DE102021212316A1 - Arrangement for impedance analysis of a battery pack, battery system, method for impedance analysis of a battery pack - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung (60) zur Impedanzanalyse eines Batteriepacks (5), welches eine interne Spannungsquelle (Vi), einen internen Widerstand (Ri), eine interne Induktivität (Li), einen positiven Pol (22) und einen negativen Pol (21) aufweist, wobei die Anordnung (60) einen Kondensator (CA), welcher ein positives Terminal (CA+) und ein negatives Terminal (CA-) aufweist, ein erstes Schaltelement (61) und ein zweites Schaltelement (62) umfasst, wobei ein erster Anschluss des ersten Schaltelements (61) elektrisch mit einem Knotenpunkt (25) verbunden ist, der elektrisch mit einem der Pole (21, 22) des Batteriepacks (5) verbindbar ist, ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements (61) elektrisch mit einem der Terminals (CA+, CA-) des Kondensators (CA) verbunden ist, ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements (62) elektrisch mit dem anderen der Terminals (CA+, CA-) des Kondensators (CA) verbunden ist und elektrisch mit dem anderen der Pole (21, 22) des Batteriepacks (5) verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements (62) elektrisch mit dem Knotenpunkt (25) verbunden ist. Erfindungsgemäß ist die Anordnung (60) dazu eingerichtet, dass durch Veränderung der Tastverhältnisse des ersten und des zweiten Schaltelements (61, 62) verschiedene modulierte Ströme (I) erzeugt werden.The invention relates to an arrangement (60) for impedance analysis of a battery pack (5), which has an internal voltage source (Vi), an internal resistance (Ri), an internal inductance (Li), a positive pole (22) and a negative pole (21 ), wherein the arrangement (60) comprises a capacitor (CA) which has a positive terminal (CA+) and a negative terminal (CA-), a first switching element (61) and a second switching element (62), wherein a first Connection of the first switching element (61) is electrically connected to a node (25) which can be electrically connected to one of the poles (21, 22) of the battery pack (5), a second connection of the first switching element (61) is electrically connected to one of the terminals (CA+, CA-) of the capacitor (CA), a first terminal of the second switching element (62) is electrically connected to the other of the terminals (CA+, CA-) of the capacitor (CA) and electrically to the other of the poles ( 21, 22) of the battery pack (5) can be connected, and a second terminal of the second switching element (62) is electrically connected to the node (25). According to the invention, the arrangement (60) is set up such that different modulated currents (I) are generated by changing the pulse duty factor of the first and second switching elements (61, 62).
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Impedanzanalyse eines Batteriepacks, welches eine interne Spannungsquelle, eine interne Induktivität, einen positiven Pol und einen negativen Pol aufweist, wobei die Anordnung einen Kondensator, welcher ein positives Terminal und ein negatives Terminal aufweist, ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement umfasst, wobei ein erster Anschluss des ersten Schaltelements elektrisch mit einem Knotenpunkt verbunden ist, der elektrisch mit einem der Pole des Batteriepacks verbindbar ist, ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements elektrisch mit einem der Terminals des Kondensators verbunden ist, ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements elektrisch mit dem anderen der Terminals des Kondensators verbunden ist und elektrisch mit dem anderen der Pole des Batteriepacks verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements elektrisch mit dem Knotenpunkt verbunden ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Impedanzanalyse eines Batteriepacks.The invention relates to an arrangement for impedance analysis of a battery pack which has an internal voltage source, an internal inductance, a positive pole and a negative pole, the arrangement having a capacitor which has a positive terminal and a negative terminal, a first switching element and a second Switching element includes, wherein a first terminal of the first switching element is electrically connected to a node that is electrically connected to one of the poles of the battery pack, a second terminal of the first switching element is electrically connected to one of the terminals of the capacitor, a first terminal of the second switching element is electrically connected to the other of the terminals of the capacitor and is electrically connectable to the other of the poles of the battery pack, and a second terminal of the second switching element is electrically connected to the node.
The invention also relates to a method for analyzing the impedance of a battery pack.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft vermehrt elektrisch angetriebene Fahrzeuge zum Einsatz kommen werden. Solche elektrisch angetriebenen Fahrzeuge, wie z.B. Hybridfahrzeuge und Elektrofahrzeuge, umfassen jeweils ein Batteriesystem, wie beispielsweise ein 48V-Batteriesystem, zur Energieversorgung bzw. Traktion des Fahrzeugs.It is becoming apparent that more and more electrically powered vehicles will be used in the future. Such electrically powered vehicles, such as hybrid vehicles and electric vehicles, each include a battery system, such as a 48V battery system, for powering or traction of the vehicle.
