DE102015210906A1

DE102015210906A1 - Messsystem zur Ausgleichsstrommessung

Info

Publication number: DE102015210906A1
Application number: DE102015210906.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Schatz; Fabian Henrici
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2016-12-15
Also published as: WO2016202535A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem (200) zur Ausgleichsstrommessung an wenigstens einer elektrisch leitfähigen Stromsammlereinheit (20) eines elektrischen Energiespeichers (10), aufweisend eine Messvorrichtung (210) zur elektrischen Spannungsmessung an einem Messabschnitt (21) der Stromsammlereinheit (20), und eine Kalibrierungsvorrichtung (220) zur Einprägung zumindest eines elektrischen Kalibrierungsstroms (Ical) in diesem Messabschnitt (21), wobei wenigstens eine Kalibrierungsmessung derart durch die Messvorrichtung (210) und die Kalibrierungsvorrichtung (220) durchführbar ist, dass zumindest eine Störgröße der Ausgleichsstrommessung reduzierbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Messsystem, einem elektrischen Energiespeicher sowie einem Verfahren.
Stand der Technik
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, Messungen an Batterien und Batteriezellen durchzuführen.
Aus der Druckschrift DE 10 2009 000 336 A1 ist eine elektrische Schaltung zur Messung einer Impedanz von Zellen eines elektrochemischen Energiespeichers in Fahrzeugen bekannt. Es sind Auswahlschalter hierbei vorgesehen, die derart funktional angeordnet sind, dass je nach Schaltung der Auswahlschalter eine Impedanz einer ausgewählten Zelle des elektrochemischen Energiespeichers messbar ist.
Die Druckschrift DE 10 2012 010 487 A1 offenbart ein Verfahren zum Bewerten eines Alterungszustandes einer Batterie unter Verwendung eines Kennlinienfeldes.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein Messsystem, ein elektrischer Energiespeicher sowie ein Verfahren mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Messsystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Das erfindungsgemäße Messsystem dient insbesondere zur Durchführung von Ausgleichsstrommessungen und Kalibrierungsmessungen an wenigstens einer elektrisch leitfähigen Stromsammlereinheit eines elektrischen Energiespeichers. Hierbei ist der Vorteil der Kalibrierungsmessung durch das Messsystems insbesondere darin zu sehen, dass die zumindest eine Störgröße reduzierbar, das heißt zumindest teilweise kompensierbar und/oder eliminierbar ist. Die Störgrößen sind dabei beispielsweise Offsetspannungen und/oder Thermospannungen und/oder Offsetströme und/oder dergleichen. Auf diese Weise ist z. B. die Erkennung (messtechnische Erfassung) von sich anbahnenden internen Kurzschlüssen oder weiterer Zellschäden des Energiespeichers möglich. Solche Zellschäden können zu ggf. Batteriebränden führen, falls sie nicht rechtzeitig erkannt werden. Weiter führen innere Kurzschlüsse des Energiespeichers beispielsweise zu Leckströmen. Diese Leckströme entladen die Batterie (Energiespeicher) und führen insbesondere bei parallel geschalteten Batterien zu elektrischen Ausgleichsströmen. Dabei ist die Messung der Ausgleichsströme z. B. aufgrund des geringen Shuntwiderstands und/oder weiterer Störgrößen bei der Messung ggf. schwierig und ungenau und wird durch die Kalibrierungsmessungen entsprechend verbessert.
