DE102012215117B4

DE102012215117B4 - Thermographie-auswertevorrichtung und thermographie-prüfsystem zur prüfung von elektro-chemischen zellenanordnungen

Info

Publication number: DE102012215117B4
Application number: DE102012215117.6A
Authority: DE
Inventors: Udo Netzelmann; Hans-Georg Herrmann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2032-08-25
Also published as: FR2994742A1; DE102012215117A1

Abstract

Thermographie-Auswertevorrichtung (10) für eine elektro-chemische Zellenanordnung (11), mit folgenden Merkmalen: einer Messdatenschnittstelle (12) zum Empfangen von Messdaten (20), die Auskunft über eine Veränderung einer Oberflächentemperaturverteilung der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) über eine Zeitdauer hinweg geben; und einer Steuereinheit (14), die ausgebildet ist, um eine Lasteinheit (16) so zu steuern, dass ein Stromfluss (17) durch die elektro-chemische Zellenanordnung (11) entsprechend einer sprungartigen Belastungssequenz (22, 26) erfolgt, um eine Temperaturänderung in der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) und damit eine Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung zu bewirken, wobei die elektro-chemische Zellenanordnung (11) auf Basis der Belastungssequenz (22, 26) und der resultierenden Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg beurteilbar ist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Thermographie-Auswertevorrichtung, ein Thermographie-Prüfsystem und ein Verfahren zur Prüfung von elektro-chemischen Zellenanordnungen.
Elektro-chemische Zellenanordnungen bzw. galvanische Zellen (nach Galvani benannt) ermöglichen die Speicherung von Energie in chemischer Form. Beim Bereitstellen dieser Energie erfolgt eine Umwandlung der chemischen Energie in elektrische Energie, so dass eine Spannung, typischerweise eine Gleichspannung, bereitgestellt wird. Bei derartigen elektro-chemischen Zellenanordnungen wird zwischen primären und sekundären Zellen unterschieden, wobei sekundäre Zellen eine Wiederaufladbarkeit ermöglichen. Ein häufig eingesetzter Vertreter derartiger sekundärer Zellen, die auch Akkumulatoren bzw. Akkus genannt werden, ist der Lithium-Ionen-Akku, der sich durch die hohe Energiedichte (Energie pro Speichervolumen) auszeichnet. Vor Auslieferung derartiger Zellenanordnungen (bzw. im Produktionsvorgang, im Service oder im Rahmen einer Post-Mortem-Analyse) erfolgt typischerweise eine Prüfung derselben, zum Beispiel durch Ermittlung des Innenwiderstands der Zellenanordnung. Ferner kann die Funktion bzw. der Zustand der elektro-chemischen Zellenanordnung durch ein integrales Verfahren geprüft werden, bei dem eine Ermittlung von statischen oder dynamischen Spannungskurven unter externer elektrischer Last erfolgt. Ergebnis dieser Prüfverfahren ist häufig eine Information zur Beurteilung der Zellenanordnung bzw. eine Information über das Vorhandensein einer Fehlstelle oder Anomalie, nicht aber über die Position derselben innerhalb der Zelle.
