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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie und insbesondere eine Batterie mit einer Zustandsüberwachungsfunktion.
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Aus dem Stand der Technik sind Batterien bekannt, welche beispielsweise mittels eines zentralen Batteriemanagementsystems und geeigneter Sensoren Zustände der Batterien überwachen. Hierbei werden beispielsweise Spannungen, Ströme, Drücke und Temperaturen der Batterie überwacht, um Zustände und evtl. Fehlerzustände der Batterie erkennen zu können.
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Solche Überwachungen erfolgen im Stand der Technik in der Regel bezogen auf eine Gesamtheit und/oder eine größere Gruppierung miteinander fest verschalteter Batteriezellen der Batterie.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Batterie vor, welche wenigstens eine erste Batteriezellenanordnung und eine zweite Batteriezellenanordnung aufweist, wobei die wenigstens zwei Batteriezellenanordnungen jeweils wenigstens eine Batteriezelle, einen ersten Schalter und einen zweiten Schalter aufweisen. Die erfindungsgemäße Batterie ist grundsätzlich in beliebigen Einsatzbereichen anwendbar, besonders vorteilhaft ist diese aber beispielsweise als Traktionsbatterie eines elektrisch antreibbaren Fahrzeugs (z. B. PKW, LKW, Elektrobus, Elektro-Shuttle, usw.) einsetzbar.
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Die ersten und zweiten Schalter repräsentieren hierbei logische Schalter, welche sich in konkreten Ausgestaltungen beispielsweise aus einem oder mehreren physikalischen Schaltern zusammensetzen können (z. B. in Form einer „back-toback“ Anordnung aus jeweils zwei physikalischen Schaltern). Eine Ausgestaltung der Schalter ist nicht auf einen bestimmten Schaltertyp bzw. auf eine bestimmte Schaltertechnologie eingeschränkt, sodass die Schalter beispielsweise als elektronische Schalter wie MOSFETs, Si-MOSFETs, SiC-MOSFETs usw. und/oder als elektromechanische Schalter wie Schütze, Relais usw. ausgebildet sein können. Es ist zudem möglich, dass die jeweiligen ersten Schalter und zweiten Schalter identische oder voneinander abweichende Schalterarten sind.
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Die wenigstens eine Batteriezelle enthält den eigentlichen elektrischen Energiespeicher und ist ebenfalls nicht auf eine bestimmte Bauart (z. B. Rundzelle, prismatische Zelle, Pouch-Zelle, usw.) und/oder Technologie (z. B. Lithium-lonen-Zellen, Bleizellen, usw.) eingeschränkt.
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Die Batterie weist darüber hinaus wenigstens eine Auswerteeinheit auf, welche beispielsweise als ASIC, FPGA, Prozessor, digitaler Signalprozessor, Mikrocontroller, analoge Schaltung, diskrete und/oder integrierte Schaltung o. ä. ausgestaltet ist.
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In jeder Batteriezellenanordnung ist der jeweilige erste Schalter in Reihe zur Batteriezelle der Batteriezellenanordnung geschaltet, während der jeweilige zweite Schalter parallel zur Reihenschaltung aus der Batteriezelle und ihrem jeweils zugehörigen ersten Schalter geschaltet ist. Ferner sind die jeweiligen Batteriezellenanordnungen in Reihe zueinander geschaltet, so dass sie jeweils zu einer Gesamtspannung und einer Gesamtkapazität der Batterie beitragen.
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Die wenigstens eine Auswerteeinheit der Batterie ist informationstechnisch mit den Steuereingängen der jeweiligen ersten und zweiten Schalter verbunden und ist auf diese Weise eingerichtet, die Schalter einer jeweiligen Batteriezellenanordnung unabhängig von den Schaltern jeweiliger anderer Batteriezellenanordnungen anzusteuern. Eine Ansteuerung des ersten Schalters und des zweiten Schalters innerhalb einer Batteriezellenanordnung erfolgt vorzugsweise ebenfalls unabhängig voneinander.
