WO2010084070A1 - Impedanzmessung von elektrochemischen energiespeichern in fahrzeugen - Google Patents

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WO2010084070A1
WO2010084070A1 PCT/EP2010/050379 EP2010050379W WO2010084070A1 WO 2010084070 A1 WO2010084070 A1 WO 2010084070A1 EP 2010050379 W EP2010050379 W EP 2010050379W WO 2010084070 A1 WO2010084070 A1 WO 2010084070A1
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impedance
electrical circuit
electrochemical energy
circuit according
measuring device
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PCT/EP2010/050379
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Inventor
Andre Boehm
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/48—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte
    • H01M10/482—Accumulators combined with arrangements for measuring, testing or indicating the condition of cells, e.g. the level or density of the electrolyte for several batteries or cells simultaneously or sequentially
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
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    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/4285—Testing apparatus
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • electrochemical energy storage systems such as NiMH or lithium-ion batteries are crucial components.
  • a long service life of the energy storage devices is of great importance.
  • An electrochemical energy store comprises two electrodes (anode and
  • OCV open-circuit voltage
  • Reference electrode can be measured. Such a reference electrode is not available in batteries of series production for cost reasons. For the correct function of the battery, it is indispensable that the anode and cathode are exactly matched in production. During operation, aging effects may cause the electrodes to vary differently, thereby disturbing the delicate balance between anode and cathode. In such a case, the battery is damaged especially in extreme states of charge, that is, in the fully charged or fully discharged state. This can lead to a rapid reduction of the service life, or to an almost abrupt defect of the cell.
  • a proven means of preventing damage is the appropriate reduction of the state of charge range in which the battery is operated. On the one hand, this reduces the usable amount of energy slightly, but it can lead to a considerable extension of service life.
  • the object of the present invention is to reduce or avoid one or more disadvantages of the prior art.
  • an electrical circuit for measuring an impedance of cells of an electrochemical energy store in vehicles comprising a) an electrochemical energy store with n cells, each cell having a positive and a negative pole and n is a positive, natural number>0; b) an impedance measuring device, designed to determine an impedance at a predetermined or predefinable frequency; c) selection switches, which are arranged in such a functional manner that, depending on the circuit of the selection switch, an impedance of a selected cell of the electrochemical energy storage device can be measured.
  • a promising method of measuring the condition of the various components of the battery is impedance spectroscopy.
  • the battery is excited with a sinusoidal signal variable frequency and the complex impedance as a function of frequency determined by measuring the current and voltage, see example in Fig. 1 a to 1 c.
  • an electrochemical energy store with n cells is used, each cell having a plus and a minus pole and n is a positive, natural number> 0.
  • Such electrochemical energy storage devices may in particular be batteries or accumulators of all conventional accumulator technologies. They can be batteries or rechargeable batteries of the type Pb - lead acid battery, NiCd - nickel-cadmium rechargeable battery, NiH2 - nickel-hydrogen rechargeable battery, NiMH - nickel-metal hydride rechargeable battery, Li-Ion - lithium-ion battery, LiPo lithium Polymer Battery, LiFe - Lithium Metal Battery, Li-Mn - Lithium Manganese Battery, LiFePO 4 - Lithium Iron Phosphate Battery, LiTi - Lithium Titanate Battery, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni Fe - nickel-iron battery, Na / NiCI - sodium-nickel chloride high-temperature battery, SCiB - Super Charge Ion Battery, Silver-Zinc Battery, Silicone Battery, Vanadium Redox Battery and / or Zinc Bromine Battery can be used , In particular, batteries of the lead / acid, nickel
  • the electrical circuit according to the invention has selector switches, which are arranged in such a functional manner that, depending on the circuit of the selector switch, an impedance of a selected cell of the electrochemical energy store can be measured.
  • individual switches are each connected to a plus or a negative pole of a selected cell of the electrochemical energy storage, so that depending on the switch position, a single selected cell is galvanically coupled into the electrical circuit and thus can be selectively fed to an impedance measurement.
  • a cell of the electrochemical energy storage can be selected and measured.
  • one pole of a cell can be connected to more than one switch.
  • a selector switch small circuit breaker can be used, preferably semiconductor switches can be used.
  • the individual elements of the electrical circuit according to the invention can be electrically conductively connected to one or more other elements of the circuit via one or more connection lines.
  • connection lines As connecting lines between the selection switches and the respective positive or negative poles of individual cells, the lines which may be present anyway in an electrochemical energy store can be used for single-cell voltage measurement and / or for cell balancing.
  • the electrical circuit according to the invention has an impedance measuring device, which is designed and arranged in the circuit such that an impedance of a selected cell can be determined with a corresponding selection switch setting at a predetermined or predefinable frequency.
  • the impedance measuring device serves to provide a signal of a specific frequency and to forward it to a selected cell, to determine a measuring current L ess and to determine a measuring voltage U meSs .
  • the impedance of the selected cell at the particular frequency can then be determined by:
  • Both the impedance spectra of selected cells of an electrochemical energy store over a certain frequency range can be determined with the impedance measuring device of the electrical circuit according to the invention, and one or more individual impedance values of selected cells can be determined at one or more individual frequencies.