Der elektrische Energiespeicher ist insbesondere ein wiederaufladbarer Energiespeicher (das heißt z. B. eine wiederaufladbare Batterie bzw. ein wiederaufladbarer Akkumulator). Dabei bezieht sich der Ausdruck „Energiespeicher“ vorzugsweise auf eine Batterie, insbesondere eine (wiederaufladbare) Lithium-Ionen-Batterie, und/oder auf eine Batteriezelle, bevorzugt eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, und/oder auf ein Modul. Die Batterie (Batteriepack) weist dabei z. B. zumindest zwei Module auf, wobei jedes Modul vorzugsweise zumindest zwei Batteriezellen (Zellen) aufweist. Jede Batteriezelle weist vorzugsweise zumindest zwei Zellwickel auf, welche z. B. durch einen Stromsammler miteinander verbunden sind. Der Ausdruck „Stromsammlereinheit“ ist im Rahmen der Erfindung insbesondere nicht auf einen Stromsammler des Energiespeichers beschränkt, sondern kann ggf. beliebige elektrisch leitende Verbindungen betreffen. Die Stromsammlereinheit ist insbesondere eine elektrisch leitende Verbindung zwischen galvanischen Elementen, insbesondere parallel geschalteten galvanischen Elementen des Energiespeichers. Die galvanischen Elemente sind dabei vorzugsweise die einzelnen Zellwickel und/oder die Batteriezellen und/oder die Module und/oder die Batterien. Die Stromsammlereinheit ist dabei bevorzugt ein Stromsammler des Energiespeichers, besonders bevorzugt der Batteriezelle, insbesondere zur elektrischen Verbindung der Zellwickel. Auch ist die Stromsammlereinheit vorzugsweise eine elektrische Verbindung zwischen parallel geschalteten Batterien und/oder Batteriezellen und/oder insbesondere ausschließlich, von parallel geschalteten Zellwickeln einer (ggf. einzigen) Batteriezelle. Dabei kann die Stromsammlereinheit z. B. ein elektrisch leitendes Material, wie elektrisch leitendes Metall und/oder Kupfer und/oder Aluminium und/oder Stahl und/oder vernickeltes Aluminium und/oder vernickeltes Kupfer und/oder vernickelten Stahl aufweisen. Der Energiespeicher umfasst dabei z. B. mindestens zwei parallel geschaltete galvanische Elemente und/oder zumindest zwei Zellwickel und/oder zumindest eine Batteriezelle mit Zellwickeln und/oder ein Batteriegehäuse und/oder ein Zellterminal und/oder einen elektrisch leitenden Stromsammler (z. B. die Stromsammlereinheit) und/oder ein Modul mit mehreren Batteriezellen. Der Ausdruck „Einprägung“ des elektrischen Kalibrierungsstroms bezieht sich darauf, dass vorzugsweise die Stromstärke des eingeprägten Stroms, insbesondere des Kalibrierungsstroms, in einem bestimmten Bereich unverändert, bzw. konstant bleibt und/oder in einem weiten Bereich unabhängig vom Wert des Lastwiderstands, insbesondere des Shuntwiderstandes, ist. Weiter kann sich der Ausdruck „Einprägung“ auch darauf beziehen, dass der eingeprägte Strom, das heißt die Stromstärke des Stroms, sehr genau bestimmbar und/oder vorbestimmt ist.
Vorteilhafterweise kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kalibrierungsvorrichtung eine Stromquelle, insbesondere eine Konstantstromquelle, zur Einprägung und/oder Einspeisung des elektrischen Kalibrierungsstroms in den Messabschnitt aufweist, wobei insbesondere die Messvorrichtung in der Kalibrierungsvorrichtung integriert ist. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Kalibrierungsvorrichtung zumindest teilweise baulich separat und/oder räumlich getrennt (beabstandet und nur durch z. B. Leiterbahnen und/oder elektrischen Kabel verbunden) zur Messvorrichtung ausgebildet ist. Somit kann die Messung der Ausgleichströme weiter verbessert werden und kostengünstig und zuverlässig kalibriert werden. Weiter weist die Stromquelle und/oder die Kalibrierungsvorrichtung und/oder die Messvorrichtung zumindest ein elektronisches Bauteil auf. Das zumindest eine elektronische Bauteil ist beispielsweise ein Mikrochip und/oder ein Mikrocontroller und/oder ein Transistor und/oder ein Operationsverstärker und/oder ein integrierter Schaltkreis und/oder ein elektronischer Schalter und/oder ein Analog-Digital-Wandler und/oder dergleichen. Das Messsystem, insbesondere die Kalibrierungsvorrichtung und/oder die Messvorrichtung, können dabei z. B. auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sein und/oder zumindest teilweise als elektronische Schaltung, z. B. als ASIC (Anwendungsspezifische integrierte Schaltung), ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kalibrierungsvorrichtung