DE102017222967A1 - Impedance standard and method for calibrating an impedance spectroscopy device - Google Patents
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Abstract
Ein Impedanznormal (10) zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung (11) für elektrochemische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen wird vorgestellt. Das Impedanznormal (10) umfasst wenigstens ein Messwiderstandselement (12) und eine Übertragungseinrichtung (20), die eine Impedanzeinheit (24) und eine Verstärkungseinheit (32) aufweist. Das Messwiderstandselement (12) ist mit der Übertragungseinrichtung (20) derart verbunden ist, dass bei einem durch das Messwiderstandselement (12) fließenden Strom über dem Messwiderstandselement (12) eine Arbeitsspannung abfällt, die an der Übertragungseinrichtung (20) anliegt, wobei wenigstens ein Teil der Arbeitsspannung an der Impedanzeinheit (24) abfällt. Die Verstärkungseinheit (32) ist dazu ausgebildet, aus der an der Impedanzeinheit abfallenden Spannung an einem Spannungsanschlusspaar (40, 42) eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die einer Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit einer definierten Impedanz abfallen würde, an das der Strom angelegt ist. Ferner wird ein Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung (11) vorgeschlagen.An impedance standard (10) for calibrating an impedance spectroscopic device (11) for electrochemical energy storage of motor vehicles is presented. The impedance standard (10) comprises at least one measuring resistor element (12) and a transmission device (20) which has an impedance unit (24) and an amplification unit (32). The measuring resistance element (12) is connected to the transmission device (20) in such a way that, when the current flowing through the measuring resistance element (12) is above the measuring resistance element (12), a working voltage drops, which is applied to the transmission device (20), at least one part the working voltage at the impedance unit (24) drops. The amplification unit (32) is configured to generate from the voltage drop across the impedance unit at a voltage connection pair (40, 42) an output voltage that corresponds to a voltage that would drop across a component having a defined impedance to which the current is applied is. Furthermore, a method for calibrating an impedance spectroscopy device (11) is proposed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Impedanznormal zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung für elektrochemische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer Impedanzspektroskopievorrichtung.The invention relates to an impedance standard for calibrating an impedance spectroscopic device for electrochemical energy storage of motor vehicles and to a method for calibrating an impedance spectroscopy device.
Impedanzspektroskopievorrichtungen werden unter anderem eingesetzt, um elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise von Kraftfahrzeugen, hinsichtlich Alterung und Versagensrisiko zu untersuchen. Dazu wird mittels der Impedanzspektroskopievorrichtung die Impedanz des Energiespeichers bestimmt, welche Aussagen über den Alterungszustand ermöglicht.Impedance spectroscopy devices are used, inter alia, to investigate electrochemical energy storage, for example of motor vehicles, with respect to aging and failure risk. For this purpose, the impedance of the energy store is determined by means of the impedance spectroscopy device, which allows statements about the state of aging.
Um solche Impedanzspektroskopievorrichtungen zu kalibrieren, wird ein sogenanntes Impedanznormal benötigt, dessen Impedanz einen ähnlichen Wert hat wie der zu untersuchende Energiespeicher (also typischerweise einen hohen kapazitiven Anteil und einen geringen ohmschen Innenwiderstand).In order to calibrate such impedance spectroscopy devices, a so-called impedance standard is needed, the impedance of which has a similar value to the energy store to be examined (ie typically a high capacitive component and a low internal ohmic resistance).