Um den Alterungszustand (State Of Heath, SOH), den Ladezustand (State of Charge, SOC) oder den Innenwiderstand des Batteriesystems zu ermitteln wird üblicherweise eine Impedanzanalyse des Batteriesystems durchgeführt. Es gibt viele Möglichkeiten die Impedanzanalyse im Labor aufzunehmen. Gemäß derzeitigem Stand der Technik erfolgt diese jedoch immer mit einem zusätzlichen Gerät, da auch eine Strom- oder Spannungsquelle/-senke benötigt wird.In order to determine the state of health (state of heat, SOH), the state of charge (state of charge, SOC) or the internal resistance of the battery system, an impedance analysis of the battery system is usually carried out. There are many ways to record impedance analysis in the laboratory. According to the current state of the art, however, this is always done with an additional device, since a current or voltage source/sink is also required.
Das Dokument
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Es wird eine Anordnung zur Impedanzanalyse eines Batteriepacks vorgeschlagen, welches eine interne Spannungsquelle, einen internen Widerstand, eine interne Induktivität, einen positiven Pol und einen negativen Pol aufweist. Das Batteriepack kann dabei eine Batteriezelle oder eine Anzahl von Batteriezellen umfassen, die parallel und/oder seriell miteinander verschaltet sind. Vorzugsweise sind die Batteriezellen als Lithium-Ionen-Zellen ausgebildet. Die Batteriezellen bilden dabei elektrische Spannungsquellen mit Innenwiderständen nach. Elektrische Leitungen innerhalb des Batteriepacks weisen ebenfalls einen elektrischen Widerstand sowie eine Induktivität auf. Die elektrischen Spannungsquellen der Batteriezellen bilden die interne Spannungsquelle des Batteriepacks. Die Innenwiderstände der Batteriezellen und der Widerstand der elektrischen Leitungen bilden den internen Widerstand des Batteriepacks. Die Induktivität der elektrischen Leitungen bildet die interne Induktivität des Batteriepacks. Optional kann das Batteriemodul zusätzlich eine Spule mit einer zusätzlichen Induktivität aufweisen.An arrangement for impedance analysis of a battery pack is proposed, which has an internal voltage source, an internal resistance, an internal inductance, a positive pole and a negative pole. The battery pack can include a battery cell or a number of battery cells that are connected to one another in parallel and/or in series. The battery cells are preferably designed as lithium-ion cells. The battery cells simulate electrical voltage sources with internal resistances. Electrical lines within the battery pack also have electrical resistance and inductance. The electrical voltage sources of the battery cells form the internal voltage source of the battery pack. The internal resistance of the battery cells and the resistance of the electrical lines form the internal resistance of the battery pack. The inductance of the electrical lines forms the internal inductance of the battery pack. Optionally, the battery module can also have a coil with an additional inductance.
Dabei umfasst die Anordnung einen Kondensator, welcher ein positives Terminal und ein negatives Terminal aufweist, ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement. Die Schaltelemente weisen jeweils drei Anschlüsse auf, wobei zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss eine Schaltstrecke gebildet ist, welche mittels eines dritten Anschlusses ansteuerbar ist. Mittels des ersten und des zweiten Schaltelements kann das Batteriepack elektrisch mit dem Kondensator verbunden, sowie von dem Kondensator getrennt werden.In this case, the arrangement comprises a capacitor which has a positive terminal and a negative terminal, a first switching element and a second switching element. The switching elements each have three connections, with a switching path being formed between a first connection and a second connection, which can be controlled by means of a third connection. The battery pack can be electrically connected to the capacitor and also separated from the capacitor by means of the first and the second switching element.
Dabei ist ein erster Anschluss des ersten Schaltelements elektrisch mit einem Knotenpunkt verbunden, der elektrisch mit einem der Pole des Batteriepacks verbindbar ist, und ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements ist elektrisch mit einem der Terminals des Kondensators verbunden. Ein erster Anschluss des zweiten Schaltelements ist elektrisch mit dem anderen der Terminals des Kondensators verbunden und elektrisch mit dem anderen der Pole des Batteriepacks verbindbar, und ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements ist elektrisch mit dem Knotenpunkt verbunden.A first connection of the first switching element is electrically connected to a node that can be electrically connected to one of the poles of the battery pack, and a second connection of the first switching element is electrically connected to one of the terminals of the capacitor. A first terminal of the second switching element is electrically connected to the other of the terminals of the capacitor and electrically connectable to the other of the poles of the battery pack, and a second terminal of the second switching element is electrically connected to the node.
