zu bestimmen.
According to a first aspect of the present invention, a battery system according to one embodiment comprises:
  • - a battery with a battery cell series connection, which has a plurality of battery cells or battery cell assemblies connected in series, wherein one or more of the battery cell assemblies can have battery cells connected in parallel, wherein a respective frequency-dependent electrical circuit, in one embodiment an electrical oscillating circuit, is connected in parallel to each of the plurality of battery cells or each of the plurality of battery cell assemblies, which has a voltage-dependent frequency characteristic, and
  • - a monitoring device arranged in a power path of the battery cell series connection, with
  • - a control device which is designed to impress a current signal with currents of different frequencies and/or a voltage signal with voltages of different frequencies onto the battery cell series circuit as an excitation signal via the power path, and
  • - a measuring device which is designed to detect cell current signals and/or cell voltage signals as frequency-dependent response signals to the excitation signal via the power path and to determine a respective voltage of a respective battery cell or a respective battery cell assembly based on the response signals.

Hierdurch kann bei einigen Ausführungen ein für das Batteriesystem benötigter Bauraum aufgrund des Wegfalls eines (zusätzlichen) Kabelbaums zum Abgreifen der einzelnen (Zell-)Spannungen an den einzelnen Batteriezellen bzw. Batteriezellenverbünden auf kostengünstige Weise reduziert werden, und die Anfälligkeit für Messfehler und/oder Störungen des Batteriesystems reduziert werden.In some designs, this makes it possible to reduce the installation space required for the battery system in a cost-effective manner due to the elimination of an (additional) cable harness for tapping the individual (cell) voltages at the individual battery cells or battery cell assemblies, and to reduce the susceptibility to measurement errors and/or malfunctions in the battery system.

Weiterhin kann hierdurch bei einigen Ausführungen eine zellnahe analoge Messung der einzelnen (Zell-)Spannungen der einzelnen Batteriezellen oder der einzelnen Batteriezellenverbünde erfolgen, da der jeweilige elektrische frequenzabhängige schwingungserzeugende Schaltkreis, welcher zusammen mit der an der Batteriezelle oder dem Batteriezellenverbund anliegenden Spannung die Frequenzabhängigkeit des Antwortsignals von der entsprechenden Batteriezelle oder von dem entsprechenden Batteriezellenverbund bestimmt, nahe an der jeweiligen Batteriezelle oder dem jeweiligen Batteriezellenverbund angeordnet werden kann.Furthermore, in some embodiments, this allows a cell-close analog measurement of the individual (cell) voltages of the individual battery cells or the individual battery cell assemblies, since the respective electrical frequency-dependent oscillation-generating circuit, which together with the voltage applied to the battery cell or the battery cell assembly determines the frequency dependence of the response signal from the corresponding battery cell or from the corresponding battery cell assembly, can be arranged close to the respective battery cell or the respective battery cell assembly.

Hierbei wird auf den Strom bzw. auf die Spannung die für Betrieb bzw. Aufladen der Batterie benötigt wird, ein frequenzmoduliertes Informationssignal über den Leistungspfad aufgeprägt bzw. aufmoduliert.Here, a frequency-modulated information signal is impressed or modulated via the power path onto the current or voltage required for operation or charging of the battery.

Hierdurch kann des Weiteren bei einigen Ausführungen auf eine Übertragung der Signale mit Informationen über die einzelnen Zellspannungen von den einzelnen Batteriezellen oder den einzelnen Batteriezellenverbünden an eine dezentrale Auswerteeinheit per Funk oder Infrarot verzichtet werden, da das bereits vorhandene Zellkontaktierungssystem als Signalweg genutzt werden kann.Furthermore, in some designs, this means that the transmission of signals containing information about the individual cell voltages from the individual battery cells or the individual battery cell groups to a decentralized evaluation unit via radio or infrared is no longer necessary, since the existing cell contact system can be used as a signal path.

Bei einigen Ausführungen kann die Batterie als eine wiederaufladbare Batterie ausgebildet sein, beispielsweise als eine wiederaufladbare Batterie, die dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs wie etwa eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.In some embodiments, the battery may be configured as a rechargeable battery, for example as a rechargeable battery configured to supply electrical energy to an electric drive motor of a motor vehicle, such as an electric or hybrid vehicle.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander sowie mit dem im Weiteren beschriebenen zweiten Aspekt der Erfindung und mit dem im Weiteren beschriebenen dritten Aspekt der Erfindung kombiniert werden können.Preferred embodiments of the invention and further developments thereof are described below, which, unless expressly excluded, can be combined with one another as desired, with the second aspect of the invention described below, and with the third aspect of the invention described below.

Bei einigen Ausführungen kann eine jeweilige Batteriezelle oder ein jeweiliger Batteriezellenverbund durch den jeweiligen parallel geschalteten frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreis eindeutig identifizierbar sein, wobei die Messeinrichtung dazu eingerichtet sein kann, die jeweilige Spannung der jeweiligen Batteriezelle oder des jeweiligen Batteriezellenverbunds basierend auf der spannungsabhängigen Frequenzcharakteristik des jeweiligen frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreises zu bestimmen.In some embodiments, a respective battery cell or a respective battery cell assembly can be uniquely identifiable by the respective frequency-dependent electrical circuit connected in parallel, wherein the measuring device can be configured to determine the respective voltage of the respective battery cell or the respective battery cell assembly based on the voltage-dependent frequency characteristic of the respective frequency-dependent electrical circuit.

Bei einigen Ausführungen kann jeder der frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreise dazu eingerichtet sein, als Antwort auf einen Empfang des Anregungssignals ein jeweiliges, von der jeweiligen Frequenzcharakteristik des jeweiligen frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreises abhängiges, Antwortsignal auf den Leistungspfad aufzuprägen.In some embodiments, each of the frequency-dependent electrical circuits may be configured to impart to the power path, in response to receiving the excitation signal, a respective response signal dependent on the respective frequency characteristic of the respective frequency-dependent electrical circuit.

