用于确定电池的至少一个单体的状态的方法和数据处理系统与流程

1.本发明涉及一种用于确定电池、尤其高压电池的单体的状态的方法。尤其地，该方法旨在确定单体的状态(在考虑到同一电池的其它单体的状态的情况下)。


背景技术：

2.这种高压单体尤其在机动车中用于存储用于驱动牵引驱动装置的电能。在此，电池通常由多个单体组成，其中，每个单体具有1.5至4伏特的端电压。单体至少部分串联，从而提供60至1500伏特直流电压的牵引电压。
3.由于当前和未来的立法，需要在机动车的运行中检测电池或单体的状态。尤其地，通过确定单体的状态，可以进行故障早期识别和服务早期识别，从而避免单体或电池在运行中的故障，并且可以进行单体或电池的及时更换。
4.高压电池例如从下方的损坏不能以电子的方式识别。由此，不能就单体的可能的损坏而警告机动车的使用者。
5.所谓的热传播很晚才被识别到。目前不存在对有缺陷的单体(在其中在单体最终开始燃烧之前，内部温度升高)的早期识别或直接温度测量。可行的是，未来将有立法要求就危险早期警告使用者。
6.目前不能在机动车中测量单体内部温度。取而代之，间接测量单体模块温度，即多个单体的温度。这种通过测量单体模块温度来间接测量单体的温度是不利的，因为单体的内部温度的变化仅非常时间延迟地被感测到。
7.一种用于确定单体内部温度的方法是所谓的阻抗谱法(impedanzspektroskopie)。在阻抗谱法中，评估电流和电压的相关系并因此确定单体电阻的实部或虚部。这通过附入的(或外加的，即eingepr
ä
gten)电流的频率响应从极低频率(0.1hz)穿越直到较大频率(10khz)来实现。该方法需要许多时间，并且从单体中获取许多能量来附入电流。此外，由机动车的消耗器(或负载，即verbraucher)产生的干扰强烈起作用并歪曲测量信号。电压和电流的测量结果通过复杂的算法进行评估。在此，然后能推断出例如单体内部温度的绝对值。该方法对干扰非常敏感，并且目前仅在实验室条件下使用。
8.由de 197 55 417 a1已知一种用于确定复阻抗的评估电路。该评估电路用于分析液体的特性。
9.由de 10 2014 222 950 a1已知一种锂空气电池。
10.由de 10 2014 202 927 a1已知一种用于运行电池设备的方法。在此，确定各个单体的功率状态。确定并停用最弱的单体，从而减缓其因使用的老化。


技术实现要素：

11.本发明的目的是至少部分地解决参考现有技术列举的问题。尤其地，应提出一种用于确定电池的单体的状态的方法。尤其地，应因此在机动车的运行中尽早识别损坏的单体并且应降低或防止机动车的使用者的危险。
12.具有根据专利权利要求1的特征的方法有助于实现这些目的。有利的改进方案是从属专利权利要求的主题。在专利权利要求中单独列出的特征可以以技术上有意义的方式相互组合，并且可以通过来自说明书的阐述性事实和/或来自附图的细节来补充，其中，阐明了本发明的另外的实施例变型方案。
13.提出了一种用于确定电池的至少一个单体的状态的方法，其中，电池具有多个彼此串联的单体。该方案至少包括以下步骤：a) 以交流电流加载多个单体；b) 在至少一个第一单体和一个第二单体处测量由此产生的交流电压；c) 分析每个单体的测量到的交流电压的相位；其中，至少在第一单体处测量到的第一交流电压的第一相位和在第二单体处测量到的第二交流电压的第二相位之间的差别(或称为区别，即unterschied)产生对至少所述第一单体和第二单体的状态的差别的推断。
14.方法步骤的以a)至c)的上述(非详尽的)划分应主要仅用于区别并且不强制顺序和/或依赖性。各个方法步骤的频率也可以变化。同样可能的是，方法步骤在时间上至少部分地相互重叠。非常特别优选地，方法步骤b)和c)在步骤a)期间进行。步骤c)可以是有条件的，并且必要时仅在步骤b)表明测量到的交流电压不具有相移时才执行。尤其地，步骤a)至c)以所列举的顺序来执行。
