(57)【要約】  本願発明は、バッテリ（１）、殊にトランクションバッテリの特性を求めるための方法および装置に関する。殊にバッテリ状態、例えばバッテリ（１）のキャパシタンスおよび／または充電状態および／または残りの寿命を、有利には観察部（２）およびモデルベースの状態識別部（３）用のバッテリモジュールによって求める。本願発明では、バッテリ（１）によって給電される負荷の作動状態を問い合わせる問い合わせモジュール（５）と、第１の制御モジュール（６）とが設けられており、この第１の制御モジュールは、給電される負荷の作動状態が、当該負荷が主要作動状態において作動していないことを示している場合にのみ、当該バッテリ（１）の特性の算出を開始する。
2012524247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリ（１）、殊にトラクションバッテリの特性を求めるための方法であって、
殊にバッテリ状態、例えばバッテリ（１）のキャパシタンスおよび／または充電状態および／または残りの寿命を、殊にモデルベースの状態識別（２、３）によって求める方法であって、
・当該バッテリ（１）によって給電される負荷の作動状態を問い合わせるステップと、
・前記給電される負荷の作動状態が、当該負荷が主要作動状態において作動していないことを示している場合にのみ、当該バッテリ（１）の特性の算出を開始するステップとを有することを特徴とする、バッテリ（１）の特性を求める方法。
【請求項２】
前記負荷を前記バッテリ（１）によって前記主要作動中に給電してＯＮ状態にし、すなわち前記負荷をＯＦＦ状態にせず、かつスタンバイ作動にせず、
殊に負荷が車両である場合には、前記バッテリ（１）の特性の算出を、車両（１）が停止しているときにのみ開始する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
負荷の操作者がバッテリ（１）の特性の算出を初期化した場合にのみ、前記バッテリ（１）の特性の算出を開始する、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
特定の境界値を上回る確率で、負荷が、所定の後続の期間において主要作動状態にならないということを、特性予測部が負荷の操作者を介して示した場合にのみ、前記バッテリ（１）の特性の算出を開始する、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】
前記バッテリ（１）のキャパシタンスを求めるために以下のステップを実施する：すなわち、
・前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にするステップと、
・前記バッテリ（１）の当該少なくとも１つのセル（１ａ）を、当該第１の所定の充電状態から、第２の所定の充電状態まで放電または充電し、ここで、当該放電または充電の間に、前記少なくとも１つのセル（１ａ）から取り出された、または前記少なくとも１つのセル（１ａ）へ供給された電荷を特定するステップと、
・前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、当該少なくとも１つのセル（１ａ）の、前記特定された、取り出された電荷または供給された電荷に基づいて求めるステップとを実施する、請求項１から４までいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記放電または充電の間に、前記少なくとも１つのセルから取り出された電荷または、前記少なくとも１つのセルに供給された電荷を、放電電流または充電電流に基づいて、および／または、前記放電または充電の間に前記少なくとも１つのセルに印加された電圧に基づいて、および／または前記少なくとも１つのセルの開路電圧変化に基づいて特定する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
・前記第１の所定の状態はフルに充電された状態であり、前記第２の所定の状態は完全に放電された状態である、または、
・前記第１の所定の状態は前記セル（１ａ）の任意の状態であり、当該状態は、前記第２の所定の状態よりも、少なくとも２０％多い電荷または少ない電荷を有している、請求項５または６記載の方法。
【請求項８】
・キャパシタンスを、前記放電過程または充電過程のパラメータを考慮して特定し、殊に、放電電流または充電電流、および／または前記放電または充電の間の環境温度を考慮して特定し、および／または
・前記バッテリ（１）の前記特定されたキャパシタンスを規準放電に計算し直す、請求項５から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
・前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、全てのセル（１ａ）の求められた電荷に基づいて算出し、当該算出を、前記バッテリ（１）の特性算出の開始の複数の過程を介して行う、または
・前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、幾つかのセル（１ａ）の、求められた電荷に基づいて求め、当該幾つかのセルの数は、前記バッテリ（１）の全てのセル（１ａ）よりも少なく、有利には、当該幾つかのセル（１ａ）に関しては、事前に行われた少なくとも１回のバッテリ状態識別に基づいて、当該幾つかのセルが、最大のキャパシタンス、および／または最小のキャパシタンス、および／または平均的なキャパシタンスを有していることが分かっている、請求項５から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
・前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にし、当該少なくとも１つのセル（１ａ）の前記放電または充電をセルバランシング用の回路（４）によって、殊に誘導式方法によって行う、請求項５から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
バッテリ（１）、殊にトラクションバッテリの特性を求めるための装置であって、
殊にバッテリ状態、例えばバッテリ（１）のキャパシタンスおよび／または充電状態および／または残りの寿命を、有利には観察部（２）およびモデルベースの状態識別のためのバッテリモデル（３）によって求める装置であって、