Bei einigen Ausführungen kann ein jeweiliger frequenzabhängiger elektrischer Schaltkreis ein jeweiliges erstes Bauteil mit einer jeweiligen ersten, konstanten Kapazität, und ein jeweiliges zweites Bauteil mit einer jeweiligen zweiten, spannungsabhängigen Kapazität aufweisen.In some implementations, a respective frequency dependent electrical circuit may include a respective first component having a respective first, constant capacitance, and a respective second component having a respective second, voltage dependent capacitance.

Hierdurch kann bei einigen Ausführungen der jeweilige frequenzabhängige elektrische Schaltkreis auf einfache Weise derart ausgebildet werden, dass seine Frequenzcharakteristik von der an der jeweiligen Batteriezelle oder dem jeweiligen Batteriezellenverbund angelegten Spannung abhängt.As a result, in some embodiments, the respective frequency-dependent electrical circuit can be designed in a simple manner such that its frequency characteristic depends on the voltage applied to the respective battery cell or the respective battery cell assembly.

Bei einigen Ausführungen können die jeweiligen ersten Kapazitäten der jeweiligen ersten Bauteile der jeweiligen frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreise unterschiedlich sein.In some embodiments, the respective first capacitances of the respective first components of the respective frequency-dependent electrical circuits may be different.

Hierdurch können bei einigen Ausführungen die jeweiligen ersten Kapazitäten und ein mittels der jeweiligen zweiten Bauteile und des Spannungsbereichs der bei bestimmungsgemäßem Gebrauch an der jeweiligen Batteriezelle oder dem jeweiligen Batteriezellenverbund anliegenden Spannung einstellbarer Bereich der variablen zweiten Kapazität derart gewählt werden, dass ein Abstand zwischen einer jeweiligen Eigenfrequenz einer jeweiligen Batteriezelle oder eines jeweiligen Batteriezellenverbunds von den Eigenfrequenzen der anderen Batteriezellen oder den anderen Batteriezellenverbünden so groß ist, dass die frequenzabgängigen Antwortsignale den einzelnen Batteriezellen oder den einzelnen Batteriezellenverbünden basierend auf den unterschiedlichen Eigenfrequenzen eindeutig zugeordnet werden können, und basierend auf den den einzelnen Batteriezellen oder den einzelnen Batteriezellenverbünden zugeordneten Antwortsignalen die einzelnen Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen oder der einzelnen Batteriezellenverbünde bestimmt werden können.As a result, in some embodiments, the respective first capacities and a range of the variable second capacity, which can be adjusted by means of the respective second components and the voltage range of the voltage applied to the respective battery cell or the respective battery cell assembly during intended use, can be selected in such a way that a distance between a respective natural frequency of a respective battery cell or a respective battery cell assembly and the natural frequencies of the other battery cells or the other battery cell assemblies is so large that the frequency-dependent response signals can be clearly assigned to the individual battery cells or the individual battery cell assemblies based on the different natural frequencies, and the individual cell voltages of the individual battery cells or the individual battery cell assemblies can be determined based on the response signals assigned to the individual battery cells or the individual battery cell assemblies.

Mit anderen Worten werden bei einigen Ausführungen die Elemente bzw. Bauteile der einzelnen frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreise so ausgewählt, dass für alle Batteriezellen oder Batteriezellenverbünde unter allen Randbedingungen wie Toleranzen und möglichen Spannungen und damit Kapazitäten keine Überlappung einer Eigenfrequenz einer Batteriezelle oder eines Batteriezellenverbunds mit einer Eigenfrequenz einer anderen Batteriezelle oder eines anderen Batteriezellenverbunds erfolgen kann.In other words, in some embodiments, the elements or components of the individual frequency-dependent electrical circuits are selected in such a way that for all battery cells or battery cell assemblies under all boundary conditions such as tolerances and possible voltages and thus capacities, no overlap of a natural frequency of one battery cell or battery cell assembly with a natural frequency of another battery cell or battery cell assembly can occur.

Ferner kann bei einigen Ausführungen bei der Produktion des Batteriesystems bzw. der Batteriezellen vor der Montage der Batterie, insbesondere in einem Zustand, in dem noch jede Batteriezelle bzw. jeder Batteriezellenverbund einzeln elektrisch kontaktiert werden kann, ein Initialwert der Spannung gemessen und gespeichert werden.Furthermore, in some embodiments, during production of the battery system or the battery cells, prior to assembly of the battery, in particular in a state in which each battery cell or each battery cell assembly can still be individually electrically contacted, an initial value of the voltage can be measured and stored.

Nach dem Zusammenbau kann dann an alle nun miteinander verbundenen Batteriezellen bzw. Batteriezellenverbünde ein kurzer, bei einigen Ausführungen breitbandiger, Spannungspuls gegeben werden, wobei die Impulsantwort im Frequenzspektrum die Einzelspannungen bzw. einzelnen Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen bzw. Batteriezellenverbünde anhand der Frequenzverteilung aufweist bzw. zeigt. Diese Impulsantwort kann mittels einer schnellen Fouriertransformation ausgewertet werden, wodurch eine Kalibrierung von Bauteiltoleranzen erfolgen kann, und alle weiteren Messungen anhand dieses Startwerts ausgewertet werden können.After assembly, a short voltage pulse, which in some versions is broadband, can be applied to all the battery cells or battery cell groups that are now connected to one another, whereby the impulse response in the frequency spectrum shows the individual voltages or individual cell voltages of the individual battery cells or battery cell groups based on the frequency distribution. This impulse response can be evaluated using a fast Fourier transformation, which allows a calibration of component tolerances and all other Measurements can be evaluated based on this starting value.

Bei einigen Ausführungen kann zumindest eines der jeweiligen zweiten Bauteile eine Kapazitätsdiode sein. Weiterhin kann bei einigen Ausführungen zumindest eines der jeweiligen ersten Bauteile ein Kondensator sein. Zudem kann der elektrische Schaltkreis bei einigen Ausführungen des Weiteren ein Bauteil mit einer Induktivität, beispielsweise einer Spule, aufweisen.In some embodiments, at least one of the respective second components can be a capacitance diode. Furthermore, in some embodiments, at least one of the respective first components can be a capacitor. In addition, in some embodiments, the electrical circuit can further comprise a component with an inductance, for example a coil.