15.尤其地，在此描述的、也称为“差分测量阻抗谱法”的方法中，仅确定单体电阻的虚部相对于彼此的差别。尤其地，在此不评估电流和电压之间的相关系，而是仅评估单体处测量到的交流电压相对于彼此的相位或相关系。电流信号的可能干扰同时地并以相同大小对电池的所有单体或串联的单体产生作用，并且在此作为共模分量(gleichtaktanteil)不被测量。利用该方法，仅测量和评估单体电阻的虚部相对于彼此的变化。
16.根据步骤a)，将例如具有大于1hz[赫兹]、尤其在1hz和10khz之间、优选在10hz和10khz之间、特别优选100hz的频率的交流电流附入到电池的单体中。
[0017]
根据步骤b)，在电池的各个单体处、尤其在电池的选出单体或所有单体处测量如此产生的交流电压。
[0018]
根据步骤c)，例如电子地评估测量到的交流电压相对于彼此的相关系。尤其地，每个测量到的交流电压的相应相位被检测并且与其它交流电压的相位被比较。可以借助于(可调用和/或预设的)极限值、阈值、接受范围、经验值、特性图等对相位的差别进行分类，从而实现推断出所测试的单体中的至少一个的状态。推断可以包括针对至少一个单体的潜在或即将发生的故障的必要性、单体的(现有的或预期的)损坏、关于至少一个单体的(补充的)服务必需性等的概率值。分析或评估可以在使用数据处理器件的情况下纯粹以计算的方式进行。然后这些数据处理器件也可以输出关于推断的信息。
[0019]
尤其地，在该方法的范畴内，仅测量单体的贴靠在单体处的交流电压。
[0020]
尤其地，频率可以具有1hz和10khz之间的任意值。尤其地，交流电流可以具有恒定的或变化的频率。尤其地，交流电流也可以仅具有一个周期长度。
[0021]
尤其地，分别通过带通过滤单体处测量到的交流电压，并且通过具有比较器的放大器改变如此分别产生的信号。分别由具有比较器的放大器改变的信号在相探测器(或称为相位探测器，即phasendetektor)中汇集。测量到的交流电压的相移可以通过第一输出信号呈现。
[0022]
利用带通可以检测与所施加的交流电流相关联的且在单体处由此引起的交流电压。因此，带通尤其实现检测具有交流电流的频率的交流电压。如此尤其地，不检测或摒弃其它频率的直流电压分量和交流电压。
[0023]
尤其地，具有比较器的放大器提供经改变的信号，使得测量到的并由带通过滤的交流电压通过矩形信号呈现。如果相对于其它交流电压存在相移，则这通过矩形信号沿时间轴的移位变得清楚。
[0024]
尤其地，由具有比较器的放大器改变的信号被呈现为第二输出信号，从而可呈现哪个交流电压或哪些交流电压相对于其它交流电压具有相移。
[0025]
一旦单体电阻的虚部彼此不同并因此产生单体处测量到的交流电压的相移，就尤其通过第一输出信号产生矩形信号。这允许推断出单体的差别，例如推断出在热传播开始时的温度升高。矩形信号的时间长度尤其与差别(即例如温度差)的强度成比例或相等。
[0026]
如果机动车(在其处尤其所有单体温度相同)的行驶开始时测量或确定第一输出信号的矩形信号，则可以假设至少一个单体是有缺陷的。原因可以是时间上前置的损坏事件，例如电池的通过系柱从机动车的下侧来的压入或严重老化的单体。
[0027]
如果单体附近的单体温度的绝对值例如利用温度传感器来测量，然后每个单个交流电压的相位(其在第二输出信号处可辨识)可实现推断出相应的单体内部温度。利用该附加信息可以后置地更精确地确定soc(单体的和必要时附加地电池的state-of-charge，即单体的和必要时附加地电池的充电状态)或soh(state-of-health，即单体的老化状态)。
[0028]
输出信号可以由评估单元评估。
[0029]
尤其地，可以测量所有单体相对于彼此的交流电压，或者针对多个(例如6个或12个，...)单体的单体堆垛分别使用电路单元来确定单体堆垛的交流电压。这尤其有利于构造具有单体模块或单体堆叠的高压电池，因为单体堆垛通常不超过60伏特的最大电压。
[0030]
尤其地，利用所提出的方法可以确定单体之间的温度差、各个单体的机械损坏或显著老化现象。
[0031]
对于执行该方法所需的电路可以集成到电池的控制装置中或单独实施，例如作为application-specific integrated circuit-asic，即专用集成电路。
