阻抗标准
阅读说明：本技术 阻抗标准 (Impedance standard ) 是由 C·斯泰因鲍尔 U·罗特 M·施坦格尔迈尔 T·哈默施密特 J·P·施密特 于 2020-03-26 设计创作，主要内容包括：根据本发明提供一种用于电化学的阻抗测量装置的校准方法,所述阻抗测量装置用于测量电化学电池单体、尤其是锂离子电池单体的阻抗,该方法包括下述步骤：(a)将阻抗测量装置与阻抗标准连接,该阻抗标准具有至少两个用于馈入激励信号的激励接头(A1、A2)和至少两个用于确定测量信号的测量接头(M1、M2)并且具有相应于阻抗设定值Z-(Soll)的固定或可调阻抗；(b)将电压信号U-(Ein)施加到激励接头上并且在测量接头上测量基于U-(Ein)流过阻抗标准的电流I-(AUS)；或向激励接头供应电流信号I-(Ein)并在测量接头上测量下降的电压U-(AUS)；并且(c)使用Z＝U-(Ein)/I-(AUS)＝Z-(Soll)或Z＝U-(AUS)/I-(Ein)＝Z-(Soll)将阻抗测量装置相对于阻抗标准校准为阻抗Z-(Soll),其特征在于,所述阻抗标准的接头A1、A2、M1、M2的几何布置结构相应于阻抗应被测量的电池单体的接头的几何布置结构,从而阻抗标准能够以与电池单体相同的布置结构与阻抗测量装置接触。本发明还涉及一种用于实施该方法的阻抗标准。(According to the invention, a calibration method for an electrochemical impedance measuring device for measuring the impedance of an electrochemical cell, in particular a lithium-ion cell, is provided, comprising the following steps: (a) connecting the impedance measuring device to an impedance standard having at least two excitation connections (A1, A2) for feeding excitation signals and at least twoA measuring connection (M1, M2) for determining a measuring signal and having a setting value Z corresponding to the impedance Soll Fixed or adjustable impedance of; (b) will voltage signal U Ein Applied to the excitation joint and measured on the measuring joint based on U Ein Current I flowing through impedance standard AUS (ii) a Or supplying a current signal I to the excitation connection Ein And measuring the reduced voltage U at the measuring connection AUS (ii) a And (c) using Z ═ U Ein /I AUS ＝Z Soll Or Z ═ U AUS /I Ein ＝Z Soll Calibrating an impedance measurement device to an impedance standard to an impedance Z Soll The impedance standard is characterized in that the geometrical arrangement of the terminals A1, A2, M1, M2 corresponds to the geometrical arrangement of the terminals of the battery cell, the impedance of which is to be measured, so that the impedance standard can be brought into contact with the impedance measuring device in the same arrangement as the battery cell. The invention also relates to an impedance criterion for carrying out the method.)