Bekannte Impedanznormale können jedoch solche niederohmigen Impedanzen nicht darstellen und/oder parasitäre induktive Effekte nicht vollständig eliminieren. Zudem müssen Temperatureinflüsse auf die Impedanz der Impedanznormale möglichst ausgeschlossen werden.However, known impedance standards can not represent such low impedance and / or completely eliminate parasitic inductive effects. In addition, temperature influences on the impedance of the impedance standards must be excluded as far as possible.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Impedanznormal sowie ein Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung zu schaffen, bei dem die Nachteile aus dem Stand der Technik verbessert sind.The object of the invention is therefore to provide an impedance standard and a method for calibrating an impedance spectroscopy device, in which the disadvantages of the prior art are improved.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Impedanznormal der eingangs genannten Art, mit wenigstens einem Messwiderstandselement und einer Übertragungseinrichtung, die eine Impedanzeinheit und eine Verstärkungseinheit aufweist, wobei das Messwiderstandselement mit der Übertragungseinrichtung derart verbunden ist, dass bei einem durch das Messwiderstandselement fließenden Strom über dem Messwiderstandselement eine Arbeitsspannung abfällt, die an der Übertragungseinrichtung anliegt, wobei wenigstens ein Teil der Arbeitsspannung an der Impedanzeinheit abfällt, und wobei die Verstärkungseinheit dazu ausgebildet ist, aus der an der Impedanzeinheit abfallenden Spannung an einem Spannungsanschlusspaar eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die einer Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit einer definierten Impedanz abfallen würde, an das der Strom angelegt ist. Bei dem angelegten Strom handelt es sich vorzugsweise um einen Wechselstrom, der jedoch auch einen Gleichspannungsanteil aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Impedanznormal hat den Vorteil, dass nur geringe Spannungen und Ströme an der Übertragungseinrichtung anliegen, da der größte Teil des Stroms durch das Messwiderstandselement fließt. Deswegen erwärmen sich Bauteile der Übertragungseinrichtung weniger aufgrund ohmscher Verluste und Temperatureinflüsse auf die Impedanz der Impedanzeinheit sind reduziert.The object is achieved by an impedance standard of the type mentioned, with at least one measuring resistor element and a transmission device having an impedance unit and an amplifying unit, wherein the measuring resistance element is connected to the transmission device such that at a current flowing through the measuring resistance element current across the measuring resistor element a working voltage which is applied to the transmission means, wherein at least a part of the working voltage at the impedance unit drops, and wherein the amplifying unit is adapted to generate from the voltage drop across the impedance unit at a voltage terminal pair an output voltage corresponding to a voltage at a component with a defined impedance would drop, to which the current is applied. The applied current is preferably an alternating current, which, however, may also have a DC voltage component. The impedance standard according to the invention has the advantage that only small voltages and currents are applied to the transmission device, since most of the current flows through the measuring resistance element. Because of this, components of the transmission device heat up less due to ohmic losses and temperature influences on the impedance of the impedance unit are reduced.
Vorzugsweise umfasst die Verstärkungseinheit einen Differenzverstärker. Insbesondere verstärkt der Differenzverstärker die an der Impedanzeinheit abfallende Spannung, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Da dabei die Differenz der an den beiden Enden der Impedanzeinheit anliegenden Spannung gebildet wird, sind parasitäre Effekte (z.B. durch Induktivitäten von Zuleitungen hervorgerufen) reduziert oder sogar komplett beseitigt.Preferably, the amplification unit comprises a differential amplifier. In particular, the differential amplifier amplifies the voltage dropped across the impedance unit to produce the output voltage. Since the difference of the voltage applied to both ends of the impedance unit is thereby formed, parasitic effects (caused, for example, by inductances of leads) are reduced or even completely eliminated.
Ein Aspekt sieht vor, dass die Verstärkungseinheit eine Summierstufe umfasst. Vorzugsweise ist die Summierstufe dazu ausgebildet, zusätzliche Spannungen zu einer von der Verstärkungseinheit verstärkten Spannung zu addieren, um die Ausgangsspannung zu erzeugen.One aspect provides that the amplification unit comprises a summing stage. Preferably, the summing stage is configured to add additional voltages to a voltage amplified by the amplification unit to produce the output voltage.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Anschluss des Spannungsanschlusspaar einem Ausgang der Verstärkungseinheit zugeordnet. An diesem Anschluss liegt dann die Ausgangsspannung gegenüber Masse an. Dementsprechend kann die Ausgangsspannung über den Anschluss an andere Geräte ausgegeben werden, beispielsweise an eine Impedanzspektroskopievorrichtung.According to one embodiment of the invention, a connection of the voltage connection pair is assigned to an output of the amplification unit. At this terminal then the output voltage to ground at. Accordingly, the output voltage may be output through the terminal to other devices, such as an impedance spectroscopy device.