[0032]
尤其地，分别通过带通过滤单体处测量到的交流电压，并且通过放大器改变如此分别产生的信号。分别经改变的信号(分别)被供应给以参考电压信号加载的锁定放大器(或称为锁相放大器，即lock-in-verst
ä
rker)，其中，(相应的)锁定放大器针对每个测量到的交流电压输出直流电压，其相应的水平至少与测量到的交流电压和参考电压信号之间的相移成比例。
[0033]
尤其地，放大器提供经改变的信号，使得测量到的并由带通过滤的交流电压通过矩形信号呈现。
[0034]
尤其地，参考电压信号同样是矩形信号。
[0035]
尤其地，参考电压信号具有与所施加的交流电流相同的频率。
[0036]
尤其地，锁定放大器是用于测量弱电气交变信号的放大器，该交变信号利用在频率和相(或相位，即phase)方面已知的参考信号调制。该器具是窄带带通滤波器，并且由此改善了信号噪声比(snr, signal to noise ratio)。
[0037]
(相应的)锁定放大器的两个输入信号(即一方面为测量到的交流电压和另一方面
为参考电压信号，所述交流电压在带通中被过滤并通过放大器转换成经改变的信号)在混合器或乘法器中彼此相乘，并且随后在低通中积分。低通实现摒弃输入信号相乘时产生的高频率的信号。
[0038]
尤其地，锁定放大器针对单体的经改变的信号和参考电压信号之间的固定相移计算经改变的信号和参考电压信号之间的交叉相关(kreuzkorrelation)。不同频率的信号的交叉相关为零。因此，如果经改变的信号的频率与参考电压信号的频率不同，则锁定放大器不提供输出信号。仅对相同频率，交叉相关提供不等于零的值和因此锁定放大器的输出信号中的量。因此，通过选择参考电压信号的合适频率可以确定每个单体的经变化的信号和用于所有单体的参考电压信号之间的相移。
[0039]
锁定放大器针对每个单体提供直流电压信号，其值提供测量到的交流电压相对于参考电压信号的相位的说明。
[0040]
单体的与其它单体的其它直流电压信号有偏差的直流电压信号意味着，在此存在相移并且单体有可能是有损的。
[0041]
彼此无偏差的直流电压信号表明，不存在相移并且单体中的没有一个是有缺陷的。
[0042]
尤其地，直流电压信号分别被供应到模拟-数字转换器并在那被转换成数字输出信号。该数字输出信号可以供应给评估单元并在其中被评估。
[0043]
尤其地，参考电压信号具有所施加的交流电流的频率。但尤其地，参考电压信号的相位相对于所施加的交流电流的相位不稳定。因此，单体的交流电压可以随时间相对于参考电压信号但不相对于彼此(即相对于其它单体)变化。
[0044]
一旦单体的单体电阻的虚部变化，例如在热传播开始时的温度升高，该单体就在任何时候都具有与其它单体不同的交流电压或不同的相位。
[0045]
尤其地，参考电压信号在频率和相位方面与电池的单体的由带通过滤的信号相对应。
[0046]
因此，参考电压信号尤其可以与单体、尤其无缺陷的单体的测量到的交流电压具有共同的相位。
[0047]
尤其地，参考电压信号从单体的测量到的交流电压的经带通过滤的信号中生成。该信号通过放大器转换成经变化的信号并用作参考电压信号。
[0048]
尤其地，单体的用于参考电压信号的并由带通过滤的信号在其相位方面被移位，从而其作为单体的经相移的信号形成锁定放大器的参考电压信号。
[0049]
尤其地，设置有移相器，利用该移相器可以使参考电压信号在相位方面移位。利用移相器可以改变参考电压信号的相位并且如此仅放大电压(和因此电阻)的虚部。由此，可以改善地调整单体的交流电压之间的电压差。
[0050]
尤其地，分别通过带通过滤单体处测量到的交流电压，并且通过放大器改变如此分别产生的信号，其中，两个单体的分别经改变的信号被供应给差分放大器。每个单体分别经由差分放大器与每个其它串联连接的单体连接。差分放大器仅在两个单体的经改变的信号之间存在相移时才产生测量信号。
[0051]
