WO2013182435A2 - Verfahren zur bestimmung eines abnutzungszustandes eines batteriemoduls, batteriemanagementsystem, spannungsstufenbatteriesystem und kraftfahrzeug - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a
  • the invention therefore also relates to a motor vehicle and a battery management system.
  • Batteries with lower energy storage capacity are used, for example, for small portable electronic devices such as mobile phones, laptops, camcorders and the like, while high capacity batteries are used as an energy source for driving motors of hybrid or electric vehicles, etc. or as stationary batteries ,
  • Batteries can be connected, for example, by the serial connection of
  • Battery modules are formed, in some cases, parallel connections of the battery modules and the battery modules in turn can consist of serially and / or parallel-connected battery cells.
  • Voltage steps battery systems comprise at least one battery module string with one or more series-connectable battery modules. Additional battery module strings can be connected in parallel.
  • the battery modules have a coupling unit and are individually electrically connectable and electrically separable with their help. Therefore, the voltage level battery system by
  • connection and disconnection of the modules are used to produce a graduated varying voltage waveform.
  • three substantially identical mutually phase-shifted grading voltage profiles can be generated by means of downstream devices for inverting to drive electric or
  • Hybrid motors are used.
  • battery management systems For battery management, for example for the basic control of modules, to increase the safety of batteries, to increase efficiency and to extend the life of battery modules and battery modules composed of battery systems, battery management systems are used.
  • One task of battery management systems is to determine the current status of the battery modules. Among the ones used for this
  • Information includes, for example, the impedance, the ohmic internal resistance of the battery module or the battery cell contained in the battery module, wherein the impedance of the charge state, temperature and degree of aging of the
  • ISO 12405 proposes to load batteries to be tested for periods in the range of seconds with pulsed charge and discharge currents and to measure the voltage on the battery before and after the current pulse. The impedance then results as a ratio of the difference of the measured voltages to the strength of the current pulse.
  • a method according to claim 1 for determining a wear state of a battery module is provided.
  • Method comprises the determination of the ohmic internal resistance
  • the battery module with at least one further battery module can be electrically connected in series or electrically separated from the at least one further battery module.
  • the method is characterized in that the method comprises separating the
  • Battery module comprises in an open circuit.
  • the method is performed when the battery module is disconnected during use of the battery module string to produce a varying voltage.
  • the method may include electrical impedance spectroscopy.
  • the electrical impedance spectroscopy may comprise applying a voltage modulation to the battery module.
  • the method may then include determining a current intensity modulation based on the measured currents due to the voltage modulation. To determine an ohmic internal resistance of the battery module can then
  • Phase correction can be determined.
  • the voltage modulation in the context of electrical impedance spectroscopy is changed so that a phase shift between the voltage modulation and the determined current modulation is zero.
  • the ohmic internal resistance can then be determined directly as a quotient of voltage modulation to current modulation.
  • Voltage modulation with a different modulation frequency include.
  • the measurements of currents can be made at different charge states of the battery module.
  • a time constant which characterizes electrochemical processes of the battery module can be determined.
  • the comparison with at least one predetermined time constant makes it possible to determine the wear status of the battery module with particular accuracy.
  • the invention further relates to a battery management system for a
  • Battery module string having at least two serially connectable and individually separable battery modules, wherein the battery module string is adapted to generate by connecting and disconnecting the battery modules, a varying voltage.
  • the battery management system also includes a device for measuring battery module current levels and a device for the
  • the battery management system is designed to determine battery module current strengths of one of the at least two battery modules, which are transmitted during a separation of the one of the at least two battery modules to generate the varying voltage
  • the battery management system includes a
  • Apparatus for generating an alternating voltage is further designed to act on the separated battery module with the
  • Battery management system further be adapted to change the AC voltage so that a phase shift between the AC voltage and the determined AC power becomes zero. Then the battery management system can determine the ohmic internal resistance as a quotient of AC voltage to AC current.
  • the invention also relates to a voltage level batten system for generating mutually phase-shifted varying voltages comprising battery module strings and a battery management system according to the invention.
