-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Speichers, der eine oder mehrere Speicherzellen mit jeweils einer Anode und einer Kathode aufweist, mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Speichers, der eine oder mehrere Speicherzellen mit jeweils einer Anode und eine Kathode aufweist, mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie.
-
Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift
US 2018/0203074 A1 eine Vorrichtung zur Durchführung einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie an einem Speicher mit mehreren elektrischen Speicherzellen beschrieben. Auch die Offenlegungsschriften
US 2015/0030891 A1 und
US 2020/0386820 beschäftigen sich mit dem Einsatz elektrochemischer Impedanzspektroskopie für die Überwachung von elektrischen Speichern mit mindestens einer Speicherzelle.
-
Das Überwachen des Zustands eines elektrischen Speichers im laufenden Betrieb ist grundsätzlich vorteilhaft und wird auch gesetzlich gefordert. Um ein drohendes thermisches Durchgehen (thermal runaway) zu erfassen, ist es bekannt, bestimmte Parameter, wie die elektrische Zellspannung, eine externe Temperatur, eine mechanische Ausdehnung sowie das Entstehen von Gasen, zu überwachen. Mithilfe dieser Parameter können unumkehrbare Redoxreaktionen in einer Speicherzelle erfasst werden. Bei einem thermischen Durchgehen steigt die Temperatur der Speicherzelle exponentiell an und kann zu einer Kettenreaktion führen, wenn benachbarte Speicherzellen durch die erhitzte Speicherzelle beschädigt und erhitzt werden. Mithilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie ist eine frühzeitige Erkennung eines drohenden thermischen Durchgehens möglich. Jedoch benötigen bisher bekannte Verfahren eine aufwändige Infrastruktur, da ein hoher Rechenaufwand notwendig ist, um beispielsweise die Qualität einer Impedanzspektroskopie mithilfe der Kramers-Kronig-Methode zu validieren. Insbesondere bei sogenannten Online-Messungen, also bei Messungen, die im laufenden Betrieb beziehungsweise in Echtzeit erfolgen sollen, ist die Durchführung derartiger Methoden bisher kaum zu bewältigen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Durchführung einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie zum Erfassen des Zustands einer Speicherzelle eines elektrischen Speichers im laufenden Betrieb des elektrischen Speichers, insbesondere im Kraftfahrzeug, zu ermöglichen.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese hat den Vorteil, dass eine elektrochemische Impedanzspektroskopie mit reduziertem Rechenaufwand und damit in Echtzeit oder nahezu Echtzeit durchführbar ist. Hierzu sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vor, dass eine erste Einrichtung zum Beaufschlagen der Anode zumindest einer der Speicherzellen des Speichers mit einem elektrischen Wechselsignal, insbesondere Wechselspannung oder Wechselstrom, eine zweite Einrichtung zum Erfassen eines durch das Wechselsignal erzeugten Reaktionssignals an der Kathode derselben Speicherzelle und zum Erfassen des erzeugten Wechselsignals an der Anode, sowie eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die erste Einrichtung anzusteuern und das durch die zweite Einrichtung erfasste Reaktionssignal und Wechselsignal zur Impedanzspektroskopie zu empfangen und auszuwerten, vorhanden ist, wobei die zweite Einrichtung zumindest ein Driftkompensationsmodul aufweist. Durch das Berücksichtigen des an der Anode tatsächlich erzeugten Wechselsignals, oder auch Ist-Wechselsignal, sowie des an der Kathode erzeugten Reaktionssignal und mithilfe des vorteilhaften Driftkompensationsmoduls ist eine vorteilhafte Auswertung beziehungsweise Impedanzspektroskopie mit geringem Rechenaufwand gewährleistet.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Driftkompensationsmodul einen Tiefpassfilter und einen Differenzverstärker auf. Hierdurch wird erreicht, dass unabhängig von einem Exponentialdrift oder Lineardrift ein Wechselsignal erhalten wird, das mit dem beaufschlagten Wechselsignal oder Erregungswechselsignal korrespondiert, das durch die erste Einrichtung bereitgestellt wird. Durch den Tiefpassfilter wird insbesondere ein Gleichspannungssignal erzeugt, das das elektrische Potenzial von der Anode und/oder der Kathode repräsentiert. Das Potenzial beeinflusst die Amplitude des Gleichspannungssignals, wodurch eine Gleichspannungsvorspannung zu dem Wechselspannungserregungssignal addiert wird, wodurch die Gleichspannungsvorspannung von der Gesamtreaktion der Speicherzelle beziehungsweise der Speicherzellenanschlüsse mithilfe des Differenzialverstärkers unterschieden wird, sodass ein Wechselspannungsreaktionssignal für das weitere Auswerten zur Verfügung gestellt wird.