尤其地，串联地相继布置的单体分别经由差分放大器分别与前置单体以及后置单体连接。
[0052]
该测量信号可以被供应给模拟-数字转换器并在那转换成数字输出信号。该数字输出信号可以供应给评估单元并在其中被评估。
[0053]
此外，提出了一种数据处理系统，其配备、配置或编程用于执行所描述的方法，其中，数据处理系统处理和相互比较电池的多个单体处测量到的交流电压的相位。
[0054]
此外，该方法也可以由计算机或利用控制单元的处理器来实施。
[0055]
该方法尤其可以在控制器或控制单元中实现，其中，控制器至少设置用于诊断电池，必要时还用于运行电池。
[0056]
电池可以在机动车中使用以存储能量，其中，经由电池向机动车的至少一个牵引驱动装置供给以电能。
[0057]
尤其提出了一种具有牵引驱动装置和所描述的电池以及数据处理系统的机动车。
[0058]
可以设置有一种包括指令的计算机可读存储介质，所述指令在由计算机/处理器执行时促使该计算机/处理器实施该方法或所提出的方法的步骤的至少一部分。
[0059]
尤其地，关于方法的阐述可以转用到机动车、电池和/或计算机实现的方法(即计算机或处理器、数据处理系统、计算机可读存储介质)，并且反之亦然。
[0060]
尤其地，对于所提出的方法或数据处理系统不需要电流激励和电压测量之间的同步线路，因为不需要相对于电流的相位。
[0061]
尤其地，适合用于执行该方法的电路或数据处理系统对于干扰是鲁棒的。
[0062]
尤其地，不需要附加的智能(μc)来评估利用该方法确定的测量值。
[0063]
用于执行该方法的时间或其中施加了交流电流的时间非常短，例如最高一秒、尤其少于两秒。因此可以确保从至少一个单体或电池中仅提取很少的能量。
[0064]
为了施加交流电流，可以使用已经在机动车中存在的消耗器，例如hv加热器、脉冲逆变器或加热垫操控装置。电驱动装置的变化电流同样可以用作信号源。
[0065]
不定冠词(“一”、“一个”、“一种”)的使用，尤其在专利权利要求和反映它们的说明书中，应理解为本身而不是数词。相应因此引入的术语或部件因此应如此理解，即它们存在至少一次并且尤其但也可以存在多次。
[0066]
为谨慎起见应注意，在此使用的数词(“第一”、“第二”、...)主要(仅)用于区分多个同类的对象、参量或过程，即尤其不强制性预设这些对象、参量或过程相对于彼此的依赖性和/或顺序。如果应需要依赖性和/或顺序，则这在此明确说明或者在研究具体描述的设计方案时对于本领域技术人员来说是显而易见的。只要构件可以出现多次(“至少一个”)，关于这些构件中的一个的描述就可以同样适用于这些构件中的全部或多数中的部分，但这不是强制性的。
附图说明
[0067]
下面借助附图更详细地阐释本发明以及技术环境。应该指出的是，本发明不应受限于所列举的实施例。尤其地，除非另有明确说明，否则也可以提取附图中阐释的事实的部分方面并将其与本说明书中的其它组成部分和认识组合。尤其应该指出的是，附图和尤其所呈现的尺寸比仅是示意性的。其中：图1示出了图表；图2示出了第一电路；
图3示出了第二电路；图4示出了第三电路；以及图5示出了第四电路。
具体实施方式
[0068]
图1示出了图表。交流电流5和交流电压6,7绘制在竖直轴处。时间33绘制在水平轴处。示出了交流电流5和第一交流电压6的走向。第一交流电压6包括虚部31和实部32。虚部31相对于实部32具有相移20。
[0069]
用于直接测量单体内部温度的方法是所谓的阻抗谱法。在阻抗谱法中，评估电流5和电压6,7之间的相关系，并且因此确定单体电阻的实部32或虚部31。这通过附入电流5的频率响应从极小频率(0.1hz)穿越直到较大频率(10khz)来实现。该方法需要许多时间，并且从单体1,2,3中提取许多能量来附入电流5。此外，由机动车的消耗器产生的干扰产生强烈起作用并歪曲测量信号。电压6和电流5的测量结果通过复杂算法进行评估。在此，然后可以推断出例如单体内部温度的绝对值。该方法对干扰非常敏感，并且目前仅在实验室条件下使用。
[0070]