・当該バッテリ（１）によって給電される負荷の作動状態を問い合わせる問い合わせモジュール（５）と、
・前記給電される負荷の作動状態が、当該負荷が主要作動状態において作動していないことを示している場合にのみ、当該バッテリ（１）の特性の算出を開始する第１の制御モジュール（６）とを有していることを特徴とする、バッテリ（１）の特性を求めるための装置。
【請求項１２】
前記負荷を前記バッテリ（１）によって主要作動中に給電してＯＮ状態にし、すなわち前記負荷をＯＦＦ状態にせず、かつスタンバイ作動にせず、
殊に負荷が車両である場合には、前記バッテリ（１）の特性の算出が、車両（１）が停止しているときにのみ開始される、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
操作者インタフェース（７）を有しており、当該操作者インタフェースは前記第１の制御モジュール（６）と接続されており、当該操作者インタフェースを介して、操作者はバッテリ（１）の特性の算出を初期化することができ、かつ、相応の制御信号を前記第１の制御モジュール（６）に導く、請求項１１または１２記載の装置。
【請求項１４】
確率モジュール（８）を有しており、当該確率モジュールは、前記第１の制御モジュール（６）と接続されており、かつ負荷の操作者を介して次のことに関して特性予測を行う、すなわち、特定の境界値を上回る確率で、負荷が、所定の後続の期間においては、主要作動状態にならないか否かに関して特性予測行い、さらに、当該確率モジュールは、相応の制御信号を、前記第１の制御モジュール（６）に伝送する、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
・第２の制御モジュール（９）を有しており、当該第２の制御モジュールは、前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を、第１の所定の充電状態にし、前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を当該第１の所定の充電状態から、第２の所定の充電状態まで放電または充電させ、
・電荷測定モジュール（４ａ）を有しており、当該電荷測定モジュールによって、前記セル（１ａ）から取り出された、または前記セル（１ａ）に供給された電荷を特定し、
・キャパシタンス特定モジュール（１０）を有しており、当該キャパシタンス特定モジュールは、前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、前記少なくとも１つのセル（１ａ）の、前記特定された、取り出されたまたは供給された電荷に基づいて求める、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
前記放電または充電の間に、前記少なくとも１つのセルから取り出された電荷または前記少なくとも１つのセルに供給された電荷を、放電電流または充電電流に基づいて、および／または、前記放電または充電の間に前記少なくとも１つのセルに印加された電圧に基づいて、および／または前記少なくとも１つのセルの開路電圧変化に基づいて特定する、請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
・前記第１の所定の状態はフルに充電された状態であり、前記第２の所定の状態は完全に放電された状態である、または
・前記第１の所定の状態は前記セル（１ａ）の任意の状態であり、当該状態は、前記第２の所定の状態よりも、少なくとも２０％多い電荷または少ない電荷を有している、請求項１５または１６記載の装置。
【請求項１８】
前記キャパシタンス特定モジュール（１０）は、
・キャパシタンスを、前記放電過程または充電過程のパラメータを考慮して特定し、殊に、放電電流または充電電流、および／または放電または充電の間の環境温度を考慮して特定し、および／または
・前記バッテリ（１）の特定されたキャパシタンスを規準放電に計算し直す、請求項１５から１７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記第２の制御モジュール（９）は、
・前記バッテリ（１）の全てのセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にし、第２の所定の充電状態まで放電または充電し、これによって、前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、全てのセルの求められた電荷に基づいて算出し、当該算出を、前記バッテリ（１）の特性算出の開始の、前記第１の制御モジュール（６）によって制御される複数の過程を介して行う、または
・前記バッテリ（１）の全てのセル（１ａ）よりも少ない数のセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にし、かつ第２の所定の充電状態まで放電し、これによって、前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、前記より少ない数のセル（１ａ）に基づいて求め、有利には、当該幾つかのセル（１ａ）に関しては、事前に行われた少なくとも１回のバッテリ状態識別に基づいて、当該幾つかのセルが、最大のキャパシタンス、および／または最小のキャパシタンス、および／または平均的なキャパシタンスを有していることが分かっている、請求項１５から１８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２０】
・前記第２の制御モジュール（９）はセルバランシング用の回路（４）、殊に誘導式セルバランシング用の回路（４）を駆動制御して、前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にし、第２の所定の充電状態まで放電する、請求項１５から１９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２１】
・前記電荷測定モジュール（４ａ）は、セルバランシング用回路（４）内に組み込まれている、請求項２０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
従来技術
本願発明は、請求項１および１０の上位概念に記載された、殊にトランクションバッテリであるバッテリの特性を求める方法および装置に関する。
