用于检测机动车电池组的状态的设备、充电桩以及方法与流程

本发明涉及一种用于检测电驱动机动车的电池组的状态的设备，其中该设备具有：充电插头，该充电插头具有直流电接触部，于将充电电压输送给电池组；和阻抗频谱测量单元（impedanzspektroskopieeinheit）。本发明还涉及一种具有这种设备的充电桩以及一种用于检测电驱动机动车的电池组的状态的方法。

背景技术：

电驱动机动车通常具有电池组（牵引电池组），该电池组给用于驱动机动车的电机供应能量。在此，电驱动机动车尤其应被理解为：电动车辆，该电动车辆将对于驱动来说所需的能量仅仅存储在电池组中（bev，batteryelectricvehicle（纯电动汽车））；具有增程器（reichweitenverlängerer）的电动车辆（reev，rangeextendedelectricvehicle（增程电动汽车））；混合动力车辆（hev，hybridelectricvehicle（混合电动汽车））或者插电式混合动力车辆（phev，plug-inhybridelectricvehicle（插电式混合动力汽车））。

在此，在维护机动车的过程中或在质量保障措施的过程中，值得期望的是：检测电池组的状态。在这种情况下，该状态尤其包括功能能力（funktionsfähigkeit），还包括电池组是否被损坏以及必要时包括电池组如何地被损坏，和/或包括老化状态，该老化状态表示电池组的当前的工作能力（leistungsfähigkeit）或者该电池组与这种电池组在全新状态下的工作能力相比而言的工作能力。

已经公知如下方法和相对应的设备，借助于所述方法和相对应的设备可以检测电池组的状态。例如，为此使用所谓的阻抗频谱测量，借助于该阻抗频谱测量来比较简单地并且无破坏地表征待检查的对象（待测件（prüfling））。在这种情况下，将预先给定的频率的交变电压或交变电流作为频谱测量信号输送给待测件，而且尤其是同步地检测从中得到的并且可能有相移的交变电流或从中得到的并且可能有相移的交变电压作为应答信号，其中该过程针对预先给定的频率范围（频谱）的多个频率被执行。例如，在us2007/0090843a1中公开了这样的用于借助于阻抗频谱测量来确定电池组的充电状态（stateofcharge）的方法。

电池组通常牢固地安置（固定）在机动车中，使得用于阻抗频谱测量的测量设备不能直接连接到电池组上。因此，要么该电池组必须耗费地被拆卸，要么该电池组仅仅能在首次安装之前被测量。为了避免这一点，例如设置附加的测量抽头，然而这些附加的测量抽头通常布置在机动车的比较困难地接近到的位置，例如布置在发动机箱内，或者在将汽车底盘拆卸之后才能接近到。

例如，在电池组上、尤其是在该电池组的电池上已经设置电压传感器，这些电压传感器可被用于测量方法。这样，例如从us8994340b2公知一种用于确定电池组的电池的温度的方法以及系统。为此，首先借助于阻抗频谱测量来检测电池组的阻抗，并且紧接着借助于所检测到的阻抗，通过与表格进行比较来确定电池组的温度。

在此，例如借助于布置在机动车中的控制或分析单元来进行测量和分析，但是其中计算能力是被绑定于这些过程的并且对于其它应用并不可供使用。此外，非常耗费的是：尤其是在质量保障措施的过程中，将多个机动车彼此进行比较。

技术实现要素：

本发明所基于的任务在于：说明一种适合的用于检测电驱动机动车的电池组的状态的设备。在此，尤其是应该尽可能耗费少地检测电池组的状态。还应该说明一种具有这种设备的用于给电驱动机动车的电池组充电的充电桩以及一种用于借助于这种设备来检测电池组的状态的方法。

按照本发明，关于该设备方面，该任务通过权利要求1的特征来解决。按照本发明，鉴于该充电桩方面，该任务利用权利要求7的特征来解决，而关于该方法方面，该任务利用权利要求8的特征来解决。有利的构型方案和扩展方案是从属权利要求的主题。在此，与该设备相关联的实施方案按照意义地也适用于该方法以及适用于该充电桩，而且反之亦然。