  • the invention also relates to a motor vehicle with an at least time or partially electrically operable drive unit and with a
  • Figure 1 shows an exemplary battery module to which the invention can be used
  • FIG. 2 shows an exemplary battery module string to which the invention is attached
  • FIG. 3 shows an exemplary voltage level batten system according to the invention.
  • the present invention has been in the development of a
  • Voltage stage battery system made for an electric or hybrid motor vehicle and is described below in this embodiment.
  • the invention is not limited to this embodiment, but can be used advantageously in all battery systems of several battery modules that allow a serial connection, so an electrical connection, and disconnection, so bridging, of battery modules.
  • Figure 1 shows an exemplary battery module 100 with a coupling unit 1 10.
  • the coupling unit 1 10 is either an integral part of the
  • Battery module 100 or, as shown in Figure 1, part of a battery module 100 comprehensive system 120.
  • the coupling unit 1 10 allows the
  • Battery module 100 to electrically connect and disconnect, for example, separate internal terminals of the battery module from the terminals 105 and 106 of the system 120.
  • the terminals 105 and 106 of the system 120 are also referred to as battery module poles.
  • the coupling unit of the illustrated example can be controlled via a signal input 107 for this purpose. But it is also possible that the coupling unit 1 10 with a predetermined frequency the
  • a plurality of such modules 100 or systems 120 are arranged serially in a battery module string 130, as shown in FIG. 2, and repeatedly connected and disconnected in a time-shifted manner, then a gradual voltage waveform of a voltage can be generated between the terminals 135 and 136 of the battery module string 130.
  • the terminals 135 and 136 of the battery module string 130 are also called battery bank terminals or
  • all combined in a strand modules are connected and separated via a single, common coupling unit. This can be designed a varying
  • FIG. 3 shows an exemplary voltage stage battery system 140, in which three battery module strings 130 are arranged parallel to one another.
  • Example have the varying voltages of the individual strands 130 among themselves a phase shift of one third of a period.
  • a rotating field can thus be generated, with which an electric or hybrid motor 150 can be driven.
  • the current flow in the strands and thus a torque to a predetermined target power of the motor 150 can also be adjusted.
  • Motor vehicle it is also possible to recover from braking energy through the motor 150 electrical energy and fed back by means of the inverter 170 and by appropriate control of the coupling units 1 10 in the battery modules 100 and recharge the modules so.
  • Each of the battery modules 100 is used during deployment of the battery modules 100
  • a disconnected battery module 100 is present as an open circuit and is thus accessible to a wear diagnosis.
  • This determination is therefore possible during operation, under load, ie during a discharge, or during charging, and at a frequency which corresponds to a frequency of separation processes. If, for example, the impedance is determined and changes in operation without the specified target power of the motor 150 having changed, this is an indication of an aging process of the relevant module. Furthermore, it is possible to deposit corresponding nominal impedances in a memory unit of a battery management system for various predefinable target powers of the motor 150. Then, a deviation of an impedance determined from measurements at a given target power from the target impedance stored in the memory unit for the given target power may be an indication of a change of battery cells in the module.
  • EIS Impedance spectroscopy
  • Amperage modulation measured which takes place as a result of loading the battery with a voltage modulation.
  • the voltage modulation can be an alternating voltage AUe W '' vr ⁇ t a relatively low amplitude and be variable frequency ⁇ . Then follows the measured current intensity modulation AIe ' (wt ⁇ 9) of the voltage modulation with the same frequency ⁇ and a phase ⁇ .
  • Electrodes the result of the EIS.
  • charge state dependent changes in the composition of an electrolyte and / or additives in the electrolyte affect the EIS, since the voltage-forming underlying electro-chemical processes run differently. This is reflected in correspondingly different frequencies or time constants.
  • the relationship between time constant and charge state, in particular a change in this relationship, can therefore be used as a feature for the wear state or a wear of the battery module.
  • Voltage level battery system combined modules connected via a single, common coupling unit and disconnected.