  • the impedance measuring device can have a frequency generator for providing a signal of a determinable frequency, a current measuring device for determining a measuring current I ss and a voltage measuring device for determining a measuring voltage U meS s.
  • the current measuring device may be connectable via a first selector switch arrangement and the voltage device via a second selector switch arrangement to a plus or a minus pole of a selected cell of the electrochemical energy store.
  • a current measuring device basically any device can be used which is suitable for measuring a measuring current I mess .
  • such current measuring devices are used, which have an amplifier stage with high input resistance and / or a resistor which serves for the phase and amplitude correct measurement of the measuring current.
  • a suitable current measuring device may comprise two coupling capacitors surrounding a resistor and each connected to an amplifier stage.
  • the amplifier stages of the current measuring device are designed so that they can be coupled into the electrical circuit in a galvanically separated manner.
  • the amplifier stages of the current measuring device may be provided with one or more
  • any device which is suitable for determining a measuring voltage U meSs can be used as the voltage measuring device .
  • a suitable voltage measuring device has a coupling capacitor which is connected to an amplifier stage.
  • the amplifier stage is executed galvanically isolated in the electrical circuit einkoppelbar.
  • the amplifier stage of the voltage device may be connected to an analog-to-digital converter.
  • the impedance measuring device of the electrical circuit according to the invention may have a frequency generator.
  • a frequency generator basically any device can be used which provides a signal of a determinable frequency, which can optionally be used to determine an impedance of a selected cell.
  • the frequency generator may provide a signal of one or more determinable frequencies, wherein different frequencies may be selectable or settable in discrete steps, or may be selected in a particular frequency range in a continuous manner.
  • the frequency generator can be designed as an oscillator.
  • Oscillator can be realized in various ways, for example as a Colpitts or Hartley oscillator.
  • an LC oscillator can be used.
  • the oscillator may have a voice coil.
  • the frequency generator is coupled galvanically isolated in the electrical circuit.
  • the frequency generator can be at any potential with respect to the cell to be measured, for example, at ground potential of a higher-level controller or controller, z. B. a battery management system.
  • the frequency generator has a voice coil, the signal can be transmitted galvanically separated via a common coil arm with a second coil, which is optionally connected to the electrical circuit according to the invention, and supplied to the selected cell.
  • the electrical circuit according to the invention may comprise one or more analogue
  • Have digital converter which are arranged and connected to a controller or a higher-level control unit, that for each cell of e-lektrochemischen energy storage an impedance measurement can be executed and analyzed.
  • the controller or the higher-level control unit may be designed such that the selection of a particular cell of an electrochemical energy store is initiated and optionally monitored by controlling a corresponding circuit of the selection switch.
  • the controller can be the coupling of a signal of a certain frequency, as well as the measurement of a
  • Measuring current l meS s and / or a measurement voltage U meS s trigger, coordinate and monitor.
  • the controller can forward the measured data to an evaluation system or even evaluate it.
  • the evaluation of the data may include, for example, a calculation of impedance values from the measured data, as well as the determination of an evaluation variable, which may for example consist of individual impedance values or of values which are determined from an impedance spectrum.
  • the evaluation can also include a comparison of the evaluation variable with a reference value. Depending on the result of the comparison between the evaluation value and the reference value, the controller or a higher-level control unit can trigger certain outputs, instructions or activities.
  • the present invention also relates to a circuit arrangement for measuring an impedance of cells of an electrochemical energy store in vehicles, wherein a frequency generator via a current measuring device and a first selector switch to the positive pole of a selected cell of the electrochemical energy store is connectable and the negative pole of the same selected cell can be connected to the frequency generator via a second selection switch and a voltage measuring device.
  • the invention also relates to a motor vehicle comprising an electrical circuit according to the invention.
  • motor vehicle is to be understood as meaning all driven vehicles which have an electrochemical energy store, irrespective of which drive these motor vehicles have
  • Motor vehicle HEV (Electric Hybrid Vehicles), PHEV (Plug-in Hybrid Vehicles), EV (Electric Vehicles), Fuel Cell Vehicles, as well as any vehicle using an electrochemical energy storage system for electrical power supply.
  • the invention also relates to a battery management system of a motor vehicle, which comprises an electrical circuit according to the invention.
  • the invention also relates to a method for extending the lifetime of cells of an electrochemical energy store in vehicles, characterized in that an electrical circuit according to the invention is used and the operating strategy of the energy store is adapted as a function of the thus determined change in the impedance spectrum of one or more cells of the electrochemical energy store.
  • the operating strategy of an electrochemical energy store includes, inter alia, the control and / or regulation of the state of charge state in which the electrochemical energy store is operated.
  • An adaptation of the state of charge region in which the electrochemical energy store is operated is preferably controlled by a battery management system. In this case, the state of charge state is limited as the aging state of the electrochemical energy store progresses and optionally concentrated.
  • the invention provides an electrical circuit, with the help of which the impedance of cells of electrochemical energy storage in vehicles is made possible with little effort and low cost to over usual
  • An advantage of the invention is a contribution to the detailed analysis of the condition and other parameters of vehicle batteries by means of impedance spectroscopy with the aim of lifetime optimization.
