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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur einer Fahrzeugbatterie. Hierzu wird von einem Stromsignal, das mit einer Stromstärke der Batterie korreliert, und ein Spannungssignal, das mit einer von der Batterie erzeugten Spannung korreliert, ausgegangen. Zu der Erfindung gehören auch ein Batteriesteuergerät zum Durchführen des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit dem Batteriesteuergerät.
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Für einen effizienten und/oder schonenden Betrieb einer Batterie eines Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Lithium-Ionen-Batterie, ist es vorteilhaft, die in den galvanischen Zellen herrschende Temperatur zu kennen. Hierzu ist es heutzutage notwendig, in die Zellen einen Temperatursensor, beispielsweise einen PTC-Widerstand (PTC – positive temperature coefficient) zu integrieren. Dies macht aber das Herstellen einer solchen Batterie schaltungstechnisch aufwendig.
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Die
DE 10 2013 103 921 A1 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur von Zellen in einem Batteriepack ohne Verwendung von Temperatursensoren. Dabei wird eine Impedanz der Zellen gemessen und anhand der Impedanz wird die Temperatur bestimmt.
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Aus der
US 2013/0156072 A1 ist ein Verfahren zum Messen einer internen Impedanz eines elektrischen Speichers bekannt.
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Die
US 2015/0288213 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System zum Bestimmen einer Temperatur einer Batterie aufgrund einer Impedanz.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem schaltungstechnischem Aufwand eine Temperatur einer Fahrzeugbatterie zu ermitteln.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Temperatur einer Fahrzeugbatterie bereitgestellt. Bei der Fahrzeugbatterie kann es sich insbesondere um eine Lithium-Ionen-Batterie handeln. Die Fahrzeugbatterie kann beispielsweise als Traktionsbatterie des Kraftfahrzeugs ausgestaltet sein. Durch eine Messeinheit werden ein Stromsignal und ein Spannungssignal erfasst. Das Stromsignal ist mit einer Stromstärke eines elektrischen Stromes korreliert, der von der Fahrzeugbatterie erzeugt wird. Das Spannungssignal ist mit einer elektrischen Spannung korreliert, die von der Batterie erzeugt wird. Mit korreliert ist hierbei jeweils gemeint, dass ein zeitlicher Verlauf des Stromsignals dem zeitlichen Verlauf der Stromstärke und ein zeitlicher Verlauf des Spannungssignals dem zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung entspricht oder zumindest folgt. Um nun anhand des Stromsignals und des Spannungssignals die Temperatur zu ermitteln, werden durch eine Transformationseinheit das Stromsignal und das Spannungssignal jeweils einer spektralen Transformation unterzogen. Mit anderen Worten wird der zeitliche Verlauf des Stromsignals und des Spannungssignals jeweils in spektrale Komponenten oder Frequenzanteile aufgeteilt oder umgerechnet. Die Transformationseinheit kann die spektrale Transformation beispielsweise auf der Grundlage einer Fourier-Transformation durchführen. Diese kann beispielsweise als sogenannte schnelle Fourier-Transformation (FFT – fast Fourier transform) implementiert sein. Durch eine Phasenbestimmungseinheit wird anhand des transformierten Stromsignals und des transformierten Spannungssignals für einen Frequenzwert zumindest der Phasenwert einer Impedanz der Fahrzeugbatterie berechnet. Die Impedanz ist eine frequenzabhängige Größe. Die Impedanz weist hierbei einen komplexen Wert für jeden Frequenzwert auf. Von diesem komplexen Zahlenwert wird zumindest der Phasenanteil, das heißt der Phasenwert, bestimmt. Die Phasenbestimmungseinheit kann hierzu eine Differenz der Phasen des transformierten Spannungssignals und des transformierten Stromsignals bei dem Frequenzwert oder bei der entsprechenden Frequenz berechnen. Durch eine Zuordnungseinheit wird dann der Phasenwert einem Temperaturwert der Temperatur zugeordnet.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass ausschließlich auf der Grundlage des Stromsignals und des Spannungssignals zu der Temperatur der Fahrzeugbatterie ein Temperaturwert. ermittelt werden kann. Es ist somit kein gesonderter oder separater Temperatursensor nötig. Dies verringert den Schaltungsaufwand beim Herstellen der Fahrzeugbatterie. Die beschriebene Transformationseinheit, die Phasenbestimmungseinheit und die Zuordnungseinheit können jeweils beispielsweise als Programmmodul für einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor realisiert sein.
