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 = h
m,, , wobei U
L < 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:
R
j 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.