  • the advantages of the invention and its measures for cost-effective implementation of impedance spectroscopy in the vehicle can be listed as follows:
  • the solution according to the invention can be based on existing wiring for voltage measurement and balancing.
  • n + 1 miniature circuit breakers may be necessary, which can be cost-effectively implemented as semiconductor switches.
  • Oscillator and amplifier can be galvanically decoupled from the cells and can be referenced to any potential.
  • FIGS. 1a-c show Nyquist plots and Bode plots of the impedance of an electrochemical cell as a function of the aging state.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the electrical circuit according to the invention, as Zweidrahtmessu ⁇ g.
  • Fig. 3 shows a further Ausflowu ⁇ gsform the electrical circuit according to the invention, as a four-wire measurement.
  • FIG. 2 shows the circuit diagram for an embodiment of the electrical circuit according to the invention for impedance spectroscopy of an arbitrary number n of electrochemical cells.
  • 8 cells were selected here, which corresponds to a conventional number of cells in a module.
  • one of the cells with its plus and minus pole can each be connected to an oscillator circuit.
  • This oscillator must be realized only once, independent of the number of cells, and can advantageously be implemented as an LC oscillator.
  • connecting lines to each individual cell can the lines, which are anyway necessary in a battery pack for vehicles, are used for single-cell voltage measurement and / or for cell balancing.
  • the oscillator can be realized in various ways, for example as a Colpitts or Hartley oscillator.
  • the voice coil L 1 can be coupled by a common coil core with the coil L 2 in order to transmit galvanically separated energy in the form of a sinusoidal oscillation in the cell to be examined.
  • the oscillator can be at any potential with respect to the cell, for example at ground potential of the higher-level control unit of the battery management.
  • the frequency of the oscillation may be adjustable continuously or appropriately in discrete steps and / or values.
  • the AC frequency components of three potentials are transmitted to amplifier stages and can be passed to the evaluation of the voltages Ui to U 3 to analog-to-digital converter.
  • the voltages Ui and U 2 correspond to the AC components of the potentials of the positive and the negative cell pole.
  • the measurement voltage U s U 2 S me - therefore Ui corresponds to frequencies f "f g the amplified voltage drop across the impedance of the cell.
  • the resistor Ri is used for the phase and amplitude correct measurement of the
  • an impedance spectroscopy or impedance measurement can be carried out and analyzed for each cell with the aid of suitable analog-to-digital conversion by a microprocessor of a battery management system. Due to the switch arrangement, which minimizes the number of switches required, a phase shift of 180 ° may have to be taken into account, depending on the cell investigated.
  • the examination of the cells can be carried out during the vehicle standstill, for example over night, without time critical. At this time, the full processing power of the microprocessor of the battery management system of the vehicle is available.
  • the frequency of the examination depends on the rate of aging of the cells, as a guideline the performance should be sufficient once a week or per month.
  • FIG. 3 illustrates, as a further embodiment of the electrical circuit according to the invention, the circuit diagram for realizing the impedance spectroscopy
  • a total of two lines and two switches are needed for each pole of a cell of an electrochemical energy store.
  • a fourth amplifier is used. The measuring voltage results from:

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Messung einer Impedanz von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers in Fahrzeugen, umfassend einen elektrochemischen Energiespeicher mit n Zellen, wobei jede Zelle jeweils einen Plus- und einen Minuspol aufweist und n eine positive, natürliche Zahl > 0 ist; eine Impedanzmesseinrichtung, ausgebildet, eine Impedanz bei einer vorgegebenen oder vorgebbaren Frequenz zu bestimmen; sowie Auswahlschalter, die derart funktional angeordnet sind, dass je nach Schaltung der Auswahlschalter eine Impedanz einer ausgewählten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers messbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Impedanzmessunq von elektrochemischen Enerqiespeichern in Fahrzeugen
Stand der Technik
In hybridisierten Kraftfahrzeugen und Elektrofahrzeugen sind elektrochemische Energiespeicher wie NiMH- oder Lithium-Ionen-Batterien entscheidende Komponenten. Neben hohen Energie- und Leistungsdichten ist vor allem eine lange Lebensdauer der Energiespeicher von großer Bedeutung.
Aus diesem Grund wird ein Batteriemanagementsystem benötigt, um die Batterie stets unter optimalen Randbedingungen betreiben zu können. Dieses muss den Zustand der Batterie und ihre wichtigsten Parameter bestimmen, um die Lebensdauer optimieren zu können.
Viele Maßnahmen zur Vermeidung schädigender Einflüsse sind bereits bekannt und können von einfach zu ermittelnden Batterieparametern abgeleitet werden, wie z. B.: • Einhaltung von oberen und unteren Spannungsgrenzen
• Temperierung innerhalb eines optimalen Fensters
• Limitierung von Lade- und Entladeströmen
• Betrieb bei optimalem Ladezustand
Mit einfachen Mitteln ist dennoch nicht jede Art der Schädigung bzw. der Lebensdauerreduktion auszuschließen. Beispielhaft wird im Folgenden auf einen Effekt verwiesen, der zu vorzeitiger Alterung elektrochemischer Energiespeicher führen kann.