-
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Differenzverstärker einem Tiefpassfilter nachgeschaltet und mit der Anode verbunden ist. Dadurch wird durch den Differenzverstärker das tiefpassgefilterte Signal mit dem Wechselsignal verglichen, sodass die Differenzen der Signale verstärkt und der Auswertung zugeführt wird, wodurch eine vorteilhafte und zeitnahe Auswertung ermöglicht wird.
-
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen der ersten Einrichtung und der Anode eine Vorspannungsentfernereinheit, oder auch DC-Vorspannung-Entkopplungseinheit genannt, und zwischen der zweiten Einrichtung und der Steuereinrichtung eine Vorspannungsrückführeinheit geschaltet ist. Durch das Entfernen der Vorspannung ist eine vorteilhafte Erregung der Speicherzelle gewährleistet, durch das Hinzufügen einer Vorspannung im Reaktionssignal beziehungsweise -weg wird in vorteilhafter Weise ein Gleichspannungssignal zur Verfügung gestellt, das von einem Mikrokontroller, insbesondere einem Arduino, ausgewertet werden kann.
-
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die zweite Einrichtung für die Anode und für die Kathode jeweils ein Driftkompensationsmodul und eine Vorspannungsrückführungseinrichtung aufweist. Dadurch werden die Signale von Anode und Kathode unabhängig voneinander der Driftkompensation unterzogen und der Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt. Insbesondere ist die erste Einrichtung dazu ausgebildet, die Anoden mehrerer Speicherzellen mit der elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen oder es ist für jede Speicherzelle jeweils eine erste Einrichtung vorhanden.
-
Vorzugsweise weist die erste Einrichtung einen Digital-zu-Analog-Wandler auf und die zweite Einrichtung einen Analog-zu-Digital-Wandler. Hierdurch wird erreicht, dass die ansonsten digital arbeitende Steuereinrichtung vorteilhaft mit der jeweiligen Speicherzelle zusammenwirkt.
-
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung für jede Speicherzelle zumindest ein Driftkompensationsmodul aufweist. Insbesondere weist die Vorrichtung für jede Anode und jede Kathode jeder Speicherzelle jeweils ein Driftkompensationsmodul auf. Dadurch ergibt sich eine präzise und vorteilhafte Durchführung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie.
-
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung für alle Speicherzellen des Energiespeichers eine gemeinsame Vorspannungsentfernereinheit auf. Dadurch wird die Anzahl der Bauteile der Vorrichtung und damit der Montage sowie der finanzielle Aufwand in vorteilhafter Weise reduziert.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass die Anode zumindest einer der Speicherzellen mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, das durch das Wechselsignal erzeugte Reaktionssignal an der Kathode derselben Speicherzelle sowie das an der Anode erzeugte Wechselsignal erfasst und zur Durchführung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie miteinander verglichen werden, wobei das erfasste Wechselsignal und/oder das Reaktionswechselsignal vor dem Vergleich einer Driftkompensation unterzogen werden. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.
-
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen
- 1 eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Speichers in einer vereinfachten Darstellung,
- 2 die Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer detaillierteren Darstellung, und
- 3 die Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer detaillierteren Darstellung.
-
1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine vorteilhafte Vorrichtung 1 zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers 2, der vorliegend als Energiespeicher 2 eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Der Energiespeichers 2 weist ein Gehäuse 3 auf, in dem eine Vielzahl von elektrischen Speicherzellen 4_1,4_2 bis 4_n, wobei n einer natürlichen Zahl entspricht, angeordnet ist. Bei dem elektrischen Speicher 2 handelt es sich insbesondere um einen Lithiumionenspeicher beziehungsweise bei den Speicherzellen um Lithiumionenspeicherzellen.
-
Um den aktuellen Zustand der Energiespeichers 2 sowie seiner Speicherzellen 4_1 bis 4_n zu überwachen, ist die Vorrichtung 1 dazu ausgebildet, eine elektrochemische Impedanzspektroskopie durchzuführen. Dazu weist die Vorrichtung 1 eine erste Einrichtung 5 zum Erzeugen eines Wechselspannungssignals, insbesondere Wechselstrom- oder Wechselspannungssignal, auf, sowie eine zweite Einrichtung 6 zum Erfassen eines tatsächlich erzeugten (Ist-) Wechselsignals, insbesondere Wechselspannung, und eines Reaktionssignals, eines Stroms und/oder einer Phasendifferenz. Vergleichbar mit den bekannten Ladeverfahren zum Aufladen des elektrischen Speichers mit konstantem Strom oder konstanter Spannung, kann also das Erregersignal für die zu überwachende Speicherzelle entweder ein konstanter Strom (galvanostatische Methode) oder eine konstante Spannung (potentiostatische Methode) eingesetzt werden. Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung 1 ist es möglich, diese mit mehreren der elektrischen Speicherzellen 4_1 bis 4_n, insbesondere mit allen Speicherzellen 4_1 bis 4_n zu verbinden, um eine Speicherzell-individuelle Impedanzspektroskopie durchzuführen.
