(57)【要約】  本発明は、とりわけトラクションバッテリーであるバッテリー（１）のバッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を求めるための方法および装置に関し、制御可能なモータ／ジェネレータ（２）へ該バッテリー（１）からエネルギーが流れるかまたは該モータ／ジェネレータ（２）から該バッテリー（１）へエネルギーが流れるように、該バッテリー（１）は該モータ／ジェネレータ（２）に接続されている。前記方法は、前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分を変調するステップと、該モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分の変調中の、前記バッテリーセル（１ａ）における電圧変化と、該バッテリーセル（１ａ）に流れる電流の変化とを求めるステップと、該電圧変化と該電流の変化との商として、該バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を算出するステップと、を有する。本発明では、前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分を変調するための制御ユニット（４）と、該モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分の変調中の、前記バッテリーセル（１ａ）における電圧変化と、該バッテリーセル（１ａ）に流れる電流の変化とを求めるための測定ユニットまたは問い合わせユニットと、該電圧変化と該電流の変化との商として該バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を算出するための計算ユニット（６）とが設けられている。
2013513787.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能なモータ／ジェネレータ（２）へバッテリー（１）からエネルギーが流れるかまたは該モータ／ジェネレータ（２）から該バッテリー（１）へエネルギーが流れるように該モータ／ジェネレータ（２）に接続された該バッテリー（１）のバッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を求める方法であって、
前記バッテリー（１）はとりわけトラクションバッテリーである、方法において、
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分を変調するステップと、
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分の変調中の、前記バッテリーセル（１ａ）における電圧変化と、該バッテリーセル（１ａ）に流れる電流の変化とを求めるステップと、
前記電圧変化と前記電流の変化との商として、前記バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を算出するステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記モータ／ジェネレータ（２）が無負荷動作状態にある場合に、該モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分の変調を行う、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分を変調するために、該モータ／ジェネレータ（２）の磁化を増大および／または減少させる、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を求める間の該バッテリーセル（１ａ）のセル温度と、該バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を求める間の該バッテリーセル（１ａ）の充電状態とに対する、該内部抵抗の既知の依存関係に基づき、該バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗の、経時変化に依存する増大量を求めるステップを有する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記モータ／ジェネレータ（２）は回転磁界機であり、
前記回転磁界機は有利には、パルスインバータ（３）を介して動作する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
制御可能なモータ／ジェネレータ（２）へバッテリー（１）からエネルギーが流れるかまたは該モータ／ジェネレータ（２）から該バッテリー（１）へエネルギーが流れるように該モータ／ジェネレータ（２）に接続された該バッテリー（１）のバッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を求めるための装置であって、
前記バッテリー（１）はとりわけトラクションバッテリーである装置において、
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分を変調するための制御ユニット（４）と、
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分の変調中の、前記バッテリーセル（１ａ）における電圧変化と、該バッテリーセル（１ａ）に流れる電流の変化とを求めるための測定ユニットまたは問い合わせユニット（５）と、
前記電圧変化と前記電流の変化との商として、前記バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を算出するための計算ユニット（６）と
を有することを特徴とする装置。
【請求項７】
前記装置は、