Zur besseren Lokalisierung von Fehlstellen kann die sogenannte Thermographie angewendet werden, bei der die Zellentemperatur an einem festen Ort oder auf der Zellenoberfläche, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer Thermographie- bzw. Infrarotkamera, gemessen wird. Hierbei wird die Oberflächentemperaturverteilung der elektro-chemische Zelle beim Laden oder beim Entladen, wenn ein stationärer Zustand erreicht ist, bestimmt, so dass sogenannte Hotspots infolge von Ohmschen Verlusten (hauptsächlich in Elektrolyten) oder Hotspots bzw. Wärmesenken infolge von reversibler Wärme- und Butler-Volmer-Verlusten (in den Grenzschichten) detektiert werden können. Durch dieses Verfahren kann anhand der Oberflächentemperaturverteilung die laterale Position der Fehlstellen (d. h. zweidimensional) in der elektro-chemischen Zellenanordnung detektiert werden, wobei jedoch keine guten Auflösungen und insbesondere keine Tiefenauflösung möglich sind. Nachfolgend werden drei Patentschriften diskutiert, die eine Untersuchung einer Zellenanordnung mittels Thermographie ermöglichen und teilweise sogar eine zweidimensionale Lokalisierung von Fehlstellen zulassen:
Die Patentanmeldung WO 07/0797901 zeigt die Verwendung einer thermographischen Infrarot-Kamera zur Detektion von Unregelmäßigkeiten in der Oberflächentemperatur einer mehrschichtigen Anordnung mit zwei voneinander isolierten leitfähigen Schichten. Hierbei ist anhand des thermographischen Bildes die exakte (zweidimensionale) Position des Defekts erkennbar. Bevorzugterweise wird hier ein stationärer Zustand angestrebt. Die Patentschrift DE 103 93 237 T5 zeigt ein Verfahren zur Bestimmung von Defekten bei einer Membranelektrodenanordnung, wobei eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden angelegt wird und eine von der Oberfläche abstrahlende Infrarotstrahlung überwacht wird. Die Patentanmeldung DE 10 2009 018 079 A1 zeigt ein Verfahren zur Untersuchung einer galvanischen Zelle, wobei eine Vielzahl von zerstörungsfreien Prüfverfahren benutzt werden können. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Konzept für die Thermographie zur Prüfung einer elektro-chemischen Zellenanordnung zu schaffen, das sich durch verbesserte Lokalisierung von Fehlstellen in der elektro-chemischen Zellenanordnung auszeichnet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Thermographie-Auswertevorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Thermographie-System gemäß Anspruch 7 und ein Verfahren zum Prüfen einer elektro-chemischen Zellenanordnung mittels Thermographie gemäß Anspruch 11 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Thermographie-Auswertevorrichtung für eine elektro-chemische Zellenanordnung mit einer Messdatenschnittstelle und einer Steuereinheit. Die Messdatenschnittstelle dient zum Empfangen von Messdaten, beispielsweise von einer Infrarotkamera, wobei die Messdaten Auskünfte über eine Veränderung einer Oberflächentemperaturverteilung der elektro-chemischen Zellenanordnung über eine Zeitdauer geben. Die Steuereinheit ist ausgebildet, um eine Lasteinheit so zu steuern, dass ein Stromfluss durch die elektro-chemische Zellenanordnung entsprechend einer sprungartigen Belastungssequenz erfolgt, um eine Temperaturveränderung in der elektro-chemischen Zellenanordnung und damit eine Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung zu bewirken. Die elektro-chemische Zellenanordnung ist auf Basis der Belastungssequenz und der resultierenden Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg beurteilbar.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass eine externe elektrische Belastung der elektro-chemischen Zellenanordnung zu einer inneren Erwärmung führt und sich hieraus ein Wärmestrom von innen nach außen über eine Zeitdauer hinweg ausbreitet und letztendlich zu einem Erhöhung der Oberflächentemperatur führt. Der Wärmestrom wird durch Fehlstellen in der Zellenanordnung gestört, was, wie oben beschrieben, anhand einer Infrarotaufnahme der elektro-chemischen Zellenanordnung erkennbar ist. Um Tiefeninformationen über die Fehlstellen zu ermitteln, wird das Zeitverhalten der Oberflächentemperaturverteilung anhand einer Infrarotbildsequenz analysiert, wodurch auch eine Erhöhung der lateralen Auflösung erzielt werden kann. Im Detail erfolgt die Auswertung der Infrarotbildsequenz bevorzugt