EP2419751A1 - Ermittlung des innenwiderstands einer batteriezelle einer traktionsbatterie bei einsatz von induktivem zellbalancing - Google Patents

Ermittlung des innenwiderstands einer batteriezelle einer traktionsbatterie bei einsatz von induktivem zellbalancing

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EP2419751A1
EP2419751A1 EP10706208A EP10706208A EP2419751A1 EP 2419751 A1 EP2419751 A1 EP 2419751A1 EP 10706208 A EP10706208 A EP 10706208A EP 10706208 A EP10706208 A EP 10706208A EP 2419751 A1 EP2419751 A1 EP 2419751A1
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EP
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internal resistance
battery
battery cell
cell
during
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10706208A
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English (en)
French (fr)
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Holger Fink
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for determining the internal resistance of a battery cell of a battery, in particular a traction battery, according to the preambles of claims 1 and 6.
  • battery and battery system are adapted to common usage, used for accumulator system.
  • FIG. 1 The basic functional structure of a battery system according to the prior art is shown in FIG.
  • a battery cell 1 In order to achieve the required power and energy data with the battery system, in a battery cell 1 individual battery cells Ia are connected in series and partially in parallel in addition.
  • the block diagram of a so-called traction battery for hybrid or electric vehicles is shown in FIG.
  • Safety & Fuse unit 16 Between the battery cells Ia and the poles of the battery system is a so-called Safety & Fuse unit 16, which eg takes over the connection and disconnection of the battery 1 to external systems and the protection of the battery system against unacceptably high currents and voltages as well as provides safety functions such as the unipolar Disconnecting the battery cells Ia from the battery system poles when opening the battery case.
  • Another functional unit is the battery management 17, which is next to the battery state detection 17a also performs the communication with other systems as well as the thermal management of the battery 1.
  • the functional unit battery status recognition 17a shown in FIG. 4 has the task of determining the current status of the battery 1 and of predicting the future behavior of the battery 1, e.g. a lifetime prediction and / or a range prediction.
  • the prediction of future behavior is also called prediction.
  • the basic structure of a model-based battery state detection is shown in FIG.
  • the illustrated model-based battery state detection and prediction is based on an evaluation of the electrical quantities battery current and voltage and the temperature of the battery 1 by means of an observer 17b and a battery model 17c in a known manner.
  • the battery state detection can be carried out for individual cells Ia of a battery 1, this then taking place on the basis of the corresponding cell voltage, the cell current and the cell temperature.
  • the battery condition detection can also be carried out for the entire battery 1.
  • FIG. 7 shows the functional principle of an arrangement for the so-called resistive balancing of battery cells 1a.
  • the task of the cell balancing is to ensure, in the case of a series connection of a plurality of individual cells 1a, that the cells 1a all have the same state of charge or the same cell voltage. Due to the principle existing asymmetries of the battery cells Ia, for example, slightly different capacity, slightly different self-discharge, this would not be possible without additional measures when operating the battery.
  • the battery cells Ia can be discharged by switching on an ohmic resistor 2 arranged parallel to the cell.
  • the resistor 2 with the value R Ba ⁇ n via the transistor 10 (T Ba ⁇ n ) parallel to the cell Ia with the Number n switched on.
  • T Ba ⁇ n the transistor 10
  • the voltage applied to a cell Ia is supplied for evaluation via a filter consisting of two resistors 11, 12 and a capacitor 13 and an A / D converter 14 of a control and evaluation unit 15, which is present for each cell Ia and with a higher-level central control unit, such as the battery state detection 17a communicates.
  • lithium-ion batteries which consist of a series connection of several single cells Ia
  • resistive cell balancing is state of the art.
  • cell balancing which in principle can work lossless, for example, the so-called inductive cell balancing.
  • FIG. 8 shows the basic principle of so-called inductive cell balancing.
  • all cells Ia are connected to a circuit for cell voltage detection and control of the inductive cell balancing, which has an inductance 2 as an energy store.
  • Inductive cell balancing is used when the circuit concept for the equalization of the cell voltages or the state of charge of the cells is based on an inductive intermediate storage of the electrical energy transported in the process.
  • Caching can - depending on the circuit concept - be carried out in chokes or transformers.
  • inductive cell balancing energy is taken from one or more cells in a first step and stored temporarily in the inductive storage 2. In a second step, the cached energy is stored back into one or more battery cells Ia. Examples include:
  • FIG. 9 shows, as an example, a circuit principle for inductive cell balancing, in which inductors are used for buffering energy. If the battery cell Ia (n) is to be discharged because it has, for example, a higher state of charge than other cells of the battery system, by turning on the transistor 10 (T Ba ⁇ _ n ) a current through the chokes 2a (L n obe n ) and 2b (L n u n te n) constructed through which the cell Ia (n) is discharged.
  • T Ba ⁇ _ n a current through the chokes 2a (L n obe n ) and 2b (L n u n te n) constructed through which the cell Ia (n) is discharged.
  • T Ba ⁇ _ n After switching off the transistor 10 (T Ba ⁇ _ n ) commutes the current through the inductor 2a (U_obe n ) in a current path through the diode 2c (D n + ij) and loads the battery cell Ia (n + 1) and the current through the choke (L n u n te n) is commutated in a current path through the diode 2d (D n - I r ⁇ ) and recharges the battery cell Ia (n-1).
  • energy can be taken from a cell Ia (n) and transported into the two adjacent cells Ia (n + 1, n-1) in order to carry out the cell balancing.
  • FIG. 9 does not show the detection of the cell voltages. Such detection is required for lithium-ion batteries both to determine the state of charge and to perform cell balancing, as well as to monitor compliance with the cell's upper and lower voltage limits. This provides the system with information about the individual cell voltages.
  • the object of the present invention is to present a new concept for the determination of the internal resistance of the individual cells of a battery system with which the battery state detection and prediction can be realized more robustly, more accurately and independently of the operating state of the battery compared with the current state of the art. Disclosure of the invention
  • inventive method with the features of claim 1 and the device according to the invention with the features of claim 6 have the advantage that they can be used to determine the internal resistance of battery cells in battery systems with inductive Zellbalancing with little or no additional electronic circuitry .
  • This method and this device have the advantage compared with the current state of the art that the same operating sequence can be brought about time and again to determine the internal resistance and, as a result, a particularly robust and accurate determination becomes possible.