技术领域
本发明涉及一种用于使用阻抗标准来校准用于以化学方法产生电流的电池单体的阻抗测量装置的方法以及和相应的阻抗标准。
背景技术
电化学阻抗谱(EIS)是一种用于表征电化学系统、尤其是以化学方法产生电流的电池单体的成熟方法。现有技术还教导了使用阻抗测量来诊断汽车领域中的锂离子电池单体的状态。
阻抗测量可通过向电池单体施加预定的交流电压信号U(t)并测量产生的交流电流I(t)来进行，或者通过供应预定的交流电流信号I(t)并测量由此在电池单体上下降的交流电压U(t)来进行。阻抗Z通常是复数并且在两种情况下作为Z＝U(t)/I(t)产生。
为了校准测量装置可使用所谓的阻抗标准。阻抗标准最终向外部表现得像一个具有精确定义的已知阻抗的精密电阻，以下也称为阻抗设定值ZSoll。
然而在内部则通常涉及有源结构元件，其从施加的输入信号(U(t)或I(t))生成相应的输出信号I(t)或U(t)，从而满足方程ZSoll＝U(t)/I(t)。
阻抗标准的使用已经在文献中讨论过(“非线性阻抗标准”，2012，Nordmann等人)并且例如在DE102014011397A1中描述了作为电路的实施方案。
具体而言，DE102014011397A1的阻抗标准包括最大为0.2欧姆的交流电流测量电阻和基于在交流电流测量电阻上下降的工作电压产生实际输出电压的转换装置。转换装置例如可在使用两个具有负反馈的运算放大器的情况下以模拟技术来实现。在此，例如可通过改变第一运算放大器上的负反馈电阻来设置阻抗设定值。也描述了数字技术中的一种实施方式。在此在交流电流测量电阻上下降的电压信号经过预放大并通过A/D转换器引导到数字信号处理器(DSP)，然后数字信号处理器根据数字预定的目标阻抗计算输出信号并通过随后的D/A转换器输出。
在该现有技术中重点是将阻抗标准作为电路实现。没有更详细地描述阻抗标准与测量装置的连接并且这在实践中通过香蕉形插头或类似物来实现。
在低欧样品中(如汽车电池单体的情况)，对于10Hz以上的频率，电缆布置的差异通常已经导致测量结果不同。因此，通过一个几何上任意设计的阻抗标准进行校准会导致与电缆布线或接头位置有关的结果。因此，这种阻抗标准不能用于校准用于具有低欧阻抗的样品的测试台。
发明内容
鉴于上述问题，根据本发明提出使阻抗标准构造为，使得至少阻抗标准的接头与要测量的电池单体的接头相一致。以此方式，阻抗标准能够以与电池单体相同的布置结构与测量装置连接并且可减少或消除与布线的相关性。
因此，测试台的校准也包括电缆布线和电池单体固定。因此，10Hz以上的阻抗测量数据可用于进一步分析评价。通过校准现在也可推导出校正函数，以便从布线中计算出份额并能够有意义地分析评价从10Hz到至少100kHz的扩展频率范围。
此外，可实现不同测试台的可比较性。因此，现在也可对10Hz以上的频率定量地比较不同测试台上的测量结果。
附图说明
图1示出具有板状的连接接触部的形状系数为PHEV-1的锂离子电池单体的轮廓图；
图2示出可根据本发明使用的阻抗标准的简图，其具有与图1中所示的电池单体相同的规格并且其两部分式的接头A1/M1或M2/A2与电池单体的连接接触部相一致。在电路板上实现阻抗标准本来的电路。
图3示出根据本发明的阻抗标准的接触部的一种实施方式，在该实施方式中，源接头(A1或A2)和感测接头(M1或M2)并排布置。
图4示出另一种实施方式，在该实施方式中，感测接头(M1、M2)位于内部并且完全被源接头(A1、A2)的接触面包围。
图5示出另一种实施方式，在该实施方式中，感测接头作为嵌体被引入到凹槽中，该凹槽被铣入到源接头的接触板中。感测接触部至少向下相对于源接触部电绝缘。此外，感测接触部的接触面可相对于源接触部的接触面向下偏移例如约1mm。
具体实施方式
阻抗测量装置
根据本发明的方法可用于任意阻抗测量装置，其设置用于以化学方法产生电流的电池单体、尤其是锂离子电池单体的阻抗测量或阻抗谱检查(EIS)。例如可以涉及测试台测量装置或固定安装在电运行的车辆中用于在线诊断的测量装置。
测量装置具有至少一个用于激励信号的输出端(源部)和用于测量信号的输入端(感测部)，它们又分别包括两个接头(源部+和源部-或感测部+和感测部-)。源信号原则上可以是电压信号或电流信号，相应地，感测信号是电流信号或电压信号。优选地，作为源信号使用电流信号(恒电流测量)。
测量频率没有特别限制并且例如可以是5Hz至100kHz。
测量装置与电池单体连接所在的接触导通区段可构造为保持装置，整个电池单体可被引入保持装置中、例如夹紧到保持装置中。然后，测量装置的源接头和感测接头与电池单体的接头的连接可通过相应地设置在保持装置中的接触元件进行。