Beispielsweise kann der Knotenpunkt, der mit dem ersten Anschluss des ersten Schaltelements elektrisch verbunden ist, mit dem positiven Pol des Batteriepacks verbunden sein, und der zweite Anschluss des ersten Schaltelements ist mit dem positiven Terminal des Kondensators verbunden. Der erste Anschluss des zweiten Schaltelements ist dann mit dem negativen Pol des Batteriepacks und mit dem negativen Terminal des Kondensators verbunden. Der negative Pol des Batteriepacks ist dabei mit dem negativen Terminal des Kondensators elektrisch verbunden.For example, the node that is electrically connected to the first terminal of the first switching element may be connected to the positive terminal of the battery pack, and the second terminal of the first switching element is connected to the positive terminal of the capacitor. The first connection of the second switching element is then connected to the negative pole of the battery pack and to the negative terminal of the capacitor. The negative pole of the battery pack is electrically connected to the negative terminal of the capacitor.
Die Verschaltung der Schaltelemente der Anordnung ermöglicht mehrere Schaltzustände des Batteriepacks, wenn die Anordnung mit dem Batteriepack elektrisch verbunden ist, d.h. der Knotenpunkt ist elektrisch mit einem der Pole des Batteriepacks verbunden, während der erste Anschluss des zweiten Schaltelements mit dem anderen der Pole des Batteriepacks elektrisch verbunden ist. Beispielsweise in einem ersten Schaltzustand, wenn das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geschlossen ist, kann ein Strom durch die interne Induktivität des Batteriepacks, jedoch nicht zu dem Kondensator fließen. In einem zweiten Schaltzustand, wenn das erste Schaltelement geschlossen und das zweite Schaltelement geöffnet ist, kann ein Strom durch die interne Induktivität des Batteriepacks und durch den Kondensator fließen. In einem dritten Schaltzustand, wenn das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geöffnet ist, kann kein Strom durch die Batterie fließen.The interconnection of the switching elements of the arrangement enables several switching states of the Battery packs when the arrangement is electrically connected to the battery pack, ie the node is electrically connected to one of the poles of the battery pack, while the first terminal of the second switching element is electrically connected to the other pole of the battery pack. For example, in a first switching state, when the first switching element is open and the second switching element is closed, a current can flow through the internal inductance of the battery pack, but not to the capacitor. In a second switching state, when the first switching element is closed and the second switching element is open, a current can flow through the internal inductance of the battery pack and through the capacitor. In a third switching state, when the first switching element is open and the second switching element is open, no current can flow through the battery.
Erfindungsgemäß ist die Anordnung dazu eingerichtet, dass durch Veränderung der Tastverhältnisse des ersten und des zweiten Schaltelements verschiedene modulierte Ströme erzeugt werden. Die Schaltfrequenz der Schaltelemente liegt dabei üblicherweise mindestens bei 100 kHz und kann bis in den Megaherzbereich reichen. Dadurch können niederfrequente Signalformen, wie beispielsweise ein Sinus, moduliert werden. Dieses sinusförmige Signal durchläuft mehrere Frequenzen zum Aufzeichnen der Impedanzen. Der Frequenzbereich liegt hier üblicherweise im Bereich von 0,1 Hz bis 50 kHz. Dabei muss die Schaltfrequenz immer höher als die modulierte Frequenz ausfallen. Der dabei entstehende Stromfluss und die Zell-/Batteriespannung werden gemessen und somit die Impedanz und Phasenwinkel zur jeder Frequenz bestimmt, um ein Impedanzspektrum des Batteriepacks aufzuzeichnen. Vorzugsweise wird eine Amplitudenmodulation, wie beispielsweise eine PWM-Modulation, bei der Erzeugung verschiedener modulierte Ströme eingesetzt. Dadurch können verschiedene Frequenzen bzw. Amplituden durchlaufen werden, um das Impedanzspektrum aufzuzeichnen. Vorzugsweise wird ein sinusförmiges Signal moduliert. Beim Aufzeichnen des Impedanzspektrums werden Strom, Spannung sowie Temperatur gemessen und überwacht.According to the invention, the arrangement is set up such that different modulated currents are generated by changing the pulse duty factor of the first and second switching elements. The switching frequency of the switching elements is usually at least 100 kHz and can reach into the megahertz range. This allows low-frequency signal forms, such as a sine wave, to be modulated. This sinusoidal signal is swept through several frequencies to record the impedances. The frequency range here is usually in the range from 0.1 Hz to 50 kHz. The switching frequency must always be higher than the modulated frequency. The resulting current flow and the cell/battery voltage are measured and thus the impedance and phase angle for each frequency are determined in order to record an impedance spectrum of the battery pack. Preferably, amplitude modulation such as PWM modulation is used in generating various modulated currents. This allows different frequencies or amplitudes to be run through in order to record the impedance spectrum. A sinusoidal signal is preferably modulated. When recording the impedance spectrum, current, voltage and temperature are measured and monitored.