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Die Auswerteeinheit in ferner eingerichtet, zu einem ersten vordefinierten Zeitpunkt den ersten Schalter einer aktuell zu überprüfenden Batteriezellenanordnung zum Öffnen und den zweiten Schalter dieser Batteriezellenanordnung zum Schließen anzusteuern, um diese Batteriezellenanordnung elektrisch von den jeweils anderen Batteriezellenanordnungen der Batterie zu trennen und um diese Batteriezellenanordnung hinsichtlich der Reihenschaltung aus den Batteriezellenanordnungen zu überbrücken. Durch das Überbrücken wird sichergestellt, dass der übrige Verbund aus Batteriezellenanordnungen bzw. den darin enthaltenen Batteriezellen weiterhin aktiv innerhalb der Batterie verwendbar ist.
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Die Auswerteeinheit ist weiter eingerichtet, mittels eines grundsätzlich beliebig ausgebildeten Spannungssensors einen ersten Spannungswert zu erfassen, welcher eine elektrische Spannung repräsentiert, die an der zu überprüfenden Batteriezellenanordnung zum ersten Zeitpunkt vorliegt und einen zweiten Spannungswert zu erfassen, welcher eine elektrische Spannung repräsentiert, die an der zu überprüfenden Batteriezellenanordnung zu einem dem ersten Zeitpunkt nachfolgenden zweiten vordefinierten Zeitpunkt vorliegt.
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Auf Basis des ersten Spannungswertes, des zweiten Spannungswertes, des ersten Zeitpunktes und des zweiten Zeitpunktes ist die Auswerteeinheit in der Lage, einen Zustand der zu überprüfenden Batteriezellenanordnung zu ermitteln. Hierbei wird der Effekt genutzt, dass ein Verlauf der Spannung, die über der Batteriezellenanordnung nach der elektrischen Abkopplung aus dem Batteriezellenverbund abfällt, in Abhängigkeit jeweiliger die Batteriezellenanordnung betreffender Randbedingungen, unterschiedlich ausgeprägt ist, sodass auf Basis jeweiliger Spannungsverläufe entsprechende Informationen bezüglich des Zustandes der abgekoppelten Batteriezellenanordnung ermittelbar sind.
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Die Auswerteeinheit ist schließlich eingerichtet, zu einem dritten vordefinierten Zeitpunkt den ersten Schalter der zu überprüfenden Batteriezellenanordnung zum Schließen und den zweiten Schalter dieser Batteriezellenanordnung zum Öffnen anzusteuern, um die wenigstens eine Batteriezelle der jeweiligen Batteriezellenanordnung wieder aktiv innerhalb der Batterie zu verwenden. Unter der aktiven Verwendung innerhalb der Batterie soll verstanden werden, dass die zuvor abgekoppelte Batteriezellenanordnung in diesem Zustand wieder in den Batteriezellenverbund der Batterie eingebunden ist und so zu einer Gesamtspannung und Gesamtkapazität der Batterie beiträgt.