  • the new method and the new device have the advantage that they can also be used in operating phases in which the battery does not deliver or pick up power at its poles and / or in which the battery, including the battery cell, is charged, e.g. when the vehicle is turned off.
  • the inventive method and the device according to the invention comprise that the first time is selected such that the first current is equal to zero, and the second time is an arbitrary time during the following discharge phase of the battery cell.
  • the method according to the invention and the device according to the invention particularly preferably comprise that the first time is an arbitrary time during a discharge phase of the battery cell and the second time is an arbitrary time during the same discharge phase of the battery cell.
  • the method according to the invention alternatively or additionally comprises the step the determination of an aging-dependent increase in the internal resistance of the battery cell based on a known dependence of the internal resistance of an existing during the determination of the internal resistance cell temperature and during the determination of the internal resistance existing state of charge of the battery cell.
  • the corresponding preferred development of the device according to the invention comprises for this purpose a table which stores a dependence of the internal resistance on a cell temperature existing during the determination of the internal resistance and a state of charge of the battery cell during the determination of the internal resistance, and a first evaluation unit which effects an aging-dependent increase of the internal resistance the battery cell determined on the basis of the determined internal resistance and a query of the table.
  • the inventive method further comprises alternatively or additionally the step of determining a frequency dependence of the internal resistance of the battery cell by a variation of a frequency of excitation of the resistive cell balancing during several consecutive determinations of the internal resistance and / or by a variation of a duty cycle of a stimulation of the resistive cell balancing during a plurality of successive ones Determination of internal resistance.
  • the corresponding preferred development of the device according to the invention comprises for this purpose a second control module for varying a frequency of excitation of the resistive cell balancing during a plurality of successive determinations of the internal resistance and / or for varying a duty cycle of an excitation of the resistive cell balancing during a plurality of successive determinations of the internal resistance, and a second evaluation unit for determining a frequency dependence of the internal resistance of the battery cell by evaluating the several successive determinations of the internal resistance.
  • the internal resistance is also determined as a function of the frequency of the excitation with the new method.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a first preferred embodiment of a device according to the invention for determining the internal resistance of a battery cell
  • Figure 2 shows a first example of the excitation of the battery cells to the
  • Figure 3 shows a second example of the excitation of the battery cells to the
  • FIG. 4 shows a functional structure of a battery system according to the prior art
  • FIG. 5 shows a further block diagram of a battery system according to the current state of the art
  • FIG. 6 shows a block diagram of a model-based
  • FIG. 7 shows a block diagram of an arrangement for the resistive cell balancing of the battery cells according to the prior art
  • Figure 8 is a schematic diagram of an arrangement for the inductive cell balancing of the battery cells according to the prior art.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of the device according to the invention, which is an extension of the circuit principle illustrated in FIG. 9 for inductive cell balancing.
  • FIG. 1 additionally shows a filter circuit 11, 12, 13 for conditioning the differential voltage signal of the cell Ia (n) for an analog / digital converter 14.
  • the cell voltage is provided in compliance with the sampling theorem of a control and evaluation unit 15 of the cell Ia (n), which processes it and forwards it to the superordinate battery condition detection 17b.
  • the control and evaluation units 15 of all cells Ia communicate with each other to perform the cell balancing.
  • the circuit used for the cell balancing is also used for the inventive determination of the internal resistance of the cell, optionally with the illustrated additional circuit elements, but which can preferably also be integrated into the control and evaluation unit 15.
  • a first control module 3 with which the voltage applied to the battery cell Ia U n , or voltage applied to the chokes 2a, 2b voltage U L , and that of the battery cell Ia (n) flowing current (TßaL n ) are detected at different times during the charge extraction.
  • the first control module 3 is connected to a computing unit 4, which calculates the internal resistance of the battery cell as described below as the quotient of the difference of two detected voltage values with the difference of two detected current values.
  • the charge which was taken from the cell or cells 1a in the first step can be calculated over the voltage-time area with known inductance of the memory 2 used for buffering the energy as follows:
  • the maximum current at the end of the first step is denoted by l Lmax .
  • the voltage U L at the inductive component can - assuming ideal electronic switch 10 with on-resistance to 0 and an ideal inductive component 2 which has no ohmic internal resistance - simply from the or voltages U n those cells from which the energy is taken , be determined.
  • equations (1) and (2) it is thus possible to determine the discharge current as well as the charge taken from the cells Ia.
  • the non-ideal properties of the electronic switch 10 and the inductive components 2 used for the cell balancing cause, with suitable dimensioning of the components, only small errors in the determination of the charge taken from the cell or cells Ia.
  • the feeding back of the cached energy into the cell (s) Ia can be calculated in the second step:
  • the current flow during the charge transport as well as the withdrawn or fed back charge can be determined when carrying out the cell balancing.
  • the internal resistance of the cells can be determined as follows:
  • the starting point for explaining the mode of operation is an operating state in which the battery does not output or pick up power at its terminals. In this state, no current flows through the battery cells 1a. If the transistor 10 (T Ba ⁇ _ n ) is then turned on, the cell 1a (n) discharges via the chokes 2a, 2b (Ln ob en and L n _ un th) - By turning on the transistor 10 (T Ba ⁇ _n ) changes compared to the initial state (no power output or - recording), the cell voltage, which is detected by means of the above arrangement for cell voltage measurement. In addition, of course, the current flowing through the battery cell 1a (n) also changes. This current can be determined in the manner described above.
  • the temperature, charge state and age-dependent internal resistance R 1 n of the battery cell 1a (n) can thus be determined, for example, as follows:
  • an arbitrary point in time during the discharge phase of the cell 1a (n) is used in addition to the initial state (cell not loaded), for which the cell voltage and the cell current are determined in the manner described.
  • the aging-dependent increase of the internal resistance of the battery cell can be determined.
  • the arithmetic unit 4 is connected to a first evaluation unit 7, which determines the aging-dependent increase of the internal resistance of the battery cell 1a (n) on the basis of the determined internal resistance and a query of a table 6, the dependence of the internal resistance of the existing during the determination of the internal resistance cell temperature and one during the Determining the internal resistance existing state of charge of the battery cell 1a stores.