Sollte die erfindungsgemäße Anordnung als eine separate Vorrichtung zur Impedanzanalyse ausgeführt sein, wird das Batteriepack elektrisch mit der Anordnung verbunden, um die Impedanzanalyse durchzuführen. Danach sollte eine Vorladung des Kondensators erfolgen, um hohe Einschaltströme zu vermeiden und somit die Bauteile zu schützen. Bei kleineren Kapazitäten des Kondensators kann dies ggf. entfallen. Nach dem Aufladen des Kondensators befindet sich die Spannung des Kondensators auf demselben Niveau wie die des Batteriepacks. Anschließend werden verschiedene modulierte Ströme durch Veränderung der Tastverhältnisse des ersten und zweiten Schaltelements erzeugt. Dabei kann die Anordnung derart angesteuert werden, dass während einer ersten Phase das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geschlossen ist, während einer zweiten Phase das erste Schaltelement geschlossen und das zweite Schaltelement geöffnet ist und während einer dritten Phase das erste Schaltelement geschlossen und das zweite Schaltelement geöffnet ist. Dabei werden die erste Phase, die zweite Phase und die dritte Phase zyklisch wiederholt. Danach wird ein Impedanzspektrum basierend auf den verschiedenen modulierten Strömen aufgezeichnet.If the arrangement according to the invention is designed as a separate device for impedance analysis, the battery pack is electrically connected to the arrangement in order to carry out the impedance analysis. The capacitor should then be pre-charged in order to avoid high inrush currents and thus protect the components. With smaller capacitor capacities, this may not be necessary. After charging the capacitor, the voltage of the capacitor is at the same level as that of the battery pack. Different modulated currents are then generated by changing the duty cycles of the first and second switching elements. The arrangement can be controlled in such a way that during a first phase the first switching element is opened and the second switching element is closed, during a second phase the first switching element is closed and the second switching element is open and during a third phase the first switching element is closed and the second Switching element is open. The first phase, the second phase and the third phase are repeated cyclically. After that, an impedance spectrum is recorded based on the different modulated currents.
Denkbar ist aber auch, dass die erfindungsgemäße Anordnung zur Impedanzanalyse eines Batteriepacks fest in einem Batteriesystem verbaut ist. In diesem Fall kann der Kondensator andauernd mit dem Batteriepack in Normalbetrieb des Batteriepacks oder Batteriesystems elektrisch verbunden sein, so dass sich die Spannung des Kondensators auf demselben Niveau wie die des Batteriepacks befindet. Vorteilhaft kann die Impedanzanalyse in diesem Fall sofort im Nachlauf nach einem Fahrzyklus oder Ladezyklus durchgeführt werden.However, it is also conceivable that the arrangement according to the invention for the impedance analysis of a battery pack is permanently installed in a battery system. In this case, the capacitor can always be electrically connected to the battery pack in normal operation of the battery pack or battery system, so that the voltage of the capacitor is at the same level as that of the battery pack. In this case, the impedance analysis can advantageously be carried out immediately following a driving cycle or charging cycle.
Vorzugsweise sind das erste und zweite Schaltelement als Halbleiterschalter ausgebildet. Beispielsweise können das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement als Feldeffekttransistoren ausgebildet sein und weisen jeweils einen SOURCE-Anschluss, einen DRAIN-Anschluss und einen GATE-Anschluss auf. Die Schaltelemente sind derart verschaltet, dass jeweils der erste Anschluss der SOURCE-Anschluss, der zweite Anschluss der DRAIN-Anschluss und der dritte Anschluss der GATE-Anschluss ist. Beispielsweise handelt es sich bei den Schaltelementen um MOSFETs, insbesondere um n-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp.The first and second switching elements are preferably in the form of semiconductor switches. For example, the first switching element and the second switching element can be in the form of field effect transistors and each have a SOURCE connection, a DRAIN connection and a GATE connection. The switching elements are interconnected in such a way that the first connection is the SOURCE connection, the second connection is the DRAIN connection and the third connection is the GATE connection. For example, the switching elements are MOSFETs, in particular n-channel MOSFETs of the enhancement type.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anordnung ferner eine Vorladeschaltung, wobei ein erster Anschluss der Vorladeschaltung elektrisch mit dem Knotenpunkt oder mit dem ersten Anschluss des ersten Schaltelements verbunden ist und ein zweiter Anschluss der Vorladeschaltung elektrisch mit einem der Pole des Batteriepacks verbindbar ist. Dabei ist der andere der Pole des Batteriepacks elektrisch mit dem ersten Anschluss des zweiten Schaltelements verbindbar. Mit der Vorladeschaltung kann ein Kondensator mit einer größeren Kapazität ausgewählt werden. Die Vorladeschaltung kann als ein MOSFET ausgebildet sein. Dabei wird der MOSFET in Linearbetrieb eingesetzt, der nach der Vorladung des Kondensators durchschaltet. Unter Linearbetrieb wird verstanden, dass der MOSFET im Sättigungsbereich betrieben wird. Dieser MOSFET kann im Falle eines Durchlegierens des zweiten Schaltelements auch als redundanter Abschalter verwendet werden, um im Fehlerfall einen dauerhaften Kurzschluss des Batteriepacks bzw. der Batteriezellen zu unterbinden. Die Vorladeschaltung kann auch aus einem zuschaltbaren Widerstand bestehen, der den Stromfluss in dem Kondensator reduziert.The arrangement according to the invention preferably also includes a precharging circuit, a first connection of the precharging circuit being electrically connected to the node or to the first connection of the first switching element and a second connection of the precharging circuit being electrically connectable to one of the poles of the battery pack. In this case, the other pole of the battery pack can be electrically connected to the first connection of the second switching element. With the pre-charge circuit, a capacitor with a larger capacity can be selected. The pre-charging circuit can be in the form of a MOSFET. The MOSFET is used in linear mode, which switches on after the capacitor has been precharged. Linear operation means that the MOSFET is operated in the saturation range. This MOSFET can fail if the second switching element can also be used as a redundant switch to prevent a permanent short circuit of the battery pack or the battery cells in the event of a fault. The pre-charging circuit can also consist of a switchable resistor that reduces the current flow in the capacitor.