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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Zellspannung bei einer Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle, an der die Zellspannung anliegt. Ferner betrifft die Erfindung ein Batteriesystem zum Durchführen des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesystem.
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Stand der Technik
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Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen als auch bei Fahrzeugen wie Hybrid- und Elektrofahrzeugen vermehrt Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden. Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Spannung und zur Verfügung stellbarer Leistung erfüllen zu können, werden eine hohe Zahl von Batteriezellen in Serie geschaltet.
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Der Ausfall einer Batteriezelle kann wegen der Serienschaltung zum Ausfall der Batterie und dieser wiederum zu einem Ausfall des Gesamtsystems führen, weshalb insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Batterie gestellt werden. Um den Zustand der Batterie und der einzelnen Batteriezellen möglichst genau erfassen und so einen drohenden Ausfall einer Batteriezelle rechtzeitig erkennen zu können, werden neben anderen Parametern der Batterie beziehungsweise Batteriezellen insbesondere auch die Spannungen der Batteriezellen, das heißt die Zellspannungen, regelmäßig gemessen.
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Während der Entladung der Batterie kommt es häufig zu unterschiedlichen Zellspannungen an den Batteriezellen, auch während der Ladung der Batterie erreichen die Batteriezellen untereinander meist nicht die gleiche Lade-Endspannung. Insbesondere Lithium-Ionen-Batterie sind jedoch empfindlich gegen Überladung (das heißt Zellspannung über ca. 4,2 V) und Tiefentladung (das heißt Zellspannung unter ca. 2,75 V). Aus diesem Grund umfassen herkömmliche Batteriesysteme Ladungszustandsausgleichschaltungen, auch in Englisch Balancer genannt, die Zellspannungen der einzelnen Batteriezellen untereinander ausgleichen und so die Batterie vor Überladung und Tiefentladung schützen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Zellspannung bei einer Batterie mit wenigstens einer Batteriezelle, an der die Zellspannung anliegt, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst wenigstens die folgenden Schritte:
- a) Messen der Zellspannung,
- b) Aktivieren einer Ladungszustandsausgleichschaltung zum Ausgleichen einer Ladung der wenigstens einen Batteriezelle,
- c) Messen einer Ausgleichs-Zellspannung, während die Ladungszustandsausgleichschaltung aktiviert ist.
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Ferner wird ein Batteriesystem mit einer Batterie, die wenigstens eine Batteriezelle umfasst; einer Ladungszustandsausgleichschaltung, die mit der Batteriezelle verbunden ist; einer Spannungsmesseinheit, die mit der Ladungszustandsausgleichschaltung und mit der Batteriezelle verbunden ist, und einer Batteriemanagementeinheit bereitgestellt. Die Batteriemanagementeinheit ist dabei so ausgelegt, dass sie das erfindungsgemäße Verfahren durchführen kann.
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Außerdem wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, das das Batteriesystem umfasst, wobei das Batteriesystem mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
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Vorteile der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann seine vorteilhafte Wirkung mittels einer herkömmlichen Batterie erzielen. Das Messen der Zellspannung erfolgt beispielsweise unter nahezu idealen Bedingungen, das heißt, die Batteriezelle ist mit einer Spannungsmesseinheit über Leitungen verbunden, wobei die Spannungsmesseinheit im Wesentlichen die tatsächliche Zellspannung messen kann, weil die Spannungsmesseinheit einen hohen Eingangswiderstand aufweist und so vernachlässigbare Ströme auf den Leitungen fließen. Fließen auf den Leitungen zwischen der Spannungsmesseinheit und der Batteriezelle vernachlässigbare Ströme, ist auch ein etwaiger störender Spannungsabfall an den Leitungen gering. Unter diesen idealen Bedingungen ist die Batteriezelle im Wesentlichen unbelastet messbar.