  • two or more points in time during the discharge phase of the cell 1a (n) can also be used to determine the internal resistance of the cell 1a (n).
  • the internal resistance determination then takes place via the differential voltage and the change in the balancing current which occur between the time points in question:
  • the presented method according to the invention for determining the internal resistance can e.g. even when the vehicle is parked. As a result, the determination of the internal resistance is not adversely affected by the superimposed "normal operation" of the battery 1. This represents a significant advantage over the previously known methods.
  • the described procedure according to the invention for determining the internal resistance of the battery cells 1a (also in the described modification) can be applied analogously also during the phases in which the in the inductive components 2; 2a, 2b cached energy is fed back into the cells 1a. Even during these phases, the system has both the information about the current values of the cell voltages U n and the information about the time profiles of the balancing currents I L available. Thus, the method for the determination of the internal resistance can be applied.
  • the proposed inventive principle for determining the internal resistance of the battery cells can of course also be applied during the "normal operation" of the battery 1 (including the Operating phases in which the battery is charged). Then, to determine the internal resistance, the influence of the battery current currently superimposed on the balancing current in the cell Ia must be taken into account. However, this procedure is only possible in operating states in which the battery 1 is charged or discharged at low currents.
  • the internal resistance R 1 n of the battery cell Ia (n) is in turn determined from the quotient of the cell voltage and cell current difference of two considered time points.
  • one of the essential information required for battery state detection and prediction - the temperature, charge state and aging dependent change of the internal resistance of the battery cells - can be determined in all operating states of the battery .
  • the internal resistance can only be determined in operating phases in which the battery current changes appreciably during "normal operation.” In this way, it is possible to carry out the determination of the internal resistance of the battery cells in a much more robust and accurate manner compared with the prior art.
  • the dependence on the frequency of the excitation is preferably determined.
  • the following procedures are preferably used for this:
  • FIG. 2 shows by way of example in the two time courses for the control of the transistor 10 (T ⁇ aL n ) how the dependence of the impedance of the battery cells on the frequency of the excitation can be determined.
  • the duty cycle of the excitation is shown symmetrically in Figure 2, ie, duty cycle and turn-off of the transistor are the same.
  • the method can also be implemented with asymmetrical duty cycles; only a maximum permissible duty cycle has to be taken into account, which depends on the size and type of the energy store 2 and of the cells 1a, since the cached energy must be stored back into the cells 1a.
  • the frequency of the excitation is varied to determine the frequency dependence of the internal resistance.
  • FIG. 2 shows the curves for 2 frequencies.
  • the measurement times are shown as upward-pointing arrows, in which the internal resistance can be determined according to equation (1).
  • the measurement times are here in each case before and after a change in the switching state of the transistor 10 (T Ba ⁇ _ n ) selected.
  • FIG. 3 shows a further possibility for determining the frequency dependence of the internal resistance of the battery cells.
  • the duty cycle of the excitation is varied while the frequency is kept constant. Also in this procedure, the measurement times shown as upward arrows are respectively before and after a change in the switching state of the transistor 10 (T Ba ⁇ n ) selected.
  • the frequency-dependent internal resistance of the battery cells is in turn determined according to equation (5) or with a corresponding modification of the procedure according to equation (6).
  • a second control module 8 is provided according to the invention, which is coupled to the first control module 3 and the control and evaluation unit 15.
  • the second control module 8 is further connected to a second evaluation unit 9, which is also connected to the arithmetic unit 4.
  • the second evaluation unit 9 determines the frequency dependence of the ohmic component of the internal resistance of the battery cell by evaluating the several successive determinations of the internal resistance, taking into account the change in the frequency and / or the duty cycle of the excitation.
  • the presented preferred method for determining the frequency dependence of the internal resistance of the battery cells can also be used to determine one of the essential information required for battery state detection and prediction - the temperature, charge state and aging-dependent change in the internal resistance of the battery cells.
  • the internal resistance can only be determined in operating phases in which the battery current changes appreciably during "normal operation.” In this way, the determination of the internal resistance of the battery cells compared to the prior art is much more robust and accurate perform.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle (1a) einer Batterie (1), insbesondere einer Traktionsbatterie, wobei in der Batterie (1) ein induktives Zellbalancing zum Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen (1a) ausgeführt wird, bei dem die einer Batteriezelle (1a) entnommene oder zugeführte Ladung über eine Ermittlung des während der Ladungsentnahme oder -zufuhr fließenden Stroms bestimmt wird. Erfindungsgemäß sind ein erstes Steuermodul (3) zum Bestimmen einer an der Batteriezelle (1a) anliegenden ersten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle fließenden ersten Stroms zu einem ersten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr und zum Bestimmen einer an der Batteriezelle (1a) anliegenden zweiten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle (1a) fließenden zweiten Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr, und eine Recheneinheit (4) zum Berechnen des Innenwiderstands der Batteriezelle (1a) als den Quotienten der Differenz der zweiten Spannung und der ersten Spannung mit der Differenz des zweiten Stroms und des ersten Stroms vorgesehen.

Description

Beschreibung
Titel
Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle einer Traktionsbatterie bei
Einsatz von induktivem Zellbalancing
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6.
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen, z.B. bei Windkraftanlagen, als auch in Fahrzeugen z.B. in Hybrid- und Elektrofahr- zeugen, vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. In der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe Batterie und Batteriesystem dem üblichen Sprachgebrauch angepasst, für Akkumulator bzw. Akkumulatorsystem verwendet.
Der prinzipielle funktionale Aufbau eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik ist in Figur 4 dargestellt. Um die geforderten Leistungs- und Energiedaten mit dem Batteriesystem zu erzielen, werden in einer Batteriezelle 1 einzelne Batteriezellen Ia in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Für eine Serienschaltung von Batteriezellen ist das Prinzipschaltbild einer sogenannten Traktionsbatterie für Hybrid- oder Elektrofahrzeuge in Figur 5 dargestellt. Zwischen den Batteriezellen Ia und den Polen des Batteriesystems befindet sich eine sogenannte Safety&Fuse- Einheit 16, welche z.B. das Zu- und Abschalten der Batterie 1 an externe Systeme und die Absicherung des Batteriesystems gegen unzulässig hohe Ströme und Spannungen übernimmt sowie Sicherheitsfunktionen bereitstellt wie z.B. das einpolige Abtrennen der Batteriezellen Ia von den Batteriesystempolen bei Öffnen des Batteriegehäuses. Eine weitere Funktionseinheit bildet das Batteriemanagement 17, welches neben der Batteriezustandserkennung 17a auch die Kommunikation mit anderen Systemen sowie das Thermomanagement der Batterie 1 durchführt.