  • An exemplary battery management system 160 in conjunction with the exemplary voltage level battery system 140 shown in FIG. 3 detects the power provided by the individual battery modules 130
  • Battery management system 160 includes a separate additional AC voltage source not shown in the figure for generating a
  • the invention thus allows a quasi-continuous monitoring of
  • Module states during operation This allows efficiency losses or even module failures on the basis of impedance and / or impedance
  • Coupling units can be at least partially compensated.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Abnutzungszustandes eines Batteriemoduls (130) mit mindestens einer Batteriezelle, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, wie sie etwa in Traktionsbatterien (140) von Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugen, also in Kraftfahrzeugen mit zumindest teil- oder zeitweise elektrisch betriebenen Antrieben (150), Verwendung findet. Die Erfindung betrifft daher auch ein Kraftfahrzeug und ein Batteriemanagementsystem (160). Das beschriebene Verfahren umfasst die Bestimmung des ohmschen Innenwiderstandes aus Messungen von Stromstärken. Das Batteriemodul (100) kann mit mindestens einem weiteren Batteriemodul (100) seriell elektrisch verbunden oder elektrisch abgetrennt werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Abtrennen des Batteriemoduls (100) und die Messung von Stromstärken des abgetrennten Batteriemoduls (100) umfasst. Die anderweitige Verwendung des mindestens einen weiteren Batteriemoduls wird daher durch die Bestimmung des Abnutzungszustands nicht beeinträchtigt.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zur Bestimmung eines Abnutzungszustandes eines Batteriemoduls, Batteriemanagementsvstem, Spannungsstufenbatteriesystem und Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines
Abnutzungszustandes eines Batteriemoduls mit mindestens einer Batteriezelle, beispielsweise eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, wie sie etwa in
Traktionsbatterien von Elektro- oder Hybridkraftfahrzeugen, also in
Kraftfahrzeugen mit zumindest teil- oder zeitweise elektrisch betriebenen Antrieben, Verwendung findet. Die Erfindung betrifft daher auch ein Kraftfahrzeug und ein Batteriemanagementsystem.
Stand der Technik
Durch verbesserte Speicherkapazität, häufigere Wiederaufladbarkeit und höhere Energiedichten finden Batterien immer breitere Anwendungen. Batterien mit geringerer Energiespeicherkapazität werden zum Beispiel für kleine tragbare elektronische Geräte wie Mobiltelefone, Laptops, Camcordern und dergleichen verwendet, während Batterien mit hoher Kapazität als Energiequelle für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen, etc. oder als stationäre Batterien Verwendung finden.
Batterien können zum Beispiel durch das serielle Verschalten von
Batteriemodulen gebildet werden, wobei teilweise auch parallele Verschaltungen der Batteriemodule erfolgen und die Batteriemodule ihrerseits aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen bestehen können.
Für den Antrieb von Motoren von Hybrid- oder Elektro-Fahrzeugen sind insbesondere Spannungsstufenbatteriesysteme geeignet, die auch als Batterie Direktkonverter (BDC) bezeichnet werden. Spannungsstufenbatteriesysteme umfassen mindestens einen Batteriemodulstrang mit einem oder mehreren seriell verschaltbaren Batteriemodulen. Weitere Batteriemodulstränge können parallel dazu geschaltet sein. Die Batteriemodule weisen dabei eine Kopplungseinheit auf und sind mit deren Hilfe individuell elektrisch verbindbar und elektrisch abtrennbar. Daher kann das Spannungsstufenbatteriesystem durch
entsprechendes Verbinden und Abtrennen der Module verwendet werden, einen abgestuft variierenden Spannungsverlauf zu erzeugen. Bei entsprechender Auslegung können zum Beispiel drei im Wesentlichen identische zueinander phasenverschobene Stufenspannungsprofile erzeugt werden, die mittels nachgeordneter Vorrichtungen zur Invertierung zum Antrieb von Elektro- oder
Hybridmotoren verwendbar sind.