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Ist eine Ladungszustandsausgleichschaltung zum Ausgleichen der Ladung der Batteriezelle über die gleichen Leitungen mit der Batteriezelle verbunden, bewirkt die Ladungszustandsausgleichschaltung im aktivierten Zustand einen nennenswerten Stromfluss auf den Leitungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf vorteilhafte Weise die Zellspannung dennoch zu bestimmen, indem im Wesentlichen, während die Ladungszustandsausgleichschaltung aktiviert ist, eine Ausgleichs-Zellspannung gemessen wird. Die Ausgleichs-Zellspannung ist insbesondere die Spannung der Batteriezelle einschließlich des Spannungsabfalls auf den Leitungen zwischen der Batteriezelle und der Ladungszustandsausgleichschaltung. Das heißt, die Ausgleichs-Zellspannung kann sich von der Zellspannung, die im Wesentlichen im unbelasteten Zustand der Batteriezelle vorliegt, unterscheiden.
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Ferner wird eine Ausgestaltung des Verfahrens bevorzugt, die ferner den Schritt umfasst: d) Berechnen der Differenzspannung zwischen der Zellspannung und der Ausgleichs-Zellspannung. Die Berechnung kann beispielsweise von einer Batteriemanagementeinheit durchgeführt werden. Die Verfahrensschritte a), b), c) und d) bilden bevorzugt eine Initialisierungssequenz. Die Reihenfolge der Verfahrensschritte wird dabei einmal von a) bis d) beispielsweise mittels einer Batteriemanagementeinheit durchgeführt. Die Initialisierung kann in diesem Zusammenhang ein einmaliges Durchführen der Verfahrensschritte a) bis d) zu Beginn einer Batterieladung oder zu Beginn einer Batterieentladung bedeuten, wobei eine beispielsweise in bestimmten Zeitabständen wiederholt durchgeführte Initialisierungssequenz nicht ausgeschlossen sein soll.
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Wenn die Ladungszustandsausgleichschaltung aktiviert ist, wird die Zellspannung bevorzugt bestimmt, indem die gemessene Ausgleichs-Zellspannung um die Differenzspannung korrigiert wird. Dies umfasst ein Subtrahieren oder Addieren der Differenzspannung von oder zu der Ausgleichs-Zellspannung. Ändert sich die Ausgleichs-Zellspannung, während die Ladungszustandsausgleichschaltung aktiviert ist, so ermöglicht dieser Verfahrensschritt, auf die tatsächliche Zellspannung zu schließen, auch wenn nennenswerte Ströme Spannungsabfälle auf den Leitungen verursachen. Dadurch kann beispielsweise die Batteriemanagementeinheit die Zellspannung prognostizieren, die direkt nach einem Deaktivieren der Ladungszustandsausgleichschaltung an der Batteriezelle anliegt. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt also in einer genaueren Bestimmung der Zellspannung, während die Batteriezelle durch eine Ladungszustandsausgleichschaltung belastet ist und Ströme Spannungsabfälle auf den Leitungen zwischen der Batteriezelle und der Ladungszustandsausgleichschaltung hervorrufen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die Schritte c) und e) mehrmals nacheinander durchgeführt werden. Das heißt, im Schritt c) wird die Ausgleichs-Zellspannung, während die Ladungszustandsausgleichschaltung aktiviert ist, mehrmals gemessen, wobei die Zellspannung nach jeder Messung in einem Schritt e) durch Korrigieren der gemessenen Ausgleichs-Zellspannung um die Differenzspannung bestimmt wird. Die Differenzspannung wird vorzugsweise einmal während der Initialisierungssequenz berechnet und während der wiederholten Durchführung der Schritte c) und e) angewendet.
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Es ist ferner bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte umfasst:
- f) Deaktivieren der Ladungszustandsausgleichschaltung und
- g) Durchführen der Initialisierungssequenz.