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Übertragungseinrichtung ein ohmsches Widerstandselement aufweist. Das ohmsche Widerstandselement begrenzt einen elektrischen Strom durch die Impedanzeinheit, die sich dadurch weniger aufheizt. Dadurch sind thermische Einflüsse reduziert und die Impedanzeinheit muss weniger temperaturunempfindlich in Bezug auf Impedanzveränderungen sein. Durch die geringeren Anforderungen hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit lassen sich unter anderem die Kosten für die Impedanzeinheit reduzieren.A further aspect provides that the transmission device has an ohmic resistance element. The ohmic resistance element limits an electrical current through the impedance unit, which thereby heats up less. As a result, thermal influences are reduced and the impedance unit must be less sensitive to temperature changes in terms of impedance changes. The lower requirements in terms of temperature resistance, among other things, can reduce the cost of the impedance unit.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Impedanzeinheit ein Impedanzmultiplikatorelement, das dazu ausgebildet ist, die Impedanz der Impedanzeinheit zu verändern. Über das Impedanzmultiplikatorelement kann die Impedanz der Impedanzeinheit einfach angepasst werden, sodass das Impedanznormal dazu geeignet ist, mehrere Bauteile mit verschiedenen Sollimpedanzen darzustellen. Dadurch wird nicht für jede unterschiedliche Sollimpedanz ein eigenes Impedanznormal benötigt, wodurch das Impedanznormal vielseitiger einsetzbar ist.According to a further aspect, the impedance unit comprises an impedance multiplier element which is designed to change the impedance of the impedance unit. Through the impedance multiplier element, the impedance of the impedance unit can be easily adjusted, so that the impedance standard is suitable for representing a plurality of components with different nominal impedances. As a result, a separate impedance standard is not needed for each different target impedance, which makes the impedance standard more versatile.
In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Impedanzmultiplikatorelement einen Operationsverstärker und ohmsche Widerstände. Insbesondere sind der Operationsverstärker und die ohmschen Widerstände derart mit einem oder mehreren kapazitiven Bauteilen verbunden, dass eine effektive Kapazität des kapazitiven Bauteils bzw. der kapazitiven Bauteile erhöht ist. Ein Faktor, um den die effektive Kapazität gegenüber der ursprünglichen Kapazität des bzw. der kapazitiven Bauteile erhöht ist, ist dabei von den Widerständen der ohmschen Widerstände bestimmt. Dadurch können auch Bauteile mit niedrigerer Kapazität verwendet werden, wodurch Kosten eingespart werden.In one embodiment of the invention, the impedance multiplier element comprises a Operational amplifier and ohmic resistors. In particular, the operational amplifier and the ohmic resistors are connected to one or more capacitive components such that an effective capacitance of the capacitive component or of the capacitive components is increased. A factor by which the effective capacitance is increased compared to the original capacitance of the capacitive component or components is determined by the resistances of the ohmic resistors. As a result, components with lower capacity can be used, thereby saving costs.
Vorzugsweise ist dem Messwiderstandselement und der Verstärkungseinheit jeweils eine eigene Spannungsquelle zugeordnet, insbesondere wobei die Spannungsquellen als Gleichspannungsquellen ausgebildet sind. Insbesondere addiert eine erste Spannungsquelle einen Gleichstromanteil zu einem durch das Messwiderstandselement fließenden Strom und die zweite Spannungsquelle addiert einen Gleichspannungsanteil zu einer von der Verstärkungseinheit verstärkten Spannung, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn Impedanzspektroskopievorrichtungen kalibriert werden sollen, die einen Gleichstrom- oder Gleichspannungsanteil voraussetzen. Das erfindungsgemäße Impedanznormal ist dementsprechend auch zur Kalibrierung solcher Impedanzspektroskopievorrichtungen geeignet.Preferably, the measuring resistance element and the amplifying unit each have their own voltage source assigned, in particular wherein the voltage sources are designed as DC voltage sources. More specifically, a first voltage source adds a DC component to a current flowing through the sense resistor element, and the second voltage source adds a DC component to a boosted voltage by the amplification unit to produce the output voltage. This is particularly advantageous when calibrating impedance spectroscopy devices that require a DC or DC component. Accordingly, the impedance standard according to the invention is also suitable for calibrating such impedance spectroscopy devices.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die dem Messwiderstandselement zugeordnete Spannungsquelle einen Operationsverstärker. Insbesondere umfasst die Spannungsquelle einen Operationsverstärker mit nachgeschalteter Leistungsstufe oder anders ausgedrückt einen Leistungs-Operationsverstärker. Die Spannungsquelle ist also insbesondere nicht durch eine konventionelle Batterie gebildet. Die Leistungsstufe kann mehrere Transistoren umfassen. Die Spannungsquelle kann mit einer Referenzspannungsquelle verbunden und derart ausgebildet sein, dass die Ausgangsspannung der Spannungsquelle der Referenzspannungsquelle entspricht. Insbesondere ist die Referenzspannungsquelle eingangsseitig mit dem Leistungs-Operationsverstärker verbunden und sein Ausgang folgt der Eingangsspannung.According to a further embodiment of the invention, the voltage source assigned to the measuring resistance element comprises an operational amplifier. In particular, the voltage source comprises an operational amplifier with a downstream power stage or in other words a power operational amplifier. The voltage source is thus in particular not formed by a conventional battery. The power stage may include multiple transistors. The voltage source can be connected to a reference voltage source and configured such that the output voltage of the voltage source corresponds to the reference voltage source. In particular, the reference voltage source is connected on the input side to the power operational amplifier and its output follows the input voltage.