Die in Figur 4 dargestellte Funktionseinheit Batteriezustandserkennung 17a hat die Aufgabe, den aktuellen Zustand der Batterie 1 zu bestimmen sowie das künftige Verhalten der Batterie 1 vorherzusagen, z.B. eine Lebensdauervorhersage und/oder eine Reichweitenvorhersage. Die Vorhersage des künftigen Verhaltens wird auch als Prädiktion bezeichnet. Der prinzipielle Aufbau einer modellbasierten Batteriezustandserkennung ist in Figur 6 dargestellt. Die dargestellte modellbasierte Batteriezustandserkennung und -prädiktion basiert auf einer Auswertung der elektrischen Größen Batteriestrom und -Spannung sowie der Temperatur der Batterie 1 mittels eines Beobachters 17b und eines Batteriemodells 17c in bekannter Weise. Die Batteriezustandserkennung kann für einzelne Zellen Ia einer Batterie 1 erfolgen, wobei dies dann auf Basis der entsprechenden Zellspannung, des Zellstroms sowie der Zelltemperatur erfolgt. Weiter kann die Batteriezustandserkennung auch für die gesamte Batterie 1 erfolgen. Dies erfolgt dann - je nach Anspruch an die Genauigkeit - entweder durch Auswertung der Zustände der einzelnen Zellen Ia der Batterie 1 und einer darauf basierenden Aggregation für die gesamte Batterie 1 oder direkt durch Auswertung der gesamten Batteriespannung, des Batteriestroms und der Batterietemperatur. Allen Verfahren gemäß Stand der Technik ist dabei gemein, dass die im normalen Betrieb der Batterie 1 auftretenden Strom-, Spannungsund Temperaturverläufe für die Ermittlung des Batteriezustands sowie für die Prädiktion des künftigen Verhaltens herangezogen werden.
In Figur 7 ist das Funktionsprinzip einer Anordnung für das sogenannte resistive Balancing von Batteriezellen Ia dargestellt. Aufgabe des Zellbalancings ist, bei einer Serienschaltung von mehreren Einzelzellen Ia dafür zu sorgen, dass die Zellen Ia alle den gleichen Ladezustand bzw. die gleiche Zellspannung aufweisen. Aufgrund der prinzipiell vorhandenen Unsymmetrien der Batteriezellen Ia, z.B. geringfügig unterschiedliche Kapazität, geringfügig unterschiedliche Selbstentladung, wäre dies ohne zusätzliche Maßnahmen bei Betrieb der Batterie nicht gegeben. Beim resistiven Zellbalancing können die Batteriezellen Ia über Zuschaltung eines parallel zu der Zelle angeordneten ohmschen Widerstands 2 entladen werden. In Figur 6 wird der Widerstand 2 mit dem Wert RBaι n über den Transistor 10 (TBaι n) parallel zur Zelle Ia mit der Nummer n zugeschaltet. Durch Entladung jener Zellen Ia, die einen höheren Ladezustand bzw. eine höhere Spannung aufweisen, als die Zellen Ia mit Nummern n mit geringstem Ladezustand bzw. geringster Spannung kann eine Symmetrierung der Ladezustände bzw. Spannungen über alle Zellen Ia der Batterie 1 herbeigeführt werden. Die an einer Zelle Ia anliegende Spannung wird zur Auswertung über einen aus zwei Widerständen 11, 12 und einem Kondensator 13 bestehenden Filter und einen A/D-Wandler 14 einer Steuer- und Auswerteeinheit 15 zugeführt, die für jede Zelle Ia vorhanden ist und mit einer übergeordneten zentralen Steuereinheit, z.B. der Batteriezustandserkennung 17a kommuniziert. Bei Lithium-Ionen-Batterien, die aus einer Serienschaltung mehrerer Einzelzellen Ia bestehen, ist der Einsatz von resistivem Zellbalancing Stand der Technik. Weiter existieren auch andere Verfahren für das Zellbalancing, welche prinzipbedingt verlustfrei arbeiten können, z.B. das sogenannte induktive Zellbalancing.
In Figur 8 ist das Grundprinzip des sogenannten induktiven Zellbalancing dargestellt. Hier sind alle Zellen Ia an eine Schaltung zur Zellspannungserfassung und Steuerung des induktiven Zellbalancing angeschlossen, die eine Induktivität 2 als Energiespeicher aufweist. Von induktivem Zellbalancing spricht man, wenn das Schaltungskonzept zur Angleichung der Zellspannungen bzw. des Ladezustands der Zellen auf einer induktiven Zwischenspeicherung der dabei transportierten elektrischen Energie beruht. Die Zwischenspeicherung kann - abhängig vom Schaltungskonzept - in Drosseln oder Übertragern erfolgen.
Beim induktiven Zellbalancing wird in einem ersten Schritt Energie aus einer oder mehrer Zellen entnommen und in dem induktiven Speicher 2 zwischengespeichert. In einem zweiten Schritt wird die zwischengespeicherte Energie in eine oder mehrere Batteriezellen Ia zurückgespeichert. Als Beispiele seien genannt:
• Energieentnahme aus einer Zelle und Zurückspeicherung in eine oder mehrere Zellen, wobei in die Zelle, aus der Energie entnommen wurde, nicht zurückgespeichert wird; - A -
• Energieentnahme aus einer Zelle und Zurückspeicherung in eine oder mehrere Zellen, wobei ein Teil der Energie in die Zelle, aus der Energie entnommen wurde, zurückgespeichert wird;
• Energieentnahme aus mehreren Zelle und Zurückspeicherung in eine oder mehrere Zellen, wobei in die Zellen, aus denen Energie entnommen wurde, nicht zurückgespeichert wird;
• Energieentnahme aus mehreren Zellen und Zurückspeicherung in eine oder mehrere Zellen, wobei ein Teil der Energie in die Zellen, aus denen Energie entnommen wurde, zurückgespeichert wird.