Zum Batteriemanagement, zum Beispiel zur grundsätzlichen Ansteuerung von Modulen, zur Erhöhung der Sicherheit von Batterien, zur Effizienzsteigerung und zur Verlängerung der Lebenszeit von Batteriemodulen und aus Batteriemodulen zusammengesetzten Batteriesystemen werden Batteriemanagementsysteme eingesetzt. Eine Aufgabe von Batteriemanagementsystemen ist die Bestimmung des aktuellen Zustande der Batteriemodule. Zu den hierfür verwendeten
Informationen zählt zum Beispiel die Impedanz, der ohmsche Innenwiderstand des Batteriemoduls bzw. der im Batteriemodul enthaltenen Batteriezellen, wobei die Impedanz vom Ladungszustand, Temperatur und Alterungsgrad der
Batteriezellen abhängt.
Nach Stand der Technik erfolgen zugehörige Messungen außerhalb des
Normalbetriebs der Batterie. Zum Beispiel wird in ISO 12405 vorgeschlagen, zu testende Batterien für Zeiträume im Sekundenbereich mit pulsförmigen Lade- und Entladeströmen zu belegen und die Spannung an der Batterie vor und nach dem Strompuls zu messen. Die Impedanz ergibt sich dann als Verhältnis der Differenz der gemessenen Spannungen zur Stärke des Strompulses.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren nach Anspruch 1 zum Bestimmen eines Abnutzungszustandes eines Batteriemoduls zur Verfügung gestellt. Das
Verfahren umfasst die Bestimmung des ohmschen Innenwiderstandes aus
Messungen von Stromstärken, wobei das Batteriemodul mit mindestens einem weiteren Batteriemodul seriell elektrisch verbunden oder von dem mindestens einen weiteren Batteriemodul elektrisch abgetrennt werden kann. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Abtrennen des
Batteriemoduls und die Messung von Stromstärken des abgetrennten
Batteriemoduls in einem offenen Stromkreis umfasst.
Die anderweitige Verwendung des restlichen Batteriemodulstrangs wird daher durch die Bestimmung des Abnutzungszustands nicht beeinträchtigt.
Daher wird in einer Ausführungsform das Verfahren durchgeführt, wenn das Batteriemodul während einer Verwendung des Batteriemodulstrangs zur Erzeugung einer variierenden Spannung abgetrennt ist.
Das Verfahren kann elektrische Impedanz-Spektroskopie umfassen.
Die elektrische Impedanz-Spektroskopie kann eine Beaufschlagung des Batteriemoduls mit einer Spannungsmodulation umfassen. Das Verfahren kann dann eine Bestimmung einer Stromstärkenmodulation anhand der gemessenen Stromstärken infolge der Spannungsmodulation umfassen. Zur Bestimmung eines ohmschen Innenwiderstandes des Batteriemoduls kann dann die
Spannungsmodulation zu der Stromstärkenmodulation ins Verhältnis gesetzt werden. Der ohmsche Innenwiderstand kann dann leicht mittels einer
Phasenkorrektur bestimmt werden.
Daher wird in einer Ausführungsform die Spannungsmodulation im Rahmen der elektrischen Impedanz-Spektroskopie dahin gehend verändert, dass eine Phasenverschiebung zwischen der Spannungsmodulation und der bestimmten Stromstärkenmodulation zu Null wird. Der ohmsche Innenwiderstand kann dann direkt als Quotient aus Spannungsmodulation zu Stromstärkenmodulation bestimmt werden.
Zur Bestimmung des Abnutzungszustandes kann insbesondere die
Spannungsmodulation mit einer Modulationsfrequenz erfolgen und die elektrische Impedanz-Spektroskopie mindestens eine andere
Spannungsmodulation mit einer anderen Modulationsfrequenz umfassen. Die Messungen von Stromstärken können zu unterschiedlichen Ladungszuständen des Batteriemoduls erfolgen.