Außerdem kann der frequenzabhängige elektrische Schaltkreis, insbesondere (Reihen-)Schwingkreis bei einigen Ausführungen des Weiteren einen in Reihe geschalteten Widerstand aufweisen oder es kann ein jeweiliger Widerstand parallel zu einer jeweiligen Batteriezelle bzw. einem Batteriezellenverbund und somit parallel zu dem jeweiligen frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreis schaltbar sein. Hierdurch kann im Rahmen eines Zellbalancing-Verfahrens, bei dem alle Batteriezellen oder Batteriezellenverbünde der Batteriezellen-Reihenschaltung auf ein Spannungsniveau gebracht werden, einerseits der parallel zu einer Batteriezelle oder einem Batteriezellenverbund schaltbare Widerstand von denjenigen Batteriezellen oder Batteriezellenverbünden, deren Spannung eine vorgegebene Maximalspannung überschreitet, zugeschaltet werden, um Zellenergie zu dissipieren, und andererseits mittels der Steuereinrichtung ein Steuersignal über den Leistungspfad an eine Batteriezelle bzw. einen Batteriezellenverbund, deren bzw. dessen Spannung die vorgegebene Maximalspannung überschreitet, gesendet werden, welches die Eigenfrequenz der Batteriezelle bzw. des Batteriezellenverbunds aufweist, um die Schwingung des parallel zu der Batteriezelle bzw. dem Batteriezellenverbund geschalteten frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreises mit der Eigenfrequenz anzuregen, und somit Zellenergie zu dissipieren.In addition, the frequency-dependent electrical circuit, in particular (series) resonant circuit, can in some embodiments further comprise a resistor connected in series or a respective resistor can be connected in parallel to a respective battery cell or a battery cell assembly and thus in parallel to the respective frequency-dependent electrical circuit. As a result, within the framework of a cell balancing process in which all battery cells or battery cell assemblies of the battery cell series connection are brought to a voltage level, on the one hand the resistance that can be switched in parallel to a battery cell or a battery cell assembly can be switched on by those battery cells or battery cell assemblies whose voltage exceeds a predetermined maximum voltage in order to dissipate cell energy, and on the other hand a control signal can be sent by means of the control device via the power path to a battery cell or a battery cell assembly whose voltage exceeds the predetermined maximum voltage, which control signal has the natural frequency of the battery cell or the battery cell assembly in order to excite the oscillation of the frequency-dependent electrical circuit connected in parallel to the battery cell or the battery cell assembly with the natural frequency and thus to dissipate cell energy.

Bei einigen Ausführungen kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, über den Leistungspfad den mehreren Batteriezellen oder den mehreren Batteriezellenverbünden mehrere Abschnitte des Stromsignals, welche den mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Ströme entsprechen, zeitlich sequentiell als Anregungssignal aufzuprägen und/oder über den Leistungspfad den mehreren Batteriezellen oder den mehreren Batteriezellenverbünden mehrere Abschnitte des Spannungssignals, welche den mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Spannungen entsprechen, zeitlich sequentiell als Anregungssignal aufzuprägen.In some embodiments, the control device can be configured to apply a plurality of sections of the current signal, which correspond to a plurality of different frequencies of the currents, to the plurality of battery cells or the plurality of battery cell assemblies sequentially in time as an excitation signal via the power path and/or to apply a plurality of sections of the voltage signal, which correspond to a plurality of different frequencies of the voltages, to the plurality of battery cells or the plurality of battery cell assemblies sequentially in time as an excitation signal via the power path.

Bei einigen Ausführungen kann die Steuereinrichtung dazu eingerichtet sein, über den Leistungspfad den mehreren Batteriezellen oder den mehreren Batteriezellenverbünden ein breitbandiges Stromsignal, welches die mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Ströme enthält, als Anregungssignal aufzuprägen und/oder über den Leistungspfad den mehreren Batteriezellen oder den mehreren Batteriezellenverbünden ein breitbandiges Spannungssignal, welches die mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Spannungen enthält, als Anregungssignal aufzuprägen.In some embodiments, the control device can be configured to impose a broadband current signal, which contains the plurality of different frequencies of the currents, as an excitation signal on the plurality of battery cells or the plurality of battery cell assemblies via the power path and/or to impose a broadband voltage signal, which contains the plurality of different frequencies of the voltages, as an excitation signal on the plurality of battery cells or the plurality of battery cell assemblies via the power path.

Bei einigen Ausführungen kann die Messeinrichtung dazu eingerichtet sein, die Antwortsignale unter Verwendung einer schnellen Fouriertransformation auszuwerten, um eine jeweilige Spannung einer jeweiligen Batteriezelle oder eines jeweiligen Batteriezellenverbunds zu bestimmen.In some embodiments, the measuring device may be configured to evaluate the response signals using a fast Fourier transform to determine a respective voltage of a respective battery cell or a respective battery cell assembly.

Bei einigen Ausführungen kann die Messeinrichtung dazu eingerichtet sein, basierend auf den Antwortsignalen und jeweiligen Informationen über eine jeweilige vorgegebene Eigenfrequenz eines jeweiligen, einer jeweiligen Batteriezelle oder einem jeweiligen Batteriezellenverbund parallel geschalteten frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreises bei einer vorgegebenen, an der jeweiligen Batteriezelle oder dem jeweiligen Batteriezellenverbund anliegenden Spannung, die jeweilige Spannung der jeweiligen Batteriezelle oder des jeweiligen Batteriezellenverbunds zu bestimmen.In some embodiments, the measuring device can be configured to determine the respective voltage of the respective battery cell or the respective battery cell assembly based on the response signals and respective information about a respective predetermined natural frequency of a respective frequency-dependent electrical circuit connected in parallel to a respective battery cell or a respective battery cell assembly at a predetermined voltage applied to the respective battery cell or the respective battery cell assembly.