In Figur 9 ist als Beispiel ein Schaltungsprinzip für das induktive Zellbalancing dargestellt, bei dem Drosseln zur Zwischenspeicherung Energie eingesetzt werden. Soll die Batteriezelle Ia (n) entladen werden, weil sie z.B. einen höheren Ladezustand aufweist, als andere Zellen des Batteriesystems, wird durch das Einschalten des Transistors 10 (TBaι_n) ein Strom über die Drosseln 2a (Ln oben) und 2b (Ln unten) aufgebaut, durch den die Zelle Ia (n) entladen wird. Nach dem Abschalten des Transistors 10 (TBaι_n) kommutiert der Strom durch die Drossel 2a (U_oben) in einen Strompfad über die Diode 2c (Dn+i j) und lädt die Batteriezelle Ia (n+1) und der Strom durch die Drossel (Ln unten) kommutiert in einen Strompfad über die Diode 2d (Dn-I rι) und lädt die Batteriezelle Ia (n-1). Auf diese Weise kann mit der in Figur 9 dargestellten Anordnung Energie aus einer Zelle Ia (n) entnommen und in die beiden benachbarten Zellen Ia (n+1, n-1) transportiert werden um das Zellbalancing durchzuführen.
In Figur 9 ist der besseren Übersicht wegen die Erfassung der Zellspannungen nicht dargestellt. Eine solche Erfassung ist bei Lithium- Ionen- Batterien sowohl zur Bestimmung des Ladezustands und zur Durchführung des Zellbalancing als auch zur Überwachung der Einhaltung der oberen und unteren Spannungsgrenzwerte der Zellen erforderlich. Damit steht dem System die Information zu den einzelnen Zellspannungen zur Verfügung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein neues Konzept für die Ermittlung des Innenwiderstands der Einzelzellen eines Batteriesystems vorzustellen, mit dem die Batteriezustandserkennung und -prädiktion gegenüber dem heutigen Stand der Technik robuster, genauer und unabhängig vom Betriebszustand der Batterie realisiert werden kann. Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 weisen demgegenüber den Vorteil auf, dass sie zur Bestimmung des Innenwiderstands von Batteriezellen bei Batteriesystemen mit induktivem Zellbalancing ohne oder mit lediglich geringem zusätzlichen elektronischen Schaltungsaufwand zum Einsatz kommen können. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung haben gegenüber dem heutigen Stand der Technik den Vorteil, dass zur Bestimmung des Innenwiderstands immer wieder der gleiche Betriebablauf herbeigeführt werden kann und dadurch eine besonders robuste und genaue Bestimmung möglich wird. Darüber hinaus haben das neue Verfahren und die neue Vorrichtung den Vorteil, dass sie auch in Betriebsphasen eingesetzt werden können, in denen die Batterie an ihren Polen keine Leistung abgibt oder aufnimmt und/oder in denen die Batterie einschließlich der Batteriezelle geladen wird, also z.B. bei abgestelltem Fahrzeug. Im letztgenannten Fall, dass ein Einsatz während des Ladens der Batterie erfolgt, erfolgt eine Überlagerung des Ladestroms mit dem Balancing-Strom, welche erfindungsgemäß bevorzugt berücksichtigt wird. Eine Bestimmung des Innenwiderstands in den zuvor genannten Betriebsphasen ist bei den aktuell bekannten Verfahren nicht möglich.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Besonders bevorzugt umfassen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung, dass der erste Zeitpunkt so gewählt ist, dass der erste Strom gleich Null ist, und der zweite Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während der folgenden Entladephase der Batteriezelle ist.
Alternativ umfassen das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders bevorzugt, dass der erste Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während einer Entladephase der Batteriezelle ist und der zweite Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während der gleichen Entladephase der Batteriezelle ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst alternativ oder zusätzlich den Schritt der Ermittlung einer alterungsabhängigen Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle anhand einer bekannten Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle. Die korrespondierende bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst hierfür eine Tabelle, die eine Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle speichert, und eine erste Auswerteeinheit, die eine alterungsabhängige Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle anhand des ermittelten Innenwiderstands und einer Abfrage der Tabelle bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst weiter alternativ oder zusätzlich den Schritt der Ermittlung einer Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezelle durch eine Variation einer Frequenz einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands und/oder durch eine Variation eines Tastverhältnisses einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands. Die korrespondierende bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst hierfür ein zweites Steuermodul zur Variation einer Frequenz einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands und/oder zur Variation eines Tastverhältnisses einer Anregung des resistiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands, und eine zweite Auswerteeinheit zur Ermittlung einer Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezelle durch Auswertung der mehreren aufeinanderfolgenden Bestimmungen des Innenwiderstands. In dieser bevorzugten Ausgestaltung wird mit dem neuen Verfahren auch der Innenwiderstand in Abhängigkeit von der Frequenz der Anregung ermittelt.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle,
Figur 2 ein erstes Beispiel für die Anregung der Batteriezellen, um die
Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands über eine Variation der Anregefrequenz zu ermitteln,
Figur 3 ein zweites Beispiel für die Anregung der Batteriezellen, um die
Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands über eine Variation des Tastverhältnisses zu ermitteln,
Figur 4 einen funktionalen Aufbau eines Batteriesystems gemäß dem Stand der Technik,
Figur 5 ein weiteres Prinzipschaltbild eines Batteriesystems gemäß dem derzeitigen Stand der Technik,
Figur 6 ein Prinzipschaltbild einer modellbasierten
Batteriezustandserkennung und -prädiktion nach dem Stand der Technik,