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Unter Verwendung der vorstehenden beschriebenen erfindungsgemäßen Batterie ergibt sich u. a. der Vorteil, dass einzelne Batteriezellen oder in einzelnen Batteriezellenanordnungen gruppierte Batteriezellen separat, d. h., ohne einen Einfluss durch weitere Batteriezellen und/oder durch eine Schaltungstechnik der Batterie messbar sind, sodass besonders genaue und zuverlässige Messungen bezüglich der abgekoppelten Batteriezellenanordnung ermöglicht werden. Zudem wird eine Messung im laufenden Betrieb der Batterie ermöglicht, da die jeweils abgekoppelte Batteriezellenanordnung innerhalb der Batterie überbrückt wird und die übrigen Batteriezellenanordnungen der Batterie in diesem Zustand nach wie vor aktiv zur Aufnahme und/oder Speicherung und/oder Abgabe von elektrischer Energie einsetzbar sind. Insbesondere bei einer Verwendung einer höheren Anzahl (z. B. größer als 10, größer als 50 oder größer als 100) in Reihe geschalteter Batteriezellenanordnungen, welche in Ihrer Gesamtheit eine Gesamtspannung der Batterie erzeugen, fällt das Abkoppeln einer jeweils zu überprüfenden Batteriezellenanordnung im laufen Betrieb der Batterie kaum ins Gewicht, da der Einfluss auf die Gesamtspannung bzw. die Gesamtkapazität der Batterie entsprechend gering ist.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es in Abhängigkeit einer jeweiligen Ausgestaltung der Batterie und eines jeweiligen Einsatzbereichs der Batterie zudem möglich ist, mehr als eine Batteriezellenanordnung zur gleichen Zeit aus dem Batteriezellenverbund zu entkoppeln, diese zu überbrücken und zu messen. Ferner ist eine Kombination gleichzeitig abkoppelbarer Batteriezellenanordnungen grundsätzlich nicht eingeschränkt und dynamisch festlegbar.
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Es sei ebenfalls darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebene Ansteuerung der Schalter jeweiliger Batteriezellenanordnungen im Betrieb der Batterie vorzugsweise wiederkehrend und alternierend durchgeführt wird, sodass eine quasi durchgehende Überwachung sämtlicher Batteriezellenanordnungen ermöglicht wird.
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Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Batterie ergeben sich dadurch, dass das Messen der jeweiligen Batteriezellenanordnungen unabhängig von jeweiligen Lastsituationen der Batterie möglich ist und dass jeweilige Messungen besonders zeitnah und störunanfällig ausführbar sind, da jede Batteriezellenanordnung über eine eigene Messtechnik verfügt und zur Durchführung jeweiliger Messungen keine zeitverzögernde Kommunikation mit einer übergeordneten Messvorrichtung notwendig ist.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteinheit eingerichtet, jeweilige erste Zeitpunkte und/oder zweite Zeitpunkte und/oder dritte Zeitpunkt in Abhängigkeit einer aktuellen Nutzung der Batterie festzulegen. Dies kann sich zum einen auf jeweilige zeitliche Abstände zwischen den vorgenannten Zeitpunkten, als auch auf jeweilige zeitliche Abstände bis zur Wiederholung eines Messvorgangs für eine jeweilige Batteriezellenanordnung unter Verwendung dieser Zeitpunkte beziehen. So ist beispielsweise denkbar, bei vorliegenden Lastspitzen (z. B. während Beschleunigungsphasen eines mittels der Batterie angetriebenen Elektrofahrzeugs, usw.) die Abstände zwischen jeweiligen Messdurchläufen zu erhöhen, um während solcher Lastspitzen auf die volle Kapazität der Batterie zurückgreifen zu können. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die jeweiligen Zeitpunkte in Abhängigkeit eines Alterungszustandes der Batterie und/oder in Abhängigkeit einer Höhe einer Abweichung jeweiliger Ladezustände der Batteriezellen der Batterie untereinander und/oder in Abhängigkeit einer erforderlichen Genauigkeit für das Ermitteln des Zustandes der Batteriezellenanordnung und/oder in Abhängigkeit einer Temperaturverteilung zwischen den Batteriezellen der Batterie festzulegen. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, diejenigen Batteriezellen häufiger und/oder für jeweils längere Zeiträume aus dem Batteriezellenverbund abzukoppeln, welche im Vergleich zu anderen Zellen eine erhöhte Temperatur und/oder einen geringeren Ladezustand aufweisen, um jeweilige Temperatur- und/oder Ladezustände zwischen den Batteriezellen der Batterie aneinander anzugleichen. Mit anderen Worten ist es auf diese Weise u. a. möglich, zusätzlich zur Überwachung des Zustandes gleichzeitig ein Cell-Balancing der Batteriezellen auszuführen. Es ist zudem explizit möglich, dass jeweilige erste, zweite und dritte Zeitpunkte und jeweilige Abstände zwischen jeweiligen Wiederholungen dieser Zeitpunkte, für jede Batteriezellenanordnung individuell festzulegen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft möglich, die jeweiligen Zeitpunkte und deren Widerholungszeitpunkte innerhalb einer jeweiligen Batteriezellenanordnung in Abhängigkeit jeweils vorliegender Randbedingungen über die Zeit anzupassen.