Bei einigen Ausführungen kann die Messeinrichtung dazu eingerichtet sein, basierend auf einem Vergleich einer Amplitude eines Antwortsignals mit einer Amplitude des Anregungssignals und/oder basierend auf einem Vergleich einer Phase eines Antwortsignals mit einer Phase des Anregungssignals und/oder basierend auf einem Vergleich einer Frequenz eines Antwortsignals mit den unterschiedlichen Frequenzen der Ströme und/oder Spannungen des Anregungssignals die jeweilige Spannung der jeweiligen Batteriezelle oder des jeweiligen Batteriezellenverbunds zu bestimmen.In some embodiments, the measuring device can be configured to determine the respective voltage of the respective battery cell or the respective battery cell assembly based on a comparison of an amplitude of a response signal with an amplitude of the excitation signal and/or based on a comparison of a phase of a response signal with a phase of the excitation signal and/or based on a comparison of a frequency of a response signal with the different frequencies of the currents and/or voltages of the excitation signal.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Kraftfahrzeug ein im vorstehenden beschriebenes Batteriesystem auf, wobei die Batterie dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.According to a second aspect of the present invention, a motor vehicle has a battery system as described above, wherein the battery is designed to supply an electric drive motor of the motor vehicle with electrical energy.

Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen von mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen oder Batteriezellenverbünden, wobei zu jeder der mehreren Batteriezellen oder jedem der mehreren Batteriezellenverbünde ein jeweiliger frequenzabhängiger elektrischer Schaltkreis, in einer Ausführung elektrischer Schwingkreis, parallel geschaltet ist, der eine spannungsabhängige Frequenzcharakteristik aufweist. Das Verfahren beinhaltet:

  • - Aufprägen eines Stromsignals mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen und/oder eines Spannungssignals mit Spannungen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal auf die mehreren Batteriezellen oder die mehreren Batteriezellenverbünde über einen Leistungspfad der in Reihe geschalteten Batteriezellen oder Batteriezellenverbünde, und
  • - Erfassen von Zellstromsignalen und/oder Zellspannungssignalen als frequenzabhängige Antwortsignale auf das Anregungssignal über den Leistungspfad, und Bestimmen einer jeweiligen Spannung einer jeweiligen Batteriezelle oder eines jeweiligen Batteriezellenverbunds basierend auf den Antwortsignalen.
A third aspect of the present invention relates to a method for monitoring a plurality of battery cells or battery cell assemblies connected in series, wherein a respective frequency-dependent electrical circuit, in one embodiment an electrical oscillating circuit, is connected in parallel to each of the plurality of battery cells or each of the plurality of battery cell assemblies, which has a voltage-dependent frequency characteristic. The method includes:
  • - impressing a current signal with currents of different frequencies and/or a voltage signal with voltages of different frequencies as an excitation signal on the plurality of battery cells or the plurality of battery cell assemblies via a power path of the battery cells or battery cell assemblies connected in series, and
  • - Detecting cell current signals and/or cell voltage signals as frequency-dependent response signals to the excitation signal via the power path, and determining a respective voltage of a respective battery cell or a respective battery cell assembly based on the response signals.

Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten, zumindest wo technisch sinnvoll, auch für den zweiten Aspekt sowie den dritten Aspekt der Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen sowie umgekehrt.The features and advantages described with respect to the first aspect of the invention and its advantageous embodiment also apply, at least where technically reasonable, to the second aspect and the third aspect of the invention and their advantageous embodiments and vice versa.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

  • 1 ein Batteriemodul gemäß einer Ausführung,
  • 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines zeitlichen Verlaufs eines Anregungssignals und eines Antwortsignals gemäß einer Ausführung, und
  • 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Parametern zur Zuordnung eines Antwortsignals zu einer Batteriezelle des Batteriemoduls gemäß einer Ausführung.
Further advantageous developments emerge from the following description of preferred embodiments. This shows, partly schematically:
  • 1 a battery module according to an embodiment,
  • 2 a diagram illustrating a time course of an excitation signal and a response signal according to an embodiment, and
  • 3 a diagram illustrating parameters for assigning a response signal to a battery cell of the battery module according to an embodiment.

1 zeigt ein Batteriemodul gemäß einer Ausführung. Das Batteriemodul 100 weist eine wiederaufladbare Batterie mit einer Batteriezellen-Reihenschaltung 10 und eine Überwachungsvorrichtung 40 auf. Die Batteriezellen-Reihenschaltung 10 weist mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 201, 202, 203 auf, welche über einen Leistungspfad 11 der Batteriezellen-Reihenschaltung 10 miteinander verbunden sind. Bei einer nicht veranschaulichten Ausführung kann die Batteriezellen-Reihenschaltung 10 auch mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellenverbünde aufweisen, welche über einen Leistungspfad 11 der Batteriezellen-Reihenschaltung 10 miteinander verbunden sind, wobei einer oder mehrere der Batteriezellenverbünde parallel geschaltete Batteriezellen aufweisen kann. Während des Betriebs des Batteriemoduls 100 wird diesem von einer nicht gezeigten Spannungs- und/oder Stromquelle eine Gleichspannung oder ein Gleichstrom über den Leistungspfad 11 zugeführt. 1 shows a battery module according to one embodiment. The battery module 100 has a rechargeable battery with a battery cell series circuit 10 and a monitoring device 40. The battery cell series circuit 10 has a plurality of battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 connected in series, which are connected to one another via a power path 11 of the battery cell series circuit 10. In an embodiment not shown, the battery cell series circuit 10 can also have a plurality of battery cell assemblies connected in series, which are connected to one another via a power path 11 of the battery cell series circuit 10, wherein one or more of the battery cell assemblies can have battery cells connected in parallel. During operation of the battery module 100, a direct voltage or a direct current is supplied to it via the power path 11 from a voltage and/or current source (not shown).