Mittels der Messungen von Stromstärken kann eine elektro-chemische Prozesse des Batteriemoduls charakterisierende Zeitkonstante bestimmt werden. Der Vergleich mit mindestens einer vorbestimmten Zeitkonstante ermöglicht, den Abnutzungszustand des Batteriemoduls besonders genau zu bestimmen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batteriemanagementsystem für einen
Batteriemodulstrang mit mindestens zwei seriell verbindbaren und individuell abtrennbaren Batteriemodulen, wobei der Batteriemodulstrang geeignet ist, durch Verbinden und Abtrennen der Batteriemodule eine variierende Spannung zu erzeugen. Das Batteriemanagementsystem umfasst zudem eine Vorrichtung zur Messung von Batteriemodulstromstärken und eine Vorrichtung zur
Übermittlung gemessener Stromstärken an das Batteriemanagementsystem. Dabei ist das Batteriemanagementsystem ausgelegt, Batteriemodulstromstärken eines der mindestens zwei Batteriemodule, die während einer zur Erzeugung der variierenden Spannung durchgeführten Abtrennung des einen der mindestens zwei Batteriemodule übermittelt werden, zur Bestimmung eines
Abnutzungszustandes des einen der mindestens zwei Batteriemodule zu verwenden.
In einer Ausführungsform umfasst das Batteriemanagementsystem eine
Vorrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung und ist weiterhin ausgelegt, eine Beaufschlagung des abgetrennten Batteriemoduls mit der
Wechselspannung zu bewirken, eine Wechselstromstärke infolge der
Wechselspannung zu bestimmen und zur Bestimmung eines ohmschen
Innenwiderstandes des Batteriemoduls die Wechselspannung zu der
Wechselstromstärke ins Verhältnis zu setzen. Dabei kann das
Batteriemanagementsystem weiterhin ausgelegt sein, die Wechselspannung dahin gehend zu verändern, dass eine Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und der bestimmten Wechselstromstärke zu Null wird. Dann kann das Batteriemanagementsystem den ohmschen Innenwiderstand als Quotient aus Wechselspannung zu Wechselstromstärke bestimmen. Die Erfindung betrifft auch ein Spannungsstufenbattenesystem zur Erzeugung von zueinander phasenverschobenen variierenden Spannungen umfassend Batteriemodulstränge und ein erfindungsgemäßes Batteriemanagementsystem.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Kraftfahrzeug mit einer zumindest zeit- oder teilweise elektrisch betreibbaren Antriebseinheit und mit einem
erfindungsgemäßen Spannungsstufenbattenesystem.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein beispielhaftes Batteriemodul, an dem die Erfindung Verwendung finden kann;
Figur 2 einen beispielhaften Batteriemodulstrang, an dem die Erfindung
Verwendung finden kann, und
Figur 3 ein beispielhaftes Spannungsstufenbattenesystem gemäß der Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wurde im Rahmen der Entwicklung eines
Spannungsstufenbatteriesystems für ein Elektro- oder Hybridkraftfahrzeug gemacht und wird im Folgenden an diesem Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann vorteilhaft in allen Batteriesystemen aus mehreren Batteriemodulen verwendet werden, die ein serielles Zuschalten, also ein elektrisches Verbinden, und Abtrennen, also ein Überbrücken, von Batteriemodulen erlauben.
Insbesondere ist der Verwendungszweck des Batteriesystems für die Erfindung nicht von Belang. Figur 1 zeigt ein beispielhaftes Batteriemodul 100 mit einer Kopplungseinheit 1 10. Die Kopplungseinheit 1 10 ist entweder integraler Bestandteil des
Batteriemoduls 100 oder, wie in Figur 1 gezeigt, Teil eines das Batteriemodul 100 umfassenden Systems 120. Die Kopplungseinheit 1 10 erlaubt es, das
Batteriemodul 100 elektrisch zu verbinden und abzutrennen, beispielsweise interne Terminals des Batteriemoduls von den Terminals 105 und 106 des Systems 120 abzutrennen. Die Terminals 105 und 106 des Systems 120 werden auch als Batteriemodulpole bezeichnet. Die Kopplungseinheit des dargestellten Beispiels ist hierfür über einen Signaleingang 107 ansteuerbar. Es ist aber auch möglich, dass die Kopplungseinheit 1 10 mit einer vorbestimmten Frequenz das
Modul ohne externe Ansteuerung zuschaltet und abtrennt. Dadurch kann eine Rechteckspannung erzeugt werden.