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Besonders vorteilhaft ist die Auswerteeinheit eingerichtet ist, beim Ermitteln des Zustandes der Batteriezellenanordnung einen Zustand einer Aufbau- und Verbindungstechnik (z. B. Übergangswiderstände von Löt- und/oder Schweiß- und/oder Klebeverbindungen, Leitungswiderstände usw.) der Batteriezellenanordnung zu ermitteln, wobei der zweite Zeitpunkt hierfür insbesondere bis zu 100 ms, bevorzugt bis zu 50 ms und insbesondere bevorzugt bis zu einer 1 ms nach dem ersten Zeitpunkt liegt, wobei hierfür explizit auch davon abweichende Zeitpunkte für den zweiten Zeitpunkt verwendbar sind. Grundsätzlich ist für das Ermitteln des Zustandes der Aufbau- und Verbindungstechnik ein zweiter Zeitpunkt vorteilhaft, der mit einem kurzen Zeitabstand auf den ersten Zeitpunkt folgt, da ein Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik auf den gemessenen Spannungsverlauf der Batteriezellenanordnung in diesem Zeitraum besonders ausgeprägt ist. Alternativ oder zusätzlich wird beim Ermitteln des Zustandes der Batteriezellenanordnung ein Ladezustand und/oder ein Gesundheitszustand der wenigstens einen Batteriezelle der Batteriezellenanordnung ermittelt, wobei der zweite Zeitpunkt hierfür insbesondere zwischen 1 ms und 1000 ms nach dem ersten Zeitpunkt liegt. Auch in diesem Zusammenhang gilt, dass in diesem Zusammenhang hierfür abweichende Zeitpunkte für den zweiten Zeitpunkt verwendbar sind. Dadurch, dass auf Basis der erfindungsgemäßen Batterie eine genaue Messung von Spanungswerten einzelner Batteriezellen erfolgt, ist es besonders vorteilhaft möglich, einen aktuellen Ladezustand der Batteriezellen der jeweiligen Batteriezellenanordnung bereits zu sehr frühen Zeitpunkten nach dem Abkoppeln der jeweiligen Batteriezellenanordnung aus dem Batteriezellenverbund mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Dies ergibt sich daraus, dass im Gegensatz zu einer Bestimmung des Ladezustandes der Batterie oder einzelner Module der Batterie im Stand der Technik nicht der annähernd gesamte Relaxationszeitraum (auch Diffusionszeitraum genannt) abgewartet werden muss (z. B. mehrere Stunden), um eine zuverlässige Bestimmung des Ladezustandes durchführen zu können. Mittels einer geeigneten Extrapolation eines zukünftigen Spannungsverlaufs auf Basis eines oder mehrerer erfindungsgemäß gemessener Spannungswerte, welche zum Beispiel einige Sekunden bis einige Minuten nach dem Abkoppeln der jeweiligen Batteriezellenanordnung gemessen wurden, lässt sich auf diese Weise eine Ladzustandsbestimmung deutlicher schneller durchführen, als im Stand der Technik, wodurch die jeweiligen Batteriezellen nur kurzzeitig aus dem Gesamtzellenverbund entnommen werden müssen und somit eine besonders hohe zeitliche Flexibilität beim Ermitteln des Ladezustandes ermöglicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinheit eingerichtet ist, einen wie vorstehend beschrieben ermittelten Ladezustand zu vordefinierten Plausibilisierungszeitpunkten und/oder bei Vorliegen vordefinierter Plausibilisierungsbedingungen (z. B. wenn die Batterie über einen längeren Zeitraum nicht verwendet wird, z. B. über mehrere Stunden) mittels einer Spannungsmessung zu plausibilisieren, deren zweiter Zeitpunkt innerhalb eines Relaxationszeitraums der wenigstens einen Batteriezelle liegt oder unmittelbar auf ein Ende des Relaxationszeitraums der Batteriezelle folgt. Mit anderen Worten ist es auf diese Weise möglich, die auf Basis des extrapolierten Spannungsverlaufs frühzeitige Ladezustandsbestimmung mittels der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise abzusichern, indem in hierfür geeigneten Zeiträumen eine Spannungsmessung zur Ladezustandsbestimmung erst am Ende des Relaxationszeitraums erfolgt.