Mit Bezug auf die Batteriezellen-Reihenschaltung 10 ist hierbei zu jeder der mehreren Batteriezellen 201, 202, 203 ein jeweiliger frequenzabhängiger elektrischer Schaltkreis 301, 302, 303, in einer Ausführung frequenzabhängiger elektrischer Schwingkreis 301, 302, 303, insbesondere frequenzabhängiger elektrischer Reihenschwingkreis, parallel geschaltet, der eine spannungsabhängige Frequenzcharakteristik aufweist. Die einzelnen frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreise 301, 302, 303 weisen jeweils ein Bauteil L1, L2, L3 mit einer Induktivität, beispielsweise eine Spule, ein erstes Bauteil C1k, C2k, C3k mit einer ersten, konstanten Kapazität, wie etwa einen Kondensator, und ein zweites Bauteil C1v,C2v, C3v mit einer zweiten, spannungsabhängigen Kapazität, wie etwa, eine Kapazitätsdiode, auf. Hierbei sind die jeweiligen ersten Kapazitäten der jeweiligen ersten Bauteile C1k, C2k, C3k der jeweiligen Schaltkreise 301, 302, 303 unterschiedlich.With reference to the battery cell series circuit 10, a respective frequency-dependent electrical circuit 30 1 , 30 2 , 30 3 , in one embodiment a frequency-dependent electrical resonant circuit 30 1 , 30 2 , 30 3 , in particular a frequency-dependent electrical series resonant circuit, which has a voltage-dependent frequency characteristic, is connected in parallel to each of the plurality of battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 . The individual frequency-dependent electrical circuits 30 1 , 30 2 , 30 3 each have a component L 1 , L 2 , L 3 with an inductance, for example a coil, a first component C 1k , C 2k , C 3k with a first, constant capacitance, such as a capacitor, and a second component C 1v , C 2v , C 3v with a second, voltage-dependent capacitance, such as a capacitance diode. The respective first capacitances of the respective first components C 1k , C 2k , C 3k of the respective circuits 30 1 , 30 2 , 30 3 are different.

Die Überwachungsvorrichtung 40 weist eine Steuereinrichtung 43 auf, die dazu eingerichtet ist, den mehreren Batteriezellen 201, 202, 203 über den Leistungspfad 11 ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen und/oder ein Spannungssignal mit Spannungen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal 50 aufzuprägen, wobei ein Beispiel für ein solches Anregungssignal 50 in 2 veranschaulicht ist. Hierbei wird das Stromsignal bzw. das Spannungssignal auf einen Gleichstrom IBetrieb bzw. eine Gleichspannung UBetrieb zum Betrieb bzw. Aufladen der Batterie aufgeprägt bzw. aufmoduliert, wobei in 1 beispielsweise eine entsprechend erhaltene Gesamtspannung als U0 angegeben ist.The monitoring device 40 has a control device 43 which is designed to impress a current signal with currents of different frequencies and/or a voltage signal with voltages of different frequencies as an excitation signal 50 on the plurality of battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 via the power path 11, wherein an example of such an excitation signal 50 is shown in 2 Here, the current signal or the voltage signal is impressed or modulated onto a direct current I operation or a direct voltage U operation for operating or charging the battery, whereby in 1 For example, a correspondingly obtained total voltage is given as U 0 .

Die Überwachungsvorrichtung 40 weist ferner eine Messeinrichtung 44 auf, die dazu eingerichtet ist, Zellstromsignale und/oder Zellspannungssignale als frequenzabhängige Antwortsignale 51, von denen eines in 2 veranschaulicht ist, auf das Anregungssignal 50 zu erfassen, und basierend auf den Antwortsignalen 51 eine jeweilige Spannung U1, U2, U3 einer jeweiligen Batteriezelle 201, 202, 203 zu bestimmen.The monitoring device 40 further comprises a measuring device 44 which is designed to measure cell current signals and/or cell voltage signals as frequency-dependent response signals 51, one of which is 2 illustrated, to detect the excitation signal 50 and, based on the response signals 51, to determine a respective voltage U 1 , U 2 , U 3 of a respective battery cell 20 1 , 20 2 , 20 3 .

Mit Bezug auf 2, in welcher ein Spannungswert U eines Spannungs-Anregungssignals 50 bzw. ein Stromwert I eines Strom-Anregungssignal 50 und ein Spannungswert U eines Spannungs-Antwortsignals 51 bzw. ein Stromwert I eines Strom-Antwortsignal 51 gegen die Zeit t und relativ zu einer Betriebsspannung UBetrieb bzw. zu einem Betriebsstrom IBetrieb aufgetragen sind, ist die Steuereinrichtung 43 dazu eingerichtet, über den Leistungspfad 11 den mehreren Batteriezellen 201, 202, 203 ein breitbandiges Stromsignal, beispielsweise in Form eines Rechteckstrompulses, als Anregungssignal 50 aufzuprägen und/oder über den Leistungspfad 11 den mehreren Batteriezellen 201, 202, 203 ein breitbandiges Spannungssignal, beispielsweise in Form eines Rechteckspannungspulses, als Anregungssignal 50 aufzuprägen.Regarding 2 , in which a voltage value U of a voltage excitation signal 50 or a current value I of a current excitation signal 50 and a voltage value U of a voltage response signal 51 or a current value I of a current response signal 51 are plotted against time t and relative to an operating voltage U operation or to an operating current I operation , the control device 43 is set up to supply the plurality of battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 with a wide to impress a broadband current signal, for example in the form of a rectangular current pulse, as an excitation signal 50 and/or to impress a broadband voltage signal, for example in the form of a rectangular voltage pulse, as an excitation signal 50 on the plurality of battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 via the power path 11.

Wie in 2 veranschaulicht, sind eine Frequenz f, eine Phasenverschiebung Φ gegenüber dem Anregungssignals 50 und eine Amplitude Ä eines jeweiligen Antwortsignals 51 einer jeweiligen Batteriezelle 201, 202, 203 von der an der jeweiligen Batteriezelle 201, 202, 203 anliegenden Spannung sowie der Konfiguration des jeweiligen parallel geschalteten elektrischen Schaltkreises 301, 302, 303, insbesondere des Werts der ersten Kapazität, abhängig, wobei die Frequenz des Anregungssignals 50 im Wesentlichen einer Eigenfrequenz des jeweiligen elektrischen Schaltkreises 301, 302, 303 ohne das zweite Bauteil C1v, C2v, C3v entsprechen kann.As in 2 illustrated, a frequency f, a phase shift Φ with respect to the excitation signal 50 and an amplitude Ä of a respective response signal 51 of a respective battery cell 20 1 , 20 2 , 20 3 are dependent on the voltage applied to the respective battery cell 20 1 , 20 2 , 20 3 and the configuration of the respective electrical circuit 30 1, 30 2 , 30 3 connected in parallel, in particular the value of the first capacitance, wherein the frequency of the excitation signal 50 can essentially correspond to a natural frequency of the respective electrical circuit 30 1, 30 2 , 30 3 without the second component C 1v , C 2v , C 3v .