mittels einer sogenannten Puls-Phasen-Analyse, bei der die zeitbezogenen Messdaten in die Frequenzdomäne überführt werden. Die Puls-Phasen-Analyse wird besonders bei sprungartigen Belastungssequenzen, die zu einem (temporären) Wärmepuls führen, effektiv, d. h. innerhalb einer kurzen Messezeit, eingesetzt, da trotz des kurzen Belastungsimpulses alle relevanten Analysefrequenzen und damit die relevanten Abtasttiefen erfasst werden. Somit wird vorteilhafterweise durch die Thermographie-Auswertevorrichtung ermöglicht, Fehlstellen, wie z. B. Delaminationen, Kurzschlüsse, Hohlräume oder Bereiche mit fehlenden Elektrolyten in elektro-chemischen Zellenanordnung, wie z. B. in Lithium-Ionen-Zellen, mit einer in der Tiefe aufgelösten Information und einer hohen lateralen Auflösung zu detektieren.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ermittelt die Thermographie-Auswertevorrichtung durch zeitliche Korrelation zwischen der sprungartigen Belastungssequenz und der zeitlichen Veränderung von ein oder mehreren lokalen Temperaturminima und/oder Temperaturmaxima die jeweilige Tiefeninformation über die ein oder mehreren Fehlstellen in der elektro-chemischen Zellenanordnung. Dies kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen durch Fourier-Transformationen einer Infrarotbildsequenz erfolgen, um so ein Phasenspektrum und ein Amplitudenspektrum über die Veränderung der Temperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg zu erhalten.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Thermographie-System mit der oben erwähnten Auswertevorrichtung und einer Lasteinheit, die mit der elektro-chemischen Zellenanordnung verbindbar ist und ausgebildet ist, um einen Stromfluss durch die elektro-chemische Zellenanordnung entsprechend einer von der Steuereinheit vorgegebenen Belastungssequenz zu bewirken. Dieses Thermographie-System kann des Weiteren eine Infrarotkamera bzw. Thermographie-Kamera, die mit der Messdatenschnittstelle verbunden ist, umfassen. Also ermöglicht das Thermographie-System die zerstörungsfreie Prüfung einer elektro-chemischen Zellenanordnung entsprechend den oben genannten Vorteilen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zur Prüfung einer elektro-chemischen Zellenanordnung mittels Thermographie. Das Verfahren umfasst den Schritt des Steuerns einer Lasteinheit für die elektro-chemische Zellenanordnung, so dass ein Stromfluss durch die elektro-chemische Zellenanordnung entsprechend einer sprungartigen Belastungssequenz erfolgt, um eine Temperaturänderung in der elektro-chemischen Zellenanordnung und damit eine Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung derselben zu bewirken. Das Verfahren umfasst ferner den Schritt des Empfangens von Messdaten, die Auskunft über eine Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über eine Zeitdauer hinweg geben. Hierbei ist auf Basis der Belastungssequenz und der resultierenden Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg die elektro-chemische Zellenanordnung beurteilbar.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Thermographie-Auswertevorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2a ein schematisches Diagramm einer sprungartigen Belastungssequenz gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2b schematische Infrarot-Bildsequenzen zur Illustration der Puls-Phasen-Analyse gemäß Ausführungsbeispielen;
2c ein schematisches Diagramm einer periodischen Belastungssequenzen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
3a–3b schematische Darstellungen von Thermographie-Systemen gemäß Ausführungsbeispielen.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
1 zeigt eine Thermographie-Auswertevorrichtung 10 für eine elektro-chemische Zellenanordnung 11. Die Thermographie-Auswertevorrichtung 10 umfasst eine Messdatenschnittstelle 12 und eine Steuereinheit 14 für eine Lasteinheit 16 (nicht Teil der Thermographie-Auswertevorrichtung 10). Die Messdatenschnittstelle 12 ist beispielsweise mit einer Infrarotkamera 18 verbunden und dient zum Empfangen von Messdaten 20, die hier in Form einer Infrarot-Aufnahme der elektro-chemischen Zellenanordnung 11 bzw. einer Oberflächentemperaturverteilung derselben dargestellt sind. Die Steuereinheit 14 ist mit der Lasteinheit 16 gekoppelt, die wiederum mit der elektro-chemischen Zellenanordnung 11 verbunden ist.