【０００２】
風力設備などにおける定置形の用途においても、ハイブリッド車両や電気車両などの車両においても、今後、新たなバッテリシステムの使用が増えるようになることは明らかである。この明細書においてバッテリおよびバッテリシステムという概念は、通常の慣用的な語の使用に合わせて、蓄電池ないしは蓄電池システムに対して使用される。
【０００３】
従来技術によるバッテリシステムの基本的な機能構造は図２に示されている。バッテリ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、バッテリにおいて個々のバッテリセル１ａが直列接続され、部分的には付加的に並列接続されている。バッテリセル１ａとバッテリ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１１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１を導通および遮断し、また許容されない大電流および高電圧に対してバッテリシステムを保護する役割とを担い、また例えば、バッテリケーシングを開けた際にバッテリシステム極からバッテリセル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管理部１２を構成しており、この管理部により、バッテリ状態識別１２ａの他に、別のシステムとの通信ならびにバッテリ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状態識別部１２ａの役割は、バッテリ１の実際状態を求めること、並びにバッテリ１の将来の特性を予想すること、例えば寿命の予想および／または到達範囲の予想を行うことである。この将来の特性の予想は、予測とも称される。モデルベースのバッテリ状態識別部の基本的な構造は図３に示されている。図示されたモデルベースのバッテリ状態識別および予測は例えば、電気的なパラメータ、すなわちバッテリ電流およびバッテリ電圧の評価並びにバッテリ温度の評価に基づいている。バッテリ状態識別は、バッテリ１の個々のセル１ａ毎に行われる。これはここでは、相応するセル電圧、セル電流並びにセル温度に基づいて行われる。さらに上記のバッテリ状態識別を、バッテリ１全体に対して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１の個々のセル１ａの状態を評価することにより、またこれに基づいてバッテリ１全体に対する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電圧、バッテリ電流およびバッテリ温度を直接評価することによって行われる。バッテリセル１ａの劣化状態をあらわす重要な情報は、寿命にわたった、セル１ａのキャパシタンスの低下である。セル１ａのキャパシタンスを求める今日の方法の全ては、バッテリ１の通常作動時に生じる電流経過特性、電圧経過特性および温度経過特性を、キャパシタンスを求めるために使用しているという点で共通している。これに加えて、キャパシタンスを求めるためには、セルの通常作動時に、少なくとも２０％の充電状態変化が生じなければならない。これによって満足のいく精度に達する。さらに、バッテリセル１ａ全体から得られる電荷は非常に強く、放電電流の高さに依存する。従って、バッテリ１の通常作動の間に、室内温度および例えば１Ｃの放電電流（Ａにおける放電電流は、Ａｈにおけるバッテリ定格容量に相応する）での通常放電条件に関してバッテリセル１ａのキャパシタンスを正確に定めることは非常に困難である。なぜなら通常作動の間には、種々異なる高さの放電電流とその間に生じる充電フェーズを伴った任意の電流経過特性が生じ得るからである。
【０００５】
図４にはバッテリセルのいわゆる抵抗式バランシングのための装置の機能原理が示されている。上記のセルバランシングの役割は、複数の個別セル１ａが直列接続されている場合に、すべてのセル１ａがほぼ同じ充電状態ないしはほぼ同じセル電圧を有するようにすることである。例えばキャパシタンスがわずかに異なること、自己放電がわずかに異なることなど、原理的に存在する複数のバッテリセル１ａの非対称性に起因して、付加的な手段がなければ、このような状態がバッテリ１の動作時に得られることはない。抵抗式セルバランシングの場合には、バッテリセル１ａは、セルに並列に配置されたオーム抵抗ＲＢａｌ＿ｎの接続を介して放電される。これは、抵抗ＲＢａｌ＿ｎがトランジスタＴＢａｌ＿ｎを介して、セルｎに対して並列接続されていることによって実現される。最も低い充電状態ないしは最も低い電圧を有する、１つまたは複数のセル１ａよりも高い充電状態ないしは高い電圧を有するセル１ａが放電することにより、バッテリ１のすべてのセル１ａにわたって充電状態ないしは電圧を対称化することができる。トランジスタＴＢａｌ＿ｎの駆動制御は、割り当てられた制御および評価ユニットＳｗを介して行われる。この制御および評価ユニットは、セル電圧をフィルタＦｎおよびアナログデジタル変換器Ａ／Ｄｎを介して検出する。複数の個別セル１ａの直列回路からなるリチウム−イオン−バッテリにおいて抵抗式セルバランシングを使用することは従来公知である。さらに、セルバランシングに対する、別の方法もある。この方法はほぼ損失無く作動し得る。これは例えばいわゆる誘導式セルバランシングであり、ここでは、個別セル１ａ内の蓄積エネルギーの充放電が例えばインダクタンスを介して行われる。誘導式セルバランシングの基本図は図５に示されている。
【０００６】
上述したモデルベースのバッテリ状態識別および予測は、電気的パラメータであるバッテリ電流およびバッテリ電圧並びにバッテリ温度の評価に基づく。従来技術によるすべての方法において共通であるのは、バッテリの通常動作時に発生するバッテリの電流経過、電圧経過および温度経過を使用してバッテリ状態を求め、将来の特性を予想することである。車両内ではバッテリ状態識別部が自動的に作動する。
【０００７】
本願発明の課題は、バッテリ状態識別（バッテリの診断）を実施するための新たなコンセプトを提供することである。この新たなコンセプトによって、バッテリ状態識別および予測が、今日の従来技術と比べて、よりロバストかつ正確に実現される。
【０００８】
発明の概要