按照本发明的设备用于检测电驱动机动车的电池组的状态。为此，该设备具有：充电插头，该充电插头具有直流电接触部，用于将充电电压输送给电池组。该设备还包括：用于记录阻抗频谱的、被称作阻抗频谱测量单元的测量设备。在此，阻抗频谱测量单元与充电插头的直流电接触部连接，不仅用于将频谱测量信号输送给电池组而且用于检测应答信号。以这种方式，不需要附加的接触部和/或插头，用来将阻抗频谱测量单元连接到电池组上。

此外，充电插头被设置和设立用于连接到电驱动机动车的直流电充电接口上。在此，充电插头优选地构造为使得该充电插头还满足生效的标准和规定、例如iso标准。无论如何，充电插头都适合用于（被设置和设立用于）通过直流电充电接口将被构造为直流电压的充电电压输送给电驱动机动车的电池组。

有利地，以简单的方式通过将充电插头连接到针对该充电插头所设置的机动车的直流电充电接口上来电连接阻抗频谱测量单元，其中直流电充电接口适宜地构成相对应的充电插座的组成部分。因此，使用已经集成到机动车中的设备，以便对电池组进行测量。此外，机动车的直流电充电接口能简单地接近到（zugänglich）。因此，不需要附加的拆卸步骤来检测电池组的状态。

在适宜的构型方案中，阻抗频谱测量单元具有：两个馈电线，用于输送频谱测量信号；和两个测量线，用于检测应答信号。在此，这些直流电接触部其中的每个直流电接触部都分别与馈电线之一以及与测量线之一连接。换言之，馈电线之一与直流电接触部之一连接而另一馈电线与另一直流电接触部连接。类似地，测量线之一与直流电接触部之一连接而另一测量线与另一直流电接触部连接。

在此，直流电接触部通过直流电充电接口的相对应的充电连接端（ladeanschlüsse）来分别与电池组的连接极连接。在此，例如附加地，包括该电池组的电池组充电系统的保护设备在充电连接端与该电池组之间接通。就这方面来说，如果保护设备关闭，则充电连接端与电池组连接。那么能够实现：借助于馈电线并且借助于测量线来给电池组施加（aufprägen）频谱测量信号并且检测相对应的应答信号。

按照一个适合的构型方案，该设备还具有控制设备，用于阻抗频谱测量单元而且用于与电池组充电系统的也被称作电池组管理系统的控制单元进行通信。以这种方式来输送并且能够这样输送频谱测量信号，使得并不由于频谱测量信号而在通信时引起故障，或者使得避免：由电池组充电系统的控制设备将该频谱测量信号错误地解释为故障电流或故障电压。尤其是，该频谱测量信号在适合于此的时间点被输出。

例如，除了直流电接触部之外，为了进行通信，充电插头还附加地配备有另一接触部，该另一接触部也被称作通信接触部或者控制导线（pilotleitung）。适宜地，直流电充电接口具有用于通信接触部的相对应的通信连接端，该通信连接端又与电池组充电系统的控制单元连接。

可替代地，在控制设备与控制单元之间的通信无线地进行。为此，充电插头具有与控制设备连接的接收和发送单元，借助于该接收和发送单元，可以将数据和/或信号通过无线电传输给相对应的与控制单元连接的接收和发送单元。

按照一个有利的构型方案，将控制设备以及附加地或可替代地将阻抗频谱测量单元布置在充电插头的外壳中。换言之，控制设备和/或阻抗频谱测量单元集成到充电插头中。这样，实现了该设备的节省空间的构型方案。

在适宜的构型方案中，该设备还具有用于供电电网的连接端。这有助于：借助于直流电接触部来提供用于电池组的充电电压。为此，适宜地，直流电接触部与该连接端连接。适宜地，阻抗频谱测量单元和/或控制设备为了它们的能量供应而也与该连接端连接。适宜地，只要供电电网提供交变电压，整流器就在该连接端与直流电接触部之间接通。