und/oder die Messvorrichtung jeweils zwei Verbindungselemente zur elektrisch leitfähigen Verbindung mit der Stromsammlereinheit aufweisen. Dies gewährleistet eine zuverlässige elektrische Kontaktierung (z. B. Spannungsmessung und/oder zur Einspeisung / Einprägung des Kalibrierungsstroms) mit der Stromsammlereinheit insbesondere derart, dass zumindest eine Kalibrierungsmessung und/oder Spannungsmessung durchführbar ist. Die Verbindungselemente sind dabei beispielsweise Leitungen und/oder Drähte und/oder weisen zumindest ein elektrisch leitfähiges Metall auf. Das Messsystem weist beispielsweise insgesamt zumindest vier Verbindungselemente auf, wobei jedes Verbindungselement insbesondere unabhängig von den anderen Verbindungselementen mit der Stromsammlereinheit direkt verbunden wird. Es sind damit insbesondere vier Verbindungskontaktpositionen der Verbindungselemente mit der Stromsammlereinheit notwendig. Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass ein erstes Verbindungselement der Kalibrierungsvorrichtung mit einem dritten Verbindungselement der Messvorrichtung verbunden ist, derart, dass das erste Verbindungselement und das dritte Verbindungselement zusammengeführt und durch ausschließlich ein einziges gemeinsames Verbindungselement mit der Stromsammlereinheit direkt elektrisch verbunden werden. Bei zunächst vier separaten Verbindungselementen des Messsystems sind dabei nur zwei gemeinsame Verbindungselemente und entsprechend nur zwei Verbindungskontaktpositionen an der Stromsammlereinheit notwendig. Hierdurch können die Kosten für die Herstellung und Montage des Messsystems reduziert werden.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Energiespeicher. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass wenigstens eine Kalibrierungsmessung derart durch die Messvorrichtung und die Kalibrierungsvorrichtung durchführbar ist, dass zumindest eine Störgröße der Ausgleichsstrommessung reduzierbar ist. Damit bringt der erfindungsgemäße elektrische Energiespeicher die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Messsystem beschrieben worden sind. Zudem kann der elektrische Energiespeicher ein erfindungsgemäßes Messsystem aufweisen. Das erfindungsgemäße Messsystem kann dabei ggf. im Energiespeicher integriert sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Stromsammlereinheit zur elektrischen Verbindung mit der Kalibrierungsvorrichtung und/oder der Messvorrichtung zumindest eine erste Kontaktposition und zumindest eine zweite Kontaktposition aufweist, wobei insbesondere die erste Kontaktposition beabstandet von der zweiten Kontaktposition ausgebildet (und/oder angeordnet) ist und so den Messabschnitt bestimmt. Der Messabschnitt, d. h. insbesondere der Shuntwiderstand, wird dabei vorzugsweise durch den Stromfluss (insbesondere des Kalibrierungsstroms) zwischen der ersten Kontaktposition und der zweiten Kontaktposition bestimmt. Der Stromfluss erfolgt dabei insbesondere zwischen der ersten und zweiten Kontaktposition durch den Shuntwiderstand. Weiter ist die Kalibrierungsvorrichtung insbesondere derart mit den Kontaktpositionen verbunden, dass die Kontaktpositionen und der Messabschnitt einen Stromkreis für den Kalibrierungsstrom bilden. Weiter ist die Messvorrichtung vorzugsweise derart mit den Kontaktpositionen verbunden, dass eine Spannungsmessung über dem Shuntwiderstand, mit dem Messabschnitt als Shuntwiderstand möglich ist. Mit anderen Worten wird insbesondere die Stromsammlereinheit, bzw. der Stromsammlers der Batteriezelle, als Shuntwiderstand für die Ausgleichsstrommessung genutzt. Die Kontaktpositionen bilden dabei insbesondere die Kontaktstellen für diesen Messabschnitt, wobei der Stromfluss des Kalibrierungsstroms vorzugsweise von der ersten Kontaktposition zur zweiten Kontaktposition (bzw. umgekehrt) erfolgt. Jede Kontaktposition kann dabei beispielsweise jeweils eine und/oder zwei Verbindungskontaktposition(en) zu zumindest einem Verbindungselement aufweisen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn jede Kontaktposition insgesamt zwei Verbindungskontaktpositionen aufweist, wobei jede dieser Verbindungskontaktpositionen jeweils nur mit einem Verbindungselement verbunden ist. Hierdurch können die Kontaktwiderstände bei der Kalibrierung berücksichtigt werden, was eine besonders genaue Messung der Ausgleichsströme durch eine besonders genaue Kalibrierung ermöglicht.