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Zu der Erfindung gehören optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Strom, zu dem das Stromsignal erzeugt wird, ein Zellstrom einer einzelnen Batteriezelle der Fahrzeugbatterie. Zusätzlich oder alternativ dazu ist die Spannung, zu welcher das Spannungssignal erzeugt wird, eine Zellspannung der Batteriezelle. Die Messeinheit erfasst das Stromsignal und/oder das Spannungssignal somit an der einzelnen Batteriezelle. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass eine einzelne Zelltemperatur innerhalb der Batteriezelle ermittelt wird, und somit ein für die Überwachung der chemischen Vorgänge in der Batteriezelle besonders relevanter Temperaturwert bereitgestellt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung beschreibt der Temperaturwert eine absolute Temperatur. Mit anderen Worten wird durch die Zuordnungseinheit der Phasenwert einem absoluten Temperaturwert zugeordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass unmittelbar auf einen kritischen Betriebszustand der Fahrzeugbatterie rückgeschlossen werden kann. Eine Alternative sieht vor, dass der Temperaturwert eine relative Temperaturänderung beschreibt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Verfahren auch auf eine Fahrzeugbatterie angewendet werden kann, bei welcher die Zuordnung vom Phasenwert zum absoluten Temperaturwert unbekannt ist.
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Durch die Fahrzeugbatterie kann ein Fahrzeuggerät mit einem Versorgungsstrom und/oder einer Versorgungsspannung versorgt werden. Eine Weiterbildung sieht vor, dass als der Frequenzwert eine Harmonische eines Spektrums des Versorgungsstromes und/oder der Versorgungsspannung verwendet wird. Eine Harmonische ist ein lokales Maximum des spektralen Verlaufs oder des Spektrums oder des Amplitudenspektrums oder des Betragsganges des transformierten Stromsignals beziehungsweise des transformierten Spannungssignals. Ein lokales Maximum ist durch einen Wert 0 der mathematischen Steigung und einen negativen Wert der mathematischen Krümmung gekennzeichnet. Durch diese Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass der Phasenwert zu einem Frequenzwert ermittelt wird, bei welchem das Stromsignal und das Spannungssignal mit großer Wahrscheinlichkeit nur geringfügig oder insignifikant durch Rauschen verfälscht oder gestört sind.
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Gemäß einer Weiterbildung wird hierbei die kleinste Harmonische größer als 0 verwendet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums die Harmonische häufig von dem Fahrzeuggerät erzeugt wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Frequenzwert in einem Frequenzbereich von 0,4 Kilohertz bis 3 Kilohertz liegt. Die entsprechende, Messung lässt sich mit besonders geringem technischen Aufwand realisieren, da sich die Analog-Digital-Wandlung mittels kostengünstiger und/oder technisch einfacher zu realisierenden Analog-Digital-Wandlern bereitstellen lässt.