Ein elektrochemischer Energiespeicher umfasst zwei Elektroden (Anode und
Kathode), die räumlich durch einen Separator voneinander getrennt sind und durch gemeinsame Tränkung mit einem Elektrolyt zu einem elektrochemischen System verbunden werden. Außen an der Batterie kann im Ruhezustand die so genannte Leerlaufspannung (Open-Circuit-Voltage, OCV) gemessen werden. Diese ist ihrerseits die Differenz der Leerlaufpotentiale (O- pen-Circuit-Potential, OCP) der beiden Elektroden, die nur gegenüber einer
Referenzelektrode gemessen werden kann. Eine solche Referenzelektrode steht in Batterien der Serienfertigung aus Kostengründen nicht zur Verfügung. Zur korrekten Funktion der Batterie ist es unabdingbar, dass Anode und Kathode in der Produktion exakt aufeinander abgestimmt werden. Während des Betriebs kann es durch Alterungseffekte dazu kommen, dass sich die Elektroden unterschiedlich verändern, so dass das empfindliche Gleichgewicht zwischen Anode und Kathode gestört wird. In einem solchen Fall wird die Batterie besonders bei extremen Ladezuständen, das heißt im voll geladenen bzw. vollständig entladenen Zustand geschädigt. Dies kann zu einer schnellen Re- duktion der Lebensdauer, oder zu einem nahezu abrupten Defekt der Zelle führen.
Ein probates Mittel zur Verhinderung der Schädigung ist die geeignete Reduktion des Ladezustandsbereichs, in dem die Batterie betrieben wird. Dies reduziert einerseits die nutzbare Energiemenge geringfügig, kann aber zu einer erheblichen Lebensdauerverlängerung führen.
Um die notwendige Einschränkung des Betriebsbereichs bestimmen zu können, sind Informationen über die einzelnen Elektroden notwendig - insbeson- dere deren Kapazitäten - die anhand üblicher Messmethoden nicht zugänglich sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen oder mehrere Nachteile des Standes der Technik zu vermindern oder zu vermeiden.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung einer elektrischen Schaltung zur Messung einer Impedanz von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers in Fahrzeugen, umfassend a) einen elektrochemischen Energiespeicher mit n Zellen, wobei jede Zelle jeweils einen Plus- und einen Minuspol aufweist und n eine positive, natürliche Zahl > 0 ist; b) eine Impedanzmesseinrichtung, ausgebildet, eine Impedanz bei einer vorge- gebenen oder vorgebbaren Frequenz zu bestimmen; c) Auswahlschalter, die derart funktional angeordnet sind, dass je nach Schaltung der Auswahlschalter eine Impedanz einer ausgewählten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers messbar ist.
Eine vielversprechende Messmethode zur Analyse des Zustande der verschiedenen Komponenten der Batterie ist die Impedanzspektroskopie. Dabei wird die Batterie mit einem sinusförmigen Signal variabler Frequenz angeregt und durch Messung von Strom und Spannung die komplexe Impedanz in Abhängigkeit der Frequenz ermittelt, siehe Beispiel in Fig. 1 a bis 1 c.
Aus der Analyse des Verlaufs dieser Impedanzkurve und ihrer Änderung bei fortschreitender Alterung der Batteriezelle können Parameter der Batterie bestimmt werden, die eine Separation verschiedener Effekte zulassen. Unter anderem kann z. B. auf die Kapazitäten der beiden Elektroden oder auf andere Parameter geschlossen werden, die zur Verlängerung der Lebensdauer der
Batterie herangezogen werden können.
Gemäß der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung wird ein elektrochemischer Energiespeicher mit n Zellen eingesetzt, wobei jede Zelle jeweils einen Plus- und einen Minuspol aufweist und n eine positive, natürliche Zahl > 0 ist.
