Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Zustandsgröße einer

Batteriezelle

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Akkumulatortechnologie. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Bestimmung von Zelleigenschaften einer

Batteriezelle, insbesondere während des regulären Betriebs beispielsweise in einem Fahrzeug. Weiter insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Zustandsgröße einer Batteriezelle, eine

Batteriezelle, insbesondere für ein Fahrzeug, weiter insbesondere für ein Elektro- bzw. Hybridfahrzeug, eine Batterieeinheit für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- bzw. Hybridfahrzeug.

Stand der Technik

Elektro- oder Hybridfahrzeuge benötigen prinzipbedingt im Fahrzeug

vorgehaltene Energiespeicher, die regelmäßig in Form von Batterien bzw.

Akkumulatoren bereitgestellt sind. Diese bilden einen elektrochemischen

Energiespeicher, der in der Lage ist, elektrische Energie für den Fahrzeugbetrieb vorzuhalten und bei Bedarf abzugeben. Diese Batterien bzw. Akkumulatoren oder allgemein Batterieeinheiten sind dabei meist aus einer Mehrzahl von einzelnen Batteriezellen aufgebaut, die, anwendungsspezifisch, parallel, in Reihe oder gemischt verschaltet sein können.

Um die Funktionsfähigkeit einer Batterie in einem Fahrzeug sicherzustellen, wird diese regelmäßig bzw. kontinuierlich überwacht. Herkömmlich für eine solche Überwachung verwendete Kenn- bzw. Betriebsgrößen oder allgemein

Zustandsgrößen sind dabei beispielsweise die Klemmenspannung zwischen den Batteriepolen, Temperatur einer Batteriezelle, der Druck, insbesondere deren Zellinnendruck, Ladestrom, Ladedauer und Impedanz. Dabei ist eine genaue Kenntnis von verschiedenen Ist-Zustandsgrößen beim Betrieb, also beim Laden und Entladen, von vergleichsweise kostenintensiven Batterien, wie beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien in Automotive- Applikationen, von zunehmender Bedeutung. Neben direkt messbaren

Zustandsgrößen, wie zum Beispiel der Zelltemperatur oder Zellspannung, gibt es weitere Batteriezustandsgrößen, die indirekt aus messbaren Parametern abgeleitet werden, zum Beispiel durch eine modellgestützte Berechnung.

Eine für ein Batteriemanagement wichtige indirekt zu bestimmende Kenngröße ist dabei der Ladezustand bzw. State of Charge (SoC) einer Batterie bzw. der

Ladezustand einzelner Batteriezellen. Beispielsweise kann bei Überladung einer Batterie oder einer Einzelzelle diese schwer, möglicherweise irreparabel, beschädigt werden, wodurch diese Einzelzelle oder möglicherweise sogar eine gesamte Batterieeinheit, die diese Einzelzelle aufweist, einen Totalausfall erleidet. Andererseits können einzelne Zellen, beispielsweise bei mehreren in

Reihe geschalteten Zellen, bei denen einzelne (künstlich) auf einem gegenüber den restlichen Zellen niedrigeren Ladezustand gehalten werden, geschont werden, damit u.a. ihre Lebensdauer verlängert werden. Eine weitere wichtige Kenngröße ist der Gesundheitszustand einer Batteriezelle oder einer Batterieeinheit, auch genannt State of Health (SoH), der letztendlich die Kapazitätsabweichung bzw. einen Kapazitätsverlust über die Lebensdauer einer Batterie im Vergleich zur initialen Kapazität bei der Herstellung angibt. Im Weiteren mag unter ein Gesundheitszustand einer Batteriezelle oder einer

Batterieeinheit auch beispielsweise der Innenwiderstand berücksichtigen, z.B. eine Veränderung auf Grund von Alterung durch z.B. Dendritenbildung oder Ausgasung von Elektrolyt. Generell betrifft der Gesundheitszustand alle die Funktion und Sicherheit ein Batteriezelle oder Batterieeinheit (insbesondere negativ) beeinflussenden Alterungsphänomene. Zusätzlich können auch

Fertigungsschwankungen den Gesundheitszustand der Zelle bereits bei Auslieferung beeinflussen und ihr Vorliegen daher diesem zugerechnet werden.