Figur 7 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung für das resistive Zellbalancing der Batteriezellen nach dem Stand der Technik,
Figur 8 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung für das induktive Zellbalancing der Batteriezellen nach dem Stand der Technik, und
Figur 9 ein Schaltungsbeispiel für die Realisierung des induktiven
Zellbalancing der Batteriezellen nach dem Stand der Technik.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben. In Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, diese ist eine Erweiterung des in Figur 9 dargestellten Schaltungsprinzips für das induktive Zellbalancing. In Figur 1 ist zusätzlich auch eine Filterschaltung 11, 12, 13 zur Aufbereitung des Differenzspannungssignals der Zelle Ia (n) für einen Analog/Digital-Wandler 14 dargestellt. Über diesen wird die Zellspannung unter Einhaltung des Abtasttheorems einer Steuer- und Auswerteeinheit 15 der Zelle Ia (n) bereitgestellt, welche diesen verarbeitet und der übergeordneten Batteriezustandserkennung 17b weiterleitet. Die Steuer- und Auswerteeinheiten 15 aller Zellen Ia kommunizieren miteinander, um das Zellbalancing auszuführen. Die für das Zellbalancing eingesetzte Schaltung wird, gegebenenfalls mit den dargestellten zusätzlichen Schaltungselementen, die aber bevorzugt auch in die Steuer- und Auswerteeinheit 15 integriert werden können, auch für die erfindungsgemäße Bestimmung des Innenwiderstands der Zelle eingesetzt. Erfindungsgemäß ist die in Figur 9 dargestellte Schaltung für das induktive Zellbalancing um ein erstes Steuermodul 3 erweitert, mit dem die an der Batteriezelle Ia anliegende Spannung Un, bzw. die an den Drosseln 2a, 2b anliegende Spannung UL, und der von der Batteriezelle Ia (n) fließende Strom (TßaLn) zu verschiedenen Zeitpunkten während der Ladungsentnahme erfasst werden. Dies kann entweder über eine direkte Strom- und Spannungsmessung, wie auch über die Steuer- und Auswerteeinheit 15 der Zelle Ia (n) erfolgen, welche zumindest die Batteriespannung Un, bzw. die an den Drosseln 2a, 2b anliegende Spannung UL, über den aus zwei Widerständen 11, 12 und einem Kondensator 13 bestehenden Filter und einen A/D-Wandler 14 erfasst, aus der, wie nachfolgend beschrieben, der von der Batteriezelle Ia (n) fließende Strom (TßaLn) errechnet werden kann. Das erste Steuermodul 3 ist mit einer Recheneinheit 4 verbunden, die den Innenwiderstand der Batteriezelle wie nachfolgend beschrieben als den Quotienten der Differenz von zwei erfassten Spannungswerten mit der Differenz von zwei erfassten Stromwerten berechnet.
Die Ladung, die im ersten Schritt aus der oder den Zellen Ia entnommen wurde, kann über die Spannungszeitfläche bei bekannter Induktivität des zur Zwischenspeicherung der Energie eingesetzten Speichers 2 wie folgt berechnet werden:
• Der zeitliche Verlauf des Stroms in dem induktiven Bauelement 2 ergibt sich zu
Der Maximalstrom an Ende des ersten Schritt und sei mit lLmax bezeichnet.
• Die im ersten Schritt entnommene Ladung kann wie folgt berechnet werden:
Die Spannung UL an dem induktiven Bauelement kann dabei - unter Annahme idealer elektronischer Schalter 10 mit Durchlasswiderstand gegen 0 sowie eines idealen induktiven Bauelements 2 welches keinen ohmschen Innenwiderstand aufweist - einfach aus der oder den Spannungen Unjener Zellen, aus denen die Energie entnommen wird, ermittelt werden. Über die Gleichungen (1) und (2) kann somit der Entladestrom sowie die aus den Zellen Ia entnommene Ladung bestimmt werden. Die nichtidealen Eigenschaften der für das Zellbalancing eingesetzten elektronischen Schalter 10 sowie der induktiven Bauelemente 2 bewirken bei geeigneter Dimensionierung der Bauelemente nur geringe Fehler bei der Ermittlung der Ladung, die der oder den Zellen Ia entnommen wird.
In äquivalenter Form kann im 2. Schritt das Zurückspeisen der zwischengespeicherten Energie in die Zelle(n) Ia berechnet werden:
• Der zeitliche Verlauf des Stroms in dem induktiven Bauelement 2 ergibt sich zu h = hm,, , wobei UL < 0 (3a)
Nachdem der Strom IL den Wert 0 angenommen hat, gilt:
IL = 0 (3b)
• Die im zweiten Schritt zurückgespeiste Ladung kann wie folgt berechnet werden:
Somit können der Stromverlauf während des Ladungstransports sowie die entnommene bzw. zurückgespeiste Ladung bei der Durchführung des Zellbalancing bestimmt werden. Auf Basis dieser Informationen kann der Innenwiderstand der Zellen wie folgt ermittelt werden:
Ausgangspunkt für die Erläuterung der Funktionsweise sei ein Betriebszustand, in dem die Batterie an ihren Klemmen keine Leistung abgibt oder aufnimmt. In diesem Zustand fließ kein Strom durch die Batteriezellen 1a. Wird nun der Transistor 10 (TBaι_n) eingeschaltet, entlädt sich die Zelle 1a (n) über die Drosseln 2a, 2b (Ln oben und Ln_unten)- Durch das Einschalten des Transistors 10 (TBaι_n) ändert sich im Vergleich zum Ausgangszustand (keine Leistungsabgabe bzw. - aufnähme) die Zellspannung, welche mittels der o.g. Anordnung zur Zellspannungsmessung erfasst wird. Zusätzlich ändert sich natürlich auch der Strom, der durch die Batteriezelle 1a (n) fließt. Dieser Strom kann in der oben beschriebenen Weise ermittelt werden.
Der temperatur-, ladezustands- und alterungsabhängige Innenwiderstand R1 n der Batteriezelle 1a (n) kann damit z.B. wie folgt ermittelt werden:
Rj n (Temp, SOC, Alterung) = (5)
Zur Ermittlung des Innenwiderstands wird dabei neben dem Ausgangszustand (Zelle nicht belastet) ein beliebiger Zeitpunkt während der Entladephase der Zelle 1a (n) herangezogen, für den die Zellspannung und der Zellstrom in der beschriebenen Weise ermittelt werden.
Bei bekannter Abhängigkeit des Innenwiderstands von der Zelltemperatur und dem Ladezustand der Zelle, kann die alterungsabhängig Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle ermittelt werden. Hierzu ist die Recheneinheit 4 mit einer ersten Auswerteeinheit 7 verbunden, die die alterungsabhängige Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle 1a (n) anhand des ermittelten Innenwiderstands und eine Abfrage einer Tabelle 6 bestimmt, die die Abhängigkeit des Innenwiderstands von der während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zelltemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle 1a speichert.