Solche elektrochemischen Energiespeicher können insbesondere Batterien oder Akkumulatoren aller gebräuchlichen Akkumulatortechnologien sein. Es können Batterien oder Akkumulatoren vom Typ Pb - Bleiakku, NiCd - Nickel-Cadmium- Akku, NiH2 - Nickel-Wasserstoff-Akkumulator, NiMH - Nickel-Metallhydrid-Akku- mulator, Li-Ion - Lithium-Ionen-Akku, LiPo - Lithium-Polymer-Akku, LiFe - Lithium-Metall-Akku, Li-Mn - Lithium-Mangan-Akku, LiFePO4 - Lithium-Eisen- Phosphat-Akkumulator, LiTi - Lithium-Titanat-Akku, RAM - Rechargeable Alkaline Manganese, Ni-Fe - Nickel-Eisen-Akku, Na/NiCI - Natrium-Nickelchlorid-Hochtemperaturbatterie, SCiB - Super Charge Ion Battery, Silber-Zink-Akku, Silikon- Akku, Vanadium-Redox-Akkumulator und/oder Zink-Brom-Akku verwendet werden. Insbesondere können Batterien vom Typ der Blei/Säure-, Nickel-Cadmium-, Nickel-Metallhydrid- und/oder Natrium/Natriumnickelchlorid-Batterie eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden Batterien vom Typ der Lithium-Ionen-Batterie verwendet.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung weist Auswahlschalter auf, die derart funktional angeordnet sind, dass je nach Schaltung der Auswahlschalter eine Impedanz einer ausgewählten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers messbar ist. Dabei sind einzelne Schalter jeweils mit einem Plusoder einem Minuspol einer ausgewählten Zelle des elektrochemischen Ener- giespeichers verbunden, so dass je nach Schalterstellung eine einzelne ausgewählte Zelle in die elektrische Schaltung galvanisch einkoppelbar ist und damit einer Impedanzmessung gezielt zugeführt werden kann. Je nach Schalterstellung kann also eine Zelle des elektrochemischen Energiespeichers ausgewählt und vermessen werden. Dabei kann ein Pol einer Zelle mit mehr als einem Schalter verbunden sein. Als Auswahlschalter können Klein- leistungsschalter verwendet werden, bevorzugt können Halbleiterschalter eingesetzt werden.
Die einzelnen Elemente der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung kön- nen über eine oder mehrere Verbindungsleitungen elektrisch leitend mit einem oder mehreren anderen Elementen der Schaltung verbunden sein. Als Verbindungsleitungen zwischen den Auswahlschaltern und den jeweiligen Plus- oder Minuspolen einzelner Zellen können die in einem elektrochemischen Energiespeicher gegebenenfalls ohnehin vorhandenen Leitungen zur Einzelzellspannungsmessung und/oder zum Zellbalancing verwendet werden.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung weist eine Impedanzmesseinrichtung auf, die derart ausgebildet und in der Schaltung angeordnet ist, dass eine Impedanz einer ausgewählten Zelle bei entsprechender Auswahlschal- terstellung bei einer vorgegebenen oder vorgebbaren Frequenz bestimmbar ist. Die Impedanzmesseinrichtung dient dazu, ein Signal bestimmter Frequenz bereitzustellen und einer ausgewählten Zelle zuzuleiten, einen Messstrom Less ZU bestimmen und eine Messspannung UmeSs zu bestimmen. Die Impedanz der ausgewählten Zelle bei der bestimmten Frequenz kann dann ermittelt werden durch:
-— ~" Umess / Imess Mit der Impedanzmesseinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung lassen sich sowohl Impedanzspektren ausgewählter Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers über einen bestimmten Frequenzbereich bestimmen, als auch ein oder mehrere einzelne Impedanzwerte ausgewählter Zellen bei einer oder mehreren einzelnen Frequenzen ermitteln.
Die Impedanzmesseinrichtung kann einen Frequenzgenerator zur Bereitstellung eines Signals bestimmbarer Frequenz, eine Strommesseinrichtung zur Bestimmung eines Messstroms lmeSs und eine Spannungsmesseinrichtung zur Bestim- mung einer Messspannung UmeSs aufweisen. Insbesondere kann die Strommesseinrichtung über eine erste Auswahlschalteranordnung und die Spannungseinrichtung über eine zweite Auswahlschalteranordnung mit einem Plus- oder einem Minuspol einer ausgewählten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers verbindbar ausgebildet sein.
Als Strommesseinrichtung kann grundsätzlich jede Einrichtung eingesetzt werden, die geeignet ist, einen Messstrom lmess zu bestimmen. Bevorzugt werden solche Strommesseinrichtungen verwendet, die eine Verstärkerstufe mit hohem Eingangswiderstand aufweisen und/oder einen Widerstand, der zur phasen- und amplitudenrichtigen Messung des Messstroms dient. Eine geeignete Strommesseinrichtung kann zwei Koppelkondensatoren aufweisen, die einen Widerstand umgeben und die jeweils mit einer Verstärkerstufe verbunden sind. Bevorzugt sind die Verstärkerstufen der Strommesseinrichtung galvanisch getrennt in die elektrische Schaltung einkoppelbar ausgestaltet. Die Verstärkerstufen der Strommesseinrichtung können mit einem oder mehreren
Analog-Digital-Wandlern verbunden sein.
Als Spannungsmesseinrichtung kann grundsätzlich jede Einrichtung eingesetzt werden, die geeignet ist, eine Messspannung UmeSs zu bestimmen. Eine geeignete Spannungsmesseinrichtung weist einen Kopplungskondensator auf, der mit einer Verstärkerstufe verbunden ist. Bevorzugt ist die Verstärkerstufe galvanisch getrennt in die elektrische Schaltung einkoppelbar ausgeführt. Die Verstärkerstufe der Spannungseinrichtung kann mit einem Analog- Digital-Wandler verbunden sein. Die Impedanzmesseinrichtung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung kann einen Frequenzgenerator aufweisen. Als Frequenzgenerator kann grundsätzlich jede Einrichtung eingesetzt werden, die ein Signal bestimmbarer Frequenz bereitstellt, welches gegebenenfalls dazu verwendet werden kann, eine Impedanz einer ausgewählten Zelle zu bestimmen. Der Frequenzgenerator kann ein Signal einer oder mehrerer bestimmbarer Frequenzen bereitstellen, wobei unterschiedliche Frequenzen in diskreten Schritten auswählbar oder festlegbar sein können oder in einem bestimmten Frequenzbereich in einer kontinuierlichen Art und Weise angewählt werden können. Ins- besondere kann der Frequenzgenerator als Oszillator ausgebildet sein. Der
Oszillator kann auf verschiedene Weisen realisiert werden, beispielsweise als Colpitts- oder als Hartley-Oszillator. Bevorzugt kann ein LC-Oszillator eingesetzt werden. Insbesondere kann der Oszillator eine Schwingspule aufweisen.