Herkömmlich wird der Ladezustand einer Batterie bzw. einzelner Zellen unter Verwendung einer Modellsimulation aus direkt messbaren Größen wie

Zellspannung, Zelltemperatur, Ladestrom, Ladedauer, etc. bestimmt. Je ungenauer die direkt gemessenen Eingangsgrößen dabei sind, desto

fehleranfälliger und ungenauer wird eine darauf basierende Berechnung des Ladezustandes. Eine Ungenauigkeit in der Bestimmung eines (momentanen) Ladezustandes erhöht dabei das Risiko einer Schädigung der Batterie bzw. Zelle durch Fehlbetrieb, beispielsweise durch Überladung im Falle, dass der

Ladezustand als zu gering angenommen wird oder aber eine die Lebensdauer verkürzende Tiefenentladung, falls der momentane Ladezustand als zu hoch angenommen wird.

Fig. 1 zeigt eine Zellüberwachungsschaltung (Cell Supervision Circuit, CSC) mit einem Transistorschalter und einem Parallelwiderstand. Die Zelle 2 ist dabei über ihre Pole 4a,b in ein größeres Batteriesystem eingebunden. Parallel über den

Polen 4a, b angeschlossen ist CSC 14, bestehend aus Schaltelement 10 sowie Widerstandselement 12.

Hierdurch kann ein individueller Ladestrom einer von mehreren in Reihe geschalteten Zellen zum Beispiel durch„Cell Balancing" beeinflusst werden.

Dabei wird zum Beispiel über einem von einem Batteriemanagementsystem ansteuerbaren Bypass, beispielsweise ein ansteuerbares Schaltelement 10, ein Anteil des Ladestroms an einer Zelle 2 vorbeigeführt und zum Beispiel in dem Widerstandselement 12 thermisch umgesetzt.

Offenbarung der Erfindung

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Bestimmung einer Zustandsgröße einer Batteriezelle, insbesondere einem momentanen

Ladezustand. Batteriezellen und Batterieeinheiten der vorliegenden Erfindung betreffen dabei regelmäßig wiederaufladbare Elemente.

Demgemäß wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Zustandsgröße einer Batteriezelle, eine Batteriezelle, insbesondere für ein Fahrzeug, eine

Batterieeinheit für ein Fahrzeug sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- bzw. Hybridfahrzeug, gemäß den unabhängigen Ansprüchen angezeigt.

Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung. Das erfindungsgemäße Verfahren ermittelt bzw. verwendet dabei eine zustandsgrößenabhängige Übertragungscharakteristik der Batteriezelle, somit eine beispielsweise von einem Ladezustand oder Gesundheitszustand abhängige Übertragungscharakteristik einer einzelnen Zelle. Dabei wird einem Lade- bzw. Entladestrom, der durch eine Batteriezelle fließt und/oder der an den Batteriepolen bzw. Zellanschlüssen anliegenden Zellspannung ein Signal aufgeprägt. Der Strom bzw. die Spannung wird somit durch das aufgeprägte Signal verändert bzw. moduliert. Dies kann dabei als Zustandsüberprüfung vor einem Ladevorgang bzw. Entladevorgang erfolgen oder währenddessen, also im

Betrieb, insbesondere intervallweise bzw. wiederholt, während des

Lade/Entladevorgangs. Auch kann nach beendetem Lade- bzw. Entladevorgang eine derartige Zustandsgrößenbestimmung der Batteriezelle erfolgen.

Wird das erfindungsgemäße Verfahren während eines Ladevorganges verwendet, so kann es nötig sein, aufgrund der Fluktuationen des Ladestroms bzw. der Ladespannung durch die Modulation des Signals den Ladestrom insgesamt zum Zwecke der Durchführung des Verfahrens in seinem Betrag geeignet abzusenken. Eine solche Absenkung muss aber jedoch nicht zwingend notwendig sein. Das Signal, beispielsweise ausgestaltet als ein Messimpuls, kann auch während wechselnden Lastzuständen während des Fahrbetriebes eingeprägt werden.