Es ist ferner denkbar, dass die Kontaktpositionen durch thermische Behandlung, insbesondere Punktschweißungen, und/oder durch Leitkleben mit den Verbindungselementen verbunden sind. Dies ermöglicht eine stabile elektrisch leitende Verbindung. Allerdings ergeben sich hierdurch ggf. Störgrößen bei der Ausgleichsstrommessung, insbesondere aufgrund des Kontaktwiderstandes durch die Verbindung mit den Verbindungselementen. Die Verbindungselemente sind dabei beispielsweise elektrische Leitungen zur Spannungsmessung mit der Messvorrichtung. Es treten dabei Störgrößen, z. B. Thermospannungen und/oder Veränderungen des Widerstands z. B. durch leichte geometrische Verschiebungen (Fabrikationsschwankungen) der Kontaktpunkte und/oder durch Fertigungsschwankungen bei der Wickelherstellung auf. Dabei bildet sich insbesondere zwischen den Kontaktpositionen, das heißt dem Messabschnitt, ein elektrischer Widerstand (das heißt insbesondere der Shuntwiderstand) aus. Dieser Widerstand liegt typischerweise im Bereich von 50 µOhm bis 500 µOhm, insbesondere im Bereich zwischen 100 µOhm bis 200 µOhm. Fließt dann ein Ausgleichsstrom z. B. zwischen den Wickeln und/oder den galvanischen Elementen und/oder den Kontaktpositionen, so kann über diesen Widerstand (als Shuntwiderstand) eine elektrische Spannung gemessen werden. Diese Spannung ist dabei insbesondere proportional zum Ausgleichsstrom und/oder zum Widerstand. Zur Ausgleichsstrommessung ist es ggf. auch denkbar, dass neben einer ersten und einer zweiten Kontaktposition auch eine dritte und vierte Kontaktposition und/oder weitere Kontaktpositionen vorgesehen sind. Diese können beispielsweise an der gleichen Stromsammlereinheit und/oder an verschiedenen Stromsammlereinheiten ggf. mit einer beliebigen Kombination zur Spannungsmessung angeordnet bzw. ausgebildet werden. Weiter ist es ggf. auch denkbar, dass eine dritte Kontaktposition an einer ersten Stromsammlereinheit und eine vierte Kontaktposition an einer zweiten Stromsammlereinheit ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass eine erste und zweite Kontaktposition an einer ersten Stromsammlereinheit und eine dritte und vierte Kontaktposition an einer zweiten Stromsammlereinheit angeordnet sind. Die erste und zweite Kontaktposition sind entsprechend mit einer ersten Messvorrichtung (bzw. Messsystem) und die dritte und vierte Kontaktposition mit einer zweiten Messvorrichtung (bzw. Messsystem) verbunden. Auf diese Weise kann z. B. eine einzige Ausgleichsstrommessung und/oder Kalibrierungsmessung und/oder verschiedene Ausgleichsstrommessungen und/oder Kalibrierungsmessungen durchgeführt werden und ggf. miteinander kombiniert werden. Dies hat den Vorteil, dass ggf. die Genauigkeit bei der Messung oder der Kalibrierungsmessung weiter erhöht werden kann.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren. Hierbei ist vorgesehen, dass zur Kalibrierungsmessung zumindest ein elektrischer Kalibrierungsstrom in dem Messabschnitt durch eine Kalibrierungsvorrichtung eingeprägt wird, und zumindest teilweise gleichzeitig zumindest eine Spannungsmessung an dem Messabschnitt durch die Messvorrichtung erfolgt, um zumindest eine Störgröße der Ausgleichsstrommessung zu reduzieren, insbesondere zu kompensieren. Damit bringt das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Messsystem und/oder einen erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicher beschrieben worden sind. Zudem kann ein erfindungsgemäßes Messsystem und/oder ein erfindungsgemäßer elektrischer Energiespeicher gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.
Die Kalibrierungsmessung dient dabei insbesondere zur Kalibrierung der Ausgleichsstrommessung und/oder eines Shuntwiderstands der Spannungsmessung und/oder zur Erhöhung der Genauigkeit der Ausgleichsstrommessung und kann vorzugsweise, wie die Ausgleichsstrommessung, im Betrieb des Energiespeichers erfolgen. Die Kalibrierungsmessung kann dabei insbesondere eine Vierdrahtmessung und/oder eine Dreidrahtmessung umfassen. Vorzugsweise erlaubt die Kalibrierungsmessung, Störgrößen wie Fabrikationsschwankungen und/oder Offsetströme bei der Ausgleichsstrommessung zu reduzieren und/oder zu kalibrieren. Während insbesondere für die reine Spannungsmessung zur Ausgleichsstrommessung lediglich die zwei Verbindungselemente der Messvorrichtung genutzt werden müssen, um die Messvorrichtung elektrisch leitend mit der Stromsammlereinheit zu verbinden, sind für die Kalibrierungsmessung bevorzugt zwei weitere Verbindungselemente zur elektrisch leitenden Verbindung der Kalibrierungsvorrichtung mit der Stromsammlereinheit vorgesehen. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn sämtliche (z. B. vier) Verbindungselemente getrennt voneinander mit der Stromsammlereinheit befestigt, z. B. aufgeschweißt werden. Somit lassen sich die Kontaktwiderstände durch die Kalibrierungsmessungen herauskalibrieren.