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Wenn die Batterie über eine längere Zeit geladen oder entladen wird, kann die Ladungszustandsausgleichschaltung deaktiviert und anschließend die Initialisierungssequenz erneut durchgeführt werden. Dies bietet den Vorteil, dass zwischenzeitlich ein genauerer Messwert für die tatsächliche Zellspannung vorliegt, so dass die Zellspannung bei danach wieder aktivierter Ladungszustandsausgleichschaltung genauer bestimmbar ist.
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Das vorgeschlagene Batteriesystem ermöglicht durch eine entsprechend ausgelegte Batteriemanagementeinheit, die Vorteile der vorgenannten Verfahrensschritte auf eine Batterie anzuwenden. Bevorzugt ist die wenigstens eine Batteriezelle der Batterie eine Lithium-Ionen-Batteriezelle.
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Das vorgeschlagene Kraftfahrzeug in Verbindung mit diesem Batteriesystem ist sicherer und zuverlässiger betreibbar, da die Batterie wirksam vor Überladung und Tiefentladung geschützt werden kann.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Batteriesystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausführungsformen der Erfindung
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In der 1 ist ein Batteriesystem 100 gezeigt, das eine Batteriezelle 102, eine Ladungszustandsausgleichschaltung 104 und einen Analog-Digital-Wandler 106 umfasst. Der Analog-Digital-Wandler 106 bildet eine Spannungsmesseinheit. Die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 wird in Englisch auch als Balancer bezeichnet. Mehrere in Reihe geschaltete Batteriezellen 102 können ein Batteriemodul bzw. eine Batterie bilden. Die Batteriezelle 102 ist über zwei Ausgleichs-Mess-Leitungen 107 zur Ladungszustandsausgleichschaltung 104 parallel geschaltet. Die Ausgleichs-Mess-Leitungen 107 wirken als Ausgleichsleitungen für die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 sowie zusätzlich als Messleitungen für den Analog-Digital-Wandler 106 und weisen einen ohmschen Längswiderstand auf. Der Analog-Digital-Wandler 106 ist ebenfalls an den Ausgleichs-Mess-Leitungen 107 angeschlossen und dadurch sowohl zur Batteriezelle 102 als auch zur Ladungszustandsausgleichschaltung 104 parallel geschaltet. Dem Analog-Digital-Wandler 106 sind an seinen Eingängen jeweils Spannungsschutzwiderstände 108 vorgeschaltet. Außerdem verfügt der Analog-Digital-Wandler 106 über einen Glättkondensator 110 zum Glätten von zu messenden Spannungen. Der Glättkondensator 110 ist zwischen die Eingänge des Anlog-Digital-Wandlers 106 geschaltet.
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Die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 umfasst ferner einen Balancing-Widerstand 112 und einen zum Balancing-Widerstand 112 in Reihe geschalteten Balancing-Halbleiterschalter 114, der beispielsweise als Transistor, Feldeffekttransistor, Thyristor oder dergleichen ausgeführt sein kann.
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Das Batteriesystem 100 ist mittels einer Batteriesteuereinheit (nicht gezeigt) folgendermaßen betreibbar. Während des Ladens oder Entladens der Batteriezelle 102 misst der Analog-Digital-Wandler 106 die tatsächliche Spannung der Batteriezelle 102, das heißt die Zellspannung. Der Balancing-Halbleiterschalter 114 ist während dieser Messung gesperrt, es fließt also im Wesentlichen kein bzw. ein vernachlässigbarer Strom 116 über die Ausgleichs-Mess-Leitungen 107 in die Ladungszustandsausgleichschaltung 104. Da Analog-Digital-Wandler im Allgemeinen einen hohen Eingangswiderstand aufweisen, beispielsweise im Megaohm-Bereich, fließt während der Messung im Wesentlichen auch kein Strom in den Analog-Digital-Wandler 106. Wenn der Strom 116 vernachlässigbar ist, so entsteht auch kein Spannungsabfall am Längswiderstand der Ausgleichs-Mess-Leitungen 107. Dadurch kann der Analog-Digital-Wandler 106 die tatsächliche Zellspannung der Batteriezelle 102 messen.