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Gemäß einer Weiterbildung wird der Frequenzwert in Abhängigkeit von dem jeweiligen Amplitudenverlauf oder Betragsgang des transformierten Stromsignals und/oder des transformierten Spannungssignals ausgewählt. Mit anderen Worten ist der Frequenzwert adaptiv. Der Frequenzwert wird hierbei dahingehend gewählt, dass der jeweilige Amplitudenverlauf bei dem ausgewählten Frequenzwert größer als ein vorbestimmter Mindestwert ist. Mit anderen Worten wird zum Berechnen des Phasenwerts nur ein solcher Wert für das transformierte Stromsignal und das transformierte Spannungssignal gewählt, bei welchem der Amplitudenwert der transformierten Signale größer als der Mindestwert ist. Hierdurch wird ein Einfluss eines Rauschens auf das Ermitteln des Temperaturwerts verringert.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Zuordnungseinheit auf der Grundlage einer Support-Vector-Machine (SVM) oder eines künstlichen neuronalen Netzes (ANN) den Temperaturwert zuordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Zuordnung von Phasenwert zu Temperaturwert auf der Grundlage von Trainingsdaten ermittelt werden kann. Hierdurch können unabhängig von einer Kenntnis der physikalischen Zusammenhänge Zuordnungsvorschriften, das heißt die Zuordnungseinheit, bereitgestellt werden. Alternativ dazu ist vorgesehen, dass die Zuordnungseinheit den Phasenwert auf der Grundlage einer Nearest-Neighbor-Decision (NND) oder einer Nachschlagetabelle (LUT – look up table) dem Temperaturwert zuordnet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass Kennfelder der Fahrzeugbatterie genutzt werden können, wie sie beispielsweise durch den Hersteller der Fahrzeugbatterie bereitgestellt werden.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass zu zumindest einem weiteren Frequenzwert jeweils ein weiterer Phasenwert ermittelt wird. Mit anderen Worten beruht die Ermittlung des Temperaturwerts nicht ausschließlich auf einem einzelnen Frequenzwert, sondern mehreren Frequenzwerten. Der Temperaturwert wird also zusätzlich in Abhängigkeit von dem zumindest einen weiteren Phasenwert ermittelt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Ermittlung oder Schätzung des Temperaturwerts robuster gegenüber Störeinflüssen ist.
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Wie bereits ausgeführt, gehört zu der Erfindung auch ein Batteriesteuergerät für eine Fahrzeugbatterie. Das Batteriesteuergerät weist einen Signaleingang zum Empfangen des beschriebenen Stromsignals und des beschriebenen Spannungssignals auf. Des Weiteren ist eine Recheneinrichtung bereitgestellt, durch welche eine Transformationseinheit, eine Phasenbestimmungseinheit und eine Zuordnungseinheit bereitgestellt sind. Die Recheneinrichtung kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikrocontrollers oder eines Mikroprozessors realisiert sein. Die genannten Einheiten können beispielsweise jeweils als Programmmodul der Recheneinrichtung realisiert sein. Die Recheneinrichtung ist des Weiteren dazu eingerichtet, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Mittels des Batteriesteuergeräts kann somit ohne Temperatursensor auf der Grundlage des Stromsignals und des Spannungssignals ein Temperaturwert für die Fahrzeugbatterie ermittelt werden.
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Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Kraftfahrzeug, welches eine Fahrzeugbatterie und eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesteuergeräts für die Fahrzeugbatterie aufweist.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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2 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen einer frequenzabhängigen Impedanz einer Fahrzeugbatterie des Kraftfahrzeugs von 1, und
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3 eine schematische Darstellung eines Batteriesteuergeräts für die Fahrzeugbatterie von 2.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, handeln kann. Das Kraftfahrzeug 1 weist ein Bordnetz 2 mit einer Fahrzeugbatterie 3 auf. Bei dem Bordnetz 2 kann es sich beispielsweise um ein Hochvoltbordnetz handeln, in welchem eine Bordnetzspannung bereitgestellt sein kann, die größer als 60 Volt ist. Bei der Fahrzeugbatterie 3 kann es sich entsprechend um eine Hochvoltbatterie handeln. Die Fahrzeugbatterie 3 ist insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, beispielsweise eine Lithium-Eisenphosphat-Batterie. In dem Bordnetz 2 kann auch ein Generator 4 bereitgestellt sein. Verbraucher 5 des Bordnetzes 2 sind der Übersichtlichkeit halber nur durch ein einzelnes Element repräsentiert.