优选地，该连接端被构造用于家用电网、例如230v交变电流供电电网。因此，该设备也适合作为车间的或者车辆用户的测量设备。

在有利的构型方案中，该设备具有电流监控单元，该电流监控单元在故障情况下将直流电接触部与供电电网分离。换言之，在故障情况下，借助于电流监控单元从供电电网断开（wegschalten），也就是说将直流电接触部与被连接到供电电网上的连接端的电连接中断。概括来说，电流监控单元用于在故障情况下进行电网侧的关断。在这种情况下，故障情况尤其应被理解为在给电池组充电时流动的（充电）电流超过预先给定的阈值。

在有利的扩展方案中，充电桩具有在上文所阐述的变型方案之一中的设备，该充电桩用于给电驱动机动车的电池组充电。在此，阻抗频谱测量单元尤其是与充电桩的充电插头的直流电接触部连接。在此，阻抗频谱测量单元和/或控制设备例如集成在充电桩的充电插头的外壳中。此外，该设备尤其是连接到充电桩的供电电网上。

按照用于检测电驱动机动车的电池组的状态的方法，首先将该设备的充电插头与机动车的直流电充电接口连接。这样，直流电接触部与充电连接端连接（电接触）而通信接触部与通信连接端连接（电接触）。

例如，紧接着进行控制设备和控制单元的通信建立。在此，通过交换适当的信号和/或数据，准备给电池组充电。在这种情况下，例如给机动车分配相对应的充电插头，并且给予（vergeben）明确的（连接）标识。例如，附加地传输如下参数，这些参数表示最大充电电流或最大充电电压。尤其是，以这种方式来满足标准和安全准则。

电池组充电系统通常具有针对电池组的保护设备（保护装置）。例如，保护设备构造为开关元件，其中电池组根据开关位置来与充电连接端接通或者断开。因此，视开关位置而定，频谱测量信号能输送给电池组或不能输送给电池组。因此，为了检测电池组的状态，首先需要将电池组充电系统的保护设备关闭或停用。在这种情况下，关闭或停用的保护设备应被理解为：电池组与充电连接端接通。为此，将电池组充电系统置于充电运行状态中。换言之，为此将电池组充电系统的充电运行状态激活。

该保护设备尤其应该避免在将电池组接通到以充电电压所加载的充电连接端上时的负荷峰值和随之而来的对电池组充电系统、尤其是电池组的可能的损坏。为此，在该方法的一个适宜的扩展方案中，首先检测电池组的充电状态（stateofcharge，soc），其中依据该充电状态来推断出由电池组提供的（电池组）电压，或者可替代地直接检测电池组电压。接下来，根据电池组充电状态或者根据由电池组提供的（电池组）电压来调整（einstellen）充电电压，这被称作预充电（precharging）。紧接着，借助于充电插头与直流电充电接口的连接，将该充电电压提供给电池组充电系统。

在此，尤其是当所调整的充电电压大于或等于与电池组的充电状态相对应的电池组电压时，将保护设备切换为导通（闭合）。为了使保护设备保持在闭合状态中，例如附加的前提条件是：在充电运行状态期间的充电电压和/或充电电流小于并且保持小于预先给定的最大充电电压或预先给定的最大充电电流。

尤其是只要该设备没有集成到充电桩中，也就是说该设备构造为单独的测量设备，就适宜的是：针对电池组不提供或仅仅提供比较低的充电电流。因此，电池组未被充电或者仅仅以可忽略的程度被充电，但是电池组充电系统仍然被置于充电运行状态中。因此，这概括地被称作对借助于充电桩给电池组充电的模拟。例如，那么由于充电电流低或者没有充电电流，被连接到充电插头的直流电接触部上的导体（电缆）比较薄地来构造，也就是说构造得具有相对应地小的导体横截面。

可替代于模拟给电池组充电，尤其是只要该设备集成到充电桩中，电池组就在被置于充电运行状态中之后借助于被构造为直流电流的充电电流来被充电，该充电电流具有针对于所述充电、尤其是针对于快速充电过程所设置的并且适合的电流强度。

任何情况下，在将电池组充电系统置于充电运行状态中之后，电池组都通过充电连接端与该设备的直流电接触部电连接（接通）。因此，针对预先给定的频率范围的多个频率，从阻抗频谱测量单元将频谱测量信号时间上相继地分别输送给电池组，而且例如同步地、尤其是同时检测相对应的应答信号。在此，频谱测量信号被构造为交变电压或交变电流，而应答信号相对应地被构造为交变电流或交变电压。