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Ein Batteriesystem kann, je nach Ladezustand der anderen Batteriezellen der Batterie, die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 aktivieren, indem der Balancing-Halbleiterschalter 114 durchgeschaltet wird, also leitet. Dadurch fließt ein nennenswerter Strom 116 aus der Batteriezelle 102 über Ausgleichs-Mess-Leitungen 107 und durch die Ladungszustandsausgleichschaltung 104. Der Strom 116 ruft dabei einen nennenswerten Spannungsabfall am Längswiderstand der Ausgleichs-Mess-Leitungen 107 hervor, der eine Messung der Zellspannung zu diesem Zeitpunkt verfälscht, der Analog-Digital-Wandler 106 kann also die tatsächliche Zellspannung nicht mehr messen.
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Das zu den 2, 3 und 4 im Folgenden beschriebene Verfahren ermöglicht dennoch eine Bestimmung der Zellspannung, insbesondere während die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 aktiviert ist.
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In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem ersten Schritt 200 wird die Zellspannung der Batteriezelle 102 mittels des Analog-Digital-Wandlers 106 gemessen. In einem nachfolgenden Schritt 202 wird die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 von der Batteriemanagementeinheit aktiviert, um die Ladung der Batteriezelle 102 auszugleichen. In einem nachfolgenden Schritt 204 wird eine Ausgleichs-Zellspannung mittels des Analog-Digital-Wandlers 106 gemessen, während die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 aktiviert ist. Die Ausgleichs-Zellspannung umfasst die tatsächliche Zellspannung sowie einen Spannungsabfall am Längswiderstand der Ausgleichs-Mess-Leitungen 107. In einem nachfolgenden Schritt 206 wird mittels der Batteriemanagementeinheit die Differenzspannung zwischen der Zellspannung und der Ausgleichs-Zellspannung berechnet. Die Verfahrensschritte 200, 202, 204, 206 bilden eine Initialisierungssequenz 208, die beispielsweise zu Beginn der Ladung oder zu Beginn der Entladung einer Batterie mittels der Batteriemanagementeinheit durchgeführt wird.
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In der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Der zu der 2 beschriebene Schritt 204, bei dem eine Ausgleichs-Zellspannung mittels des Analog-Digital-Wandlers 106 gemessen wird, während die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 aktiviert ist, und ein nachfolgender Schritt 210, bei dem die Zellspannung durch Korrigieren der gemessenen Ausgleichsspannung um die Differenzspannung bestimmt wird, bilden eine Schleife, das heißt. die Schritte 204, 210 können mehrmals nacheinander durchgeführt werden. Dies ist beispielsweise bei einer längeren Ladung oder Entladung der Batterie sinnvoll, um die Zellspannung der Batteriezelle 102 auch bestimmen zu können, während die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 aktiviert ist. Die einmal in Schritt 206 berechnete Differenzspannung wird in der Schleife wiederverwendet, ohne diese neu berechnen zu müssen.
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In der 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Während einer längeren Ladung oder Entladung der Batterie kann es sinnvoll sein, die Initialisierungssequenz 208 erneut durchzuführen, beispielsweise wenn die in Schritt 210 bestimmte Zellspannung von der tatsächlichen Zellspannung zu stark abweicht. Dazu wird zunächst in einem Schritt 212 die Ladungszustandsausgleichschaltung 104 deaktiviert und in einem nachfolgenden Schritt die Initialisierungssequenz 208 erneut durchgeführt. Ausgehend davon kann nachfolgend die Schleife aus den Schritten 204 und 210 durchgeführt werden. Die dann bestimmten Zellspannungen liegen wieder näher an der tatsächlichen Zellspannung.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch eine Batteriemanagementeinheit eines Batteriesystems 100 implementiert. Das Batteriesystem 100 wiederum findet in einem Kraftfahrzeug Anwendung und sorgt dort für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb desselben, da die Batterie wirksam vor Überladung und Tiefentladung geschützt werden kann.