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Für einen Betrieb der Fahrzeugbatterie 3 wird deren Temperatur überwacht. Insbesondere wird für jede einzelne Batteriezelle der Batterie 3 eine jeweilige Zelltemperatur ermittelt. Hierzu kann beispielsweise ein Batteriesteuergerät 6 vorgesehen sein. Das Batteriesteuergerät 6 kann über einen Signaleingang mit einer Messeinrichtung 7 gekoppelt sein. Das Batteriesteuergerät 6 kann eine Recheneinrichtung 8 aufweisen. Durch die Messeinrichtung 7 kann in an sich bekannter Weise ein Batteriestrom der Fahrzeugbatterie 3 oder auch ein einzelner Zellenstrom einer Batteriezelle der Batterie 3 erfasst werden. In Abhängigkeit von dem erfassten Strom erzeugt die Messeinrichtung 7 ein Stromsignal 9. Die Messeinrichtung 7 kann des Weiteren eine Batteriespannung der Fahrzeugbatterie 3 und/oder eine Zellenspannung einer einzelnen Batteriezelle der Fahrzeugbatterie 3 erfassen. Die Messeinrichtung 7 erzeugt in Abhängigkeit von der erfassten Spannung ein Spannungssignal 10.
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Zum Erfassen der Temperatur der Fahrzeugbatterie 3 wird in dem Kraftfahrzeug 1 kein Temperatursensor benötigt. Stattdessen wird durch die Recheneinrichtung 8 auf der Grundlage des Stromsignals 9. und des Spannungssignals 10 ein Temperaturwert 11 der Temperatur T ermittelt.
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Hierzu wird der im Folgenden anhand von 2 veranschaulichte Zusammenhang genutzt.
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2 veranschaulicht, wie eine Phase P einer Impedanz (komplexer Wert) zum einen frequenzabhängig über der Frequenz f und zum anderen abhängig vom Temperaturwert der Temperatur T der Fahrzeugbatterie 3 ist. Beispielhaft sind hier Phasengänge 12 der Impedanz für unterschiedliche Temperaturwerte T1, T2, T3, T4 ... Tn aufgetragen. Die Phase ist berechnet als der Winkel zwischen Realteil und Imaginärteil der komplexwertigen Impedanz, die sich aus der gemessenen Spannung und dem gemessenen Strom ergibt. Durch die Recheneinrichtung 8 wird nun für einen Frequenzwert f0 der Frequenz f der Phasenwert der Phase P ermittelt. Hieraus kann dann rückgeschlossen werden, welcher Temperaturwert T1, T2, T3, T4 ... Tn der Temperatur T aktuell vorliegt. In 2 ist veranschaulicht, dass als Frequenzwert f0 beispielhaft der Wert 0,5 Kilohertz verwendet werden kann.
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Um aus dem Stromsignal 9 und dem Spannungssignal 10 den Temperaturwert 11 zu ermitteln, führt die für das Batteriesteuergerät 6 des im Folgenden anhand von 3 veranschaulichte Verfahren durch.
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In einem Schritt S1 erfolgt die Messung der Spannung U und des Stromes 1 durch die Messeinrichtung 7, wodurch das Stromsignal 9 und das Spannungssignal 10 erzeugt werden. Wie bereits ausgeführt, kann es sich bei dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung um die Gesamtgrößen der Fahrzeugbatterie 3 oder auch eine Zellengröße einer einzelnen Batteriezelle handeln. Natürlich können auch für mehrere Batteriezellen der Fahrzeugbatterie 3 jeweils ein Stromsignal 9 und ein Spannungssignal 10 ermittelt werden. Dann steht für jede Batteriezelle ein jeweiliger Temperaturwert 11 zur Verfügung.