Durch die Steuereinheit 14 wird eine Belastungssequenz 22 bzw. eine sprungartige Belastungssequenz 22, entsprechend welcher die elektro-chemische Zellenanordnung 11 belastet wird, vorgegeben. Hierbei bewirkt die Lasteinheit 16 einen Stromfluss 17 durch die elektro-chemische Zellenanordnung 11. Durch den Stromfluss 17 entsprechend der Belastungssequenz 22 erfolgt eine Erwärmung im Inneren der elektro-chemischen Zellenanordnung 11, woraus ein Wärmestrom von innen nach außen resultiert. Der Wärmestrom hat eine Erhöhung der Oberflächentemperatur der elektro-chemischen Zellenanordnung 11 zur Folge. Diese Wärmefreisetzung an der Oberfläche kann mit der Infrarotkamera 18 detektiert werden und in Form von Messdaten 20, die über die Messdatenschnittstelle 12 empfangen werden, an die Thermographie-Auswertevorrichtung 10 übermittelt werden.
Bei der Thermographie der elektro-chemischen Zellenanordnung 11 wird von einer homogenen Wärmefreisetzung ausgegangen, solange keine Fehlstellen innerhalb derselben vorhanden sind. Um Umkehrschluss heißt das, dass anhand der resultierenden und beobachtbaren Oberflächentemperaturverteilung, die infolge von Inhomogenitäten beispielsweise lokale Temperaturminima und/oder Temperaturmaxima aufweist, die lateralen Positionen der ein oder mehreren Fehlstellen, z. B. Delamination (zwischen inneren Elementen der Zelle), Kurzschlüsse, Hohlräume oder Bereiche mit fehlenden Elektrolyten, detektiert werden können. Da die Ausbreitung des Wärmestroms von innen nach außen eine gewisse Zeitdauer dauert, die wiederum abhängig von der Tiefe der Fehlstelle in der elektro-chemischen Zellenanordnung 11 ist, kann über die Ermittlung der Zeitdauer auf die Tiefe der Fehlstelle geschlossen werden. Hierzu ist die Thermographie-Auswertevorrichtung ausgebildet, den Zeitpunkt der sprungartigen Belastungssequenz 22 mit der zeitlichen Veränderung der Temperaturmaxima bzw. Temperaturminima in der Oberflächentemperaturverteilung zu vergleichen und so die Dauer der Ausbreitung von Temperaturmaxima bzw. Temperaturminima und damit die Tiefe der Fehlstellen zu ermitteln. Um insbesondere den zeitlichen Verlauf bzw. die zeitliche Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung zu bestimmen, umfassen die Messdaten 20 typischerweise mittels der Infrarotkamera 18 ermittelte Infrarot-Bildsequenzen.
Die Analyse der zeitlichen Ausbreitung des Wärmepulses erfolgt typischerweise in der Frequenzdomäne. Deshalb ist entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Thermographie-Auswertevorrichtung ausgebildet, eine Fourier-Transformation der Infrarot-Bildsequenz durchzuführen, um so ein Phasenspektrum (über die Frequenz) und/oder ein Amplitudenspektrum (über die Frequenz) zur Analyse der Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg zu erhalten. Bei der Transformation wird eine Zuordnung zwischen der jeweiligen Analysefrequenz und der jeweiligen Tiefe einer eventuellen Fehlstelle hergestellt, wie es Bezug nehmend auf 2a und insbesondere 2b im Detail erklärt wird. Insbesondere wird bei der Erläuterung von 2a auf den Hintergrund der Nutzung der sprungartigen Belastungssequenz 22 eingegangen.
2a zeigt ein Diagramm, in welchem ein sprungartiges Belastungsprofil 26 als Funktion der Stromstärke aufgetragen über die Zeit dargestellt ist.