由阻抗频谱测量的结果、尤其是交变电流和交变电压的幅度（amplitude）以及它们彼此间的相位差（phasenversatz）和电池组的由此所确定的阻抗的频率相关性，接下来借助于从现有技术本身公知的方法来确定表示该电池组的状态的值。例如，确定其中在频谱测量信号与应答信号之间不存在相移的过渡频率（übergangsfrequenz）和/或相对应的电阻。该过渡频率或该电阻又与老化状态有关。这样，该老化状态例如可以通过将过渡频率或电阻与存放在控制设备中的表格进行比较来确定。

电池组的状态尤其应被理解为该电池组的功能能力或老化状态，该老化状态表示该电池组的当前的工作能力或者该电池组与这种电池组在全新状态下的工作能力相比而言的工作能力。例如，电池组的状态应进一步被理解为：电池组是否被损坏以及电池组可能如何地被损坏，以及该电池组的温度和/或该电池组的充电状态。

该电池组尤其包括多个串联和/或并联接通的（电池）模块，这些（电池）模块又借助于多个所谓的电池、尤其是锂离子电池来构成。概括来说，借助上文所阐述的方法，依据所检测到的阻抗频谱可以检测电池组的状态。

附图说明

随后，本发明的实施例依据附图进一步予以阐述。其中：

图1以方框电路图示出了被连接到供电电网上的具有阻抗频谱测量单元的设备，该阻抗频谱测量单元的测量线和该阻抗频谱测量单元的馈电线与充电插头的直流电接触部连接；

图2示意性地示出了用于给电驱动机动车的电池组充电的充电桩，其中该设备集成到充电桩中；而

图3以流程图示出了用于借助于该设备来检测电驱动机动车的电池组的状态的方法流程。

在所有附图中，彼此相对应的部分和参量始终配备有相同的附图标记。

具体实施方式

在图1中示出了用于检测电驱动机动车6的（牵引）电池组4的状态的设备2。设备2包括：充电插头8，该充电插头具有两个直流电接触部10用于将充电电压ul输送给电池组4。设备2还具有用于记录阻抗频谱的被称作阻抗频谱测量单元12的测量设备。该阻抗频谱测量单元具有：两个分别用于馈电线16的连接端14a，用于输送频谱测量信号（馈电信号、力信号（force-signal））s；以及两个分别用于测量线18的连接端14b，用于检测相对应的应答信号（测量信号、感测信号）a。在此，在这些直流电接触部10其中的每个直流电接触部上分别连接（电连接）馈电线16之一和测量线18之一。

概括来说，阻抗频谱测量单元12与充电插头8的直流电接触部10连接，不仅用于输送频谱测量信号s而且用于检测应答信号a。

充电插头8还具有通信接触部20（控制导线），该通信接触部与控制设备22连接。控制设备22用于如下目的：与机动车6的电池组充电系统26的控制单元24进行通信（图2），其中该电池组充电系统包括电池组4，该控制单元也被称作电池组管理系统。为此，例如在控制设备22与控制单元24之间交换数据和/或信号。以这种方式，例如在电池组4的充电过程初始化时或者在电池组4的充电过程期间实施标准化的协议，这些标准化的协议尤其是满足标准和安全准则。

按照一个未进一步示出的可替代方案，在控制设备22与控制单元24之间无线地进行通信。在此，对于通信接触部20和通信连接端58附加地或可替代地，还存在为此所需的接收和发送单元。该设备的接收和发送单元例如布置在充电插头8的外壳中。

此外，控制设备22连接到阻抗频谱测量单元12的控制输入端28上。因此能够实现：在适合于此的时间窗内进行频谱测量信号s的输出，使得在控制设备22与控制单元24之间的通信过程中并不引起故障。在图1的实施方案中，不仅控制设备22而且阻抗频谱测量单元12都布置在充电插头8的外壳30中。这样，控制设备22和阻抗频谱测量单元12集成在充电插头8中。在一个未进一步示出的可替代的构型方案中，阻抗频谱测量单元12和/或控制设备22布置在分开的外壳中。