作为替代方案，可这样设计测量装置，使得测量装置具有可插套到电池单体上的插座元件或可作为整体插套到电池单体上以建立连接。
在另一种实施方式中，测量装置也可固定安装在电运行的车辆或电池组中，以便例如能够在连续运行中校准和验证用于在线阻抗测量的测量器件。
如果应通过根据本发明的方法校准测量装置，则代替电池单体使用下面描述的阻抗标准并且将其以相同方式与测量装置接触。在完整的蓄存器中，也可通过阻抗标准代替一个单个的电池单体，以便在运行时监控阻抗测量装置的正确功能。
阻抗标准的接头布置结构
根据本发明使用的阻抗标准具有至少两个用于馈入源信号的激励接头(A1、A2)和至少两个用于确定测量信号的测量接头(M1、M2)。根据本发明，这些接头的几何布置结构相应于阻抗应被测量的电池单体的接头的几何布置结构，从而阻抗标准能够以与电池单体相同的布置结构与阻抗测量装置接触。
如果阻抗测量装置设置用于具有标准化形状因数的电池单体、例如PHEV1或PHEV2类型的棱柱形电池单体，并且也针对形状因数确定接头位置，则阻抗标准的接头相应于相应标准中规定的接头位置。
在一种实施方式中，要测量的电池单体可已经设计用于四点接触并且与此相应地具有两个阳极接头和两个阴极接头，其中各一个设置用于电压测量。在这种情况下，阻抗标准的接头的接触面布置为，使得它们与电池单体的接头布置结构相一致。
作为替代方案，电池单体仅具有一个阳极接头和一个阴极接头。在相应的阻抗标准中，接头A1和E1的接触面布置为，使得它们共同与电池单体的阳极接头的接触面相一致。相同情况也适用于关于阴极接头的接头A2和E2。
例如如果电池单体的接头是板状的，如图1中以PHEV-1电池单体为例所示，则阻抗标准的接头可分别以两个部分并排布置、如位于外侧的源接触面A1或A2和位于内侧的感测接触面M1或M2，如图2所示。
图3以俯视图示出A1(源部)和M1(感测部)的布置结构。为了电绝缘，通常在A1和M1之间设有气隙或绝缘的分隔元件。对于另一侧(即A2或M2)，布置结构相应成镜像。
作为替代方案，接头A1和A2的接触面至少部分地包围接头E1或E2的接触面。图4示出一种这样的(同轴)布置结构，其中，感测接触部E1/E2作为岛的形式被源接触部A1/A2包围，接触面再次通过间隙或绝缘体彼此隔开。
在另一种实施方式中，感测接触部E1可作为嵌体(Inlay)被引入A1的接触面中。这种布置在图5中示出。在此，在用作源接头A1的板状接触元件中铣出一个槽形凹部。用作感测接头E1的接触元件作为嵌体被引入该凹部中。在两个接触元件之间设有电绝缘体。优选地，嵌体的接触面可比板状接触元件的接触面更深一些，例如大约1mm。
阻抗标准的外部形状
根据本发明，至少阻抗标准的接头A1/A2/E1/E2的几何结构和空间布置结构相应于电池单体的接头的几何结构和空间布置结构。阻抗标准的外部形状没有特别限制，只要测量装置能够以与电池单体相同的方式与阻抗标准接触。
在一种优选的实施方式中，阻抗标准的其它尺寸也相应于阻抗应被测量的电池单体的尺寸，从而阻抗标准能够以与电池单体相同的方式被引入测量装置中。
如果测量装置例如设置用于PHEV1电池单体，则阻抗标准的尺寸优选相应于PHEV1电池单体的尺寸，如图1和图2所示。在一种特别优选的实施方式中，阻抗标准也可具有相应于PHEV1标准的壳体。
这当然也适用于任意其它形状因数、如PHEV2、BEV1或BEV2(根据VDA)。
阻抗标准的内部结构和作用原理
阻抗标准的阻抗通常是低欧的并且在对于电池单体可预期的阻抗范围内、例如在1mOhm或更低的范围内、通常为0.5mOhm或更低。
阻抗标准的内部结构没有特别限制并且可使用所有已知的结构类型。尤其是也可考虑在DE102014011397A1中描述的结构类型。
阻抗标准可具有唯一确定的阻抗。如果要记录多个校准点，则必须使用具有不同阻抗的多个阻抗标准，这些阻抗标准被相应地更换。
作为替代方案，阻抗标准可具有多个可调阻抗，这些阻抗例如可通过切换电阻来选择。如果阻抗标准以数字技术设计并且输出信号由信号处理器(DSP)生成，则可通过对DSP进行相应的编程来设置阻抗。尤其是在此情况下可自由选择输出信号的数值和相移，从而这种实施方式在校准点选择的灵活性方面是优选的。
在一种特别优选的实施方式中，阻抗标准具有用于设置阻抗值ZSoll和/或用于查询设置值的附加控制接头。所述控制接头可通过相应的控制接口与测量装置连接，从而可自动执行设定值的设置、校准以及必要时为其它校准点进行重复。为此可在测量装置中存储相应的校准程序，该校准程序包括在不同的阻抗设定值和/或不同的频率下的多个测量点。可自动遍历测量点，其中，阻抗测量装置通过控制接口以程序控制的方式设置阻抗标准的相应参考设定值。
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