In einer Abwandlung des Verfahrens können für die Bestimmung des Innenwiderstands der Zelle 1a (n) auch zwei oder mehrere Zeitpunkte während der Entladephase der Zelle 1a (n) herangezogen werden. Die Innenwiderstandsbestimmung erfolgt dann über die Differenzspannung und die Änderung des Balancing-Stroms, welche zwischen den betrachteten Zeitpunkten auftreten:
AU n
Ißal _n eingeschaltet
Rj n{Temp, SOC, Alterung) = ■ (6)
M Bai n
■* BaI _ n eingeschaltet
Das vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstands kann z.B. auch bei abgestelltem Fahrzeug durchgeführt werden. Dadurch wird die Bestimmung des Innenwiderstands nicht durch den überlagerten „Normalbetrieb" der Batterie 1 negativ beeinflusst. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber den bisher bekannten Verfahren dar.
Das beschriebene erfindungsgemäße Vorgehen zur Ermittlung des Innenwiderstands der Batteriezellen 1a (auch in der beschriebenen Abwandlung) kann analog auch während der Phasen angewandt werden, in denen die in den induktiven Bauelementen 2; 2a, 2b zwischengespeicherte Energie in die Zellen 1a zurückgespeist wird. Auch während dieser Phasen steht dem System sowohl die Information über die aktuellen Werte der Zellspannungen Un als auch die Information über die zeitlichen Verläufe der Balancing-Ströme IL zur Verfügung. Damit kann das Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstands angewandt werden.
Das vorgestellte erfindungsgemäße Prinzip zur Bestimmung des Innenwiderstands der Batteriezellen kann natürlich auch während des „Normalbetriebs" der Batterie 1 angewandt werden (einschließlich der Betriebsphasen, in denen die Batterie geladen wird). Dann muss zur Bestimmung des Innenwiderstands der Einfluss des aktuell überlagert zu dem Balancing- Strom in der Zelle Ia fließenden Batteriestroms berücksichtigt werden. Dieses Vorgehen bietet sich aber nur in Betriebszuständen an, in den die Batterie 1 mit geringen Strömen geladen bzw. entladen wird. Der Innenwiderstand R1 n der Batteriezelle Ia (n) wird dazu wiederum aus dem Quotient der Zellspannungsund Zellstromdifferenz zweier betrachteter Zeitpunkte ermittelt.
In Betriebsphasen, in denen die Batterie 1 mit hohen Strömen geladen bzw. entladen wird, macht es wenig Sinn, eine zusätzliche „Anregung" der Zelle durch Belastung über den Balancing-Strom herbeizuführen. Während solcher Betriebsphasen wird erfindungsgemäß bevorzugt der Einsatz der gemäß heutigem Stand der Technik eingesetzten Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstands aus der Zellspannung und dem Zellstrom herangezogen, welche aus dem „Normalbetrieb" der Batterie 1 resultieren.
Mit dem vorgestellten Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstands der Batterie nach der Erfindung kann eine der wesentlichen Informationen, die für eine Batteriezustandserkennung und -prädiktion erforderlich sind - die temperatur-, ladezustands- und alterungsabhängige Änderung des Innenwiderstands der Batteriezellen - in allen Betriebszuständen der Batterie ermittelt werden. Bei den bisher bekannten Verfahren kann der Innenwiderstand nur in Betriebsphasen ermittelt werden, bei denen der Batteriestrom sich während des „Normalbetriebs" nennenswert ändert. Auf diese Weise gelingt es, die Ermittlung des Innenwiderstands der Batteriezellen gegenüber dem Stand der Technik wesentlich robuster und genauer durchzuführen.
Erfindungsgemäß wird bevorzugt die Abhängigkeit von der Frequenz der Anregung ermittelt. Dazu werden bevorzugt folgende Vorgehensweisen eingesetzt:
• Variation der Frequenz der Anregung bei konstantem Tastverhältnis
• Variation des Tastverhältnisses der Anregung bei konstanter Frequenz
• Kombination der beiden erstgenannten In Figur 2 ist in den beiden Zeitverläufen für die Ansteuerung des Transistors 10 (TßaLn) beispielhaft dargestellt, wie die Abhängigkeit der Impedanz der Batteriezellen von der Frequenz der Anregung ermittelt werden kann. Das Tastverhältnis der Anregung ist in Figur 2 symmetrisch dargestellt, d.h., Einschaltdauer und Ausschaltdauer des Transistors sind gleich. Grundsätzlich ist das Verfahren auch mit unsymmetrischen Tastverhältnissen realisierbar, es muss lediglich ein maximal zulässiges Tastverhältnis berücksichtigt werden, das von der Größe und Art des Energiespeichers 2 und der Zellen Ia abhängt, da die zwischengespeicherte Energie in die Zellen Ia zurückgespeichert werden muss. Die Frequenz der Anregung wird zur Bestimmung der Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstandes variiert. In Figur 2 sind die Verläufe für 2 Frequenzen dargestellt. Zusätzlich sind in Figur 2 die Messzeitpunkte als nach oben weisende Pfeile eingezeichnet, bei denen der Innenwiderstand gemäß Gleichung (1) ermittelt werden kann. Die Messzeitpunkte sind hier jeweils vor und nach einer Änderung des Schaltzustands des Transistors 10 (TBaι_n) gewählt.
In Figur 3 ist eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung der Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezellen dargestellt. Dabei wird das Tastverhältnis der Anregung bei konstant gehaltener Frequenz variiert. Auch bei diesem Vorgehen sind die als nach oben weisende Pfeile dargestellten Messzeitpunkte jeweils vor und nach einer Änderung des Schaltzustands des Transistors 10 (TBaι n) gewählt. Der frequenzabhängige Innenwiderstand der Batteriezellen wird wiederum gemäß Gleichung (5) oder bei entsprechender Abwandlung der Vorgehensweise gemäß Gleichung (6) ermittelt.