Werden nun mehrere solche Module 100 oder Systeme 120 seriell in einem Batteriemodulstrang 130 angeordnet, wie in Figur 2 gezeigt, und zeitversetzt wiederholend verbunden und abgetrennt, so kann ein abgestuft variierender Spannungsverlauf einer Spannung zwischen den Terminals 135 und 136 des Batteriemodulstrangs 130 erzeugt werden. Die Terminals 135 und 136 des Batteriemodulstrangs 130 werden auch als Batteriestrangterminals oder
Batteriestrangpole bezeichnet. Unter Last ergibt sich ein dem Spannungsverlauf entsprechender Stromverlauf.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel werden alle in einem Strang zusammengefassten Module über eine einzige, gemeinsame Kopplungseinheit verbunden und abgetrennt. Diese kann ausgelegt sein, eine variierende
Spannung mit vorbestimmter Frequenz zu erzeugen. Oder es kann eine variierende Spannung mit variabler Frequenz werden, insbesondere wenn eine Ansteuerungsmoglichkeit der gemeinsamen Kopplungseinheit zur Variierung der Frequenz besteht.
Figur 3 zeigt ein beispielhaftes Spannungsstufenbatteriesystem 140, in dem drei Batteriemodulstränge 130 parallel zueinander angeordnet sind. Durch
Ansteuerung der Kopplungseinheiten 1 10 werden in jedem der Stränge 130 die Module 100 so verbunden und abgetrennt, dass der jeweilige Strang 130 eine selbe variierende Spannung mit individueller Phasenlage bereitstellt. Zum
Beispiel haben die variierenden Spannungen der einzelnen Stränge 130 untereinander eine Phasenverschiebung von einer Drittelperiode. Mittels des Spannungsstufenbatteriesystems 140 und einer geeigneten nachgeordneten Vorrichtung zur Invertierung 170 kann so ein rotierendes Feld erzeugt werden, mit dem ein Elektro- oder Hybridmotor 150 angetrieben werden kann. Durch Veränderung der Amplituden der bereitgestellten variierenden Spannungen und/oder der Phasenverschiebungen zueinander kann zudem der Stromverlauf in den Strängen und damit ein Drehmoment an eine vorgegebene Zielleistung des Motors 150 angepasst werden. Bei Einsatz des Motors 150 in einem
Kraftfahrzeug ist es auch möglich, aus Bremsenergie über den Motor 150 elektrische Energie zu gewinnen und diese mittels der Invertiervorrichtung 170 und durch entsprechende Ansteuerung der Kopplungseinheiten 1 10 in die Batteriemodule 100 zurückzuspeisen und die Module so wieder aufzuladen.
Jedes der Batteriemodule 100 wird während der Bereitstellung der
Wechselspannung oder während einer solchen Zurückspeisung regelmäßig für einen Zeitraum abgetrennt. Ein abgetrenntes Batteriemodul 100 liegt als offener Stromkreis vor und wird so einer Abnutzungsdiagnose zugänglich.
Diese Bestimmung ist also im laufenden Betrieb, unter Last, also während einer Entladung, oder während einer Aufladung, und mit einer Häufigkeit möglich, die einer Häufigkeit von Abtrennvorgängen entspricht. Sofern zum Beispiel die Impedanz bestimmt wird und sich im Betrieb ändert, ohne dass sich die vorgegebene Zielleistung des Motors 150 geändert hätte, ist dies ein Hinweis auf einen Alterungsprozess des betreffenden Moduls. Weiterhin ist es möglich, zu verschiedenen vorgebbaren Zielleistungen des Motors 150 entsprechende Sollimpedanzen in einer Speichereinheit eines Batteriemanagementsystems zu hinterlegen. Dann kann eine Abweichung einer bei einer gegebenen Zielleistung aus Messungen bestimmten Impedanz von der zu der gegebenen Zielleistung in der Speichereinheit hinterlegten Sollimpedanz ein Hinweis für eine Veränderung von Batteriezellen in dem Modul sein.