請求項１の特徴部分の構成を有する本願発明の方法および請求項１０の特徴部分の構成を有する本願発明の装置は、従来技術に対して次のような利点を有している。すなわち、車両内の通常作動時に生じる作動経過のみが、バッテリ特性の診断に使用される、ないしは使用可能であるだけでなく、診断が通常作動または主要作動中にではなく、例えば車両停止中に行われる、という利点を有している。これによって、本願発明では、バッテリ特性を診断するために、より大きな電流変化および／または充電状態変化が得られ、これによって診断が実施される。
【０００９】
本発明の有利な実施形態が従属請求項に記載されている。
【００１０】
特に有利には、本願発明の方法および本願発明の装置では、主要作動中には負荷がバッテリによって給電され、ＯＮ状態にされる。すなわちＯＦＦ状態にされず、さらにスタンバイ状態にない。殊に、負荷が車両の場合には、バッテリ特性の算出は、車両が停止したときにのみ開始される。
【００１１】
本願発明の方法では、択一的または付加的に、有利には、負荷の操作者がバッテリ特性の算出を初期化した場合にのみ、バッテリ特性の算出が開始される。本願発明による装置の対応する有利な発展形態は、このために、操作者インタフェースを有している。この操作者インタフェースは第１の制御モジュールと接続されており、この操作者インタフェースを介して、操作者はバッテリ特性の算出を初期化することができ、かつ、相応の制御信号を第１の制御モジュールに導くことができる。
【００１２】
本願発明の方法ではさらに、択一的または付加的に、有利には、バッテリ特性算出は次のような場合にのみ開始される。すなわち、特定の境界値を上回る確率で、負荷が、所定の後続の期間においては、主要作動状態にならないということを、特性予測部が負荷の操作者を介して示した場合にのみ開始される。本願発明による装置の対応する有利な発展形態はこのために確率モジュールを含んでいる。これは、第１の制御モジュールと接続されており、負荷の操作者を介して次のことに関して特性予測を実施する。すなわち、特定の境界値を上回る確率で、負荷が、所定の後続の期間においては、主要作動状態にならないか否かに関して特性予測を実施する。さらに、この確率モジュールは、相応の制御信号を、第１の制御モジュールに伝送する。
【００１３】
すなわち本願発明では、バッテリの診断は、有利には車両停止時に運転手によってトリガされて、実施される。このようなコンセプトは次のことに基づいている。すなわち、運転手が、所定の最低持続時間（例えば少なくとも２時間）の間、車両を停止するつもりである場合に、運転手がバッテリの診断を所期のように、車両のマン・マシン・インタフェースを介して開始することができる、ということに基づいている。車両が、最低停止時間が経過してから再始動されるという想定のもとで、今日の従来技術に対して拡張されたバッテリ診断が実施される。ここでは、バッテリ状態識別およびバッテリ状態予測のための重要なパラメータは、確実に高い精度で求められる。これは、これまでのシステムに比べて格段に改善されている。
【００１４】
本願発明の方法ではさらに、択一的または付加的に有利に、バッテリのキャパシタンスを求めるために以下のステップが実施される：すなわちバッテリの少なくとも１つのセルを第１の所定の充電状態にするステップ、バッテリの当該少なくとも１つのセルを、この第１の所定の充電状態から、第２の所定の充電状態まで放電または充電し、ここで、この放電または充電の間に、当該少なくとも１つのセルから取り出された、または当該少なくとも１つのセルへ供給された電荷を特定するステップ、およびバッテリシステムのキャパシタンスを、当該少なくとも１つのセルの、特定された、取り出された電荷または供給された電荷に基づいて求めるステップである。本願発明の装置の対応する有利な発展形態はこのために、第２の制御モジュールを有している。これは、バッテリの少なくとも１つのセルを第１の所定の充電状態にし、バッテリの当該少なくとも１つのセルを、この第１の所定の充電状態から、第２の所定の充電状態まで放電または充電する。さらに本願発明の装置は、電荷測定モジュールを有する。これによって、前記少なくとも１つのセルから取り出された、または当該少なくとも１つのセルへ供給された電荷が特定される。本願発明の装置はさらに、キャパシタンスを求めるためのキャパシタンス特定モジュールを有する。これは、バッテリシステムのキャパシタンスを、前記少なくとも１つのセルの、特定された、取り出された電荷または供給された電荷に基づいて求める。
【００１５】
このような場合には本願発明の方法および本願発明の装置では特に有利には、少なくとも１つのセルの放電または充電の間に取り出された電荷または供給された電荷は、放電電流または充電電流に基づいて、および／または、放電または充電の間に少なくとも１つのセルに印加された電圧に基づいて、および／または少なくとも１つのセルの開路電圧変化に基づいて特定される。
【００１６】
バッテリのキャパシタンスの上述した特定の際に、本願発明の方法および本願発明の装置では特に有利には、前記第１の特性の状態は、フルに充電された状態であり、第２の特定の状態は完全に放電された状態である。または前記第１の特定の状態は、セルの任意の状態であり、かつこの状態は、第２の特定の状態よりも、少なくとも２０％多いまたは少ない電荷を有している。
【００１７】
バッテリのキャパシタンスの上述した特定の際に、本願発明の方法および本願発明の装置では、択一的または付加的に特に有利には、キャパシタンスは、放電過程または充電過程のパラメータを考慮して特定され、殊に、放電電流または充電電流、および／または放電の間の環境温度を考慮して特定される、および／またはバッテリシステムの特定されたキャパシタンスは規準放電に計算し直される。本願発明による装置の対応する有利な発展形態では、これは、キャパシタンス特定モジュールによって行われる。
【００１８】
バッテリのキャパシタンスの上述した特定の際に、本願発明による方法および本願発明による装置では、さらに択一的または付加的に特に有利に、バッテリシステムのキャパシタンスは、全てのセルの、求められた、取り出された電荷または供給された電荷に基づいて求められる。ここでこれは、バッテリ特性特定の開始の複数の過程を介して行われる。またはバッテリシステムのキャパシタンスは、幾つかのセルの、求められた、取り出された電荷または供給された電荷に基づいて求められる。ここでこれらのセルの数は、バッテリシステムの全セルよりも少ない。ここで有利には、これらのセルに関して、少なくとも１回の、事前に行われたバッテリ状態識別に基づいて、これらが、最大のキャパシタンス、および／または最小のキャパシタンス、および／または平均的なキャパシタンスを有していることが分かっている。本願発明による装置の対応する有利な発展形態では、これは、第２の制御モジュールによって行われる。