前記内部抵抗を求める間の前記バッテリーセル（１ａ）のセル温度と、該内部抵抗を求める間の該バッテリーセル（１ａ）の充電状態とに対する、該内部抵抗の依存関係を記憶するテーブル（７）と、
前記バッテリーセル（１ａ）の求められた内部抵抗に基づき、前記テーブル（７）を呼び出すことにより、該バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗の、経時変化に依存する増大量を求める、評価ユニット（８）と
を有する、
請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記モータ／ジェネレータ（２）は回転磁界機であり、
前記回転磁界機は有利には、パルスインバータ（３）を介して動作する、
請求項６または７記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
先行技術
本発明は、請求項１および６の上位概念に記載された、例えばトラクションバッテリーであるバッテリーのバッテリーセルの内部抵抗を求める方法および装置に関する。
【０００２】
将来的には、たとえば風力発電設備等の定置型での用途でも、またたとえばハイブリッド車や電気自動車等である車両においても、ますます多くの新規のバッテリーシステムが使用されるようになることが分かっている。本願明細書においてバッテリーおよびバッテリーシステムという用語は、通常の慣用的な用法に合わせて、蓄電池ないしは蓄電池システムを意味する用語として使用される。
【０００３】
従来技術によるバッテリーシステムの基本的な機能的構成を図２に示す。バッテリーシステムによって所要の電力データおよびエネルギーデータを得るため、バッテリーセル１において個々のバッテリーセル１ａを直列接続し、また部分的には付加的に並列接続する。バッテリーセル１ａとバッテリーシステムの極との間には、いわゆるセーフティ＆ヒューズユニット１６が設けられており、このユニットは、例えば、外部システムにバッテリー１を接続および遮断しまた許容範囲外の高電流および電圧に対してバッテリーシステムを保護する役割とを担い、また例えば、バッテリーケーシングを開けた際にバッテリーシステム極からバッテリーセル１ａを一方の極側で分離する安全機能を提供する。別の機能ユニットはバッテリーマネジメント部１７を構成しており、このバッテリーマネジメント部１７により、バッテリー状態識別１７ａの他に、別のシステムとの通信ならびにバッテリー１の温度管理が実行される。
【０００４】
図２に示した機能ユニットであるバッテリー状態識別部１７ａの役割は、バッテリー１の実際の状態を求めること、並びにバッテリー１の将来の振舞いを予想すること、例えば寿命の予想および／または一充電走行距離の予想を行うことである。この将来の振舞いの予想は、予測とも称される。モデルベースのバッテリー状態識別部の基本的構成を図３に示す。同図に示したモデルベースのバッテリー状態識別およびバッテリー状態予測は、公知のようにオブザーバ１７ｂおよびバッテリーモデル１７ｃを用い、バッテリー１の電気的な量であるバッテリー電流およびバッテリー電圧と温度とを評価することに基づく。上記のバッテリー状態識別は、バッテリー１の個々のセル１ａごとに行われ、この場合にこれは、各セルに対応するセル電圧、セル電流ならびにセル温度に基づいて行われる。また、バッテリー１全体のバッテリー状態識別を行うことも可能である。この場合にこれは（精度に対する要求に応じて）バッテリー１の個々のセル１ａの状態を評価し、個々のセル１ａの状態のこの評価結果に基づいてバッテリー１全体の集合体の状態を評価することによって行われるか、または全体バッテリー電圧、バッテリー電流およびバッテリー温度を直接評価することによって行われる。従来技術によるすべての方法において共通であるのは、バッテリー１の通常動作時に発生する電流特性、電圧特性および温度特性を使用してバッテリー状態を求め、また将来の振舞いを予測することである。
【０００５】
本発明の課題は、バッテリーシステムの個別セルの内部抵抗を求めるために新たなコンセプトを提示することであり、ここではこのコンセプトにより、バッテリー状態識別およびバッテリー状態予測を今日の従来技術よりも一層ロバストかつ一層正確にかつバッテリーの動作状態に依存せずに実現することができるようにする。
【０００６】
発明の開示
上述の従来技術に対し、請求項１の特徴を有する本発明の方法および請求項６の特徴部分に記載した特徴的構成を有する本発明の装置の利点は、電気駆動装置を有する複合システムにおいて動作するバッテリーシステムにおいて、電子回路コストが増大することなく、または電子回路コストの僅かな増大だけで、本発明の方法および装置を使用してバッテリーセルの内部抵抗を求めることができることである。従来技術に対する本発明の方法および装置の利点は、内部抵抗を求める際に同じ動作順序を繰り返し行うことができ、このことによって、内部抵抗を特にロバストかつ高精度で求めることが可能になることである。これは、現在公知となっている手法では不可能である。
【０００７】
従属請求項に本発明の有利な実施形態が記載されている。
【０００８】
特に有利には本発明の方法は、モータ／ジェネレータが無負荷動作状態にある場合に該モータ／ジェネレータの磁界形成成分の変調を行う。
【０００９】
本発明はさらに、または前記構成の代わりに代替的に、モータ／ジェネレータの磁界形成成分を変調するために該モータ／ジェネレータの磁化を増大および／または減少させる。
【００１０】