An abgetrennten Batteriemodulen kann insbesondere eine elektrische
Impedanzspektroskopie, EIS, durchgeführt werden. Dabei wird eine
Stromstärkenmodulation gemessen, die infolge einer Beaufschlagung der Batterie mit einer Spannungsmodulation erfolgt. Die Spannungsmodulation kann eine Wechselspannung AUeW}' vr \t einer im Verhältnis geringen Amplitude und variierbarer Frequenz ω sein. Dann folgt die gemessene Stromstärkenmodulation AIe'(wt ~9) der Spannungsmodulation mit gleicher Frequenz ω und einer Phase φ.
Für die Impedanz gilt dann Z EIS
AI
Wird jetzt die Frequenz der Spannungsmodulation variiert, kann die Phase zu Null werden. Quotient von Spannungsamplitude zu Stromstärkenamplitude ergibt
AU
dann die Impedanz Z
AI
Unter Last und während des Ladens ändert sich zwischen verschiedenen Abtrennungen eines Moduls 100 der Ladungszustand des entsprechenden Moduls. Je nach Ladungszustand beeinflussen chemische Zusammensetzung, Oberfläche, Korngröße von Komponenten der Elektroden und Dicke der
Elektroden das Ergebnis der EIS. Insbesondere in Lithium-Ionen-Batterien, jedoch nicht nur dort, beeinflussen Ladungszustand abhängige Änderungen der Zusammensetzung eines Elektrolyts und/oder von Zusätzen im Elektrolyt die EIS, da die der Spannungserzeugung zugrunde liegenden elektro-chemischen Prozesse anders ablaufen. Dies spiegelt sich in entsprechend unterschiedlichen Frequenzen beziehungsweise Zeitkonstanten wider. Der Zusammenhang zwischen Zeitkonstante und Ladungszustand, insbesondere eine Änderung dieses Zusammenhangs, kann daher als Merkmal für den Abnutzungszustand beziehungsweise eine Abnutzung des Batteriemoduls verwendet werden.
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel werden alle in einem
Spannungsstufenbatteriesystem zusammengefassten Module über eine einzige, gemeinsame Kopplungseinheit verbunden und abgetrennt.
Ein beispielhaftes Batteriemanagementsystem 160 im Zusammenspiel mit dem in Figur 3 gezeigten beispielhaften Spannungsstufenbatteriesystem 140 erfasst die von den einzelnen Batteriemodulen 130 zur Verfügung gestellten
Stromstärken und steuert über Verbindungen zu den Strängen 130 die in den Strängen 130 angeordneten Module 100 oder Systeme 120. Das
Batteriemanagementsystem 160 umfasst eine in der Figur nicht gezeigte separate weitere Wechselspannungsquelle zur Erzeugung einer
Wechselstörspannung mit im Verhältnis zur variierenden Spannung geringen Amplitude und variierbarer Frequenz. Durch Beaufschlagung des abgetrennten Batteriemoduls mit der Wechselstörspannung fließt ein Wechselstrom. Der ohmsche Innenwiderstand des Batteriemoduls 100 lässt sich dann bestimmen, indem die Wechselstörspannung zur Wechselstromstärke ins Verhältnis gesetzt wird. Ohmscher Innenwiderstand und Frequenz, bei der Wechselstörspannung und Wechselstrom in Phase sind, können zur Bestimmung der Abnutzung eines Batteriemoduls dienen.