Als mögliche Signale kommen beispielsweise ein positiver bzw. negativer Einzeloder Mehrfachimpuls zur Verwendung, möglicherweise mit unterschiedlichen Anstiegs- und Haltezeiten bzw. Signalhöhen. Auch eine Schwingungsanregung, beispielsweise unter Verwendung einer Sinusfunktion, welche möglicherweise unterschiedliche oder sich ändernde Frequenzen aufweist, ist möglich.

Das Signal selbst muss dabei nicht zwingend speziell für das Verfahren erzeugt werden, somit ein künstliches Signal sein, unter Umständen reicht es aus, bereits im Betrieb auftretende Stromschwankungen oder Spannungsschwankungen an der Batteriezelle das Signal zu verwenden. Somit kann das Beaufschlagen der Batteriezelle mit einem Signal ausgebildet sein als das Verwenden einer aus dem Betrieb stammenden Stromänderung bzw. Spannungsänderung an der Batteriezelle. Dieses natürliche Signal mag geeignet in/an der Batteriezelle detektiert werden.

Letztendlich wird eine Batteriezelle aufgrund des Signals eine wie auch immer geartete Reaktion bzw. Antwort bereitstellen, welche sich unter Verwendung geeigneter Messmittel detektieren lässt. Dabei weist die Batteriezelle eine Übertragungsfunktion zwischen dem eingespeisten Signal und der

ausgegebenen Antwort auf. Diese Übertragungsfunktion mag dabei abhängig sein von der Art des eingespeisten Signals und insbesondere erfindungsgemäß von gerade in der Zelle vorherrschenden Zuständen, wie beispielsweise

Ladezustand und Gesundheitszustand. Die Übertragungsfunktion ist somit einerseits signal-, andererseits zustandsabhängig.

Eine Übertragungsfunktion mag dabei mittels eines Modells berechnet werden. Z.B. können als Grundlage des Modells Labormessungen, beispielsweise Impedanzspektroskopie-Messungen, verwendet werden, die mit real,

insbesondere während eines Betriebes, gemessenen Sprungantworten,

Impulsantworten und dergleichen einer Batteriezelle verglichen werden. Diese

Messwerte mögen dabei meist nach der Messung und vor einem Vergleich Fourier-transformiert werden.

Die unterschiedliche Übertragungsfunktion in Bezug auf unterschiedliche Zustände einer Batteriezelle resultiert unter anderem aus veränderten

Materialeigenschaften der Zellkomponenten je nach Zustand, insbesondere Ladezustand und Gesundheitszustand, der Zelle. Fragliche Zellkomponenten können hier beispielsweise Elektrodenelemente bzw. Elektrolyt sein. So weist eine negative Grafitelektrode im geladenen, somit lithiumreichen Zustand, veränderte elektrische Eigenschaften gegenüber dem entladenen Zustand auf.

Eine derartige geänderte elektrische Eigenschaft findet sich beispielsweise in der spezifischen Leitfähigkeit abhängig vom Ladezustand.

Dabei wird ein eingeprägtes Signal von einer entladenen Elektrode in einer anderen Weise, somit unter Verwendung einer anderen Übertragungsfunktion, ausgegeben als von einer geladenen Elektrode. Die Übertragungsfunktion des Signals hängt dabei in komplexer und insbesondere empirisch bestimmbarer Weise von den elektrischen Eigenschaften der gesamten Zelle ab und erhält dadurch u.a. Informationen zum Ladezustand und der Gesundheit der Zelle.