Wie anhand des Belastungsprofils 26 zu erkennen ist, weist dieses einen Sprung mit einem Anstieg zu dem Zeitpunkt t₁ und einem Abstieg nach einer Zeit T_p _, auf, wobei vor und nach den Sprüngen keine Belastung der elektro-chemischen Zellenanordnung erfolgt. Die Dauer T_p des Impulses, also des Plateaus T_p, kann beispielsweise 0,1 s bis 10 s betragen, wobei angemerkt wird, dass besonders bei der Detektion von tiefliegenden Fehlern eine längere Impulsdauer T_p von Vorteil sein kann. Durch Nutzung der sprungartigen Belastungssequenz 22 sind der Zeitpunkt der Belastung der elektro-chemischen Zellenanordnung und damit der Zeitpunkt der Wärmeentstehung in der elektro-chemischen Zellenanordnung klar definiert. Das Belastungsprofil 26 kann auch weitere Sprünge mit dazwischen liegenden Abständen aufweisen, wobei die dazwischen liegenden Abstände so groß gewählt sind, dass keine Beeinflussung eines Sprunges bzw. der daraus resultierenden Messergebnisse durch den vorhergehenden Sprung erfolgt. Es sei angemerkt, dass auch die sprungartige Belastungssequenz mit einem statischen (dauerhaften) Ruhestrom überlagert sein kann, was einem Offset des Belastungsprofils um eine Grundbelastungssequenz entspricht. Die Auswertung dieser sprungartigen Belastungssequenz 26 und insbesondere deren Vorteile werden Bezug nehmend auf 2b näher erläutert.
2b zeigt eine Infrarot-Bildsequenz 28, die die zeitliche Veränderung der Oberflächentemperatur aufgetragen über die Zeit ab dem Zeitpunkt t₁ des Sprungs in der Belastungssequenz 26 darstellt. Ferrer sind neben dem Diagramm für die zeitliche Veränderung der Oberflächentemperatur 28 zwei weitere Diagramme, nämlich ein Amplitudenspektrum 30 und ein Phasenspektrum 32, dargestellt, die das Resultat der bei der Puls-Phasen-Analyse angewendeten Fourier-Transformation darstellen. Es sei angemerkt, dass die hier dargestellten Diagramme den jeweiligen Analysewert bezogen auf einen Punkt in dem Infrarot-Bild (bzw. Amplituden-Bild 30 oder Phasen-Bild 32) zeigen.
Bei der Puls-Phasen-Analyse erfolgt eine Fourier-Zerlegung der Messwerte bzw. Infrarotbildsequenz in ein Amplitudenspektrum 30, aufgetragen über die Frequenz f, und in ein Phasenspektrum 32, ebenfalls aufgetragen über die Frequenz f. Also werden die einzelnen mit einem zeitlichen Abstand von Δt beabstandeten Infrarotbilder der Infrarot-Bildsequenz 28 von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne (Frequenzraum) transformiert, so dass diese hinsichtlich Amplitude und Phase bei der jeweiligen Analysefrequenzen f untersucht werden können. Die Frequenzabstände Δf haben den Abstand 1:T_n, wobei T_n die Gesamtperiode über die n Infrarot-Bilder der Infrarot-Bildsequenz 28 ist. Jede Frequenz f ist einer entsprechenden Tiefe in der elektrochemischen Zellenanordnung bzw. einer senkrechten Position zur Zellenoberfläche zuordenbar. Infolgedessen sind mit einer einzelnen sprunghaften Anregung (vgl. Sprungsequenz 26 in 2a) anhand der unterschiedlichen Frequenzlagen (Analysefrequenz) unterschiedliche dreidimensionale Positionen untersuchbar. Dies führt zu einer erheblichen Zeitersparnis bei der Prüfung (Multiplexvorteil), da im Unterschied zu der Lockin-Thermographie die elektro-chemische Zellenanordnung nicht mit zeitlich variierenden Frequenzen beaufschlagt werden muss. Durch die gleichzeitige Auswertung des Amplitudenspektrums 30 und des Phasenspektrums 32 erfolgt darüber hinaus eine effiziente Unterdrückung von Störgrößen, da beispielsweise im Phasenbild ähnliche Homogenitäten der Infrarot-Emission auf der Oberfläche der elektro-chemischen Zellenanordnung und störende Strahlungsreflexionen unterdrückt werden.