Ein Aspekt sieht vor, dass die beiden Spannungsquellen synchronisiert sind, insbesondere wobei die der Verstärkungseinheit zugeordnete Spannungsquelle eine anpassbare Spannung aufweist. Unter synchronisiert ist dabei zu verstehen, dass die beiden Spannungsquellen ein gleiches Spannungsniveau aufweisen. Bei der Kalibrierung einer Impedanzspektroskopievorrichtung liegt dann sowohl an Stromausgängen als auch an Spannungseingängen der Impedanzspektroskopievorrichtung dieselbe Gleichspannung an, wodurch das Impedanznormal einen elektrochemischen Energiespeicher optimal nachbildet und Messfehler reduziert sind. Insbesondere dient die der Verstärkungseinheit zugeordnete Spannungsquelle als Referenzspannungsquelle für die dem Messwiderstandselement zugeordnete Spannungsquelle.One aspect provides that the two voltage sources are synchronized, in particular wherein the voltage source assigned to the amplification unit has an adjustable voltage. Under synchronized is to be understood that the two voltage sources have an equal voltage level. During the calibration of an impedance spectroscopy apparatus, the same DC voltage is present at both current outputs and voltage inputs of the impedance spectroscopy device, whereby the impedance standard optimally emulates an electrochemical energy store and measurement errors are reduced. In particular, the voltage source assigned to the amplification unit serves as a reference voltage source for the voltage source assigned to the measuring resistance element.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Summierstufe dazu ausgebildet, eine Spannung der der Verstärkungseinheit zugeordneten Spannungsquelle zu einer vom Differenzverstärker erzeugten Spannung zu addieren, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. In dieser Variante des erfindungsgemäßen Impedanznormals sind verschiedene Vorteile kombiniert. Zum einen sind wegen des Differenzverstärkers parasitäre Effekte (nahezu) eliminiert. Zum anderen setzen manche Impedanzspektroskopievorrichtungen einen Gleichspannungsanteil voraus und das erfindungsgemäße Impedanznormal ist auch für solche Impedanzspektroskopievorrichtungen geeignet.According to a further embodiment of the invention, the summation stage is designed to add a voltage of the voltage source assigned to the amplification unit to a voltage generated by the differential amplifier in order to generate the output voltage. Various advantages are combined in this variant of the impedance standard according to the invention. First, because of the differential amplifier, parasitic effects are (almost) eliminated. On the other hand, some impedance spectroscopy devices assume a DC component and the impedance standard according to the invention is also suitable for such impedance spectroscopy devices.