Grundsätzlich sind natürlich auch Kombinationen der beiden beschriebenen Methoden möglich, um den Innenwiderstand in Abhängigkeit von der Anregung zu beschreiben. Die erfindungsgemäßen Verfahren erlauben es, ähnlich der Vorgehensweise bei der sogenannten Impedanzspektroskopie, die Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands zu ermitteln. Im Gegensatz zur Impedanzspektroskopie sind die erfindungsgemäßen Verfahren ohne aufwändige zusätzliche Messelektronik realisierbar. Lediglich an die Erfassung der Zellspannungen sind gegenüber den üblicherweise in Batteriesystemen eingesetzten Schaltungen gegebenenfalls erhöhte Anforderungen hinsichtlich Dynamik und Abtastfrequenz zu stellen. Um die Frequenz und/oder das Tastverhältnis der Anregung zu ändern, ist erfindungsgemäß ein zweites Steuermodul 8 vorgesehen, welches mit dem ersten Steuermodul 3 und der Steuer- und Auswerteeinheit 15 gekoppelt ist. Das zweite Steuermodul 8 ist weiter mit einer zweiten Auswerteeinheit 9 verbunden, welche ebenfalls mit der Recheneinheit 4 verbunden ist. Die zweite Auswerteeinheit 9 ermittelt die Frequenzabhängigkeit des ohmschen Anteils des Innenwiderstands der Batteriezelle durch Auswertung der mehreren aufeinanderfolgenden Bestimmungen des Innenwiderstands unter Berücksichtigung der Änderung der Frequenz und/oder des Tastverhältnisses der Anregung.
Mit dem vorgestellten bevorzugten Verfahren zur Ermittlung der Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezellen kann ebenso eine der wesentlichen Informationen, die für eine Batteriezustandserkennung und -prädiktion erforderlich sind - die temperatur-, ladezustands- und alterungsabhängige Änderung des Innenwiderstands der Batteriezellen - ermittelt werden. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren kann der Innenwiderstand nur in Betriebsphasen ermittelt werden, bei denen der Batteriestrom sich während des „Normalbetriebs" nennenswert ändert. Auf diese Weise gelingt es, die Ermittlung des Innenwiderstands der Batteriezellen gegenüber dem Stand der Technik wesentlich robuster und genauer durchzuführen.
Neben der obigen schriftlichen Offenbarung wird hier ausdrücklich auf die Offenbarung in den Figuren verwiesen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle (Ia) einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, wobei in der Batterie (1) ein induktives Zellbalancing zum Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen ausgeführt wird, bei dem die einer Batteriezelle (Ia) entnommene oder zugeführte Ladung über eine Ermittlung des während der Ladungsentnahme oder -zufuhr fließenden Stroms bestimmt wird, mit den folgenden Schritten:
Bestimmen einer an der Batteriezelle (Ia) anliegenden ersten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle (Ia) fließenden ersten Stroms zu einem ersten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr,
Bestimmen einer an der Batteriezelle (Ia) anliegenden zweiten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle (Ia) fließenden zweiten Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr, und
Berechnen des Innenwiderstands der Batteriezelle (Ia) als den Quotienten der Differenz der zweiten Spannung und der ersten Spannung mit der Differenz des zweiten Stroms und des ersten Stroms.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitpunkt so gewählt ist, dass der erste Strom gleich Null ist, und der zweite Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während der folgenden Entladephase oder Ladephase der Batteriezelle (Ia) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während einer Entladephase oder Ladephase der Batteriezelle (Ia) ist und der zweite Zeitpunkt ein beliebiger Zeitpunkt während der gleichen Entladephase oder Ladephase der Batteriezelle (Ia) ist.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt der Ermittlung einer alterungsabhängigen Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle (Ia) anhand einer bekannten Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle (Ia).
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt der Ermittlung einer Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezelle (Ia) durch eine Variation einer Frequenz einer Anregung des induktiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands und/oder durch eine Variation eines Tastverhältnisses einer Anregung des induktiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands.
6. Vorrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstands einer Batteriezelle (Ia) einer Batterie, insbesondere einer Traktionsbatterie, wobei in der Batterie (l)ein induktives Zellbalancing zum Ausgleich der Ladezustände der Batteriezellen (Ia) ausgeführt wird, bei dem die einer Batteriezelle (Ia) entnommene oder zugeführte Ladung über eine Ermittlung des während der Ladungsentnahme oder -zufuhr fließenden Stroms bestimmt wird, mit: einem ersten Steuermodul (3) zum Bestimmen einer an der Batteriezelle (Ia) anliegenden ersten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle (Ia) fließenden ersten Stroms zu einem ersten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr, und zum Bestimmen einer an der Batteriezelle (Ia) anliegenden zweiten Spannung und eines von oder zu der Batteriezelle (Ia) fließenden zweiten Stroms zu einem zweiten Zeitpunkt während der Ladungsentnahme oder -zufuhr, und einer Recheneinheit (4) zum Berechnen des Innenwiderstands der Batteriezelle (Ia) als den Quotienten der Differenz der zweiten Spannung und der ersten Spannung mit der Differenz des zweiten Stroms und des ersten Stroms.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuermodul (3) den ersten Zeitpunkt so wählt, dass der erste Strom gleich Null ist, und den zweiten Zeitpunkt als einen beliebigen Zeitpunkt während der folgenden Entladephase oder Ladephase der Batteriezelle (Ia) bestimmt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuermodul (3) den ersten Zeitpunkt als einen beliebigen Zeitpunkt während einer Entladephase oder Ladephase der Batteriezelle (Ia) und den zweiten Zeitpunkt als einen beliebigen Zeitpunkt während der gleichen Entladephase oder Ladephase der Batteriezelle (Ia) bestimmt.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Tabelle (6), die eine Abhängigkeit des Innenwiderstands von einer während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Zellentemperatur und einem während der Bestimmung des Innenwiderstands bestehenden Ladezustand der Batteriezelle (Ia) speichert, und eine erste Auswerteeinheit (7), die eine alterungsabhängige Erhöhung des Innenwiderstands der Batteriezelle (Ia) anhand des ermittelten Innenwiderstands und einer Abfrage der Tabelle (6) bestimmt.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein zweites Steuermodul (8) zur Variation einer Frequenz einer Anregung des induktiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands und/oder zur Variation eines Tastverhältnisses einer Anregung des induktiven Zellbalancings während mehrerer aufeinanderfolgender Bestimmungen des Innenwiderstands, und eine zweite Auswerteeinheit (9) zur Ermittlung einer Frequenzabhängigkeit des Innenwiderstands der Batteriezelle (Ia) durch Auswertung der mehreren aufeinanderfolgenden Bestimmungen des Innenwiderstands.
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