Bei einigen Ausführungen ist die Steuereinrichtung 43 zusätzlich oder alternativ dazu eingerichtet, über den Leistungspfad 11 den mehreren Batteriezellen 201, 202, 203 mehrere Abschnitte des Stromsignals, welche den mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Ströme entsprechen, zeitlich sequentiell als Anregungssignal 50 aufzuprägen und/oder über den Leistungspfad 11 den mehreren Batteriezellen 201, 202, 203 mehrere Abschnitte des Spannungssignals, welche den mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Spannungen entsprechen, zeitlich sequentiell als Anregungssignal aufzuprägen.In some embodiments, the control device 43 is additionally or alternatively configured to apply a plurality of sections of the current signal, which correspond to a plurality of different frequencies of the currents, to the plurality of battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 sequentially in time as an excitation signal 50 via the power path 11 and/or to apply a plurality of sections of the voltage signal, which correspond to a plurality of different frequencies of the voltages, to the plurality of battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 sequentially in time as an excitation signal via the power path 11.

Die Messeinrichtung 44 ist dazu eingerichtet, die Antwortsignale 51 unter Verwendung einer schnellen Fouriertransformation auszuwerten, um eine jeweilige Spannung U1, U2, U3 einer jeweiligen Batteriezelle 201, 202, 203 zu bestimmen.The measuring device 44 is configured to evaluate the response signals 51 using a fast Fourier transformation in order to determine a respective voltage U 1 , U 2 , U 3 of a respective battery cell 20 1 , 20 2 , 20 3 .

Die Messeinrichtung 44 kann insbesondere dazu eingerichtet sein, basierend auf den Antwortsignalen 51 und jeweiligen Informationen über eine jeweilige vorgegebene Eigenfrequenz eines jeweiligen, einer jeweiligen Batteriezelle 201, 202, 203 parallel geschalteten elektrischen Schaltkreises 301, 302, 303 bei einer vorgegebenen, an der jeweiligen Batteriezelle 201, 202, 203 anliegenden Spannung, die jeweilige Spannungen U1, U2, U3 der jeweiligen Batteriezellen 201, 202, 203 zu bestimmen.The measuring device 44 can in particular be set up to determine the respective voltages U 1 , U 2 , U 3 of the respective battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 based on the response signals 51 and respective information about a respective predetermined natural frequency of a respective electrical circuit 30 1 , 30 2 , 30 3 connected in parallel to a respective battery cell 20 1 , 20 2 , 20 3 at a predetermined voltage applied to the respective battery cell 20 1 , 20 2 , 20 3 .

Hierbei kann die Messeinrichtung 44 dazu eingerichtet sein, basierend auf einem Vergleich einer Amplitude Ä des Antwortsignals 51 mit einer Amplitude des Anregungssignals 50 und/oder basierend auf einem Vergleich einer Phase Φ1, Φ2, Φ3 des Antwortsignals 51 mit einer Phase des Anregungssignals 50 und/oder basierend auf einem Vergleich einer Frequenz FU1 , FU2 , FU3 des Antwortsignals 51 mit den unterschiedlichen Frequenzen der Ströme und/oder Spannungen des Anregungssignals 50 die jeweilige Spannung U1, U2, U3 der jeweiligen Batteriezelle 201, 202, 203 zu bestimmen. Entsprechende unterschiedliche Phasenverschiebungen Φ1, Φ2, Φ3, unterschiedliche Frequenzen FU1 , FU2 , FU3 , und Amplituden Ä jeweiliger Antwortsignale 51 unterschiedlicher Batteriezellen 201, 202, 203 sind in 3 veranschaulicht. Hierbei werden bei der Bestimmung der jeweiligen Spannungen U1, U2, U3 der jeweiligen Batteriezellen 201, 202, 203 die den jeweiligen Batteriezellen 201, 202, 203 eigenen Frequenzeigenschaften berücksichtigt.In this case, the measuring device 44 can be configured to, based on a comparison of an amplitude Ä of the response signal 51 with an amplitude of the excitation signal 50 and/or based on a comparison of a phase Φ 1 , Φ 2 , Φ 3 of the response signal 51 with a phase of the excitation signal 50 and/or based on a comparison of a frequency F U 1 , F U 2 , F U 3 of the response signal 51 with the different frequencies of the currents and/or voltages of the excitation signal 50 to determine the respective voltage U 1 , U 2 , U 3 of the respective battery cell 20 1 , 20 2 , 20 3. Corresponding different phase shifts Φ 1 , Φ 2 , Φ 3 , different frequencies F U 1 , F U 2 , F U 3 , and amplitudes Ä of respective response signals 51 of different battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 are in 3 illustrated. When determining the respective voltages U 1 , U 2 , U 3 of the respective battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 , the frequency properties of the respective battery cells 20 1 , 20 2 , 20 3 are taken into account.

Claims (13)