设备2还具有如下连接端32，借助于该连接端，直流电接触部10连接到供电电网34上，该供电电网这里构造为交变电压源。由供电电网34提供的交变电压借助于设备2的整流器36来转换，该整流器在连接端32与充电插头8之间接通。因此，经整流的电压能在充电插头的直流电接触部10上作为充电电压ul来量取。

设备2还具有多个安全设备。这样，二极管40在整流器的正连接端（相连接端）38a与被连接到该正连接端上的直流电接触部10之间接通，该二极管防止通过电流从直流电接触部10流到供电电网34并且因此防止设备2的损坏。附加地，在整流器36的负连接端（接地连接端）38b与被连接在该负连接端上的直流电接触部10之间接通电流监控单元42，该电流监控单元在故障情况下将设备2的直流电接触部10与供电电网34的连接断开。

在此，故障情况尤其应被理解为在给电池组4充电时流动的（充电）电流超过预先给定的阈值。为此，电流监控单元42具有电流测量设备44，该电流测量设备将表示（repräsentieren）充电电流并且尤其是构造为电压的信号输出给比较单元（比较器）46。该比较单元又连接到开关50上，使得开关50在故障情况下断开并且使在供电电网34与整流器36之间的电流路径中断。因此，开关50用于在故障情况下在电网侧关断设备2。

在图2中示出了用于给电驱动机动车6的（牵引）电池组4充电的充电桩52，其中该充电桩的充电插头8被设置和设立用于连接到机动车6的直流电充电接口54上。在此，阻抗频谱测量单元12以未进一步示出的方式与充电插头8的直流电接触部10连接。因此，阻抗频谱测量单元12按照在图1中所阐述的方式集成在充电桩52的充电插头8的外壳30中。设备2还以未进一步示出的方式与充电桩52的供电电网34连接。

电驱动机动车的直流电充电接口54具有：两个用于直流电接触部10的充电连接端56；以及用于设备2的充电插头8的通信接触部20的通信连接端58，。在这种情况下，为了一目了然起见，这两个充电连接端56其中的仅仅一个充电连接端配备有附图标记。用于充电插头8的直流电接触部10的充电连接端56分别连接在电池组4的连接极57上。为了更一目了然起见，（牵引）电池组4示意性地示出。该（牵引）电池组包括多个串联和/或并联的（电池）模块，这些（电池）模块又借助于多个所谓的电池、尤其是锂离子电池来构成。

电压测量设备60与电池组4并联接通，该电压测量设备检测充电连接端56之间的电压。电压测量设备60连接到电池组充电系统26的控制单元24上。控制单元24又与这里被构造为保护开关62的保护设备连接。在此，保护开关62接通在电池组4的连接极57之一与相对应的充电连接端56之间。根据保护开关62的开关位置而定，电池组4以此方式与充电连接端56接通或断开。这样，根据开关位置而定，在电池组4处的充电连接端56之间施加电压或不施加电压。相对应地，频谱测量信号a能输送给电池组或者不能输送给电池组。此外，控制单元24与直流电充电接口54的通信连接端58连接，使得能够实现：在控制设备22与控制单元24之间的通信有错误时或者在接收到相对应的（关断）信号时操纵保护开关62。

概括来说，电池组充电系统26包括控制单元24、保护开关62、电压测量设备60、电池组4以及直流电充电接口54。

在图3中示出的流程图表示用于借助于设备2来检测电驱动机动车6的电池组4的状态的方法流程。

在这种情况下，在第一步骤v，设备2的充电插头8与机动车6的直流电充电接口54连接。这样，直流电接触部10与充电连接端56电接触而通信接触部20与通信连接端58电接触。在接下来的步骤k中，进行控制设备22和控制单元24的通信建立。这样，在步骤k中，开始在控制设备22与控制单元24之间的通信，其中通过交换适当的信号和/或数据来准备给电池组4充电。在这种情况下，例如给机动车6分配相对应的充电插头8并且给予明确的（连接）标识。此外，例如传输如下参数，所述参数表示最大充电电流或者最大充电电压ul。

为了检测电池组4的状态，首先需要：将电池组充电系统26的针对电池组4的保护设备（保护装置）闭合，该保护设备在图2中有代表性地构造为保护开关54。为此，将电池组充电系统26置于充电运行状态lb。换言之，为此将电池组充电系统26的充电运行状态lb激活。这通过在下文进一步描述的对借助于充电桩给电池组充电的模拟来进行。