Im Rahmen der Ausgleichsstrommessung und/oder der Kalibrierungsmessung wird insbesondere eine Spannung V_mess zwischen der ersten Kontaktposition und der zweiten Kontaktposition, das heißt über den Shuntwiderstand (Messabschnitt) gemessen. Die Spannung, welche am Shuntwiderstand vorliegt, wird dabei beispielsweise durch die Messvorrichtung noch weiter verstärkt und/oder stabilisiert, sodass sich die (durch die Messvorrichtung gemessene) Messspannung wie folgt zusammensetzt: V_mess = V_offset + R_x·(I_x + I_offset)
Dabei können unbekannte und/oder teilweise vorbekannte Störgrößen z. B. die Größen V_offset und/oder R_X und/oder I_offset sein. V_offset ist dabei beispielsweise eine Thermospannung des Messsystems und/oder eine Offsetspannung der Messvorrichtung und/oder des Messsystems und/oder weist solche auf. I_offset ist beispielweise ein Offsetstrom des Messsystems oder dergleichen. R_x umfasst insbesondere den zu messenden Shuntwiderstand und weist ggf. noch Störgrößen wie die Kontaktwiderstände auf. Durch die Kalibrierungsvorrichtung kann bevorzugt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kalibrierungsstrom mit vorbekannter Stromstärke für I_X eingeprägt werden. Dabei ist der Kalibrierungsstrom insbesondere ein einstellbarer Referenzstrom, das heißt die (z. B. nahezu konstante) Stromstärke des Kalibrierungsstroms kann für unterschiedliche Spannungsmessungen der Kalibrierungsmessung und/oder auch für unterschiedliche Kalibrierungsmessungen verändert bzw. eingestellt werden. Es werden dann bevorzugt zumindest zwei und/oder drei und/oder genau drei Spannungsmessungen pro Kalibrierungsmessung, z. B. einmalig oder wiederholt durchgeführt. Somit ist vorzugsweise kein Ausschalten des Energiespeichers für die Kalibrierung notwendig. Nach der Kalibrierung, das heißt, nach der Durchführung von zumindest einer Kalibrierungsmessung und/oder Spannungsmessung, kann die Ausgleichsstrommessung an der Stromsammlereinheit insbesondere nahezu ohne (die kompensierten) Störgrößen erfasst werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn im Rahmen der Erfindung bei der Kalibrierungsmessung die zumindest eine Störgröße wenigstens annähernd, das heißt insbesondere mit nur noch geringen bzw. unwesentlichen (messtechnisch begründeten) Abweichungen oder Toleranzen, bestimmt wird, insbesondere dadurch, dass die Spannungsmessung mit dem Kalibrierungsstrom, insbesondere mit einer vorbestimmten Stromstärke des Kalibrierungsstroms, verglichen wird. Da im Rahmen der Kalibrierungsmessungen unterschiedliche Kalibrierungsströme genutzt werden, können die bei den Kalibrierungsmessungen gemessenen Spannungen mit unterschiedlichen Kalibrierungsströmen zur Bestimmung der Störgrößen herangezogen werden. Dabei wird insbesondere die bekannte Stromstärke der Kalibrierungsströme (z. B. arithmetisch) mit den gemessenen Spannungen in Beziehung gesetzt. Auf diese Weise kann die Störgröße, das heißt, der entsprechende Wert der Störgröße bestimmt werden und anschließend bei der Ausgleichsstrommessung zur Kompensation der Störgröße herangezogen werden.
Bevorzugt kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass zur Kalibrierungsmessung zumindest die Schritte a) bis c) gemäß Anspruch 9 durchgeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Störgrößen bei der Ausgleichsstrommessung sehr genau bestimmt und damit kompensiert werden können. Hierbei ist es denkbar, dass die vorbestimmte erste Stromstäke z. B. 0 A (Ampere) beträgt und/oder die vorbestimmte zweite Stromstärke 100 mA beträgt und/oder die vorbestimmte dritte Stromstärke 200 mA beträgt und/oder jeweils für die entsprechenden Spannungsmessungen eingeprägt wird. Der elektrische Kalibierungsstrom kann somit auch insbesondere ein Ausbleiben eines elektrischen Stroms bezeichnen. Auf diese Weise kann suksessiv beispielsweise bei jeder Spannungsmessung jeweils zumindest eine Störgröße bestimmt werden. Ist eine der Störgrößen beispielsweise vorbestimmt, so ist es denkbar, dass z. B. auch nur insgesamt zwei Spannungsmessungen notwendig sind. Die Ermittlung und/oder Kompensation der Störgrößen erfolgt beispielsweise dadurch, dass der ermittelte erste Spannungswert der ersten Spannungsmessung mit der ersten Stromstärke des ersten Kalibrierungssstroms in Beziehung gesetzt und/oder der ermittelte zweite Spannungswert der zweiten Spannungsmessung mit der zweiten Stromstärke in Beziehung gesetzt wird und/oder der ermittelte dritte Spannungswert der dritten Spannungsmessung mit der dritten Stromstärke in Beziehung gesetzt wird und die entsprechenden Ergebnisse noch ggf. untereinander in Beziehung gesetzt werden. Als weiterer Schritt d) kann bevorzugt die Ausgleichsstrommessung an der Stromsammlereinheit, insbesondere durch die Messvorrichtung durchgeführt werden. Als weiterer Schritt e) kann optional eine Kompensation der Störgrößen bei der Ausgleichsstrommessung durchgeführt werden.
