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TECHNISCHES GEBIET
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Verschiedene Beispiele betreffen thermische Impedanzspektroskopie (TIS).
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HINTERGRUND
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Mittels TIS können die thermischen Parameter einer Batteriezelle gemessen werden. Beispielsweise kann die Wärmekapazität, die thermische Leitfähigkeit und die Wärmekopplung an die Umgebung bestimmt werden. Dazu wird bei der TIS die thermische Antwort der Batteriezelle auf Wärmeerzeugung im Inneren der Batteriezelle (thermische Anregung) gemessen. Insbesondere wird die Oberflächentemperatur gemessen und in Bezug auf die Wärmeerzeugung gesetzt. Dies kann aufgelöst für verschiedene Frequenzen der Wärmeerzeugung erfolgen. Dadurch wird ein Impedanzspektrum erhalten. Eine frequenzabhängige Übertragungsfunktion zwischen der Wärmeerzeugung und der Oberflächentemperatur kann bestimmt wird. Konventionell können daraus die oben genannten thermischen Parameter wie Wärmekapazität oder thermische Leitfähigkeit abgeleitet werden.
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Siehe z.B. Fleckenstein, Matthias, et al. „Thermal Impedance Spectroscopy-A method for the thermal characterization of high power battery cells.“ Journal of Power Sources 223 (2013): 259-267.
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Herkömmliche TIS-Messungen sind vergleichsweise aufwendig und die TIS-Messung kann vergleichsweise langsam sein, das heißt die Messzeitdauer kann lange sein.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken der TIS. Diese Aufgabe wird gelöst von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Die Merkmale der abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.
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Ein Verfahren zum Bestimmen einer thermischen Impedanz umfasst das Bereitstellen von Wärmegeneration im Inneren einer Batteriezelle. Außerdem wird eine Oberflächentemperatur der Batteriezelle gemessen. Ferner werden ein oder mehrere mit einer thermischen Impedanz assoziierten Größen basierend auf eine Abhängigkeit der Oberflächentemperatur von der Wärmegeneration für die mehreren Frequenzen bestimmt.
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Beispielsweise wäre es möglich, dass die Wärmegeneration mit einem kontinuierlichen Frequenzdurchlauf durch die mehreren Frequenzen bereitgestellt wird.
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Es wäre auch möglich, dass die Wärmegeneration zeitparallel für zumindest einige der mehreren Frequenzen bereitgestellt wird.
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Die ein oder mehreren mit der thermischen Impedanz assoziierten Größen können eine Wärmekapazität der Batteriezelle und einen Wärmeübertragungskoeffizienten der Batteriezelle umfassen.
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Die Wärmekapazität und der Wärmeübertragungskoeffizient könnten mit einem PT1-Fit-programm bestimmt werden.
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Ein Computerprogramm oder ein Computerprogrammprodukt oder ein computerlesbares Speichermedium kann Programmcode beinhalten, der von einem Prozessor geladen und ausgeführt werden kann. Dies bewirkt, dass der Prozessor ein Verfahren wie obenstehend beschrieben zum Bestimmen einer thermischen Impedanz ausführt.
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Eine Vorrichtung kann eingerichtet sein, um ein Verfahren wie obenstehend beschrieben zum Bestimmen einer thermischen Impedanz auszuführen.
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Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt ein Messsystem, das zum Durchführen einer TIS-Messung eingerichtet ist, gemäß verschiedenen Beispielen.
- 2 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.
- 3 zeigt einen kontinuierlichen Frequenzdurchlauf eines Anregungssignals zur Wärmegeneration bei der TIS-Messung gemäß verschiedenen Beispielen.
- 4 zeigt Frequenz-Multiplexen eines Anregungssignals zur Wärmegeneration bei der TIS-Messung gemäß verschiedenen Beispielen.
- 5 zeigt ein thermisches Ersatzschaltkreismodell einer Batteriezelle gemäß verschiedenen Beispielen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.
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Verschiedene hierin offenbarte Techniken betreffen die TIS. Verschiedene hierin beschriebenen Techniken betreffen eine spezielle Ausbildung der thermischen Anregung. Weitere hierin beschriebenen Techniken betreffen eine spezielle Implementierung der Auswertung eines Messsignals.
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1 illustriert schematisch ein Messsystem 70. Das Messsystem 70 ist eingerichtet, um an einer Batteriezelle 81 - der Prüfling - eine TIS-Messung durchzuführen. Dazu verfügt das Messsystem 70 über ein Messgerät 95, nämlich einen Impedanz-Analysator. Dieser kann ein Anregungssignal über einen Ausgang 96 ausgeben. Dieses Anregungssignal wird an eine Wärmeerzeugungseinheit 82, die im Inneren der Batteriezelle 81 angeordnet ist, übertragen. Derart kann über einen Stromfluss Wärme im Inneren der Batteriezelle 81 erzeugt werden, d.h. eine thermische Anregung zur Wärmegeneration kann bereitgestellt werden.