Die Impulse-Phasen-Analyse unter Nutzung der Fourier-Transformation eignet sich bevorzugterweise für lineare Systeme, wenn ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis vorherrscht. Verhält sich die Zellenanordnung nicht linear, indem z. B. die Lastantwort von der Vorgeschichte abhängt oder die Erwärmungsänderung bei der Prüfung auf die Erwärmungsleistung rückwirkt, so kann ein nichtlineares Verhalten aus dem zeitlichen Verlauf (bei sprunghafter Anregung wesentlich leichter als bei periodischer Anregung/Modulation) erkannt und quantifiziert werden. Ferner können auch auf Basis eines nichtlinearen Verhaltens der Zellenanordnung Analyseinformationen gewonnen werden.
Bezugnehmend auf 2a sei angemerkt, dass die sprungartige Belastungssequenz alternativ auch eine nadelartige Form aufweisen kann.
2c zeigt eine alternative periodische Belastungssequenz 38, die beispielsweise ein oder mehrere feststehende Modulationsfrequenzen oder variable Modulationsfrequenzen aufweist. Hierbei ist die periodische Belastungssequenz 38 ebenfalls als Funktion der Stromstärke über die Zeit dargestellt.
Die Analyse der Infrarot-Bildsequenzen erfolgt typischerweise entsprechend der LockIn-Thermographie ebenso anhand der Amplituden- bzw. Phasen-Bilder, wie oben erläutert. Die Auflösung der Fehlstellen hängt bei Anregung der elektro-chemischen Zellenanordnung mit der periodischen Belastungssequenz 38 von der thermischen Diffusionslänge μ = √ α / πf ab, wobei α die effektive thermische Diffusivität ist und f die angewandte Modulationsfrequenz. Die Auflösung kann also durch Erhöhung der Frequenz f verbessert werden. Andererseits bestimmt μ auch die Tiefe, aus der modulierte thermische Wellen zur Oberfläche der Zellen gelangen können, was eine Abschätzung der Oberfläche der Tiefenlage der zu erkennenden Fehlstellen möglich macht.
Hinsichtlich der Auswertung der sprungartigen Belastungssequenz 26 gemäß 2a und der zugehörigen Auswertung nach 2b bedeutet der Bezug nehmend 2c dargestellte Zusammenhang, dass die Auflösung (vgl. Tiefenauflösung Δf) gesteigert werden kann, indem die Gesamtmessdauer T über alle Infrarot-Bilder der Infrarot-Bildsequenz verlängert wird, was einer Erhöhungen der Abtastfrequenz gleichkommt, allerdings aber eine Erhöhung der Energie des Sprungs in der Belastungssequenz 26 voraussetzen kann. Basierend hierauf erfolgt auch einen Erhöhung der lateralen Auflösung bei der Thermographie.
3a zeigt ein Thermographie-System 40 für eine elektro-chemische Zellenanordnung 11, das die Auswertevorrichtung 10, die Lasteinheit 16 und die optionale Infrarotkamera 18 aufweist. Wie oben bereits angemerkt, steuert die Steuereinheit 10 die Lasteinheit 16 so, dass die elektro-chemische Zellenanordnung 11 elektrisch belastet wird. Hierzu schaltet beispielsweise ein Relais 16a einen Lastwiderstand 16b zwischen die zwei Batteriepole der elektro-chemischen Zellenanordnung 11, so dass ein Stromfluss durch die Zelle und den Lastwiderstand 16b (z. B. 0,5 bis 5 Ohm oder sogar bis 50 Ohm) erfolgt und sich die elektro-chemische Zellenanordnung 11 infolge der Belastung erwärmt (vgl. Energieentnahme). Wie oben bereits beschrieben, erfolgt eine Emission von Infrarot-Strahlung 41 über die Oberfläche der elektro-chemischen Zellenanordnung 11, die als Maß für die Erwärmung dient und mittels der Infrarotkamera 18 empfangen werden kann. Auf Basis der Oberflächentemperaturverteilung die Fehlstelle 42 kann in der elektro-chemischen Zellenanordnung 11 sowohl in lateraler Sicht als auch (durch die Impuls-Phasen Analyse) mit einer zugeordneten Tiefe detektiert werden.