【００１９】
バッテリのキャパシタンスの上述した特定の際に、本願発明による方法および本願発明による装置では、さらに択一的または付加的に特に有利には、バッテリの少なくとも１つのセルが第１の所定の充電状態にされ、当該少なくとも１つのセルのこの放電または充電がセルバランシングに対する回路によって、殊に誘導式方法によって行われる。本願発明による装置の対応する有利な発展形態では、セルバランシングに対する回路の駆動制御は第２の制御モジュールによって行われる。ここでは有利には電荷測定モジュールは、セルバランシングのための回路内に組み込まれている。
【００２０】
すなわち本願発明では有利には、バッテリセルのキャパシタンスを求めるための方法が開示されている。この方法は、誘導式セルバランシングが使用されているバッテリシステムにおいては、付加的な電子回路コストをかけることなく使用される。上記の方法は、今日の従来技術に比べて、つねに同じ動作経過をたどってキャパシタンスを求めることでき、またこれによって殊にロバストかつ正確にキャパシタンスを求めることができるという利点を有する。さらに、新たな方法は、この方法が作動フェーズにおいて使用されるという利点を有する。この作動フェーズではバッテリが、負荷の給電に組み込まれておらず、すなわち、バッテリの端子でパワーが放出または供給されない。換言すれば、本願発明の方法は例えば車両の停止時に使用される。これは目下知られている、キャパシタンス特定方法では、不可能である。
【００２１】
以下では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】
【００２２】
【図１】バッテリの特性を求める本発明による装置の有利な第１実施形態の基本回路図
【図２】来技術によるバッテリシステムの機能的な構造
【図３】従来技術によるモデルベースのバッテリ状態識別およびバッテリ状態予想部の原理回路図
【図４】従来技術にしたがってバッテリセルを抵抗式セルバラシングする装置の原理回路図
【図５】従来技術にしたがってバッテリセルの誘導式バラシングの原理回路図
【図６】充電状態に関するバッテリセルの開路電圧のダイヤグラム
【実施例】
【００２３】
発明の有利な実施形態
本願発明の基本構想は、長い停止フェーズの間に特定のバッテリ特性を診断する、ということである。このために、運転手は、例えば車両のマン・マシン・インタフェース（ＭＩＭＩ）を介して、所定の最低停止時間を確実に守るときには、このようなバッテリ診断をトリガすることが要請される。所定の最低停止時間が守られるという想定のもとで、今日の従来技術と比べて格段に拡張された、ないしは正確な、特定のバッテリ特性の診断が行われる。しかも、この最低停止時間が守られたときにバッテリシステムの機能が、その後、損なわれることはない。従って、例えばバッテリないしは個々のバッテリセルの目下のキャパシタンスを求めるためのより長いテストプロシージャを実施することができる。診断の実施に応じて、最低停止時間が守られなかった場合には、場合によってはバッテリシステムの機能が短期間、制限されてしまうことがある。例えば、電気車両では、直後の走行時には、到達距離が短くなることがある。
【００２４】
このために、本願発明では第１の制御モジュール６が設けられている。この第１の制御モジュールは、例えばバッテリモデルを備えた観察部２を介して、バッテリ診断を初期化する。制御モジュール６は、図１に示されているように、問い合わせモジュール５と接続されている。この問い合わせモジュールは、第１の制御モジュール６に、負荷、ここでは車両がどの作動状態にあるかを示す。すなわち例えば車両が主要作動状態（すなわち走行、作動、さらにここには短時間の停止も含まれる）にあるのか、または車両が停止しているのかを示す。さらに第１の制御モジュール６は操作者インタフェース７と接続されている。この操作者インタフェースは例えば、上述したマン・マシン・インタフェース内に組み込まれている。このインタフェースを介して、負荷の操作者、ここでは車両の運転手は、バッテリ特性の算出を開始する。これは本願発明では当然ながら、該当する時点で、問い合わせモジュール５によって求められた負荷の作動状態が、車両が主要作動で作動していないことを示している場合にのみ行われる。さらにこの第１の制御モジュール６は確率モジュール８と接続されている。この確率モジュールは有利には、バッテリ特性算出を、該当する特性予測が負荷のバッテリに関して、以下のことを示している場合にのみ許可する。すなわち、負荷が、特定の境界値を上回る確率で、所定の後続の期間においては、主要作動状態にならないということを示している場合にのみ許可する。これは車両の場合には、例えば、車両が夜間にガレージ内に駐車されている場合である。
【００２５】
図５には、いわゆる誘導式セルバランシングの基本原理が示されている。誘導式セルバランシングは、セルのセル電圧ないしは充電状態を適合させるための回路コンセプトが、転送される電気エネルギの誘導性一時蓄積に基づいている場合に使用される言葉である。この一時蓄積は、（回路コンセプトに依存して）チョークコイルまたは変圧器によって行うことができる。
【００２６】
誘導式セルバランシングでは、第１ステップにおいてエネルギが１つまたは複数のセルから取り出されて誘導性蓄積器に一時蓄積される。第２ステップでは、上記の一時蓄積されたエネルギが１つまたは複数のバッテリセルに戻されて蓄積される。例として以下に挙げる：
・１つのセルからエネルギを取り出して１つまたは複数のセルに戻して蓄積する。ただしエネルギを取り出した元のセルには、エネルギを戻して蓄積することはない。
・１つのセルからエネルギを取り出して１つまたは複数のセルに戻して蓄積する。ただしエネルギの一部は、エネルギを取り出した元のセルに戻されて蓄積される。
・複数のセルからエネルギを取り出して１つまたは複数のセルに戻して蓄積する。ただしエネルギを取り出した元の複数のセルには、エネルギを戻して蓄積することはない。
・複数のセルからエネルギを取り出して１つまたは複数のセルに戻して蓄積する。ただしエネルギの一部は、エネルギを取り出した元の複数のセルに戻されて蓄積される。
【００２７】