Insbesondere ist das Impedanznormal dazu ausgebildet, ein im Folgenden beschriebenes Verfahren durchzuführen.In particular, the impedance standard is designed to carry out a method described below.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung für elektrochemische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen, mit den folgenden Schritten: ein Impedanznormal wird mittels der Impedanzspektroskopievorrichtung mit einem Wechselstrom beaufschlagt; eine über ein Messwiderstandselement des Impedanznormals abfallende Arbeitsspannung wird abgegriffen; und zumindest ein Teil der Arbeitsspannung wird über eine Verstärkungseinheit des Impedanznormals verstärkt, sodass eine Ausgangsspannung mittels des Impedanznormals erzeugt wird, die einer Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit einer definierten Impedanz abfallen würde, an das der Wechselstrom angelegt ist, insbesondere wobei zum Wechselstrom mittels einer ersten Spannungsquelle ein Gleichstrom addiert wird und wobei mittels der Verstärkungseinheit eine Gleichspannung einer zweiten Spannungsquelle, die mit der ersten Spannungsquelle synchronisiert ist, zum verstärkten Teil der Arbeitsspannung addiert wird, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Bezüglich der Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.The object is further achieved according to the invention by a method for calibrating an impedance spectroscopic device for electrochemical energy storage of motor vehicles, comprising the following steps: an impedance normal is applied by means of the impedance spectroscopy device with an alternating current; a working voltage dropping across a measuring resistance element of the impedance standard is tapped off; and at least a part of the working voltage is amplified by an amplifying unit of the impedance standard so that an output voltage is generated by means of the impedance standard corresponding to a voltage which would drop across a component having a defined impedance to which the alternating current is applied, in particular to the alternating current a direct current is added by means of a first voltage source and wherein by means of the amplification unit a DC voltage of a second voltage source synchronized with the first voltage source is added to the amplified part of the working voltage to produce the output voltage. With regard to the advantages, reference is made to the above explanations.
Vorzugsweise wird die Ausgangsspannung an die Impedanzspektroskopievorrichtung angelegt. Da die Ausgangsspannung derjenigen Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit definierter Impedanz abfallen würde, durch das der Wechselstrom fließt, kann die über die Spannungseingänge an die Impedanzspektroskopievorrichtung rückgekoppelte Ausgangsspannung dazu verwendet werden, die Impedanzspektroskopievorrichtung zu kalibrieren.Preferably, the output voltage is applied to the impedance spectroscopic device. Since the output voltage corresponds to the voltage that would drop across a device of defined impedance through which the alternating current flows, the output voltage fed back via the voltage inputs to the impedance spectroscopy device may be used to calibrate the impedance spectroscopic device.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Impedanznormals; -
2 ein schematisches Ablaufdiagramm der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens; -
3 ein schematisches Schaltbild eines Impedanzmultiplikatorelements des Impedanznormals von1 ; und -
4 ein schematisches Schaltbild einer Spannungsquelle des Impedanznormals von1 .
-
1 a schematic block diagram of an impedance standard according to the invention; -
2 a schematic flow diagram of the steps of a method according to the invention; -
3 a schematic diagram of an impedance multiplier element of the impedance standard of1 ; and -
4 a schematic diagram of a voltage source of the impedance standard of1 ,
In
Das Impedanznormal
Mit dem Messwiderstandselement
Die Übertragungseinrichtung
Das ohmsche Widerstandselement
Das Impedanzmultiplikatorelement
Wäre ohne das Impedanzmultiplikatorelement
Gemäß einer anderen Variante umfasst das Impedanzmultiplikatorelement
Insbesondere weist das Impedanznormal eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die weiteren Impedanzelemente über die Schalter hinzu- und/oder wegzuschalten. Die Steuereinheit kann durch einen Rechner oder einen Mikrocontroller bereitgestellt sein.In particular, the impedance standard has a control unit which is set up to switch the further impedance elements on and / or off via the switches. The control unit may be provided by a computer or a microcontroller.
Zwischen einem dem ohmschen Widerstandselement
Genauer gesagt umfasst die Verstärkungseinheit
Durch das Impedanzelement
Die Verstärkungseinheit
Der Ausgang
Die Übertragungseinrichtung
Dabei sind die beiden Spannungsquellen
Vorzugsweise ist die zweite Spannungsquelle
Die erste Spannungsquelle
Im Folgenden wird anhand der
Ein erster und ein zweiter Stromausgang
Außerdem werden ein erster und ein zweiter Spannungseingang
Über die Stromausgänge
Wegen des Stroms
Wenigstens ein Teil der Arbeitsspannung
Die Ausgangsspannung
Mit dem Impedanznormal
Aufgrund der beiden synchronisierten Spannungsquellen
Generell kann jede der Spannungsquellen
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