-
Die Vorrichtung 1 weist dazu außerdem eine Steuereinrichtung 7 auf, die insbesondere einen Mikrokontroller, insbesondere Arduino, auf, der mit den Einrichtungen 5 und 6 verbunden ist, um insbesondere die Einrichtung 5 anzusteuern und die Signale der Einrichtung 6 zu empfangen und auszuwerten.
-
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist jedem der Speicherzellen 4_1 bis 4_n jeweils eine derartige Vorrichtung 1 zugeordnet. Wobei gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel für alle Speicherzellen zusammen eine gemeinsame Steuereinrichtung 7 vorhanden ist.
-
2 zeigt die Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei welchem eine einzelne Speicherzelle 4 durch die Vorrichtung 1 überwacht wird. Die Steuereinrichtung 7 ist durch einen Digital-zu-Analog-Wandler 8 mit der Einrichtung 5 verbunden. Die Einrichtung 5 weist insbesondere eine Gleichstromquelle 9 auf sowie einen Operationsverstärker 10. Dem Digital-zu-Analog-Wandler 8 ist eine Vorspannungsentfernungseinheit 11, auch DC-Bias-Entfernungseinheit oder Entkopplungseinheit genannt, nachgeschaltet. Der Digital-zu-Analog-Wandler 8 ist dazu ausgebildet, als Gleichspannungssignalerzeuger 13 ein sinusförmliches Gleichspannungssignal dem Operationsverstärker 12 zuzuführen. Bei dem Digital-zu-Analog-Wandler 8 handelt es sich insbesondere um eine direkte digitale Syntheseeinheit, die einen direkten digitalen Frequenzsynthesizer (DDS) und einen Digitalanalogwandler (DAC) aufweist.
-
Das Sinussignal wird mithilfe der Entkopplungseinheit 11 zu einem Wechselsignal konvertiert, das es ermöglicht, dass eine Wechselspannung auf die Anschlüsse, insbesondere die Anode der Speicherzelle 4, beaufschlagt wird.
-
Vorliegend ist also der Ausgang des Operationsverstärkers 10 beziehungsweise der Einrichtung 5 mit der Anode 14 der Speicherzelle 4 verbunden. Mit der Anode 14 ist außerdem auch ein Teil der Einrichtung 6 verbunden. Die Einrichtung 6 weist ein Driftkompensationsmodul 15 auf, das mit der Anode 14 verbunden ist, sowie ein Driftkombinationsmodul 16, das mit der Kathode 17 der Speicherzelle 4 verbunden ist.
-
Die Driftkompensationsmodule 15, 16 sind grundsätzlich gleich ausgebildet und weisen jeweils einen Tiefpassfilter 18 und einen Differenzverstärker 19 auf. Der Differenzverstärker 19 ist einmal durch den Tiefpassfilter 18 mit der Anode 14 beziehungsweise mit der Kathode 17 und einmal direkt mit der Anode 14 beziehungsweise mit der Kathode 17 verbunden, wie in 2 gezeigt. Der Ausgang des jeweiligen Differenzverstärkers 19 ist mit jeweils einer Vorspannungsrückführungseinrichtung 20 der Einrichtung 6 verbunden. Die Ausgänge der Vorspannungsrückführungseinrichtungen 20 sowie der Ausgang der Vorspannungsentfernereinheit 12 sind mit einem Analog-zu-Digital-Wandler 21 verbunden, der wiederum mit dem Mikrokontroller beziehungsweise der Steuereinrichtung 7 verbunden ist. Optional ist die Kathode 17 auch direkt mit der Steuereinrichtung 7 verbunden, wie in 2 gezeigt.