Bevorzugt kann im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Messvorrichtung insbesondere (zeitlich) nach der Kalibrierungsmessung die Ausgleichsstrommessung an dem Messabschnitt der Stromsammlereinheit durchführt, insbesondere derart, dass der Messabschnitt einen Shuntwiderstand für die Spannungsmessung bildet. Die Spannungsmessung der Messvorrichtung dient hierbei insbesondere auch dazu, den Shuntwiderstand und/oder den Ausgleichsstrom (indirekt) über den Shuntwiderstand zu ermitteln. Hierbei lassen sich insbesondere bei der Ausgleichsstrommessung die Störgrößen reduzieren und damit Ausgleichsströme und kritische Zustände des Energiespeichers zuverlässig feststellen. Die Störgrößen werden dabei bei der Ausgleichsstrommessung beispielsweise dadurch reduziert, dass die Ergebnisse der Kalibrierungsmessung herangezogen werden. Dabei kann die Kalibrierungsmessung z. B. einmalig oder wiederholt eingesetzt werden, um die Genauigkeit und/oder Auflösung der Ausgleichsmessung zu verbessern. Dabei betragen die Ausgleichsströme beispielsweise nur wenige mA bis einige A. Typischerweise wird hierbei eine Schwellenwertüberschreitung der Ausgleichsströme von z. B. 500 mA bis 2 A gemessen. Durch die vorherige Kalibrierungsmessung kann insbesondere eine Auflösung und/oder Genauigkeit im Bereich 10 mA bis 100 mA erzielt werden. Bei einer Schwellenwertüberschreitung kann beispielsweise eine Sicherheitsfunktion z. B. eines Batteriemanagementsystems auslöst werden. Weiterhin ist es auch denkbar, dass das Messsystem und/oder die Messvorrichtung mehrfach verwendet wird und/oder über eine Schaltmatrix verfügt, um z. B. die Kalibrierungsmessung oder die Kompensation der Störgrößen und/oder die Ausgleichsstrommessungen an zumindest zwei und/oder drei und/oder vier oder mehr galvanischen Elementen und/oder Energiespeicher und/oder Stromsammlereinheiten durchzuführen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Figurenbeschreibung
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeichers;
2 eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Energiespeichers;
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messsystems;
4 eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Messsystems;
5 eine schematische Darstellung zur Visualisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 und 2 zeigen schematisch eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Energiespeichers 10. Der Energiespeicher 10 umfasst dabei in 1 zwei und in 2 vier galvanische Elemente 30, welche beispielsweise jeweils als Zellwickel ausgebildet sind. Weiter weist der erfindungsgemäße Energiespeicher 10 einen Zellterminal 40 auf, welches z. B. zur Verbindung mit einem Batteriemanagementsystem dient. Auch ist eine Stromsammlereinheit 20, welche als Stromsammler des Energiespeichers 10 ausgebildet ist, zu sehen. Eine weitere Stromsammlereinheit 20 ist beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen, welche jedoch in den 1 und 2 nicht dargestellt ist. Die Stromsammlereinheiten 20 können dabei vorzugsweise jeweils einer Anode und/oder einer Kathode des Energiespeichers 10 zugeordnet sein. Jedes galvanische Element 30 steht dabei in (elektrischer) Verbindung mit der Stromsammlereinheit 20. Zumindest eine der Stromsammlereinheiten 20 des Energiespeichers 10 weist dabei Kontaktpositionen 22 auf, wobei eine erste Kontaktposition 22a und eine zweite Kontaktposition 22b dargestellt sind. Die Kontaktpositionen 22 sind z. B. nur an einer gemeinsamen Stromsammlereinheit 20 vorgesehen und sind beispielsweise als Verbindungsstellen zu einem erfindungsgemäßen Messsystem 200 ausgebildet. Ausgleichsströme zwischen den galvanischen Elementen 30 fließen dabei durch die Stromsammlereinheit 20 und lassen sich daher zwischen der ersten Kontaktposition 22a und der zweiten Kontaktperson 22b messen.