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Das Messgerät 95 umfasst auch einen Eingang 97, der mit einem Temperatursensor 83 gekoppelt ist. Der Temperatursensor 83 ist auf der Oberfläche der Batteriezelle 81 angebracht und misst die Temperatur.
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Das Messgerät 95 kann von einem Computer 91 gesteuert werden, über eine geeignete Schnittstelle 94. Der Computer 91 umfasst einem Prozessor 92, der eingerichtet ist, Programmcode aus einem Speicher 93 zu laden und auszuführen. Wenn der Prozessor 92 den Programmcode lädt und ausführt, bewirkt dies, dass der Prozessor Techniken, wie sie nachfolgend im Detail beschrieben werden, ausführt, zum Beispiel: Ansteuern des Messgeräts 95; Auslesen des Messgeräts 95, d.h. z.B. Erhalten eines Messsignals das indikativ für die Temperatur der Batteriezelle 81 ist; Bestimmen von ein oder mehreren mit einer thermischen Impedanz assoziierten thermischen Parametern der Batteriezelle 81.
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2 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. 2 illustriert Aspekte im Zusammenhang mit einer thermischen Impedanzmessungen. Beispielsweise könnte das Verfahren der 2 von dem Prozessor 92 des Computers 91 basierend auf Programmcode, der aus dem Speicher 93 gelesen wird, implementiert werden.
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In Box 905 wird Wärmegeneration im Inneren einer Batteriezelle bei mehreren Frequenzen bereitgestellt. Box 905 könnte zum Beispiel das Ansteuern eines geeigneten Messgeräts zum Ausgeben eines Anregungsstroms umfassen (vergleiche 1: Messgerät 95). Der Anregungsstrom kann in einem Widerstand Wärme erzeugen. Ein elektrothermischer Effekt kann ausgenutzt werden.
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Es gibt mehrere Möglichkeiten, um die mehreren Frequenzen des Anregungsstroms zu Implementieren. Einige Varianten sind nachfolgend in TAB. 1 beschrieben. TAB. 1: Verschiedene Beispiele, um Wärmegeneration bei mehreren Frequenzen bereitzustellen.
| Beispiel | Details |
| Frequenzdurchlauf | Beispielsweise wäre es möglich, dass Wärmegeneration sequenziell bei mehreren Frequenzen bereitgestellt wird, wobei die mehreren Frequenzen nacheinander durchlaufen werden (englisch „frequency sweep“). |
| | Ein kontinuierlicher Frequenzdurchlauf wäre möglich, d.h. aufeinanderfolgende Frequenzen werden ohne Totzeit bereitgestellt. Ein analoger Frequenzfilter könnte kontinuierlich verschoben werden. |
| | Ein entsprechendes Szenario ist in 3 dargestellt. In 3, links oben ist das Anregungssignal, das als Stromfluss aus dem Anschluss 96 des Messgeräts 95 ausgegeben wird, als Funktion |
| | der Zeit dargestellt. In 3, rechts oben ist die mit dem Anregungssignal assoziierte erzeugte irreversible Wärme als Funktion der Zeit dargestellt. In 3 unten ist die Frequenz des Anregungssignals als Funktion der Zeit dargestellt. Dort ist ersichtlich, dass die Frequenz kontinuierlich vergrößert wird. Es wäre auch möglich, dass die Frequenz kontinuierlich reduziert wird. |
| | Im Beispiel der 3 ist ein linearer Frequenzdurchlauf dargestellt, es wären aber auch andere als lineare Abhängigkeiten der Frequenz von der Zeit denkbar. |
| | Durch die Verwendung eines Frequenzdurchlaufs kann die Messzeitdauer verringert werden. Gleichzeitig kann aber zu einem Zeitpunkt nur eine Frequenz im Anregungssignal verwendet werden, was eine besonders hohe Genauigkeit mittels des „Frequenz-Lock-In“-Prinzips ermöglicht. |
| | Wird eine noch kürze Messzeitdauer gewünscht, so kann die Technik des Frequenz-Multiplexen verwendet werden, wie nachfolgend beschrieben. |
| Frequenz-Multiplexen | In einer anderen Variante wäre es denkbar, dass die Wärmegeneration zeitparallel für zumindest einige der verwendeten mehreren Frequenzen, bei denen die TIS-Messung erfolgt, durchgeführt wird. Ein entsprechendes Szenario ist in 4 dargestellt. In 4 ist die Zeitabhängigkeit des Anregungssignals, das vom Messgerät 95 über den Ausgang 96 ausgegeben wird, dargestellt. Die Zeitabhängigkeit des Anregungssignals ergibt sich aus konstruktiver und destruktiver Interferenz der mehreren beteiligten Frequenzen. Das entsprechende Frequenzspektrum ist in 4, unten |
| | dargestellt. Außerdem ist in 4, rechts oben die erzeugte irreversible Wärme als Funktion der Zeit illustriert, die sich aus dem Anregungssignal ergibt. |
| | Das Frequenzspektrum wird durch das Quadrat einer Summe verschiedener Sinus-anregungen erzeugt. Dadurch erhält man Interferenz der einzelnen Sinus-Signale quadriert sowie der jeweils gemischten Terme. |
| | Im dargestelltem Beispiel sind kleinere Frequenzen höher gewichtet als große, sodass ein Frequenzgang für die Magnitude erhalten wird. Mittels einer solchen Technik, bei der das Anregungssignal überlagert mehrere Frequenzanteile aufweist, kann die Messzeitdauer besonders kurz gestaltet werden. |
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Jetzt wieder bezugnehmend auf 2: parallel zum Bereitstellen der Wärmegeneration in Box 905 wird die Oberflächentemperatur der Batteriezelle in Box 910 gemessen. Beispielsweise könnte eine entsprechende Messeroutine des Messgeräts 95 vom Prozessor 92 durch ein entsprechendes Steuersignale, das über die Schnittstelle 94 gesendet wird, ausgelöst werden.