Bevorzugt ist der Frequenzgenerator in die elektrische Schaltung galvanisch getrennt eingekoppelt. Auf diese Weise kann sich der Frequenzgenerator auf beliebigem Potential gegenüber der zu messenden Zelle befinden, beispielsweise auf Massepotential eines übergeordneten Controllers oder Steuergeräts, z. B. eines Batteriemanagementsystems. Weist der Frequenzgenerator eine Schwingspule auf, so kann das Signal über einen gemeinsamen Spulenlenker mit einer zweiten Spule, die gegebenenfalls mit der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung verbunden ist, galvanisch getrennt übertragen und der ausgewählten Zelle zugeführt werden.
Die erfindungsgemäße elektrische Schaltung kann einen oder mehrere Analog-
Digital-Wandler aufweisen, die derart angeordnet und mit einem Controller oder einer übergeordneten Steuereinheit verbunden sind, dass für jede Zelle des e- lektrochemischen Energiespeichers eine Impedanzmessung ausführbar und analysierbar ist.
Dabei kann der Controller oder die übergeordnete Steuereinheit derart ausgebildet sein, dass die Auswahl einer bestimmten Zelle eines elektrochemischen E- nergiespeichers durch Steuerung einer entsprechenden Schaltung der Auswahlschalter veranlasst und gegebenenfalls überwacht wird. Der Controller kann die Einkopplung eines Signals bestimmter Frequenz, sowie die Messung eines
Messstroms lmeSs und/oder einer Messspannung UmeSs auslösen, koordinieren und überwachen. Der Controller kann die gemessenen Daten an ein Auswertesystem weiterleiten oder selbst auswerten. Die Auswertung der Daten kann dabei beispielsweise eine Berechnung von Impedanzwerten aus den gemessenen Daten umfassen, sowie die Bestimmung einer Auswertgröße, die bei- spielsweise aus einzelnen Impedanzwerten bestehen kann oder aus Werten, die aus einem Impedanzspektrum ermittelt werden. Die Auswertung kann auch einen Vergleich der Auswertgröße mit einem Referenzwert umfassen. In Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs zwischen Auswertgröße und Referenzwert kann der Controller oder eine übergeordnete Steuereinheit be- stimmte Ausgaben, Anweisungen oder Aktivitäten auslösen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Schaltungsanordnung zur Messung einer Impedanz von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers in Fahrzeugen, wobei ein Frequenzgenerator über eine Strom- messeinrichtung und einen ersten Auswahlschalter mit dem Pluspol einer ausgewählten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers verbindbar ist und der Minuspol derselben ausgewählten Zelle über einen zweiten Auswahlschalter und eine Spannungsmesseinrichtung mit dem Frequenzgenerator verbindbar ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Kraftfahrzeug, welches eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung umfasst. Dabei sind unter dem Begriff „Kraftfahrzeug" alle angetriebenen Fahrzeuge zu verstehen, die einen elektrochemischen Energiespeicher aufweisen, unabhängig davon welchen An- trieb diese Kraftfahrzeuge aufweisen. Insbesondere umfasst der Begriff
„Kraftfahrzeug" HEV (elektrische Hybridfahrzeuge), PHEV (Plug-In-Hybrid- fahrzeuge), EV (Elektrofahrzeuge), Brennstoffzellenfahrzeuge, sowie alle Fahrzeuge, die einen elektrochemischen Energiespeicher für die elektrische Energieversorgung einsetzen.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Batteriemanagementsystem eines Kraftfahrzeugs, welches eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung umfasst.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Lebenszeitverlängerung von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers in Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung eingesetzt wird und in Abhängigkeit der damit bestimmten Veränderung des Impedanzspektrums einer oder mehrerer Zellen des elektrochemischen Energiespeichers Die Betriebsstrategie des Energiespeichers angepasst wird. Unter die Betreibsstrategie eines elektrochemischen Energiespeichers fällt unter anderem die Steuerung und/oder Regelung des Ladezustandsbereichs, in dem der elektrochemische Energiespeicher betrieben wird. Bevorzugt wird eine Anpassung des Ladezustandsbereichs, in dem der elektrochemische Energiespeicher betrieben wird, von einem Batteriemanagementsystem gesteuert. Dabei wird der Ladezustandsbereich mit fortschreitendem Alterungszustand des elektrochemischen Energiespeichers begrenzt und gegebenenfalls eingeengt.