在此描述的、也称为“差分测量阻抗谱法”的方法中，仅确定单体电阻的虚部31相对于彼此的差别。尤其地，在此不评估电流5和电压6之间的相关系，而是仅评估单体1,2,3处测量到的交流电压6,7相对于彼此的相位8,9或相关系。电流信号的可能干扰同时地并以相同大小对电池4的所有单体1,2,3或串联的单体1,2,3起作用，并且在此作为共模分量不被测量。利用该方法，仅测量和评估单体电阻的虚部31相对于彼此的变化。
[0071]
图2至图5中所示的电路41,42,43,44是数据处理系统，其适合于执行该方法地实施。相应参考关于图1的阐述。
[0072]
图2示出了第一电路41。第一电路41实现用于确定电池4的至少一个单体1,2,3的状态的方法的执行，其中，电池4具有彼此串联的多个单体1,2,3,...至n。根据步骤a)，进行多个单体1,2,3以交流电流5的加载。根据步骤b)，在至少一个第一单体1和一个第二单体2处(以及在另外的单体处，例如第三单体3至单体n处)进行由此产生的交流电压6,7的测量。根据步骤c)，进行每个单体1,2,3的测量到的交流电压6,7的相位8,9的分析。至少在第一单体1处测量到的第一交流电压6的第一相位8和在第二单体2处测量到的第二交流电压7的第二相位9之间的差别实现对至少所述第一单体1和第二单体2的状态的差别的推断。
[0073]
根据步骤a)，将例如具有频率10的交流电流5附入到电池4的单体1,2,3中。为此，电路具有开关35和由所施加的交流电流5运行的消耗器34。
[0074]
分别通过带通11过滤单体1,2,3处测量到的交流电压6,7，并且由具有比较器的放大器15改变如此分别产生的信号12,13,14。第一信号12是经带通过滤的第一交流电压6，其具有第一相位8并且在第一单体1处测量到。第二信号13是经带通过滤的第二交流电压7，其具有第二相位9并且在第二单体2处测量到。第三信号14是第三单体3的相应经过滤的交流电压。分别由具有比较器的放大器15改变的信号16,17,18在相探测器19中汇集。第一经改变信号16基于第一信号13，第二经改变信号17基于第二信号13，并且第三经改变信号18基于第三信号14。测量到的交流电压6,7的相移20可以通过第一输出信号21呈现。
[0075]
利用带通11可以检测应与所施加的交流电5相关联的并在单体1,2,3处由此引起
的交流电压6,7。因此，带通11实现检测具有交流电流5的频率10的交流电压6,7。
[0076]
具有比较器的放大器15提供经修改信号16,17,18，使得测量到的并由带通11过滤的交流电压6,7通过矩形信号呈现。如果相对于其它交流电压7,6存在相移20，则这通过矩形信号沿时间轴的移位变得清楚(参见图表中的第一输出信号21的图示)。
[0077]
由具有比较器的放大器15改变的信号16,17,18被呈现为第二输出信号22，从而可呈现哪个交流电压6,7或哪些交流电压6,7相对于其它交流电压7,6具有相移20。
[0078]
一旦单体电阻的虚部31不同并因此产生单体1,2,3处测量到的交流电压6,7的相移20，就通过第一输出信号21产生矩形信号。这允许推断出单体1,2,3的差别，例如推断出在热传播开始时的温度升高。矩形信号的时间长度尤其与差别(即例如温度差)的强度成比例或相等(参见图表中的第一输出信号21的图示，上部图表示出了没有可识别的第一输出信号21，下部图表示出了指示存在相移20的矩形的第一输出信号21)。
[0079]
输出信号21,22由评估单元36评估。
[0080]
图3示出了第二电路42。参考关于图2的阐述。与第一电路41不同，分别经改变的信号16,17,18被供应给以参考电压信号24加载的锁定放大器23，其中，锁定放大器23针对每个测量到的交流电压6,7输出直流电压25,26，其相应的水平至少与测量到的交流电压6,7和参考电压信号24之间的相移20成比例。
[0081]
放大器15提供经改变的信号16,17,18，使得测量到的并由带通11过滤的交流电压6,7通过矩形信号呈现。
[0082]
参考电压信号23同样是矩形信号。参考电压信号23具有与所施加的交流电流5相同的频率10。