In den 3 und 4 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Messsystem 200 gezeigt, welches mit einem erfindungsgemäßen Energiespeicher 10 verbunden werden kann. Dabei sind lediglich die Kontaktpositionen 22, das heißt eine erste Kontaktposition 22a und eine zweite Kontaktposition 22b des Energiespeichers 10 dargestellt. Da diese Kontaktpositionen 22 an einer Stromsammlereinheit 20 des Energiespeichers 10 vorgesehen sind, bildet sich zwischen den Kontaktpositionen 22 ein elektrischer Widerstand aus (Messabschnitt 21), welcher beispielsweise als Shuntwiderstand für eine Spannungsmessung durch eine Messvorrichtung 210 des Messsystems 200 genutzt werden kann. Hierzu wird die Messvorrichtung 210 durch zwei Verbindungselemente 230, das heißt durch ein drittes Verbindungselement 230c und ein viertes Verbindungselement 230d mit der Stromsammlereinheit 20 elektrisch verbunden. Die Verbindung der Verbindungselemente 230 mit den Kontaktpositionen 22 erfolgt beispielsweise jeweils durch Verbindungskontaktpositionen an den entsprechenden Kontaktpositionen 22. Hierzu werden die Verbindungselemente 230 z. B. direkt an der Stromsammlereinheit 20 aufgeschweißt. Gleiches gilt insbesondere auch für ein erstes Verbindungselement 230a und ein zweites Verbindungselement 230b, durch welche eine Kalibrierungsvorrichtung 220 (mit einer Stromquelle 221) mit der Stromsammlereinheit 20 verbunden werden kann. Somit kann durch die Verbindungselemente 230 der Kalibrierungsvorrichtung 220 ein Kalibrierungsstrom Ical fließen. Die Verbindung des ersten Verbindungselementes 230a und des zweiten Verbindungselementes 230b erfolgt dabei ebenfalls an den Kontaktpositionen 22, insbesondere benachbart zu den Verbindungskontaktpositionen des dritten Verbindungselements 230c und des vierten Verbindungselements 230d. Alternativ ist es denkbar, wie in 4 zu sehen ist, dass die Verbindungselemente 230 der Messvorrichtung 210 nicht getrennt zu den Verbindungselementen 230 der Kalibrierungsvorrichtung 220 an die Stromsammlereinheit 20 (bzw. den Kontaktpositionen 22) verbunden werden, sondern bereits zuvor mit den Verbindungselementen 230 der Kalibrierungsvorrichtung 220 verbunden werden.
In 5 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Verfahren 400 gezeigt. Dabei wird gemäß eines ersten Verfahrensschrittes 400.1 eine erste Spannungsmessung an dem Messabschnitt 21 durchgeführt. Hierzu wird ein erster elektrischer Kalibrierungsstrom Ical1 eingesetzt. Anschließend erfolgt gemäß dem Verfahrensschritt 400.2 eine zweite Spannungsmessung an dem Messabschnitt 21, wobei ein zweiter elektrischer Kalibrierungsstrom Ical2 genutzt wird. Gemäß einem dritten Verfahrensschritt 400.3 wird eine dritte Spannungsmessung an den Messabschnitt 21 durchgeführt, während ein dritter elektrischer Kalibrierungsstrom Ical3 eingeprägt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009000336 A1 [0003]
DE 102012010487 A1 [0004]

Claims

Messsystem (200) zur Ausgleichsstrommessung an wenigstens einer elektrisch leitfähigen Stromsammlereinheit (20) eines elektrischen Energiespeichers (10), aufweisend eine Messvorrichtung (210) zur elektrischen Spannungsmessung an einem Messabschnitt (21) der Stromsammlereinheit (20), und eine Kalibrierungsvorrichtung (220) zur Einprägung zumindest eines elektrischen Kalibrierungsstroms (Ical) in diesem Messabschnitt (21), wobei wenigstens eine Kalibrierungsmessung derart durch die Messvorrichtung (210) und die Kalibrierungsvorrichtung (220) durchführbar ist, dass zumindest eine Störgröße der Ausgleichsstrommessung reduzierbar ist.