さらに上述の実施形態の代わりに、または上述の実施形態と組み合わせて、本発明による方法には、バッテリーセルの内部抵抗の経時変化に依存する増大量を求めるステップが含まれており、ここでこれは、内部抵抗を求める間のバッテリーセルのセル温度、および内部抵抗を求める間のバッテリーセルの充電状態に対する内部抵抗の既知の依存関係に基づいて行われる。本発明による装置の相応する有利な発展形態には、このために有利にはテーブルおよび評価ユニットが含まれており、このテーブルには、内部抵抗を求める間のバッテリーセルのセル温度および内部抵抗を求める間のバッテリーセルの充電状態に対する内部抵抗の依存関係が記憶されており、また上記の評価ユニットにより、求めた内部抵抗およびテーブルの参照に基づいてバッテリーセルの経時変化に依存する内部抵抗の増大量が求められる。前記テーブルの代わりに、内部抵抗を求める間のバッテリーセルのセル温度と、該内部抵抗を求める間の該バッテリーセルの充電状態とに対する該内部抵抗の依存関係を１つまたは複数の数式によって再現する第２の計算ユニットを設けることもできる。
【００１１】
さらに、上述の実施形態の代わりに、または上述の実施形態と組み合わせて、本発明の方法または本発明の装置は有利には、モータ／ジェネレータが回転磁界機である実施形態を含む。前記回転磁界機は有利には、パルスインバータを介して動作する回転磁界機である。
【００１２】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】バッテリーセルの内部抵抗を求めるための本発明による装置の有利な第１実施形態の基本回路図である。
【図２】従来技術によるバッテリーシステムの機能的構成を示す。
【図３】従来技術によるモデルベースのバッテリー状態識別およびバッテリー状態予測部の基本回路図である。
【００１４】
本発明の有利な実施形態
以下、図面を参照しながら、本発明の有利な実施形態を詳細に説明する。
【００１５】
図１に、本発明の装置の有利な実施形態を示す。
【００１６】
この実施形態の装置は電気駆動装置２を含み、該電気駆動装置２はバッテリーシステム１０から給電される。前記電気機器２は回転磁界機（たとえば非同期機または同期機）である。前記電気機器２はパルスインバータを介して前記バッテリーシステム１０に接続されている。前記パルスインバータ３により、バッテリーシステム１０のバッテリー１から電気機器２へ電力の流れを生じさせることも（その際には、パルスインバータはインバータとして動作し、電気機器２はモータ動作を行う）、またその逆方向に、電気機器２からバッテリー１へ電力の流れを生じさせることもできる（その際には、パルスインバータ３は整流器として動作し、電気機器２はジェネレータ動作を行う）。
【００１７】
産業分野では、パルスインバータを使用する場合、回転磁界機を動作させるためには、従来はいわゆるベクトル制御を適用することが多かった。このベクトル制御では機器電流は、機器の磁界とともに回転する座標系で制御される。このような制御により、機器電流をいわゆる磁界形成成分とトルク形成成分とに分けることができる。機器がシャフトにおいてトルクを出力しない動作状態（任意の回転数での無負荷動作）では、機器のシャフトにトルクを形成することなく、機器電流の磁界形成成分を変化させることができる。以下で説明する、バッテリーセルの内部抵抗を求めるための本発明の方法は、回転磁界機の磁界形成成分を変調することを基礎とする。
【００１８】
本発明のこの説明は、初めに、電気機器２がシャフトにおいてトルクを出力せず、バッテリーシステム１０が安全ヒューズユニット１６のパワースイッチを介して車両の車載駆動用電気システムに接続されている動作状態となっているところから説明する。その際には本発明では、バッテリーセルの内部抵抗は以下のように求められる：制御ユニット４において「内部抵抗決定」モードが作動されると、内部抵抗を求めるために、前記電気機器２がそのままシャフトにおいてトルクを出力せずかつ磁化が変化するように、該制御ユニット４は機器電流の磁界形成成分を変調する。磁化を増大させるためには、バッテリー１から電気機器２へ電力を流すことが必要であり、その逆に磁化の低減時には、電力は電気機器２からバッテリー１へ流れる。電気機器２の通常動作時に望まれる磁化に交流成分を重畳することにより、バッテリー１に交流電流が重畳される（バッテリーの充電および放電）。交流電流により、バッテリーセル１ａ内のオーム性の内部抵抗において電圧降下が引き起こされる。ハイブリッド車または電気自動車において使用するためのリチウムイオンバッテリーの場合、充電状態の平衡化と、許容可能な電圧限界値を遵守しているかの監視とを実施できるようにするために、すべてのバッテリーセルの電圧が検出される。バッテリー状態識別を行うためには、バッテリー電流を検出する。したがってバッテリーシステムには、バッテリーセルの上述の励磁の際に、制御ユニット４と測定問い合わせユニット５とに接続された計算ユニット６によって内部抵抗を求めるのに必要な情報が準備され、この情報は、制御ユニット４に接続された測定ユニットまたは問い合わせユニット５によって取得される。前記内部抵抗はたとえば、以下の数式
Ｒｉ＿ｎ（Ｔｅｍｐ，ＳＯＣ，経時変化）＝ΔＵｎ／ΔＩ      （１）
によって求められる（上記式中、ｎはバッテリーシステムのセルを表す変数（Laufvariable）である）。
【００１９】
バッテリーマネジメント部１７を介してすべてのバッテリーセルの電圧とバッテリー電流とを検出する代わりに、前記測定ユニットまたは問い合わせユニット５がこれらの量を直接検出することもできる。
【００２０】
セル温度およびセル充電状態に対する内部抵抗の依存関係が既知であれば、経時変化に依存するバッテリーセルの内部抵抗の増大量を求めることができる。このために計算ユニット６は評価ユニット８に接続されており、この評価ユニット８により、求めた内部抵抗に基づき、テーブル７を呼び出すことにより、バッテリーセル１ａ（ｎ）の内部抵抗の経時変化に依存する増大量が求められる。ここでこのテーブルには、内部抵抗を求める間のセル温度および内部抵抗を求める間のバッテリーセル１ａの充電状態に対する内部抵抗の依存関係が記憶されている。テーブル７を呼び出す代わりに代替的に、セル温度および充電状態に対する内部抵抗の依存関係を数式でシミュレートする第２の計算ユニットに問い合わせることができる。ここで開示した、内部抵抗を求めるための本発明の方法は、例えば車両が停止している際にも実行することも可能である。これにより、内部抵抗を上述のように求めることに、バッテリー１の重畳される「通常動作」が悪影響を及ぼすことがない。このことは、これまで公知の方法に比べた場合の大きな利点である。