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anordnung ferner ein drittes Schaltelement. Dabei ist ein erster Anschluss des dritten Schaltelements elektrisch mit dem Knotenpunkt verbunden und ein zweiter Anschluss des dritten Schaltelements ist elektrisch mit einem der Pole des Batteriepacks verbindbar. Dabei ist der andere der Pole des Batteriepacks elektrisch mit dem ersten Anschluss des zweiten Schaltelements verbindbar. Dieses dritte Schaltelement kann, je nach Bauteileigenschalten, auch die Vorladung übernehmen.The arrangement according to the invention preferably also comprises a third switching element. In this case, a first connection of the third switching element is electrically connected to the node and a second connection of the third switching element can be electrically connected to one of the poles of the battery pack. In this case, the other pole of the battery pack can be electrically connected to the first connection of the second switching element. This third switching element can, depending on the component's own switching, also take over the pre-charging.
Vorzugsweise ist das dritte Schaltelement ebenfalls als ein Halbleiterschalter, wie beispielsweise ein Feldeffekttransistor, ausgebildet.Preferably, the third switching element is also designed as a semiconductor switch, such as a field effect transistor.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Anordnung ferner eine zusätzliche Induktivität. Dabei ist ein erster Anschluss der zusätzlichen Induktivität elektrisch mit dem Knotenpunkt verbunden oder, falls vorhanden, elektrisch mit dem zweiten Anschluss der Vorladeschaltung und/oder dem zweiten Anschluss des dritten Schalters verbunden. Ein zweiter Anschluss der zusätzlichen Induktivität ist dabei elektrisch mit einem der Pole des Batteriepacks verbindbar. Dabei ist der andere der Pole des Batteriepacks elektrisch mit dem ersten Anschluss des zweiten Schaltelements verbindbar.The arrangement according to the invention preferably also includes an additional inductance. In this case, a first connection of the additional inductance is electrically connected to the node or, if present, electrically connected to the second connection of the precharging circuit and/or the second connection of the third switch. A second connection of the additional inductance can be electrically connected to one of the poles of the battery pack. In this case, the other pole of the battery pack can be electrically connected to the first connection of the second switching element.
Es wird auch ein Batteriesystem vorgeschlagen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Batteriesystem umfasst dabei ein Batteriepack und eine erfindungsgemäße Anordnung.A battery system is also proposed. The battery system proposed according to the invention comprises a battery pack and an arrangement according to the invention.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Impedanzanalyse eines Batteriepacks unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung. Entsprechend gelten im Rahmen der Anordnung sowie des Batteriesystems beschriebene Merkmale für das Verfahren und umgekehrt gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale für die Anordnung sowie das Batteriesystem.A further aspect of the invention is the provision of a method for impedance analysis of a battery pack using the arrangement according to the invention. Accordingly, features described in the context of the arrangement and the battery system apply to the method and vice versa, features described in the context of the method apply to the arrangement and the battery system.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren umfasst nachfolgende Schritte:
- - Verbinden des Knotenpunkts elektrisch mit einem der Pole des Batteriepacks;
- - Verbinden des ersten Anschlusses des zweiten Schaltelements elektrisch mit dem anderen der Pole des Batteriepacks;
- - Erzeugen verschiedener modulierter Ströme durch Veränderung der Tastverhältnisse des ersten und zweiten Schaltelements, wobei die Anordnung derart angesteuert wird, dass während einer ersten Phase das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geschlossen ist, während einer zweiten Phase das erste Schaltelement geschlossen und das zweite
- - electrically connecting the node to one of the poles of the battery pack;
- - electrically connecting the first terminal of the second switching element to the other of the poles of the battery pack;
- - Generating different modulated currents by changing the duty cycle of the first and second switching element, the arrangement being controlled in such a way that during a first phase the first switching element is opened and the second switching element is closed, during a second phase the first switching element is closed and the second
Schaltelement geöffnet ist und während einer dritten Phase das erste Schaltelement geschlossen und das zweite Schaltelement geöffnet ist, und wobei die Anordnung derart angesteuert wird, dass die erste Phase, die zweite Phase und die dritte Phase zyklisch wiederholt werden;
- - Aufzeichnen eines Impedanzspektrum basierend auf den verschiedenen modulierten Strömen.