3b zeigt ein weiteres Thermographie-System 46, das grundsätzlich dem Thermographie-System 40 entspricht, jedoch eine Lasteinheit 16' aufweist. Die Lasteinheit 16' weist eine Stromquelle 16b' und eine Stromquellensteuerung 16a', z. B. ein Relais oder einen Regler, auf. Die Stromquelle 16b' wird mit den zwei Batteriepolen verbunden und kann so einen Strom in die elektro-chemische Zellenanordnung 11 (vgl. Lademodus) einprägen. Analog zu dem Ausführungsbeispiel aus 3a erfolgt hierbei eine Erwärmung der elektro-chemischen Zellenanordnung 11, die zur Detektion der Fehlstellen 42 dient.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, so dass ein Block oder ein Bauelement eine Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschritts zum Prüfen einer elektro-chemischen Zellenanordnung mittels Thermographie zu verstehen ist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Steuerns einer Lasteinheit für die elektro-chemische Zellenanordnung, so dass ein Stromfluss durch die elektro-chemische Zellenanordnung entsprechend einer sprungartigen Belastungssequenz erfolgt, um eine Temperaturänderung in der elektro-chemischen Zellenanordnung und damit eine Veränderung einer Oberflächentemperaturverteilung der elektro-chemischen Zellenanordnung zu bewirken. Des Weiteren umfasst das Verfahren den Schritt des Empfangens von Messdaten, die Auskunft über eine Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über eine Zeitdauer hinweg geben, so dass die elektro-chemische Zellenanordnung auf Basis der Belastungssequenz und der resultierenden Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg beurteilbar ist. An dieser Stelle sei angemerkt, dass das beschriebene Verfahren bzw. Prinzip sowohl für Pouch-Zellen als auch zur Charakterisierung der Wickel-Lagen und der Wickel-Toleranzen ohne Zellummantelung angewendet werden kann.
Umgekehrt dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können auch durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie z. B. einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektrische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Thermographie-Auswertevorrichtung (10) für eine elektro-chemische Zellenanordnung (11), mit folgenden Merkmalen: einer Messdatenschnittstelle (12) zum Empfangen von Messdaten (20), die Auskunft über eine Veränderung einer Oberflächentemperaturverteilung der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) über eine Zeitdauer hinweg geben; und einer Steuereinheit (14), die ausgebildet ist, um eine Lasteinheit (16) so zu steuern, dass ein Stromfluss (17) durch die elektro-chemische Zellenanordnung (11) entsprechend einer sprungartigen Belastungssequenz (22, 26) erfolgt, um eine Temperaturänderung in der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) und damit eine Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung zu bewirken, wobei die elektro-chemische Zellenanordnung (11) auf Basis der Belastungssequenz (22, 26) und der resultierenden Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg beurteilbar ist.
Thermographie-Auswertevorrichtung (10) gemäß Anspruch 1, die ausgebildet ist, um auf Basis der Oberflächentemperaturverteilung ein oder mehrere lokale Temperaturminima und/oder Temperaturmaxima zu ermitteln, die einen Rückschluss auf eine laterale Position von einer oder mehreren Fehlstellen (42) innerhalb der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) zulassen.
Thermographie-Auswertevorrichtung (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, die ausgebildet ist, um auf Basis der resultierenden Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg zeitliche Veränderungen von ein oder mehreren lokalen Temperaturminima und/oder Temperaturmaxima zu ermitteln, die einen Rückschluss auf eine Tiefeninformation über eine oder mehrere Fehlstellen (42) in der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) zulassen.
Thermographie-Auswertevorrichtung (10) gemäß Anspruch 3, die ausgebildet ist, um zur Ermittlung der Tiefeninformation eine zeitliche Korrelation zwischen der sprungartigen Belastungssequenz (22, 26) und der zeitlichen Veränderung der ein oder mehreren lokalen Temperaturminima und/oder Temperaturmaxima herzustellen.