Die Bestimmung einer Übertragungsfunktion, somit ein Vergleich eines eingeprägten Signals mit einer detektierten Antwort, kann beispielsweise lokal in bzw. an der Zelle selbst erfolgen. Hierzu mag beispielsweise ein

Verarbeitungselement bzw. ein Mikroprozessor oder ASIC vorgesehen sein, welches innerhalb oder außerhalb der Zelle platziert ist und insbesondere eingerichtet ist, die Übertragungsfunktion zu bestimmen. Beispielsweise kann das ASIC selbst eingerichtet sein, das Signal bereitzustellen und an die

Batteriezelle abzugeben, während gleichzeitig die erfolgte Antwort detektiert und somit die Übertragungsfunktion bestimmt wird. Das ASIC kann im Weiteren aus Signal und Antwort und somit der Übertragungsfunktion, insbesondere unter Berücksichtigung eines geeigneten Modells, selbst eine Zustandsgröße der Batteriezelle bestimmen und diese Information zum Beispiel unter Verwendung eines geeigneten Datenbusses an ein zentrales Steuergerät weiterleiten. Auch denkbar ist, dass das Verarbeitungselement ausschließlich Signal und Antwort detektiert, diese Informationen an ein Steuergerät weitergibt, welches seinerseits aus diesen Informationen eine Übertragungsfunktion und/oder eine

Zustandsgröße der Batteriezelle bestimmt. Eine geteilte Funktionalität mag realisiert werden durch die Bestimmung der Übertragungsfunktion durch das

Verarbeitungselement lokal an der Zelle, während die Auswertung der

Übertragungsfunktion und damit der Rückschluss bzw. das Bestimmen der Zustandsgröße der jeweiligen Zelle, für mehrere oder alle Zellen eines

Batteriesystems, in einem Steuergerät erfolgt.

Im einfachsten Fall mag eine einfache Funktion zwischen Signalstärke, zum Beispiel dem Betrag eines Lade- oder Entladepulses bzw. Spannungspulses in Abhängigkeit des Ladezustandes auswertbar sein. Genauere Ergebnisse mag die Modellierung bzw. Bestimmung einer komplexen Übertragungsfunktion liefern. Hierbei mag beispielsweise die Dynamik einer Signaländerung in

Abhängigkeit des Ladezustandes berücksichtigt werden, beispielsweise eine Relaxationszeit eines Spannungspulses bzw. die Verschiebung einer

Spannungsfrequenz. Hierbei mögen insbesondere ein Gesundheitszustand und ein Ladezustand unterschiedliche Auswirkungen auf einen statischen und dynamischen Innenwiderstand einer Batteriezelle haben, was sich in einer unterschiedlichen Relaxationszeit niederschlägt. Ein statischer Innenwiderstand mag dabei primär als von einem Gesundheitszustand, ein dynamischer

Innenwiderstand primär von einem Ladezustand abhängig sein. Verschiedene Ausführungsbeispiele sind dabei denkbar, die im Weiteren ausgeführt sind.

So mag z.B. zunächst die Zellspannung als Sprungfunktion gemessen werden. Ein kurzer Spannungspuls als Signal wird dabei dem Ladestrom aufgeprägt. Die Höhe des Signals in der Zellspannung, somit die Antwort, mag im Folgenden direkt abhängig sein vom Ladezustand der Zelle. Insbesondere mag hierfür ein zellintegriertes Verarbeitungselement bzw. ASIC vorgesehen sein, das die Zellspannung in Abhängigkeit des Spannungspulses auswertet. Auch mag die Messung der Zellspannung als Pulsweitenfunktion implementiert sein. Ein Spannungspuls mit definierter Pulsweite und Höhe mag dabei dem Lade/Entladestrom aufgeprägt werden. Das Relaxationsverhalten des Signals, somit eine Veränderung des Signals im zeitlichen Verlauf, mag dabei ladezustandsabhängig sein. Die sich dabei verändernde Pulsform kann wiederum durch einen zellintegrierten ASIC erfasst und zur Auswertung gebracht werden bzw. für eine Bestimmung einer Zustandsgröße der Zelle verwendet werden.