Messsystem (200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungsvorrichtung (220) eine Stromquelle (221), insbesondere eine Konstantstromquelle (221), zur Einprägung und/oder Einspeisung des elektrischen Kalibrierungsstroms (Ical) in den Messabschnitt (21) aufweist, wobei insbesondere die Messvorrichtung (210) in der Kalibrierungsvorrichtung (220) integriert ist.
Messsystem (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungsvorrichtung (220) und/oder die Messvorrichtung (210) jeweils zwei Verbindungselemente (230) zur elektrisch leitfähigen Verbindung mit der Stromsammlereinheit (20) aufweisen.
Elektrischer Energiespeicher (10), aufweisend – zumindest eine elektrisch leitfähige Stromsammlereinheit (20), – zumindest zwei parallel geschaltete galvanische Elemente (30), wobei die Stromsammlereinheit (20) die zumindest zwei parallel geschalteten galvanischen Elemente (30) des Energiespeichers (10) elektrisch miteinander verbindet, – eine Messvorrichtung (210) zur elektrischen Spannungsmessung an einem Messabschnitt (21) der Stromsammlereinheit (20), und – eine Kalibrierungsvorrichtung (220) zur Einprägung zumindest eines elektrischen Kalibrierungsstroms (Ical) in diesem Messabschnitt (21), wobei wenigstens eine Kalibrierungsmessung derart durch die Messvorrichtung (210) und die Kalibrierungsvorrichtung (220) durchführbar ist, dass zumindest eine Störgröße der Ausgleichsstrommessung reduzierbar ist.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromsammlereinheit (20) zur elektrischen Verbindung mit der Kalibrierungsvorrichtung (220) und/oder der Messvorrichtung (210) zumindest eine erste Kontaktposition (22a) und zumindest eine zweite Kontaktposition (22b) aufweist, wobei insbesondere die erste Kontaktposition (22a) beabstandet von der zweiten Kontaktposition (22b) ausgebildet ist und so den Messabschnitt (21) bestimmt.
Elektrischer Energiespeicher (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsystem (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Ausgleichsstrommessung an der Stromsammlereinheit (20) vorgesehen ist und/oder im Energiespeicher (10) integriert ist.
Verfahren (400) zur Ausgleichsstrommessung an wenigstens einer elektrisch leitfähigen Stromsammlereinheit (20) eines elektrischen Energiespeichers (10), mit einer Messvorrichtung (210) zur elektrischen Spannungsmessung an einem Messabschnitt (21) der Stromsammlereinheit (20), dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierungsmessung zumindest ein elektrischer Kalibrierungsstrom (Ical) in diesem Messabschnitt (21) durch eine Kalibrierungsvorrichtung (220) eingeprägt wird, und gleichzeitig zumindest eine Spannungsmessung an dem Messabschnitt (21) durch die Messvorrichtung (210) erfolgt, um zumindest eine Störgröße der Ausgleichsstrommessung zu reduzieren.
Verfahren (400) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kalibrierungsmessung die zumindest eine Störgröße wenigstens annähernd bestimmt wird, insbesondere dadurch, dass die Spannungsmessung mit dem Kalibrierungsstrom (Ical), insbesondere mit einer vorbestimmten Stromstärke des Kalibrierungsstroms (Ical), verglichen wird.
Verfahren (400) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierungsmessung zumindest die nachfolgenden Schritte durchgeführt werden: a) Durchführen einer ersten Spannungsmessung an dem Messabschnitt (21), während ein erster elektrischer Kalibrierungsstrom (Ical1) mit einer vorbestimmten ersten Stromstärke eingeprägt wird, und b) Durchführen einer zweiten Spannungsmessung an dem Messabschnitt (21), während ein zweiter elektrischer Kalibrierungsstrom (Ical2) mit einer vorbestimmten zweiten Stromstärke eingeprägt wird, wobei sich die zweite Stromstärke von der ersten Stromstärke unterscheidet, c) und vorzugsweise Durchführen einer dritten Spannungsmessung an dem Messabschnitt (21), während ein dritter elektrischer Kalibrierungsstrom (Ical3) mit einer vorbestimmten dritten Stromstärke eingeprägt wird, wobei sich die dritte Stromstärke von der ersten und der zweiten Stromstärke unterscheidet.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (210) insbesondere nach der Kalibrierungsmessung die Ausgleichsstrommessung an dem Messabschnitt (21) der Stromsammlereinheit (20) durchführt, insbesondere derart, dass der Messabschnitt (21) einen Shuntwiderstand für die Spannungsmessung bildet.
Verfahren (400) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsystem (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und/oder ein elektrischer Energiespeicher (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6 betrieben wird.