在该模拟（步骤m）的过程中，首先检测电池组的充电状态soc（stateofcharge）（步骤l）。根据这种所检测到的充电状态soc，调整在充电插头8的直流电接触部10上的用于电池组4的充电电压ul（步骤e）。为此，给充电状态soc分配与该充电状态相对应的电池组电压ub。按照一个未进一步示出的可替代方案，电池组电压ub直接被检测而充电电压ul相对应地被调整。

该过程也被称作预充电（precharging）。借助于充电插头8与直流电充电接口54的连接，将这样所调整的充电电压ul提供给电池组充电系统26（步骤b）。尤其是，只要所调整的充电电压ul大于或等于与电池组的充电状态soc相对应的电池组电压ub，就将保护开关切换为导通（闭合）。这样，由于在将充电电压ul输送给电池组4时进行预充电，在将保护开关54闭合时没有形成负荷峰值（lastspitze），而且避免设备2和/或电池组充电系统26的损坏。

因此，电池组4通过充电连接端56与设备2的直流电接触部10接通，即与这些直流电接触部电连接。以这种方式能够实现：针对预先给定的范围的多个频率，从阻抗频谱测量单元12将频谱测量信号s分别输送给电池组4，而且检测相对应的应答信号a（步骤i），其中该频谱测量信号构造为交变电压或交变电流，该应答信号构造为交变电流或交变电压。

在充电运行状态lb中，没有充电电流流动或者有比较低的充电电流流动。这样，电池组4不被充电或者仅仅以可忽略的程度被充电，因此上文所描述的过程被称作对给电池组4充电的模拟。

由阻抗频谱测量的结果、尤其是交变电流和交变电压的幅度以及它们彼此间的相位差以及电池组4的由此所确定的阻抗的频率相关性，接下来确定表示电池组4的状态的值w（步骤c）。例如，借助于这样检测到的阻抗频谱，通过该阻抗频谱与存放（hinterlegen）在控制设备24中的表格的比较来确定温度，作为电池组4的值w。在这种情况下，该状态尤其应被理解为电池组4的功能能力或老化状态，该状态表示电池组的当前的工作能力或者该电池组与这种电池组4在全新状态下的工作能力相比而言的工作能力。该状态还包括：电池组4是否被损坏以及可能如何地被损坏或者以怎样的程度被损坏；该电池组的温度；和/或该电池组的充电状态soc。

在该方法的一个可替代的、未进一步示出的变型方案中，并不模拟给电池组4充电，而是实际上借助于设备2来给电池组充电。在这种情况下，设备2集成到充电桩52中。在此，上文所阐述的方法步骤以类似的方式进行，仅仅给电池组4加载具有适合于充电、尤其是适合于快速充电过程的电流强度的充电电流。

本发明并不限于在上文所描述的实施例。而是，本发明的其它变型方案也可以由本领域技术人员从中推导出来，而不偏离本发明的主题。此外，尤其是，所有在实施例的上下文中被描述的单个特征也能以其它方式来彼此组合，而不偏离本发明的主题。

附图标记列表

2设备

4（牵引）电池组

6机动车

8充电插头

10直流电接触部

12阻抗频谱测量单元

14a用于馈电线的连接端

14b用于测量线的连接端

16馈电线

18测量线

20通信接触部

22控制设备

24控制单元

24电池组充电系统

28阻抗频谱测量单元的控制输入端

30充电插头的外壳

32用于供电电网的连接端

34供电电网

36整流器

38a整流器的正连接端

38b整流器的负连接端

40二极管

42电流监控单元

44电流测量设备

46比较单元

48开关的控制输入端

50开关

52充电桩

54直流电充电接口

56充电连接端

57连接极

58通信连接端

60电压测量设备

62保护开关

a应答信号

b提供充电电压

c确定值

e调整充电电压

i阻抗频谱测量

k通信建立

l检测充电状态

lb充电运行状态

m模拟

s频谱测量信号

soc电池组的充电状态

ub电池组电压

ul充电电压

v方法步骤

w值