-
Die Ausgangsspannung der Speicherzelle 4 wird somit mittels des Differenzverstärkers 19 insbesondere durch eine Differenzrückkopplungsschleife ausgegeben. An dem Ausgang des Differenzialverstärkers liegt ein Wechselspannungssignal an. Weil der Analog-zu-Digital-Wandler 21, der insbesondere Teil der Steuervorrichtung 7 ist, Signale nur im Gleichspannungsbereich erfassen kann, hilft die Vorspannungsrückführungseinrichtung 20, das erfasste Signal in den Gleichspannungsbereich zurückzuführen. Das führt dazu, dass die Ausgangsspannung der Speicherzelle zurück in ein Gleichspannungssinuswellensignal konvertiert wird, das um die hinzugefügte Gleichspannung zentriert ist. Die Eingangsspannung wird dem Anschluss P1 des Analog-zu-Digital-Wandler 21 zugeführt, die der Driftkompensation unterzogenen Wechselsignale dem Anschluss P2 und P3. Durch Auswertung der an diesen drei Anschlüssen erfassten Signalen beziehungsweise Daten wird bevorzugt eine komplexe Impedanz (R1 ±jR2) durch den Mikrokontroller, insbesondere mithilfe einer diskreten Fourier Transformation und unter Berücksichtigung des ohmschen Gesetzes berechnet.
-
Während der Überwachung oder des Prüfverfahrens werden die Signale durch den jeweiligen Tiefpassfilter 18 in ein Gleichspannungssignal gewandelt, das das elektrische Potenzial der Anode 14 beziehungsweise Kathode 17 wiedergibt. Das jeweilige Elektrodenpotenzial beeinflusst die Amplitude des Gleichspannungssignals, wodurch eine Vorspannung zu dem Wechselspannungserregungssignal hinzugefügt wird. Dadurch wird die Vorspannung von den erfassten Signalen (insbesondere erfasste Wechselspannung und Reaktionsspannung) unterschieden, um die Erregerwechselspannung und Reaktionssignale für die weitere Auswertung herauszufiltern.
-
Unabhängig von einem exponentiellen oder einem linearen Drift, der während einer Messung stattfinden kann, wird als Ausgangssignal ein Wechselspannungssignal bereitstellt, das nur mit dem Erregerwechselspannungssignal korrespondiert. Durch die vorteilhafte Integration des Driftkombinationsmoduls 15, 16 wird erreicht, dass die elektrochemische Impedanzspektroskopie auch durchführbar ist, wenn sich die Speicherzelle in einer transienten Phase befindet.
-
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, dadurch unterscheidet, dass für jede der Speicherzellen 4_1 bis 4_n eine Auswerteschaltung, die zumindest jeweils die Einrichtung 5 zumindest teilweise, und 6 aufweist, vorgesehen ist. Dabei ist insbesondere die Einrichtung 5, zumindest teilweise für alle Auswerteschaltungen gemeinsam vorhanden. So ist insbesondere die Vorspannungsentfernungseinheit 12 allen Auswerteschaltungen vorgeschaltet. Für jede der Auswerteschaltungen weist der ADC-Anschluss beziehungsweise der Analog-zu-Digital-Wandler 21 jeweils die drei zuvor genannten Anschlüsse P1, P2, P3 auf. Wenn die Spannungsquelle, wie in 3 gezeigt, parallel zu den Auswerteschaltungen geschaltet ist, wird jeder Auswerteschaltung die gleiche Spannung bereitgestellt, sodass eine einzige Signalquelle (8 + 12) ausreicht, um eine Vielzahl von Speicherzellen für die elektrochemische Impedanzspektroskopie anzusteuern. Durch den Einsatz eines gemeinsamen Empfängerbausteins, wie vorliegend dem Analog-zu-Digital-Wandler 21, können die Ausgangssignale der mehreren Speicherzellen 4_1 bis 4_n gleichzeitig erfasst und ausgewertet werden, sodass eine Auswertung in Echtzeit gewährleistet ist.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Energiespeicher
- 3
- Gehäuse
- 4_1 bis 4_n
- Speicherzellen
- 5
- Einrichtung
- 6
- Einrichtung
- 7
- Steuereinrichtung
- 8
- Digital-zu-Analog-Wandler
- 9
- Gleichstromquelle
- 10
- Operationsverstärker
- 11
- Vorspannungsentfernungseinheit
- 12
- Operationsverstärker
- 13
- Erzeuger
- 14
- Anode
- 15
- Driftkompensationsmodul
- 16
- Driftkompensationsmodul
- 17
- Kathode
- 18
- Tiefpassfilter
- 19
- Differenzverstärker
- 20
- Vorspannungsrückführungseinrichtung
- 21
- Analog-zu-Digital-Wandler
- P1
- Anschluss
- P2
- Anschluss
- P3
- Anschluss
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 20180203074 A1 [0003]
- US 20150030891 A1 [0003]
- US 20200386820 [0003]