[0083]
锁定放大器23是用于测量弱电气交变信号(在此为经改变的信号16,17,18)的放大器，所述交变信号利用在频率10和相位方面已知的参考电压信号24调制。该器具是窄带带通滤波器，并且由此改善了信号噪声比(snr, signal to noise ratio)。
[0084]
相应的锁定放大器23的两个输入信号(即一方面为测量到的交流电压6,7和另一方面为参考电压信号24，所述交流电压在带通11中被过滤并且通过放大器15转换成经改变的信号16,17,18)在混合器37或乘法器中彼此相乘，并且随后在低通38中积分。低通38实现摒弃在输入信号相乘时产生的较高频率10的信号。
[0085]
相应的锁定放大器23针对单体1,2,3的经改变的信号16,17,18和参考电压信号24之间的固定相移20计算经改变的信号16,17,18和参考电压信号24之间的交叉相关。锁定放大器23针对每个单体1,2,3提供直流电压信号25,26，在此针对第一单体1提供第一直流电压信号25，并且针对第二单体2提供第二直流电压信号26，其值提供关于测量到的交流电压6,7相对于参考电压信号24的相位8,9的说明。
[0086]
单体1,2,3的与其它单体3,2,1的其它直流电压信号26,25有偏差的直流电压信号25,26意味着，在此存在相移20并且单体1,2,3有可能是有损的。
[0087]
彼此无偏差的直流电压信号25,26表明，不存在相移20并且单体1,2,3中的没有一个是有缺陷的。
[0088]
直流电压信号25,26分别被供应给模拟-数字转换器39并在那被转换成数字输出信号。该数字输出信号被供应给评估单元36并在其中被评估。
[0089]
图4示出了第三电路43。参考关于图2至图3的阐述。与第二电路42不同，参考电压
信号24在频率10和相位8,9方面与电池4的第一单体1的由带通11过滤的信号相对应。参考电压信号24因此可以与第一单体1的测量到的第一交流电压6具有共同的第一相位8。
[0090]
参考电压信号24从第一单体1的测量到的第一交流电压6的经带通过滤的第一信号12中生成。该第一信号12通过放大器15转换成经改变的信号并用作参考电压信号24。第一单体1的用于参考电压信号24的并由带通11过滤的第一信号12在其相位20方面被移位，使得其作为第一单体1的经相移的信号27形成锁定放大器23的参考电压信号24。
[0091]
为此，设置有移相器40，利用该移相器可以使参考电压信号24在相位8,9方面移位。利用移相器40可以改变参考电压信号24的相位8,9并且如此仅放大电压(和因此电阻)的虚部31。
[0092]
图5示出了第四电路44。参考关于图2至图4的阐述。与第二电路42不同，两个单体(在此第一单体1和第二单体2以及第二单体2和第三单体3)的分别经改变的信号16,17,18被分别供应给差分放大器28。每个单体1,2,3分别通过差分放大器28与每个其它的通过串联连接的单体3,2,1连接。仅当分别经由差分放大器28连接的两个单体1,2,3的经改变的信号16,17,18之间存在相移20时，那么相应的差分放大器28才产生测量信号29。
[0093]
该测量信号29被供应给模拟-数字转换器39并在那被转换成数字输出信号。这些数字输出信号被供应给评估单元36并在其中被评估。
[0094]
附图标记列表1 第一单体2 第二单体3 第三单体4 电池5 交流电流6 第一交流电压7 第二交流电压8 第一相位9 第二相位10 频率11 带通12 第一信号13 第二信号14 第三信号15 放大器16 第一经改变信号17 第二经改变信号18 第三经改变信号19 相探测器20 相移21 第一输出信号22 第二输出信号
23 锁定放大器24 参考电压信号25 第一直流电压26 第二直流电压27 经相移的信号28 差分放大器29 测量信号30 数据处理系统31 虚部32 实部33 时间34 消耗器35 开关36 评估单元37 混合器38 低通39 转换器40 移相器41 第一电路42 第二电路43 第三电路44 第四电路。