第１ステップにおいて１つまたは複数のセルから取り出された電荷は、エネルギを一時蓄積する蓄積器２のインダクタンスが分かっている場合、電圧−時間平面を介してつぎのように計算することができる。すなわち、
・誘導性構成素子に流れる電流の時間経過は、
【数１】
2012524247.tif 000003
となる。
【００２８】
第１ステップの終わりにおける最大電流をＩLmaxと記す。
・第１ステップにおいて取り出される電荷はつぎのように計算される。すなわち、
【数２】
2012524247.tif 000004
である。
【００２９】
ここで上記の誘導性構成素子における電圧ＵLは、（導通抵抗がほぼ０である理想的な電子スイッチならびにオーム内部抵抗を有しない理想的な誘導性構成素子を仮定した場合）エネルギを取り出したセルの１つまたは複数の電圧から簡単に求めることができる。従って、式（１）および（２）を介して、セルから取り出された電荷を特定することができる。セルバランシングに使用される電子スイッチおよび誘導性構成素子の理想的ではない特性は、構成素子を適当に設計することにより、１つまたは複数のセルから取り出される電荷を求める際にわずかな誤差しか生じない。
【００３０】
同じ形態で、第２ステップにおいて上記の一時蓄積されたエネルギが１つまたは複数のセルに戻されて供給される量を計算することができる。すなわち、
・誘導性構成素子に流れる電流の時間経過は、
【数３】
2012524247.tif 000005
となる。
【００３１】
電流ＩLが値０になった後、
ＩL ＝ ０                                   (3b)
が成り立つ。
【００３２】
第１ステップにおいて戻されて供給された電荷は以下のように計算される：
【数４】
2012524247.tif 000006
【００３３】
このようにして、バッテリセルの間でセルバランシングを実施する際に行われる電荷搬送が特定される。
【００３４】
本願発明では有利には、誘導式セルバランシングを行う回路が、バッテリセルのキャパシタンスを求めるために使用される。キャパシタンスの特定は本願発明では、バッテリが自身の端子でパワーを出力しないまたは受容しないフェーズにおいて行われる。
【００３５】
バッテリセル１ａのキャパシタンスを求めるために、セル１ａは、車両提示時の充電状態から始まって、まずは、完全に充電される。このためにこのセル１ａには、誘導式セルバランシングのための回路４によって、電荷が供給される。この電荷は、別のバッテリセル１ａから取り出されたものである。適切に設計されている際に誘導式セルバランシング用の回路４が有している効率は高いので、ここでは、搬送されたエネルギーの僅かな部分のみが、熱に変換される。フルに充電された状態から、セル１ａは次に、所定の充電状態（例えば充電状態０％）まで放電される。ここで取り出された電荷が、上述の方法によって求められる。取り出されたエネルギーは別のセル１ａ内に蓄積される。セル１ａは次に再び充電され、セル電圧ないしは充電状態を対称化するためのセルバランシングが行われる。このようにして、バッテリセル１ａのキャパシタンスが非常に正確に求められる。放電電流のレベルは、放電の間にバッテリセル１ａから取り出される全体的な電荷に影響を与える。従って求められたキャパシタンスは、放電過程のパラメータ（例えば放電電流、温度）に関係を有する。本願発明の方法の大きな利点は、常に、同じ放電電流が、キャパシタンスを求めるために使用され、バッテリシステムによって影響されない電流経過を使って通常作動（主要作動）が、悪影響を与えない、ということである。
【００３６】
本願発明の方法によって求められた、バッテリセルのキャパシタンスは、いわゆる規準放電（これは例えば室内温度で、放電電流１Ｃ（放電電流は、セルの定格キャパシタンス値に相当し、ここでは４Ａｈの容量を備えたセルは、１Ｃ−電流４Ａになる）で行われる）で計算し直される。
【００３７】
有利な本願発明の方法の変更された形態では、セル１ａが、フル充電状態にされて、次に完全に放電されるということは行われず、放電時のセルの特定の電圧領域（セルのいわゆる開路電圧ＯＣＶに関する（無負荷電圧））のみが用いられ、ここで取り出された電荷が評価される。このような場合にセルの充電状態は少なくとも２０％のオーダは変化するべきである。これによってキャパシタンスを十分に正確に特定することが可能になる。充電状態に関するセルの無負荷電圧を示すダイヤグラムが図６に示されている。ここでは、約３．８５Ｖと４．０５Ｖとの間の０．２Ｖにほぼ等しい無負荷電圧変化または開路電圧変化が、理想的な場合には、取り出されたないしは供給された１２Ａｈの電荷に相応する。これは同じように、６０Ａｈセルの場合には、２０％の充電変化に相応する。理想的ケース（＝新たなセル）でのものに対する、実際に取り出されたないしは供給された電荷の偏差に基づいて、例えば、残りの寿命が推定される。
【００３８】
全ての個別セル１ａのキャパシタンスは、多数のバッテリセル１ａが直列に接続されているバッテリ１の場合には、場合によっては完全には、停止フェーズの間に求められず、複数の停止フェーズの間にわたって求められる。しかしこれは、上述した方法にとっては制限にはならない。幾つかのセル１ａのキャパシタンス、例えば、バッテリ状態識別の実施に基づいて、通常作動時に、それが最大ないしは最小または平均的なキャパシタンスを有していることが推測されるセルの値に、上述の方法を行うことでも、高い精度でキャパシタンスを完全に十分に求めることができる。
【００３９】
寿命にわたったバッテリセル１ａのキャパシタンスの低減は、バッテリセル１ａの重要な劣化パラメータの１つである。セル１ａの目下のキャパシタンスを正確に知ることは、バッテリ状態識別および予測にとって、重要である。これまでに知られている方法では、バッテリセル１ａのキャパシタンスを、セルの充電状態が「通常作動（または主要作動）」の間、ある程度（例えば少なくとも３０％）変化し、この充電状態変化の間に非常に高い放電電流が生じない作動フェーズにおいてのみ、求めることができる。従って、バッテリセルのキャパシタンスの算出は、本願発明の方法によって、従来技術と比べて格段にロバストかつ正確に実施される。
【００４０】
本願発明に相応して有利に実施されるこのバッテリセルキャパシタンス算出のために、第２の制御モジュール９が設けられる。この第２の制御モジュール９は、セルバランシングのための回路４ならびにキャパシタンス特定モジュール１０を適切に駆動制御する。ここでこのセルバランシングのための回路は電荷測定モジュール４ａを含んでおり、キャパシタンス特定モジュール１０は電荷測定モジュール４ａと接続されている。この第２の制御モジュール９は第１の制御モジュール６と接続されており、これによって、この第１の制御モジュールはバッテリ診断の各開始を初期化することができる。