Batteriesystem (100), aufweisend: - eine Batterie mit einer Batteriezellen-Reihenschaltung (10), die mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen (201, 202, 203) oder Batteriezellenverbünde aufweist, wobei zu jeder der mehreren Batteriezellen (201, 202, 203) oder jedem der mehreren Batteriezellenverbünde ein jeweiliger frequenzabhängiger elektrischer Schaltkreis (301, 302, 303), insbesondere elektrischer Schwingkreis, parallel geschaltet ist, der eine spannungsabhängige Frequenzcharakteristik aufweist, und - eine Überwachungsvorrichtung (40), die in einem Leistungspfad (11) der Batteriezellen-Reihenschaltung (10) angeordnet ist, mit - einer Steuereinrichtung (43), die dazu eingerichtet ist, der Batteriezellen-Reihenschaltung (201, 202, 203) ein Stromsignal mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen und/oder ein Spannungssignal mit Spannungen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal (50) über den Leistungspfad (11) aufzuprägen, und - einer Messeinrichtung (44), die dazu eingerichtet ist, Zellstromsignale und/oder Zellspannungssignale als frequenzabhängige Antwortsignale (51) auf das Anregungssignal (50) über den Leistungspfad (11) zu erfassen, und basierend auf den Antwortsignalen eine jeweilige Spannung (U1, U2, U3) einer jeweiligen Batteriezelle (201, 202, 203) oder eines jeweiligen Batteriezellenverbunds zu bestimmen.Battery system (100), comprising: - a battery with a battery cell series circuit (10) which has a plurality of battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or battery cell assemblies connected in series, wherein a respective frequency-dependent electrical circuit (30 1 , 30 2 , 30 3 ), in particular an electrical oscillating circuit, which has a voltage-dependent frequency characteristic, is connected in parallel to each of the plurality of battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or each of the plurality of battery cell assemblies, and - a monitoring device (40) which is arranged in a power path (11) of the battery cell series circuit (10), with - a control device (43) which is designed to supply the battery cell series circuit (20 1 , 20 2 , 20 3 ) with a current signal with currents of different frequencies and/or a voltage signal with to impress voltages of different frequencies as an excitation signal (50) via the power path (11), and - a measuring device (44) which is set up to detect cell current signals and/or cell voltage signals as frequency-dependent response signals (51) to the excitation signal (50) via the power path (11), and to determine a respective voltage (U 1 , U 2 , U 3 ) of a respective battery cell (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or of a respective battery cell assembly based on the response signals. Batteriesystem (100) nach Anspruch 1, wobei eine jeweilige Batteriezelle (201, 202, 203) bzw. ein jeweiliger Batteriezellenverbund durch den jeweiligen parallel geschalteten frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreis (301, 302, 303) eindeutig identifizierbar ist und die Messeinrichtung (44) dazu eingerichtet ist, die jeweilige Spannung (U1, U2, U3) der jeweiligen Batteriezelle (201, 202, 203) oder des jeweiligen Batteriezellenverbunds basierend auf der spannungsabhängigen Frequenzcharakteristik des jeweiligen frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreises (301, 302, 303) zu bestimmen.Battery system (100) to Claim 1 , wherein a respective battery cell (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or a respective battery cell assembly is clearly identifiable by the respective frequency-dependent electrical circuit (30 1 , 30 2 , 30 3 ) connected in parallel and the measuring device (44) is set up to determine the respective voltage (U 1 , U 2 , U 3 ) of the respective battery cell (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or of the respective battery cell assembly based on the voltage-dependent frequency characteristic of the respective frequency-dependent electrical circuit (30 1 , 30 2 , 30 3 ). Batteriesystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder der frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreise (301, 302, 303) dazu eingerichtet ist, als Antwort auf einen Empfang des Anregungssignals (50) ein jeweiliges, von der jeweiligen Frequenzcharakteristik des jeweiligen frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreises (301, 302, 303) abhängiges, Antwortsignal (51) auf den Leistungspfad (11) aufzuprägen.Battery system (100) to Claim 1 or 2 , wherein each of the frequency-dependent electrical circuits (30 1 , 30 2 , 30 3 ) is configured to impress a respective response signal (51) dependent on the respective frequency characteristic of the respective frequency-dependent electrical circuit (30 1 , 30 2 , 30 3 ) onto the power path (11) in response to receipt of the excitation signal (50). Batteriesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein jeweiliger frequenzabhängiger elektrischer Schaltkreis (301, 302, 303) ein jeweiliges erstes Bauteil (C1k, C2k, C3k) mit einer jeweiligen ersten, konstanten Kapazität, und ein jeweiliges zweites Bauteil (C1v, C2v, C3v) mit einer jeweiligen zweiten, spannungsabhängigen Kapazität aufweist.Battery system (100) according to one of the preceding claims, wherein a respective frequency-dependent electrical circuit (30 1 , 30 2 , 30 3 ) has a respective first component (C 1k , C 2k , C 3k ) with a respective first, constant capacitance, and a respective second component (C 1v , C 2v , C 3v ) with a respective second, voltage-dependent capacitance. Batteriesystem (100) nach Anspruch 4, wobei die jeweiligen ersten Kapazitäten der jeweiligen ersten Bauteile (C1k, C2k, C3k) der jeweiligen frequenzabhängigen elektrischen Schaltkreise (301, 302, 303) unterschiedlich sind.Battery system (100) to Claim 4 , wherein the respective first capacitances of the respective first components (C 1k , C 2k , C 3k ) of the respective frequency-dependent electrical circuits (30 1 , 30 2 , 30 3 ) are different. Batteriesystem (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei zumindest eines der jeweiligen zweiten Bauteile (C1v, C2v, C3v) eine Kapazitätsdiode ist.Battery system (100) to Claim 4 or 5 , wherein at least one of the respective second components (C 1v , C 2v , C 3v ) is a capacitance diode. Batteriesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (43) dazu eingerichtet ist, über den Leistungspfad (11) den mehreren Batteriezellen (201, 202, 203) oder den mehreren Batteriezellenverbünden mehrere Abschnitte des Stromsignals, welche den mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Ströme entsprechen, zeitlich sequentiell als Anregungssignal (50) aufzuprägen und/oder über den Leistungspfad (11) den mehreren Batteriezellen (201, 202, 203) oder den mehreren Batteriezellenverbünden mehrere Abschnitte des Spannungssignals, welche den mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Spannungen entsprechen, zeitlich sequentiell als Anregungssignal (50) aufzuprägen.Battery system (100) according to one of the preceding claims, wherein the control device (43) is configured to impress a plurality of sections of the current signal, which correspond to a plurality of different frequencies of the currents, sequentially in time as an excitation signal (50) on the plurality of battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or the plurality of battery cell assemblies via the power path (11) and/or to impress a plurality of sections of the voltage signal, which correspond to a plurality of different frequencies of the voltages, sequentially in time as an excitation signal (50) on the plurality of battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or the plurality of battery cell assemblies