- - Recording an impedance spectrum based on the different modulated currents.
Während des Verfahrens wird somit ein LC-Schwingkreis, der auch als Resonanzkreis bezeichnet wird, durch das Batteriepack, die interne Induktivität und, falls vorhanden, die zusätzliche Induktivität sowie den Kondensator gebildet.During the process, an LC resonant circuit, which is also referred to as a resonant circuit, is formed by the battery pack, the internal inductance and, if present, the additional inductance and the capacitor.
Nach Verbindung der erfindungsgemäßen Anordnung mit dem Batteriepack sollte eine Vorladung des Kondensators erfolgen, um hohe Einschaltströme zu vermeiden und somit die Bauteile zu schützen. Bei kleineren Kapazitäten des Kondensators kann dies ggf. entfallen.After the arrangement according to the invention has been connected to the battery pack, the capacitor should be precharged in order to avoid high inrush currents and thus to protect the components. With smaller capacitor capacities, this may not be necessary.
Vorzugsweise wird die Anordnung derart angesteuert, dass während einer ersten Zwischenphase zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geöffnet ist. Denkbar ist auch, dass während einer zweiten Zwischenphase zwischen der dritten Phase und der ersten Phase das erste Schaltelement geöffnet und das zweite Schaltelement geöffnet ist. Mit der ersten und der zweiten Zwischenphase können hohe Verluste, die durch das Schließen und Öffnen der Schaltelemente entstehen, vermieden werden.The arrangement is preferably controlled in such a way that the first switching element is open and the second switching element is open during a first intermediate phase between the first phase and the second phase. It is also conceivable that the first switching element is open and the second switching element is open during a second intermediate phase between the third phase and the first phase. With the first and the second intermediate phase, high losses caused by the closing and opening of the switching elements can be avoided.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Impedanzanalyse eines Batteriepacks, die die erfindungsgemäße Anordnung umfasst und/oder die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei als ein separates Gerät zur Durchführung einer Impedanzanalyse eines beliebigen Batteriepacks eingesetzt bzw. an dem Batteriepack angebracht werden.The invention also relates to a device for impedance analysis of a battery pack, which includes the arrangement according to the invention and/or which is set up to carry out the method according to the invention. The device according to the invention can be used as a separate device for carrying out an impedance analysis of any battery pack or can be attached to the battery pack.
Ferner wird ein Fahrzeug vorgeschlagen, das die erfindungsgemäße Anordnung und/oder das erfindungsgemäße Batteriesystem umfasst und/oder das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.Furthermore, a vehicle is proposed that includes the arrangement according to the invention and/or the battery system according to the invention and/or which is set up to carry out the method according to the invention.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Impedanzanalyse innerhalb eines Batteriesystems. Die erfindungsgemäße Anordnung kann dabei innerhalb des Batteriesystem, insbesondere nahe dem Batteriepack installiert werden. Vorteilhalft können dadurch die Schaltelemente für kleinere Ströme ausgelegt werden.The present invention enables impedance analysis within a battery system. The arrangement according to the invention can be installed within the battery system, in particular close to the battery pack. As a result, the switching elements can advantageously be designed for smaller currents.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Impedanzanalyse im Nachlauf nach einem Fahrzyklus oder Ladezyklus durchgeführt werden.With the arrangement according to the invention, the impedance analysis can be carried out after a driving cycle or charging cycle.
Vorteilhaft können die bereits vorhandenen Teile des Batteriesystems und/oder der daran angeschlossenen elektrischen Verbraucher verwendet werden und dadurch die Kosten eingespart werden.The parts of the battery system that are already present and/or the electrical consumers connected to them can advantageously be used, thereby saving costs.