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Vorteilhaft ist die Auswerteeinheit eingerichtet, den Zustand der Batteriezellenanordnung zusätzlich auf Basis eines unmittelbar vor dem ersten Zeitpunkt gemessenen Stromwertes und/oder auf Basis eines Kennfeldes zu ermitteln, wobei das Kennfeld wenigstens einen Zusammenhang zwischen Spannungsverläufen der Batteriezelle nach einem Trennen der Batteriezelle von einer Last und einem Ladezustand und/oder Alterungszustand und/oder Impedanzen der Batteriezelle definiert.
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Vorzugsweise erfolgt das Ermitteln des Zustandes der Batteriezellenanordnung auf Basis zusätzlicher Spannungswerte, welche zwischen dem ersten Zeitpunkt und dem dritten Zeitpunkt erfasst werden. Je höher die Anzahl solcher zusätzlichen Spannungswerte ist, desto genauer ist es dementsprechend möglich, eine Extrapolation des Spannungsverlaufs durchzuführen, wodurch genauere Ergebnisse beim Ermitteln des Zustandes der jeweiligen Batteriezellenanordnungen erreichbar sind und/oder ein geringerer Rechenaufwand für die Berechnung (Extrapolation) des Spannungsverlaufs erforderlich ist.
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Besonders bevorzugt ist ein für die Erfassung der elektrischen Spannung der Batteriezellenanordnung vorgesehener Spanungssensor und/oder ein für eine Erfassung eines elektrischen Stroms vorgesehener Stromsensor in die wenigstens eine Batteriezelle integriert (in einem Innenraum und/oder einer Wandung der Batteriezelle) und/oder an einer Außenseite der wenigstens einen Batteriezelle angeordnet. Durch die örtliche Nähe zu der zu messenden Batteriezelle bzw. Batteriezellenanordnung ist eine besonders geringe Störanfälligkeit und somit eine besonders hohe Messgenauigkeit gegeben, da keine langen elektrischen Verbindungsleitungen von Sensoren usw. zu einer zentralen Messvorrichtung der Batterie eingesetzt werden müssen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist jede Batteriezellenanordnung eine separate Auswerteeinheit auf, welche zur Ansteuerung der ersten Schalter und zweiten Schalter der jeweiligen Batteriezellenanordnungen vorgesehen ist und welche insbesondere eingerichtet ist, mit einer übergeordneten zentralen Steuereinheit, z. B. eines Batteriemanagementsystems zu kommunizieren. Dies bietet u. a. den Vorteil, dass eine Verarbeitung von Ergebnissen von Spannungs- und/oder Strom- und/oder Temperatur- und/oder Druckmessungen innerhalb einer jeweiligen Batteriezellenanordnung unmittelbar in der Batteriezellenanordnung selbst durchführbar ist, wodurch beispielsweise eine Verarbeitungsgeschwindigkeit im Vergleich zum Stand der Technik erhöht werden kann. Zudem ist es auf diese Weise möglich, eine Rechenlast auf die einzelnen Auswerteeinheiten der jeweiligen Batteriezellenanordnungen und auf eine ggf. vorhandene zentrale Steuereinheit aufzuteilen, wodurch kostengünstigere Recheneinheiten innerhalb der Auswerteeinheiten und/oder innerhalb der zentralen Steuereinheit einsetzbar sind. Zudem lässt sich eine Reaktionsgeschwindigkeit auf jeweilige Messergebnisse erhöhen, da diese, insbesondere bei zeitkritischen Situationen, nicht zunächst an eine zentrale Steuereinheit (ggf. sequentiell) übertragen werden müssen. Insbesondere im Zusammenhang mit festgestellten Fehlerzuständen innerhalb der jeweiligen Batteriezellenanordnungen ist somit durch die jeweilige Auswerteeinheit eine lokale Ausführung einer Fehlerreaktion innerhalb der Batteriezellenanordnung möglich. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Kommunikationsverbindung (z. B. eine Busverbindung oder eine davon abweichende Verbindung) nicht nur zwischen den einzelnen Auswerteeinheiten und einer ggf. vorhandenen zentralen Steuereinheit denkbar ist, sondern dass die einzelnen Auswerteeinheiten auch direkte Kommunikationsverbindungen untereinander aufweisen können.
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Wie vorstehend erwähnt ist es möglich, dass die Batteriezellenanordnungen jeweils genau eine Batteriezelle oder wenigstens zwei parallelgeschaltete und/oder zwei in Reihe geschaltete Batteriezellen aufweisen. Es ist zudem möglich, dass unterschiedliche Batteriezellenanordnungen der Batterie unterschiedliche Konfigurationen von Batteriezellen aufweisen.
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Vorteilhaft ist die Auswerteeinheit eingerichtet, einen Zustand für wenigstens diejenigen Batteriezellenanordnungen der Batterie, welche für eine aktive Verwendung innerhalb der Batterie vorgesehen sind (d. h., zuvor als defekt erkannte und/oder redundante Zellen können hier beispielsweise ausgelassen werden), alternierend und wiederkehrend zu überprüfen und/oder diejenigen Batteriezellenanordnungen der Batterie, deren ermittelter Zustand vordefinierte Kriterien nicht erfüllt, dauerhaft innerhalb der Reihenschaltung der Batteriezellenanordnungen zu deaktivieren und zu überbrücken. Die Kriterien umfassen beispielsweise eine Einhaltung einer Sollbereichsimpedanz, einer Sollbereichstemperatur, einer Sollbereichsspannung usw.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie; und
- 2 einen beispielhaften Strom- und/Spannungsverlauf während einer Messung einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Batterie. Die Batterie weist eine Vielzahl (z. B. 100 oder mehr) in Reihe geschalteter Batteriezellenanordnungen 10, 20 auf, von welchen aus Gründen der Übersicht hier nur eine erste Batteriezellenanordnung 10 und eine zweite Batteriezellenanordnung 20 dargestellt sind.
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Die Batteriezellenanordnungen 10, 20 verfügen jeweils über eine Batteriezelle 30, welche der eigentliche elektrische Energiespeicher ist, über einen ersten Schalter 40 und über einen zweiten Schalter 45, wobei die jeweiligen Schalter 40, 45 hier als SiC-MOSFETs ausgebildet sind.
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Zudem verfügt jede Batteriezellenanordnung 10, 20 über eine Auswerteeinheit 50, welche jeweils informationstechnisch mit Steuereingängen der ersten Schalter 40 und zweiten Schalter 45 verbunden ist. Auf diese Weise sind die jeweiligen Auswerteeinheiten 50 eingerichtet, korrespondierende erste Schalter 40 und zweite Schalter 45 unabhängig voneinander anzusteuern.