Die Erfindung stellt eine elektrische Schaltung zur Verfügung, mit deren Hilfe die Impedanz von Zellen elektrochemischer Energiespeicher in Fahrzeugen mit geringem Aufwand und geringen Kosten ermöglicht wird, um über übliche
Informationen hinausgehende Parameter der Batterie bestimmen und damit die Lebensdauer optimieren zu können.
Ein Vorteil der Erfindung ist ein Beitrag zur detaillierten Analyse des Zustande und anderer Parameter von Fahrzeugbatterien mittels Impedanzspektroskopie mit dem Ziel der Lebensdaueroptimierung.
Zusammenfassend können die Vorteile der Erfindung und ihre Maßnahmen zur kostengünstigen Realisierung einer Impedanzspektroskopie im Fahrzeug wie folgt aufgelistet werden: • Die erfindungsgemäße Lösung kann auf vorhandener Verdrahtung zur ZeII- spannungsmessung und zum Balancing aufbauen.
• Für n Zellen sind gegebenenfalls nur n+1 Kleinleistungsschalter notwendig, die kostengünstig als Halbleiterschalter ausgeführt werden können.
• Für beliebig viele Zellen muss nur ein Oszillator und eine Schaltung beste- hend aus 3 Verstärkern aufgebaut werden.
• Oszillator und Verstärker können galvanisch von den Zellen entkoppelt sein und können auf beliebiges Potential bezogen werden.
• Die notwendige Energieaufnahme ist bei der Verwendung eines LC-Oszilla- tors minimal. • Die Messung und Analyse der Impedanzspektroskopie kann von einem gegebenenfalls bereits vorhandenen Mikroprozessor eines Batteriemanage- meπtsystems vorgenommen werden.
• Die Durchführung empfiehlt sich Z. B. im Abstand mehrerer Wochen und kann vorteilhaft im Ruhezustand des Fahrzeugs vorgenommen werden..
• Durch geeignete Analyse der Veränderung der Impedanz durch Alterung einer Batteriezelle und/oder einer Batterie kann gegebenenfalls durch geeignete Anpassung des Betriebsbereichs der Batterie eine deutliche Lebensdauersteigerung erzielt werden.
Figuren
Fig. 1 a - c zeigt Nyquist-Plot und Bode-Diagrammdarstellungen der Impedanz einer elektrochemischen Zelle in Abhängigkeit des Alte- rungszustancles.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, als Zweidrahtmessuπg.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführuπgsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung, als Vierdrahtmessung.
Detaillierte Beschreibung von Aufbau und Funktion ausgewählter Ausfüh- ruπgsformeπ der erfinduπgsgemäßeπ elektrischen Schaltung
Fig. 2 stellt den Schaltplaπ für eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung zur impedanzspektroskopie einer beliebigen Anzahl n von elektrochemischen Zellen dar. Beispielhaft wurden hier 8 Zellen ausgewählt, was einer üblichen Anzahl Zellen in einem Modul entspricht.
Über Kleinleistungsschalter S1 bis S9 (z. B. Halbleiterschalter) kann jeweils eine der Zellen mit ihrem Plus- und ihrem Minuspol mit einer Oszillatorschaltung verbunden werden. Dieser Oszillator muss unabhängig von der Anzahl der Zellen nur einmal realisiert werden, und kann vorteilhaft als LC-Oszi Ilator ausgeführt werden. Als Verbindungsleitungen zu jeder einzelnen Zelle können die in einem Batteriepack für Fahrzeuge ohnehin notwendigen Leitungen zur Einzelzellspannungsmessung und/oder zum Zellbalancing verwendet werden.
Der Oszillator kann dabei auf verschiedene Weisen realisiert werden, zum Beispiel als Colpitts- oder Hartley-Oszillator. Die Schwingspule L1 kann durch einen gemeinsamen Spulenkern mit der Spule L2 gekoppelt werden, um galvanisch getrennt Energie in Form einer sinusförmigen Schwingung in die zu untersuchende Zelle zu übertragen. Auf diese Weise kann der Oszillator sich auf beliebigem Potential gegenüber der Zelle befinden, zum Beispiel auf Mas- sepotential des übergeordneten Steuergerätes des Batteriemanagements.
Gleichzeitig muss nur die Energie aufgebracht werden, die in Form von ohm- schen Verlusten in der Schwingung verloren geht. Die Frequenz der Oszillation kann kontinuierlich oder in geeigneter Weise in diskreten Schritten und/oder Werten einstellbar sein.
Über die Koppelkondensatoren Ci bis C3 werden die AC-Frequenzanteile dreier Potentiale an Verstärkerstufen übertragen und können zur Auswertung der Spannungen Ui bis U3 an Analog-Digital-Wandler weitergegeben werden.
Dabei kann aufgrund des hohen zu erwartenden Eingangswiderstands Rem der
Verstärker bereits mit geringen Kapazitätswerten eine niedrige Eckfrequenz fg = 1/(2FlRe1nCn) der Übertragung realisiert werden, so dass auch niedrige Frequenzen untersucht werden können.