【００４１】
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】
2012524247.tif 000007
【図２】
2012524247.tif 000008
【図３】
2012524247.tif 000009
【図４】
2012524247.tif 000010
【図５】
2012524247.tif 000011
【図６】
2012524247.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成24年1月18日(2012.1.18)
【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】
バッテリ（１）のキャパシタンスおよび／または充電状態および／または残りの寿命を求める方法であって、
・当該バッテリ（１）によって給電される負荷の作動状態を問い合わせるステップと、
・前記給電される負荷の作動状態が、当該負荷が主要作動状態において作動していないことを示している場合にのみ、当該バッテリ（１）の特性の算出を開始するステップと
を有することを特徴とする、バッテリ（１）のキャパシタンスおよび／または充電状態および／または残りの寿命を求める方法。
【請求項２】
前記バッテリ（１）のキャパシタンスを求めるために以下のステップを実施する：すなわち、
・前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にするステップと、
・前記バッテリ（１）の当該少なくとも１つのセル（１ａ）を、当該第１の所定の充電状態から、第２の所定の充電状態まで放電または充電し、ここで、当該放電または充電の間に、前記少なくとも１つのセル（１ａ）から取り出された、または前記少なくとも１つのセル（１ａ）へ供給された電荷を特定するステップと、
・前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、当該少なくとも１つのセル（１ａ）の、前記特定された、取り出された電荷または供給された電荷に基づいて求めるステップと
を実施する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記放電または充電の間に、前記少なくとも１つのセルから取り出された電荷または、前記少なくとも１つのセルに供給された電荷を、放電電流または充電電流に基づいて、および／または、前記放電または充電の間に前記少なくとも１つのセルに印加された電圧に基づいて、および／または前記少なくとも１つのセルの開路電圧変化に基づいて特定する、請求項２記載の方法。
【請求項４】
・前記第１の所定の状態はフルに充電された状態であり、前記第２の所定の状態は完全に放電された状態である、または、
・前記第１の所定の状態は前記セル（１ａ）の任意の状態であり、当該状態は、前記第２の所定の状態よりも、少なくとも２０％多い電荷または少ない電荷を有している、請求項２または３記載の方法。
【請求項５】
・キャパシタンスを、放電電流または充電電流、および／または前記放電または充電の間の環境温度を考慮して特定し、および／または
・前記バッテリ（１）の前記特定されたキャパシタンスを規準放電に計算し直す、請求項２から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
・前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、全てのセル（１ａ）の求められた電荷に基づいて算出し、当該算出を、前記バッテリ（１）の特性算出の開始の複数の過程を介して行う、または
・前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、幾つかのセル（１ａ）の、求められた電荷に基づいて求める、
ただし、該幾つかのセル（１ａ）に関しては、事前に行われた少なくとも１回のバッテリ状態識別に基づいて、当該幾つかのセルが、最大のキャパシタンス、および／または最小のキャパシタンス、および／または平均的なキャパシタンスを有していることが分かっている、請求項２から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
・前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にし、当該少なくとも１つのセル（１ａ）の前記放電または充電をセルバランシング用の回路（４）によって、誘導式方法によって行う、請求項２から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記負荷を前記バッテリ（１）によって前記主要作動中に給電してＯＮ状態にし、すなわち前記負荷をＯＦＦ状態にせず、かつスタンバイ作動にせず、
前記バッテリ（１）の特性の算出を、前記バッテリ（１）の負荷が停止しているときにのみ開始する、請求項１から７いずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記負荷が車両の電気負荷である場合には、前記バッテリ（１）の特性の算出を、車両（１）が停止しているときにのみ開始する、請求項１から７いずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
負荷の操作者がバッテリ（１）の特性の算出を初期化した場合にのみ、前記バッテリ（１）の特性の算出を開始する、請求項１から９いずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
特定の境界値を上回る確率で、負荷が、所定の後続の期間において主要作動状態にならないということを、特性予測部が負荷の操作者を介して示した場合にのみ、前記バッテリ（１）の特性の算出を開始する、請求項１から１０いずれか１項記載の方法。
【請求項１２】
バッテリ（１）のキャパシタンスおよび／または充電状態および／または残りの寿命を求める装置であって、
・当該バッテリ（１）によって給電される負荷の作動状態を問い合わせる問い合わせモジュール（５）と、