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Im hier vorliegenden Beispiel ist der erste Schalter 40 der ersten Batteriezellenanordnung 10 durch eine Ansteuerung mittels der Auswerteeinheit 50 geöffnet und der zweite Schalter der ersten Batteriezellenanordnung 10 ist durch eine Ansteuerung mittels der Auswerteeinheit 50 geschlossen. Dadurch ist die erste Batteriezellenanordnung 10 von der Vielzahl von Batteriezellenanordnungen 10, 20 der Batterie elektrisch entkoppelt, während sie in der Reihenschaltung aus Batteriezellenanordnungen 10, 20 elektrisch überbrückt ist.
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Dies ermöglicht eine isolierte Spannungsmessung über der ersten Batteriezellenanordnung 10 mittels eines Spannungssensors 80, welcher in jeder Batteriezellenanordnung 10, 20 enthalten ist. Hierfür ist die jeweilige Auswerteeinheit 50 informationstechnisch mit dem jeweiligen Spannungssensor 80 verbunden.
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Für die Spannungsmessung der ersten Batteriezellenanordnung 10 wird durch die Auswerteeinheit 50 in Verbindung mit dem Spannungssensor 80 zu einem ersten Zeitpunkt t1, welcher einem Zeitpunkt des Öffnens des ersten Schalters 40 und des Schließens des zweiten Schalters 45 der ersten Batteriezellenanordnung 10 entspricht, ein erster Spannungswert U1 gemessen. Zu einem zweiten Zeitpunkt t2, welcher hier 1 ms nach dem ersten Zeitpunkt t1 liegt, wird auf gleiche Weise ein zweiter Spannungswert U2 gemessen.
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Auf Basis der gemessenen Spanungswerte U1, U2 und einer Zeitdifferenz zwischen den beiden Zeitpunkten t1, t2, ist die Auswerteeinheit eingerichtet, einen Zustand einer Anschluss- und Verbindungstechnik der Batteriezellenanordnung zu ermitteln.
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Die Schalter 40, 45 der zweiten Batteriezellenanordnung 20 sind zu diesem Zeitpunkt derart angesteuert, dass die zweite Batteriezellenanordnung 20 innerhalb der Batterie aktiv geschaltet ist und somit zu einer Gesamtspannung bzw. einer Gesamtkapazität der Batterie beiträgt.
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Nach erfolgter Messung der ersten Batteriezellenanordnung 10 wird die erste Batteriezellenanordnung 10 durch eine Ansteuerung des ersten Schalters 40 und des zweiten Schalters 45 der Reihenschaltung aus Batteriezellenanordnungen 10, 20 zu einem dritten Zeitpunkt t3 wieder hinzugefügt, sodass ab diesem Zeitpunkt wieder sämtliche Batteriezellenanordnungen 10, 20 der Batterie zu einer Gesamtspannung bzw. Gesamtkapazität der Batterie beitragen.
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Vorteilhaft wird im Zuge der oben beschriebenen Messung der ersten Batteriezellenanordnung 10 zu weiteren Zeitpunkten t4, t5 zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem dritten Zeitpunkt t3 weitere Spannungswerte U3, U4 erfasst, wobei der vierte Zeitpunkt t4 hier 200 ms nach dem ersten Zeitpunkt t1 und der fünfte Zeitpunkt t5 hier 5 s nach dem ersten Zeitpunkt t1 liegt. Auf Basis dieser zusätzlichen Spannungswerte U3, U4 und der mit ihnen korrespondierenden Zeitpunkte t4, t5 und unter Verwendung eines die Eigenschaften der ersten Batteriezellenanordnung 10 repräsentierenden Kennfeldes, werden zusätzlich ein Zustand einer Zellchemie und ein Ladezustand der Batteriezelle 30 der ersten Batteriezellenanordnung 10 ermittelt.