via the power path (11). Batteriesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (43) dazu eingerichtet ist, über den Leistungspfad (11) den mehreren Batteriezellen (201, 202, 203) oder den mehreren Batteriezellenverbünden ein breitbandiges Stromsignal, welches die mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Ströme enthält, als Anregungssignal (50) aufzuprägen und/oder über den Leistungspfad (11) den mehreren Batteriezellen (201, 202, 203) oder den mehreren Batteriezellenverbünden ein breitbandiges Spannungssignal, welches die mehreren unterschiedlichen Frequenzen der Spannungen enthält, als Anregungssignal (50) aufzuprägen.Battery system (100) according to one of the preceding claims, wherein the control device (43) is configured to impress a broadband current signal, which contains the plurality of different frequencies of the currents, as an excitation signal (50) on the plurality of battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or the plurality of battery cell assemblies via the power path (11) and/or to impress a broadband voltage signal, which contains the plurality of different frequencies of the voltages, as an excitation signal (50) on the plurality of battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or the plurality of battery cell assemblies via the power path (11). Batteriesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (44) dazu eingerichtet ist, die Antwortsignale (51) unter Verwendung einer schnellen Fouriertransformation auszuwerten, um eine jeweilige Spannung (U1, U2, U3) einer jeweiligen Batteriezelle (201, 202, 203) oder eines jeweiligen Batteriezellenverbunds zu bestimmen.Battery system (100) according to one of the preceding claims, wherein the measuring device (44) is configured to evaluate the response signals (51) using a fast Fourier transformation in order to determine a respective voltage (U 1 , U 2 , U 3 ) of a respective battery cell (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or of a respective battery cell assembly. Batteriesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (44) dazu eingerichtet ist, basierend auf den Antwortsignalen (51) und jeweiligen Informationen über eine jeweilige vorgegebene Eigenfrequenz eines jeweiligen, einer jeweiligen Batteriezelle (201, 202, 203) oder einem jeweiligen Batteriezellenverbund parallel geschalteten elektrischen Schaltkreises (301, 302, 303) bei einer vorgegebenen, an der jeweiligen Batteriezelle oder dem jeweiligen Batteriezellenverbund anliegenden Spannung, die jeweilige Spannung der jeweiligen Batteriezelle (201, 202, 203) oder des jeweiligen Batteriezellenverbunds zu bestimmen.Battery system (100) according to one of the preceding claims, wherein the measuring device (44) is set up to determine the respective voltage of the respective battery cell (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or of the respective battery cell assembly based on the response signals (51) and respective information about a respective predetermined natural frequency of a respective electrical circuit (30 1 , 30 2 , 30 3 ) connected in parallel to a respective battery cell (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or a respective battery cell assembly at a predetermined voltage applied to the respective battery cell or the respective battery cell assembly. Batteriesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (44) dazu eingerichtet ist, basierend auf einem Vergleich einer Amplitude (Ä) eines Antwortsignals (51) mit einer Amplitude des Anregungssignals (50) und/oder basierend auf einem Vergleich einer Phase (Φ) eines Antwortsignals (51) mit einer Phase des Anregungssignals (50) und/oder basierend auf einem Vergleich einer Frequenz eines Antwortsignals (51) mit den unterschiedlichen Frequenzen der Ströme und/oder Spannungen des Anregungssignals (50) die jeweilige Spannung (U1, U2, U3) der jeweiligen Batteriezelle (201, 202, 203) oder des jeweiligen Batteriezellenverbunds zu bestimmen.Battery system (100) according to one of the preceding claims, wherein the measuring device (44) is configured to determine the respective voltage (U 1 , U 2 , U 3 ) of the respective battery cell (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or of the respective battery cell assembly based on a comparison of an amplitude (Ä) of a response signal (51) with an amplitude of the excitation signal (50) and/or based on a comparison of a phase (Φ) of a response signal (51) with a phase of the excitation signal (50) and/or based on a comparison of a frequency of a response signal (51) with the different frequencies of the currents and /or voltages of the excitation signal ( 50 ) . Kraftfahrzeug mit einem Batteriesystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Batterie dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie zu versorgen.Motor vehicle with a battery system (100) according to one of the preceding claims, wherein the battery is designed to supply an electric drive motor of the motor vehicle with electrical energy. Verfahren zum Überwachen von mehreren in Reihe geschalteten Batteriezellen (201, 202, 203) oder Batteriezellenverbünden, wobei zu jeder der mehreren Batteriezellen (201, 202, 203) oder jedem der mehreren Batteriezellenverbünde ein jeweiliger frequenzabhängiger elektrischer Schaltkreis (301, 302, 303), insbesondere elektrischer Schwingkreis, parallel geschaltet ist, der eine spannungsabhängige Frequenzcharakteristik aufweist, wobei das Verfahren aufweist: - Aufprägen eines Stromsignals mit Strömen unterschiedlicher Frequenzen und/oder eines Spannungssignals mit Spannungen unterschiedlicher Frequenzen als Anregungssignal (50) auf die mehreren Batteriezellen (201, 202, 203) oder die mehreren Batteriezellenverbände über einen Leistungspfad (11) der in Reihe geschalteten Batteriezellen (201, 202, 203) oder Batteriezellenverbünde, und - Erfassen von Zellstromsignalen und/oder Zellspannungssignalen als frequenzabhängige Antwortsignale (51) auf das Anregungssignal (50) über den Leistungspfad (11), und Bestimmen einer jeweiligen Spannung (U1, U2, U3) einer jeweiligen Batteriezelle (201, 202, 203) oder eines jeweiligen Batteriezellenverbunds basierend auf den Antwortsignalen (51).Method for monitoring a plurality of battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or battery cell assemblies connected in series, wherein a respective frequency-dependent electrical circuit (30 1 , 30 2 , 30 3 ), in particular an electrical oscillating circuit, is connected in parallel to each of the plurality of battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or each of the plurality of battery cell assemblies, which has a voltage-dependent frequency characteristic, wherein the method comprises: - impressing a current signal with currents of different frequencies and/or a voltage signal with voltages of different frequencies as an excitation signal (50) on the plurality of several battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or the plurality of battery cell groups via a power path (11) of the series-connected battery cells (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or battery cell groups, and - detecting cell current signals and/or cell voltage signals as frequency-dependent response signals (51) to the excitation signal (50) via the power path (11), and determining a respective voltage (U 1 , U 2 , U 3 ) of a respective battery cell (20 1 , 20 2 , 20 3 ) or of a respective battery cell group based on the response signals (51).
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DE102018212567B3 (en) 2018-07-27 2019-06-13 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft High-voltage battery with test device and motor vehicle
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