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Eine „Lock-in“-Messtechnik kann verwendet werden: Die Messung kann Frequenz-selektiv erfolgen: das bedeutet, dass jeweils selektiv bei den ein oder mehreren Frequenzen gemessen werden kann, die ihrem Anregungssignal beinhaltet sind.
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Die Messung kann Phasen-aufgelöst erfolgen. Das bedeutet, dass ein Phasenversatz zwischen der Variation der Oberflächentemperatur und der Variation der erzeugten Wärme bzw. der Veriation des Anregungssignals berücksichtigt werden kann. Dadurch kann eine komplexe Impedanz bestimmt werden.
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In Box 915 werden dann ein oder mehrere Temperaturparameter der Batteriezelle 81, die mit der thermischen Impedanz assoziiert sind, bestimmt.
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Dazu können unterschiedliche Techniken verwendet werden. In einer Variante wäre es denkbar, die thermische Impedanz gemäß Referenzimplementierungen zu bestimmen und aus der thermischen Impedanz die Wärmekapazität und einen Wärmeübertragung Koeffizienten - der indikativ für die Wärmeleitfähigkeit der Batteriezelle ist - zu bestimmen.
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Die thermische Impedanz ist definiert als:
wobei T die Oberflächentemperatur und Q die erzeugte Wärme und ω = 2πƒ, mit der Frequenz f ist.
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In einer weiteren Variante wäre es möglich, die Wärmekapazität und den Wärmeübertragung Koeffizienten mit einem PT1-Fitprogramm zu bestimmen. Diese Technik wird nachfolgend näher erläutert.
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Grundlage bildet ein thermisches Ersatzschaltkreismodell der Batteriezelle, wie es in 5 dargestellt ist. Dort ist der Wärmeübertragungskoeffizient R und die Wärmekapazität C dargestellt, neben der Umgebungstemperatur Tamb.
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PT1-Fitprogramme sind als fertige Programmmodule in unterschiedlichen Daten auswerten-Softwarepaketen vorhanden. Es ist möglich, solche Programmmodule im Zusammenhang mit der TIS-Messung zu verwenden. Mittels eines solchen Fitprogramms können Parameter eines PT1-Glieds bestimmt werden. Ein PT1-Glied bildet allgemein eine Übertragungsstrecke zwischen einer Eingangsgröße u(t) und einer Ausgangsgröße y(t), wobei t die Zeit bezeichnet. Die Übertragungsstrecke ist linear, das heißt weist einen proportionales Übertragungsverhalten auf, sowie eine Verzögerung erster Ordnung. Das bedeutet, dass die Ausgangsgröße (bei der TIS, die Oberflächentemperatur), wie folgt von der Eingangsgröße abhängt:
wobei τ, κ Parameter sind, die durch das PT1-Fitprogramm erhalten werden. Das ist eine lineare Differentialgleichung erster Ordnung.
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Über eine Laplace-Transformation kann diese Differentialgleichung 2 in die Übertragungsfunktion gem. Gleichung 1 überführt werden:
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Andererseits lässt sich der thermische Ersatzschaltkreis als PT1-Glied darstellen, sodass:
wobei m die Masse der Zelle ist, c
p die Wärmekapazität, a
Zelle, ein Geometrieparameter der Zelle und α die Wärmeleitfähigkeit.
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Das zeigt, wie basierend auf dem PT1-Fitprogramm die Wärmekapazität und der Wärmeübertragungskoeffizient Koeffizient bestimmt werden.
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Mittels dieser Techniken können mit geringer Messzeitdauer viele Datenpunkte erfasst werden, weil ein Frequenzdurchlauf bzw. Frequenz-Multiplexen (sh. TAB. 1) mehrerer Frequenzen besonders zügig erfolgen kann. Außerdem können thermische Parameter besonders robust und zuverlässig und einfach mittels bestehender Fitprogramme bestimmt werden.
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Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.