Figurenlistecharacter list
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings and the following description.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit einer erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform, -
2 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit einer erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform, -
3 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit einer erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einer dritten Ausführungsform, -
4 eine schematische Darstellung eines Batteriesystems mit einer erfindungsgemäßen Anordnung gemäß einer vierten Ausführungsform, -
5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Batteriesystems, -
6 eine schematische Darstellung des Batteriesystems während einer ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
7 eine schematische Darstellung des Batteriesystems während einer zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens und -
8 eine schematische Darstellung des Batteriesystems während einer dritten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 a schematic representation of a battery system with an arrangement according to the invention according to a first embodiment, -
2 a schematic representation of a battery system with an arrangement according to the invention according to a second embodiment, -
3 a schematic representation of a battery system with an arrangement according to the invention according to a third embodiment, -
4 a schematic representation of a battery system with an arrangement according to the invention according to a fourth embodiment, -
5 a schematic representation of a battery system according to the invention, -
6 a schematic representation of the battery system during a first phase of the method according to the invention, -
7 a schematic representation of the battery system during a second phase of the method according to the invention and -
8th a schematic representation of the battery system during a third phase of the method according to the invention.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.In the following description of the embodiments of the invention, the same or similar elements are denoted by the same reference symbols, with a repeated description of these elements being dispensed with in individual cases. The figures represent the subject matter of the invention only schematically.
Das Batteriepack 5 umfasst mehrere hier nicht dargestellte Batteriezellen, die innerhalb des Batteriepacks 5 sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltet sein können. Jede der Batteriezellen bildet eine elektrische Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand (nicht dargestellt) nach. Die elektrischen Spannungsquellen der Batteriezellen bilden eine interne Spannungsquelle Vi. Die Innenwiderstände der Batteriezellen und ein elektrischer Widerstand von elektrischen Leitungen bilden einen internen Widerstand Ri, Induktivitäten der elektrischen Leitungen und der Batteriezellen bilden eine interne Induktivität Li, die seriell mit dem internen Widerstand Ri verschaltet ist. Optional kann zusätzlich eine Spule mit einer zusätzlichen Induktivität vorgesehen sein. In diesem Fall bilden die Induktivitäten der elektrischen Leitungen und der Batteriezellen gemeinsam mit der Induktivität der Spule die interne Induktivität Li.The
Das Batteriepack 5 weist somit die interne Spannungsquelle Vi und die interne Induktivität Li auf. Das Batteriepack 5 weist ferner einen positiven Pol 22 und einen negativen Pol 21 auf. Im Leerlauf liegt eine von der internen Spannungsquelle Vi gelieferte Spannung zwischen dem positiven Pol 22 und dem negativen Pol 21 an. Vorliegend in
Die erfindungsgemäße Anordnung 60 umfasst dabei ein erstes Schaltelement 61, ein zweites Schaltelement 62, eine Vorladeschaltung 63, eine zusätzliche Induktivität Lz und einen Kondensator CA, welcher ein positives Terminal CA+ und ein negatives Terminal CA- umfasst, auf. Die Schaltelemente 61, 62 weisen jeweils drei Anschlüsse auf, wobei zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss eine Schaltstrecke gebildet ist, welche mittels eines dritten Anschlusses ansteuerbar ist.The
Das erste Schaltelement 61 und das zweite Schaltelement 62 sind vorliegend als Feldeffekttransistoren ausgebildet. Die Schaltelemente 61, 62 weisen jeweils einen SOURCE-Anschluss, einen DRAIN-Anschluss und einen GATE-Anschluss auf. Die Schaltelemente 61, 62 sind derart verschaltet, dass jeweils der erste Anschluss der SOURCE-Anschluss, der zweite Anschluss der DRAIN-Anschluss und der dritte Anschluss der GATE-Anschluss ist.In the present case, the
Bei den Schaltelementen 61, 62 handelt es sich vorliegend um n-Kanal-MOSFETs vom Anreicherungstyp. Die Schaltelemente 61, 62 weisen jeweils eine Schaltstrecke sowie eine parallel zu der Schaltstrecke geschaltete Inversdiode auf. Die Inversdiode, welche auch als Body-Diode bezeichnet wird, entsteht in jedem MOSFET aufgrund von dessen interner Struktur und ist kein explizites Bauteil.In the present case, the switching