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Das Ermitteln vorstehender Zustandsgrößen der Batteriezelle 30 der ersten Batteriezellenanordnung 10 erfolgt vorzugsweise wiederkehrend und alternierend mit sämtlichen weiteren Batteriezellenanordnungen 20 der Batterie. Eine Festlegung jeweiliger Zeitpunkte t1, t2, t3, t4, t5 und jeweilige Wiederholungszeitpunkte der Messungen werden hierbei in Abhängigkeit einer Höhe einer Abweichung von Ladezuständen der Batteriezellen 30 unterschiedlicher Batteriezellenanordnungen 10, 20 festgelegt bzw. angepasst.
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In vordefinierten zeitlichen Abständen wird der solchermaßen ermittelte Ladezustand der Batteriezelle 30 zudem mittels einer Spannungsmessung am Ende eines Relaxationszeitraums 64 der Batteriezelle 30 plausibilisiert.
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Vorzugsweise wird mittels eines Stromsensors 90, der in jeder Batteriezellenanordnung 10, 20 vorgesehen ist, ein Stromwert I1 unmittelbar vor dem Erreichen des Zeitpunktes t1 gemessen und im Zuge der Zustandsermittlung der ersten Batteriezellenanordnung 10 berücksichtigt.
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2 zeigt einen beispielhaften Stromverkauf I und einen Spannungsverlauf U während einer Messung einer erfindungsgemäßen Batteriezellenanordnung 10, 20. Es sei darauf hingewiesen, dass die Zeitachse t in 2 nichtlinear ausgestaltet ist, um zeitlich stark voneinander abweichende Abschnitte jeweiliger Kurvenverläufe in einer einzigen Abbildung darstellen zu können.
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Zu einem ersten Zeitpunkt t1 wird eine erfindungsgemäße Batteriezellenanordnung 10, 20 gemäß vorstehender Beschreibung von einer Reihenschaltung einer Vielzahl von Batteriezellenanordnungen 10, 20 elektrisch abgekoppelt und gleichzeitig elektrisch überbrückt. Entsprechend fällt ein innerhalb der Batteriezellenanordnung 10, 20 gemessener Strom I zum Zeitpunkt t1 auf einen Wert von 0 ab. Unmittelbar vor dem Zeitpunkt t1 wurde ein aktueller Stromwert I1 innerhalb der Batteriezellenanordnung 10, 20 gemessen. Außerdem wird zum Zeitpunkt t1 ein erster Spannungswert U1 der Batteriezellenanordnung 10, 20 gemessen.
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Ferner wird zu einem zweiten Zeitpunkt t2, welcher in einem ersten Messzeitraum 60 liegt, in dem vorwiegend ein Zustand einer Anschluss- und Verbindungtechnik der Batteriezellenanordnung 10, 20 einen Einfluss auf den Spannungsverlauf U nach dem Zeitpunkt t1 hat, ein zweiter Spannungswert U2 gemessen.
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Zu einem vierten Zeitpunkt t4, welcher in einem zweiten Messzeitraum 62 liegt, in dem vorwiegend ein Zustand einer Zellchemie einer Batteriezelle 30 der Batteriezellenanordnung 10, 20 den Spannungsverlauf U bestimmt, wird anschließend ein dritter Spannungswert U3 gemessen.
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In einem nachfolgenden dritten Messzeitraum 64, welcher im Wesentlichen mit einer Relaxationsphase der Batteriezelle 30 korrespondiert, wird zu einem fünften Zeitpunkt t5 ein vierter Spannungswert U4 gemessen.
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Auf Basis der vorstehenden Spannungswerte U1, U2, U3, U4 und ihrer jeweiligen korrespondierenden Messzeitpunkte t1, t2, t4, t5, werden anschließend unterschiedliche Zustandsinformationen über die Batteriezellenanordnung 10, 20 ermittelt.
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Zu einem dritten Zeitpunkt t3 wird die zuvor abgekoppelte und überbrückte Batteriezellenanordnung 10, 20 wieder zu dem Verbund aus Batteriezellenanordnungen 10, 20 hinzugeschaltet.