・前記給電される負荷の作動状態が、当該負荷が主要作動状態において作動していないことを示している場合にのみ、当該バッテリ（１）の特性の算出を開始する第１の制御モジュール（６）と
を有していることを特徴とする、バッテリ（１）のキャパシタンスおよび／または充電状態および／または残りの寿命を求めるための装置。
【請求項１３】
・第２の制御モジュール（９）を有しており、当該第２の制御モジュールは、前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を、第１の所定の充電状態にし、前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を当該第１の所定の充電状態から、第２の所定の充電状態まで放電または充電させ、
・電荷測定モジュール（４ａ）を有しており、当該電荷測定モジュールによって、前記セル（１ａ）から取り出された、または前記セル（１ａ）に供給された電荷を特定し、
・キャパシタンス特定モジュール（１０）を有しており、当該キャパシタンス特定モジュールは、前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、前記少なくとも１つのセル（１ａ）の、前記特定された、取り出されたまたは供給された電荷に基づいて求める、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記放電または充電の間に、前記少なくとも１つのセルから取り出された電荷または前記少なくとも１つのセルに供給された電荷を、放電電流または充電電流に基づいて、および／または、前記放電または充電の間に前記少なくとも１つのセルに印加された電圧に基づいて、および／または前記少なくとも１つのセルの開路電圧変化に基づいて特定する、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
・前記第１の所定の状態はフルに充電された状態であり、前記第２の所定の状態は完全に放電された状態である、または
・前記第１の所定の状態は前記セル（１ａ）の任意の状態であり、当該状態は、前記第２の所定の状態よりも、少なくとも２０％多い電荷または少ない電荷を有している、請求項１３または１４記載の装置。
【請求項１６】
前記キャパシタンス特定モジュール（１０）は、
・キャパシタンスを、前記放電過程または充電過程の放電電流または充電電流、および／または放電または充電の間の環境温度を考慮して特定し、および／または
・前記バッテリ（１）の特定されたキャパシタンスを規準放電に計算し直す、請求項１３から１５までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
前記第２の制御モジュール（９）は、
・前記バッテリ（１）の全てのセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にし、第２の所定の充電状態まで放電または充電し、これによって、前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、全てのセルの求められた電荷に基づいて算出し、当該算出を、前記バッテリ（１）の特性算出の開始の、前記第１の制御モジュール（６）によって制御される複数の過程を介して行う、または
・前記バッテリ（１）の全てのセル（１ａ）よりも少ない数のセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にし、かつ第２の所定の充電状態まで放電し、これによって、前記バッテリ（１）のキャパシタンスを、前記より少ない数のセル（１ａ）に基づいて求める、
ただし、当該幾つかのセル（１ａ）に関しては、事前に行われた少なくとも１回のバッテリ状態識別に基づいて、当該幾つかのセルが、最大のキャパシタンス、および／または最小のキャパシタンス、および／または平均的なキャパシタンスを有していることが分かっている、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
・前記第２の制御モジュール（９）はセルバランシング用の回路（４）を駆動制御して、前記バッテリ（１）の少なくとも１つのセル（１ａ）を第１の所定の充電状態にし、第２の所定の充電状態まで放電する、請求項１３から１７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
・前記電荷測定モジュール（４ａ）は、セルバランシング用回路（４）内に組み込まれている、請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記負荷を前記バッテリ（１）によって主要作動中に給電してＯＮ状態にし、すなわち前記負荷をＯＦＦ状態にせず、かつスタンバイ作動にせず、
前記バッテリ（１）の特性の算出が、前記バッテリ（１）の負荷が停止しているときにのみ開始される、請求項１２から１９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２１】
負荷が車両の電気負荷である場合には、前記バッテリ（１）の特性の算出が、車両（１）が停止しているときにのみ開始される、請求項１２から１９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２２】
操作者インタフェース（７）を有しており、当該操作者インタフェースは前記第１の制御モジュール（６）と接続されており、当該操作者インタフェースを介して、操作者はバッテリ（１）の特性の算出を初期化することができ、かつ、相応の制御信号を前記第１の制御モジュール（６）に導く、請求項１２から２１までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２３】
確率モジュール（８）を有しており、当該確率モジュールは、前記第１の制御モジュール（６）と接続されており、かつ負荷の操作者を介して次のことに関して特性予測を行う、すなわち、特定の境界値を上回る確率で、負荷が、所定の後続の期間においては、主要作動状態にならないか否かに関して特性予測行い、さらに、当該確率モジュールは、相応の制御信号を、前記第１の制御モジュール（６）に伝送する、請求項１２から２２までのいずれか１項記載の装置。
【国際調査報告】
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