Auch mag eine Messung über einen Stromteiler erfolgen. Ein Signal, zum Beispiel ein Spannungspuls, mag dabei über den Ladestrom einerseits durch eine Zelle und andererseits durch einen parallel zur Zelle angeordneten

Widerstand R gesendet werden. Der durch die Zelle fließende Ladestromanteil, die Ladespannung und eine zustandsgrößenabhängige Signaländerung werden zum Beispiel wiederum durch einen zellinternen ASIC erfasst und zur

Auswertung gebracht. Durch Öffnen und Schließen eines Schaltelementes, das den parallelen Widerstand zu- und abschalten kann, mag die Zustandsgröße von mehreren in Reihe geschalteten Zellen sequentiell bestimmt werden. Eine Steuerung der Schaltelemente kann dabei geeignet von einem zentralen

Steuergerät erfolgen. Dieses Steuergerät kann das Schaltelement direkt beeinflussen oder aber an den ASIC anweisen, das Schaltelement zu schalten.

Auch mag die dynamische Messung mit Impulsantwort denkbar sein. Unter Verwendung des Schaltelementes und des parallel angeordneten

Widerstandselementes mag ein, im Vergleich zu Zeitkonstanten der chemischen Vorgänge einer Zelle, kurzer Stromimpuls bekannter Höhe und Länge auf die Zelle eingeprägt werden. Aus der Impulsantwort des Systems, somit der Zelle, kann eine komplexe Impedanz der Zelle bestimmt werden und aus dieser nachfolgend eine Zustandsgröße der Zelle.

Auch mag eine dynamische Messung mit Sprungantwort vorgenommen werden. Unter Verwendung des Schaltelementes und dem zugeordneten parallelen Widerstandselement mag ein, im Vergleich zu Zeitkonstanten der chemischen Vorgänge der Zelle, langer Stromimpuls bekannter Höhe und Länge auf die Zelle eingeprägt werden. Aus der Sprungantwort des Systems, somit der Zelle, kann die komplexe Impedanz der Zelle bestimmt werden. Eine derartige Berechnung kann sowohl für eine steigende als auch für eine fallende Flanke durchgeführt werden, wobei beide Berechnungen unterschiedliche Ergebnisse liefern können. Aus den unterschiedlichen Ergebnissen lassen sich verbesserte Rückschlüsse bzw. eine genauere Bestimmung zu einer Zustandsgröße der Batteriezelle, wie Ladezustand und Gesundheitszustand, vornehmen.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Zellüberwachungsschaltung;

Fig. 2 eine exemplarische Ausgestaltung einer Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine weitere exemplarische Ausgestaltung einer Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4 eine exemplarische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen einer Zustandsgröße einer Batteriezelle.

Ausführungsformen der Erfindung

Weiter Bezug nehmend auf Fig. 2 wird eine erste exemplarische Ausgestaltung einer Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine Zelle 2, welche nur schematisch dargestellt ist und über zwei Pole bzw. Zellterminals 4a, b verfügt. Zwischen den Zellterminals 4a, b

angeordnet und nur schematisch dargestellt ist Verarbeitungselement 6, beispielsweise ein Mikroprozessor oder ASIC. Verarbeitungselement 6 kann dabei in der Zelle 2 integriert sein, an dieser angebracht sein oder auch nur im Wesentlichen im Nahbereich angeordnet sein.

Schematisch dargestellt sind zwei unterschiedliche Signale, einmal ein

Pulssignal bzw. eine Dreiecksfunktion, andererseits eine Frequenzfunktion, wie beispielsweise eine Sinusfunktion. Mit diesen Signalen kann die Zelle 2 beaufschlagt werden, beispielsweise in ihrer Klemmenspannung bzw. ihrem Lade/Entladestrom beeinflusst werden, wodurch sich eine interne Reaktion der

Zelle 2 ergibt. In Reaktion auf das Eingangssignal und unter Berücksichtigung der Reaktion bzw. des auf dem Eingangssignal basierenden Übertragungsverhalten der Zelle 2 ist eine Antwort detektierbar, welche ebenfalls schematisch in Fig. 2 abgebildet ist.