Die Spannungen Ui und U2 entsprechen den AC-Anteilen der Potentiale des positiven und des negativen Zellpols. Die Messspannung Um e S s = U2 - Ui entspricht daher für Frequenzen f » fg dem verstärkten Spannungsabfall über der Impedanz der Zelle.
Der Widerstand Ri dient zur phasen- und amplitudenrichtigen Messung des
Teststroms. Für Frequenzen f » fg ist der verstärkt gemessene Strom:
Figure imgf000012_0001
Sind alle Verstärkungen V1 bis V3 gleich, so kann die Impedanz Zm der Zelle m bestimmt werden durch: Zm(jω) = UmessCω) / ImessC«)
Durch Bestimmung der Impedanz Zm für eine oder mehrere verschiedene Frequenzen kann mit Hilfe geeigneter Analog-Digital-Wandlung durch einen Mi- kroprozessor eines Batteriemanagementsystems für jede Zelle eine Impedanzspektroskopie- oder Impedanzmessung ausgeführt und analysiert werden. Aufgrund der Schalteranordnung, die die Anzahl der notwendigen Schalter minimiert, muss je nach untersuchter Zelle gegebenenfalls eine Phasendrehung von 180° berücksichtigt werden.
Die Untersuchung der Zellen kann, zeitlich unkritisch, während des Fahrzeugstillstands durchgeführt werden, zum Beispiel über Nacht. Zu diesem Zeitpunkt steht auch die volle Rechenleistung des Mikroprozessors des Batteriemanagementsystems des Fahrzeugs zur Verfügung. Die Häufigkeit der Unter- suchung richtet sich nach der Alterungsgeschwindigkeit der Zellen, als Richtgröße sollte die Durchführung einmal pro Woche oder pro Monat ausreichend sein.
Fig. 3 stellt als weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung den Schaltplan zur Realisierung der Impedanzspektroskopie mittels
Vierdrahtmessung dar. Im Folgenden wird nur auf Unterschiede zur Ausführungsform aus Fig. 2 eingegangen.
Es werden insgesamt zwei Leitungen und zwei Schalter für jeden Pol einer Zelle eines elektrochemischen Energiespeichers benötigt. Zusätzlich kommt ein vierter Verstärker zum Einsatz. Die Messspannung ergibt sich durch:
Umess = Ui - U2,
der Messstrom durch:
Figure imgf000013_0001
Der zusätzliche Aufwand dieser Ausführungsform liegt im Wesentlichen in der Erweiterung des notwendigen Kabelbaums und der höheren Anzahl der notwendigen Schalter. Diese Variante kann sich beispielsweise dann als vorteil- haft erweisen, wenn die Impedanzmessung im Rahmen einer Zweidrahtmessung nicht präzise gut ist.

Claims

Ansprüche
1 . Elektrische Schaltung zur Messung einer Impedanz von Zellen eines elektro- chemischen Energiespeichers in Fahrzeugen, umfassend a) einen elektrochemischen Energiespeicher mit n Zellen, wobei jede Zelle jeweils einen Plus- und einen Minuspol aufweist und n eine positive, natürliche Zahl > 0 ist; b) eine Impedanzmesseinrichtung, ausgebildet, eine Impedanz bei einer vorgegebenen oder vorgebbaren Frequenz zu bestimmen; c) Auswahlschalter, die derart funktional angeordnet sind, dass je nach Schaltung der Auswahlschalter eine Impedanz einer ausgewählten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers messbar ist.
2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Impedanzmesseinrichtung einen Frequenzgenerator zur Bereitstellung eines Signals bestimmbarer Frequenz, eine Strommesseinrichtung zur Bestimmung eines Messstroms und eine Spannungsmesseinrichtung zur Bestimmung einer Messspannung aufweist.
3. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtung über eine erste Auswahlschalteranordnung und die Spannungseinrichtung über eine zweite Auswahlschalteranordnung mit einem Plus- oder einem Minuspol einer ausge- wählten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers verbindbar ausgebildet ist.
4. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahlschalter als Kleinleistungsschalter, bevor- zugt als Halbleiterschalter ausgebildet sind.
5. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator und/oder die Verstärkerstufen der Strommesseinrichtung und/oder der Spannungsmesseinrichtung galva- nisch getrennt einkoppelbar sind.
6. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgenerator als Oszillator ausgebildet ist, bevorzugt als LC-Oszillator.
7. Elektrische Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Schaltung einen oder mehrere Analog- Digital-Wandler aufweist, die derart angeordnet und mit einem Controller verbunden sind, dass für jede Zelle des elektrochemischen Energiespeichers eine Impedanzmessung ausführbar und analysierbar ist.
8. Kraftfahrzeug umfassend eine elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Batteriemanagementsystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend eine elektri- sehe Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
10. Verfahren zur Lebenszeitverlängerung von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers in Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 eingesetzt wird und in Abhängigkeit der damit bestimmten Veränderung des Impedanzspektrums einer oder mehrerer Zellen des elektrochemischen Energiespeichers die Betriebsstrategegie des Energiespeichers angepasst wird.
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