Die Erfindung erlaubt also eine quasi-kontinuierliche Überwachung der
Modulzustände im laufenden Betrieb. Dies ermöglicht, Effizienzeinbußen oder gar Defekte von Modulen anhand von Impedanz- und/oder
Zeitkonstantenbestimmung schnell und sicher zu erkennen. Dies ist vorteilhaft, weil Module als abgenutzt oder alternd erkannt und die als defekt oder alternd erkannten Module ausgetauscht werden können und weil Störungen der durch den Batteriestrang bereitgestellten Leistung durch das defekte oder alternde Modul durch entsprechende Änderung der Ansteuerungen der
Kopplungseinheiten zumindest teilweise kompensiert werden können.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Bestimmung eines Abnutzungszustandes eines
Batteriemoduls (100), wobei das Verfahren die Bestimmung des ohmschen Innenwiderstandes aus Messungen von Stromstärken umfasst, und wobei das Batteriemodul (100) mit mindestens einem weiteren Batteriemodul (100) seriell elektrisch verbunden oder von dem mindestens einen weiteren Batteriemodul (100) abgetrennt werden kann,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren ein Abtrennen des Batteriemoduls (100) und die Messung von Stromstärken des abgetrennten Batteriemoduls (100) in einem offenen Stromkreis umfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren durchgeführt wird, wenn das Batteriemodul (100) während der Verwendung des Batteriemoduls (100) und des mindestens einen weiteren Batteriemoduls (100) zur Erzeugung einer variierenden Spannung abgetrennt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren eine elektrische Impedanz-Spektroskopie durch Beaufschlagung des Batteriemoduls (100) mit einer Spannungsmodulation umfasst, anhand der gemessenen
Stromstärken eine Stromstärkenmodulation infolge der
Spannungsmodulation bestimmt und, zur Bestimmung eines ohmschen Innenwiderstandes des Batteriemoduls (100), die Spannungsmodulation zu der Stromstärkenmodulation ins Verhältnis setzt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die elektrische Impedanz-Spektroskopie die Spannungsmodulation dahin gehend verändert, dass eine
Phasenverschiebung zwischen der Spannungsmodulation und der bestimmten Stromstärkenmodulation zu Null wird, und der ohmsche Innenwiderstand als Quotient aus Spannungsmodulation zu
Stromstärkenmodulation bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Messungen von Stromstärken zu unterschiedlichen Ladungszuständen des
Batteriemoduls (100) erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei mittels der Messungen von Stromstärken eine elektro-chemische Prozesse des Batteriemoduls (100)
charakterisierende Zeitkonstante bestimmt wird, die mit mindestens einer vorbestimmten Zeitkonstante verglichen wird, um den Abnutzungszustand des Batteriemoduls (100) zu bestimmen.
Batteriemanagementsystem (160) für einen Batteriemodulstrang (130) mit mindestens zwei seriell elektrisch miteinander verbindbaren und individuell abtrennbaren Batteriemodulen (100), wobei der Batteriemodulstrang (130) geeignet ist, durch Verbinden und Trennen der Batteriemodule (100) eine variierende Spannung zu erzeugen, eine Vorrichtung zur Messung von Batteriemodulstromstärken umfasst und weiterhin eine Vorrichtung zur Übermittlung gemessener Stromstärken an das Batteriemanagementsystem (160) umfasst, wobei das Batteriemanagementsystem (160) ausgelegt ist, gemessene Stromstärken, die während einer zur Erzeugung der
variierenden Spannung durchgeführten Abtrennung des einen der mindestens zwei Batteriemodule (100) übermittelt werden, zur Bestimmung eines Abnutzungszustandes des einen der mindestens zwei Batteriemodule (100) zu verwenden.
Batteriemanagementsystem (160) nach Anspruch 7 wobei das
Batteriemanagementsystem (160) eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Wechselspannung umfasst und weiterhin ausgelegt ist, eine Beaufschlagung des abgetrennten Batteriemoduls mit der Wechselspannung zu bewirken, eine Wechselstromstärke infolge der Wechselspannung zu bestimmen und zur Bestimmung eines ohmschen Innenwiderstandes des Batteriemoduls (100) die Wechselspannung zu der Wechselstromstärke ins Verhältnis zu setzen, wobei das Batteriemanagementsystem (160) weiterhin ausgelegt ist, die Wechselspannung dahin gehend zu verändern, dass eine Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und der bestimmten Wechselstromstärke zu Null wird, und wobei das
Batteriemanagementsystem (160) den ohmschen Innenwiderstand als Quotient aus Wechselspannung zu Wechselstromstärke bestimmt.
Spannungsstufenbattenesystem (140) zur Erzeugung von zueinander phasenverschobenen variierenden Spannungen umfassend
Batteriemodulstränge (130) und ein Batteriemanagementsystem (160) nach einem der Ansprüche 7 bis 8.
Kraftfahrzeug mit einer zumindest zeit- oder teilweise elektrisch betreibbaren Antriebseinheit (150) und mit einem Spannungsstufenbattenesystem (140) nach Anspruch 9.
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