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Durch die Recheneinrichtung 8 wird in einem Schritt S2 mittels einer Transformationseinheit 13 aus dem Stromsignal 9 durch eine spektrale Transformation FFT ein transformiertes Stromsignal 14 erzeugt. Die spektrale Transformation FFT kann insbesondere eine Fast-Fourier-Transformation sein. Entsprechend wird aus dem Spannungssignal 10 mittels einer spektralen Transformation FFT ein transformiertes Spannungssignal 15 erzeugt. Die transformierten Signale 14, 15 stellen jeweils komplexwertige Signale dar. Durch eine Phasenbestimmungseinheit 16 wird für den Frequenzwert f0 der Phasenwert 17 ermittelt. Der Phasenwert 17 kann beispielsweise durch Dividieren des komplexen Spannungswerts des transformierten Spannungssignals 15 durch den komplexen Stromwert des transformierten Stromsignals 14 bei der Frequenz mit dem Frequenzwert f0 ermittelt werden. Das Ergebnis dieser Division ist ein komplexer Wert, dessen Phase dem Phasenwert 17 entspricht. Auf Grundlage des Phasenwerts 17 wird durch eine Zuordnungseinheit 18 in der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Weise für den Frequenzwert f0 und den Phasenwert 17 der Temperaturwert 11 der Temperatur T ermittelt. Die Transformationseinheit 13, die Phasenbestimmungseinheit 16 und die Zuordnungseinheit 18 können jeweils Programmmodule der Recheneinrichtung 8 sein.
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Somit wird bei einer konstanten Frequenz mit dem Frequenzwert f0 durch Überprüfen der Temperaturabhängigkeit der Phase P der Temperaturwert 11 ermittelt. Die Eindeutigkeit der Zuordnung von Phase P zur Temperatur T ist bei Lithium-Ionen-Batterien bei Frequenzen f größer als 0,3 Kilohertz, insbesondere größer als 0,4 Kilohertz, gegeben. Darunter kommt es zu Überschneidungen der Phasengänge 12 (siehe 2). Oberhalb von 0,4 Kilohertz sind alle Zelltemperaturen auf der Grundlage des Spannungssignals 10 und des Stromsignals 9 erkennbar. Diese Vorgehensweise umgeht das Problem, dass der Frequenzwert f0 variiert oder verändert werden muss, um auf die Temperatur T rückzuschließen. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird sichergestellt, dass vorhandene Hardware ausreicht, da die benötigte, maximale Messfrequenz im Voraus bekannt ist. Daher ist es mit diesem Verfahren auch möglich, vorher nicht geprüfte Batteriezellen zu überwachen, um wenigstens relative Temperaturunterschiede zu ermitteln.
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Das Verfahren zum Ermitteln der Temperatur T ist auch besonders einfach umsetzbar, da bei der Frequenzvorgabe häufige auftretende Harmonische aus dem Bordnetz 2 verwendet werden können. Hierbei sollte natürlich auf die niedrigst mögliche, messbare Frequenz zurückgegriffen werden, um auch bei der Digitalisierung der Signale mit einfacher Analog-Digital-Wandlerhardware arbeiten zu können.
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Die im Kraftfahrzeug 1 gemessenen Ströme und Spannungen einer Batteriezelle werden zum Beispiel mittels einer Fast-Fourier-Transformation oder einer anderen spektralen Transformation in ihre einzelnen Frequenzanteile zerlegt. Hierdurch ergibt sich das beschriebene transformierte Signal 14, 15. Durch eine einzelne Frequenz oder einzelne separate Frequenzen kann hierauf die Phase P bestimmt werden. Die Informationen aus Frequenz und Phase können nun durch die Zuordnungseinheit 18 auf dem Temperaturwert 11 abgebildet werden. Die Zuordnungseinheit 18 kann hierzu ein Klassierungsverfahren nutzen, wie beispielsweise eine Support-Vector-Machine oder ein künstliches neuronales Netzwerk. Auch eine Nearest-Neighbor-Decision oder eine Nachschlagetabelle LUT kann genutzt werden. Zum Parametrieren oder Konfigurieren der Zuordnungseinheit können Trainingsdaten verwendet werden oder es kann auf Kennfelder der Fahrzeugbatterie 3 zurückgegriffen werden.
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Somit kann in dem Batteriesteuergerät 6 ohne einen dedizierten Temperatursensor auf Grundlage eines Zellstroms und einer Zellspannung eine Zelltemperatur einer Batteriezelle der Fahrzeugbatterie 3 ermittelt werden.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Temperatur von Lithium-Eisenphosphat-Batterien bereitgestellt werden kann.