【００２１】
ここで開示した、バッテリーの内部抵抗を求める本発明の方法により、「通常動作」時にバッテリー電流が有意に変化することがない動作状態においても、バッテリー状態識別およびバッテリー状態予測に必要な重要な情報のうちいずれかを、すなわち温度、充電状態および経時変化に依存するバッテリーセルの内部抵抗の変化を求めることができる。これまで公知の方法では、上記の内部抵抗は、バッテリー電流が「通常動作」中に大きく変化する動作期間だけにおいてしか求めることができなかった。上記のようにして、バッテリーセルの内部抵抗を従来技術よりも格段にロバストかつ正確に求めることができる。
【００２２】
上記の文章による開示内容に加えて図面における開示内容も十分に参照されたい。
【図１】
2013513787.tif 000003
【図２】
2013513787.tif 000004
【図３】
2013513787.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月11日(2012.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能なモータ／ジェネレータ（２）へバッテリー（１）からエネルギーが流れるかまたは該モータ／ジェネレータ（２）から該バッテリー（１）へエネルギーが流れるように該モータ／ジェネレータ（２）に接続された該バッテリー（１）のバッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を求める方法であって、
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分を変調するステップと、
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分の変調中の、前記バッテリーセル（１ａ）における電圧変化と、該バッテリーセル（１ａ）に流れる電流の変化とを求めるステップと、
前記電圧変化と前記電流の変化との商として、前記バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を算出するステップと
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記モータ／ジェネレータ（２）が無負荷動作状態にある場合に、該モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分の変調を行う、
請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分を変調するために、該モータ／ジェネレータ（２）の磁化を増大および／または減少させる、
請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を求める間の該バッテリーセル（１ａ）のセル温度と、該バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を求める間の該バッテリーセル（１ａ）の充電状態とに対する、該内部抵抗の既知に依存関係に基づき、該バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗の、経時変化に依存する増大量を求めるステップを有する、
請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記モータ／ジェネレータ（２）は回転磁界機であり、
前記回転磁界機はパルスインバータ（３）を介して動作する、
請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
制御可能なモータ／ジェネレータ（２）へバッテリー（１）からエネルギーが流れるかまたは該モータ／ジェネレータ（２）から該バッテリー（１）へエネルギーが流れるように該モータ／ジェネレータ（２）に接続された該バッテリー（１）のバッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を求めるための装置であって、
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分を変調するための制御ユニット（４）と、
前記モータ／ジェネレータ（２）の磁界形成成分の変調中の、前記バッテリーセル（１ａ）における電圧変化と、該バッテリーセル（１ａ）に流れる電流の変化とを求めるための測定ユニットまたは問い合わせユニット（５）と、
前記電圧変化と前記電流の変化との商として、前記バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗を算出するための計算ユニット（６）と
を有することを特徴とする装置。
【請求項７】
前記装置は、
前記内部抵抗を求める間の前記バッテリーセル（１ａ）のセル温度と、該内部抵抗を求める間の該バッテリーセル（１ａ）の充電状態とに対する、該内部抵抗の依存関係を記憶するテーブル（７）と、
前記バッテリーセル（１ａ）の求められた内部抵抗に基づき、前記テーブル（７）を呼び出すことにより、該バッテリーセル（１ａ）の内部抵抗の、経時変化に依存する増大量を求める、評価ユニット（８）と
を有する、
請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記モータ／ジェネレータ（２）は回転磁界機であり、
前記回転磁界機はパルスインバータ（３）を介して動作する、
請求項６または７記載の装置。
【国際調査報告】
2013513787.tif 000006
2013513787.tif 000007
2013513787.tif 000008
2013513787.tif 000009