Der erste Anschluss des ersten Schaltelements 61 ist mit einem Knotenpunkt 25 verbunden. Der zweite Anschluss des ersten Schaltelements 61 ist mit dem positiven Terminal CA+ des Kondensators CA verbunden. Der erste Anschluss des zweiten Schaltelements 62 ist mit dem negativen Pol 21 des Batteriepacks 5 und mit dem negativen Terminal CA- des Kondensators CA verbunden. Der zweite Anschluss des zweiten Schaltelements 62 ist mit dem Knotenpunkt 25 verbunden. Der Knotenpunkt 25 ist dabei über die Serienschaltung von der zusätzlichen Induktivität Lz und der Vorladeschaltung 63 mit dem positiven Pol 22 des Batteriepacks 5 verbunden. Die Vorladeschaltung 63 kann dabei als ein MOSFET ausgebildet sein. Dabei wird der MOSFET in Linearbetrieb eingesetzt, der nach der Vorladung des Kondensators CA durchschaltet.The first connection of the
Mittels der positiven Klemme 12 und der negativen Klemme 11 kann das Batteriesystem 10 mit elektrischen Verbrauchern, wie beispielsweise einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, verbunden sein. Während der Impedanzanalyse sollte das Batteriesystem 10 jedoch von elektrischen Verbrauchern getrennt werden.By means of the
Die erfindungsgemäße Anordnung 60 kann dabei innerhalb des Batteriesystem 10, insbesondere nahe dem Batteriepack 5 installiert werden. Vorteilhalft können die Schaltelemente 61, 62 für kleinere Ströme ausgelegt werden. In diesem Fall kann der Kondensator CA andauernd mit dem Batteriepack 5 in Normalbetrieb des Batteriepacks 5 oder Batteriesystems 10 elektrisch verbunden sein, so dass sich die Spannung des Kondensators CA auf demselben Niveau wie die des Batteriepacks 5 befindet. Vorteilhaft kann die Impedanzanalyse in diesem Fall sofort im Nachlauf nach einem Fahrzyklus oder Ladezyklus durchgeführt werden.The
Die Darstellungen des Batteriesystems 10 von
Das dritte Schaltelement 64 übernimmt dabei zusammen mit dem ersten Schaltelement 61 die Aufgabe des Trennschalters 14, der in
Bei dem Kondensator CA handelt es sich beispielsweise um einen Zwischenkreiskondensator, welcher elektrisch mit einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Das Batteriepack 5 kann einen weiteren Kondensator aufweisen, welcher dann zusammen mit dem Zwischenkreiskondensator den Kondensator CA bildet.The capacitor CA is, for example, an intermediate circuit capacitor which is electrically connected to an on-board network of a motor vehicle. The
Die Vorladeschaltung 63 kann dabei parallel zu dem dritten Schaltelement 64 geschaltet, siehe
Die erfindungsgemäße Anordnung 60, die in
Die erfindungsgemäße Anordnung 60 umfasst dabei, gleich wie
Das Batteriepack 5 umfasst auch mehrere hier nicht dargestellte Batteriezellen, die innerhalb des Batteriepacks 5 sowohl seriell als auch parallel miteinander verschaltetet sein können. Jede der Batteriezellen bildet eine elektrische Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand nach. Die elektrischen Spannungsquellen der Batteriezellen bilden eine interne Spannungsquelle Vi. Die Innenwiderstände der Batteriezellen und ein elektrischer Widerstand von elektrischen Leitungen bilden einen internen Widerstand Ri. Induktivitäten der elektrischen Leitungen und der Batteriezellen bilden eine interne Induktivität Li. Optional kann zusätzlich eine Spule mit einer zusätzlichen Induktivität vorgesehen sein. In diesem Fall bilden die Induktivitäten der elektrischen Leitungen und der Batteriezellen gemeinsam mit der Induktivität der Spule die interne Induktivität Li.The
Die erfindungsgemäße Anordnung 60 weist ein erstes Schaltelement 61, ein zweites Schaltelement 62 und eine Vorladeschaltung 63 auf. Dabei sind das erste und zweite Schaltelement 61, 62 jeweils als ein MOSFET ausgebildet. Vorliegend in
Nach Ende der ersten Phase wird das zweite Schaltelement 62 geöffnet und es beginnt eine erste Zwischenphase, in welcher das erste Schaltelement 61 und das zweite Schaltelement 62 geöffnet sind. Nach Ende der ersten Zwischenphase wird das erste Schaltelement 61 geschlossen und es beginnt eine zweite Phase.After the end of the first phase, the
Nach Ende der dritten Phase wird das erste Schaltelement 61 geöffnet und es beginnt eine zweite Zwischenphase, in welcher das erste Schaltelement 61 und das zweite Schaltelement 62 geöffnet sind. Nach Ende der zweiten Zwischenphase wird das zweite Schaltelement 62 geschlossen und es beginnt eine weitere erste Phase.After the end of the third phase, the
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the exemplary embodiments described here and the aspects highlighted therein. Rather, within the range specified by the claims, a large number of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 2014/0268959 A1 [0004]US 2014/0268959 A1 [0004]
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US20140268959A1 (en) | 2013-03-14 | 2014-09-18 | Engineered Electric Company | Bidirectional power converter |
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2021
- 2021-11-02 DE DE102021212316.3A patent/DE102021212316A1/en active Pending
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