Verarbeitungselement 6 kann dabei das Signal bestimmen bzw. bereitstellen, die Antwort detektieren und/oder hieraus eine Übertragungsfunktion des

Zellverhaltens berechnen. Diese Übertragungsfunktion lässt nachfolgend Rückschlüsse auf Zustandsgrößen der Batteriezelle zu. Beispielsweise kann darüber ein Ladezustand der Batteriezelle bestimmt werden. Diese Bestimmung des Ladezustandes kann im Verarbeitungselement 6 direkt erfolgen und unter Verwendung eines geeigneten Kommunikationsbusses 8 an eine Steuereinheit weitergegeben werden können. Alternativ können auch nur einzelne oder alle Informationen bezüglich Signal, Antwort und/oder Übertragungsfunktion unter Verwendung des Datenbusses an ein Steuergerät weitergegeben werden. In diesem Fall mag das Steuergerät eingerichtet sein, aus den übermittelten Informationen die Zustandsgröße, wie beispielsweise den Ladezustand einer Zelle, zu bestimmen.

Weiter Bezug nehmend auf Fig. 3 wird eine weitere exemplarische Ausgestaltung einer Batteriezelle gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Fig. 3 entspricht dabei im Wesentlichen der Fig. 2, wobei parallel zur Zelle 2 mit ihrem Verarbeitungselement 6 ein Schaltelement 10 sowie ein Parallelleitelement 12, ein zur Zelle 2 parallel angeordneter Widerstand R, vorgesehen ist.

Schaltelement 10, beispielsweise ein Transistor, kann dabei von

Verarbeitungselement 6 und/oder von einem (zentralen) Steuerelement angesteuert bzw. geschaltet werden.

Einerseits kann Schaltelement 10 dazu verwendet werden, bei anliegendem Ladestrom die Ladung der Zelle abzuschwächen oder zu unterbinden, zum Beispiel durch Schließen des Schaltelementes, um eine Überladung der Zelle 2 zu vermeiden. Andererseits mag durch geeignetes Ansteuern des

Schaltelementes 10 erst ein Ladevorgang initiiert werden. Die Steuerung des Schaltelementes 10 kann dabei Informationen bezüglich einer Zustandsgröße der Zelle 2 verwenden, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurde. z.B. kann abhängig von einem SoC und/oder SoH ein Ladevorgang gestartet, gestoppt oder pausiert werden. Im Weiteren kann Schaltelement 10 und Widerstand 12, gemäß der vorherigen Beschreibung, in den Messszenarien Messung über Stromteiler, dynamische Messung mit Impulsantwort und dynamische Messung mit Sprungantwort Verwendung finden.

Bei geöffnetem Schaltelement 10 entspricht die daraus resultierende Schaltung bzw. Zelle 2 im Wesentlichen der Fig. 2, während bei geschlossenem

Schaltelement 10 ein Strom durch die Zelle 2 zumindest reduziert bzw.

vollständig unterbunden wird.

Weiter Bezug nehmend auf Fig. 4 wird eine exemplarische Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen einer Zustandsgröße einer Batteriezelle dargestellt.

Fig. 4 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren 40 zum Bestimmen von einer Zustandsgröße einer Batteriezelle, aufweisend Bereitstellen 42 einer

Batteriezelle, insbesondere eines Stromflusses an die Batteriezelle als Ladebzw. Entladestromfluss und/oder eine Spannung, und ist gekennzeichnet durch Beaufschlagen 44 der Batteriezelle, insbesondere des Stromflusses und/oder der Spannung, mit einem Signal, Detektieren 46 eines Antwortverhaltens der Batteriezelle auf das Signal und Bestimmen 48 einer Zustandsgröße der

Batteriezelle aus dem Antwortverhalten.

Wie zuvor dargelegt, kann die Zustandsgröße dabei insbesondere ein

Ladezustand und/oder ein Gesundheitszustand einer Zelle sein.