Thermographie-Auswertevorrichtung (10) gemäß Anspruch 3 oder 4, die ausgebildet ist, eine Fourier-Transformation durchzuführen, um so ein Phasenspektrum (32) und Amplitudenspektrum (30) über die Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg zu erhalten.
Thermographie-Auswertevorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinheit (14) ausgebildet ist, um eine Lasteinheit (16) so zu steuern, dass zusätzlich zu dem Stromfluss (17) entsprechend der sprungartigen Belastungssequenz (22, 26) ein weiterer Stromfluss (17) entsprechend einer periodischen Belastungssequenz (38) eingeprägt wird.
Thermographie-Auswertevorrichtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuereinheit (14) ausgebildet ist, um eine Lasteinheit (16) so zu steuern, dass zusätzlich zu dem Stromfluss (17) entsprechend der sprungartigen Belastungssequenz (22, 26) ein weiterer Stromfluss (17) entsprechend einer Grund-Belastungssequenz gleichzeitig eingeprägt wird.
Thermographie-System (40, 46) für eine elektro-chemische Zellenanordnung (11), mit folgenden Merkmalen: einer Auswertevorrichtung (10) gemäß einem der vorherigen Ansprüche; und einer Lasteinheit (16, 16'), die mit der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) verbindbar ist und ausgebildet ist, einen Stromfluss (17) durch die elektro-chemische Zellenanordnung (11) entsprechend einer von der Steuereinheit (14) vorgegebenen Belastungssequenz (22, 26, 38) zu bewirken.
Thermographie-System (40, 46) gemäß Anspruch 8, wobei die Lasteinheit (16) einen Verbraucher (16b) aufweist, durch den der Stromfluss (17) erfolgt, so dass eine Energieentnahme der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) bewirkt wird.
Thermographie-System (40, 46) gemäß Anspruch 8, wobei die Lasteinheit (16') eine Stromquelle (16b') aufweist, die den Stromfluss (17) der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) einprägt.
Thermographie-System (40, 46) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, das einen Infrarotkamera (18) aufweist, die ausgebildet ist, um eine Infrarotbildsequenz (28) der elektro-chemischen Zellenanordnung (11), aus der die Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg ersichtlich ist, aufzunehmen und die Infrarotbildsequenz (28) in Form der Messdaten (22) auszugeben.
Verfahren zum Prüfen einer elektro-chemischen Zellenanordnung mittels Thermographie, mit folgenden Schritten: Steuern einer Lasteinheit (16) für die elektro-chemische Zellenanordnung (11), so dass ein Stromfluss (17) durch die elektro-chemische Zellenanordnung (11) entsprechend einer sprungartigen Belastungssequenz (22, 26) erfolgt, um eine Temperaturänderung in der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) und damit eine Veränderung einer Oberflächentemperaturverteilung der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) zu bewirken; und Empfangen von Messdaten (22), die Auskunft über eine Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über eine Zeitdauer hinweg geben; wobei die elektro-chemische Zellenanordnung (11) auf Basis der Belastungssequenz (22, 26) und der resultierenden Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg beurteilbar ist.
Verfahren gemäß Anspruch 12, das ferner den Schritt des Ermittelns von ein oder mehreren lokalen Temperaturminima und/oder Temperaturmaxima, die einen Rückschluss auf eine laterale Position von einer oder mehreren Fehlstellen innerhalb der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) zulassen, in der Oberflächentemperaturverteilung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, das ferner den Schritt des Herstellens einer Korrelation zwischen der Belastungssequenz (22, 26) und der resultierenden Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeit aufweist, wobei die Korrelation einen Rückschluss auf eine Tiefeninformation über eine oder mehrere Fehlstellen (42) in der elektro-chemischen Zellenanordnung (11) zulassen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, das ferner den Schritt des Fourier-Transformierens aufweist, um ein Phasenspektrum (32) und Amplitudenspektrum (30) über die Veränderung der Oberflächentemperaturverteilung über die Zeitdauer hinweg zu erhalten.
Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, wenn das Programm auf einem Computer abläuft.