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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Prüfen einer Komponente einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer Elektrodenanordnung eines Akkumulators. Ferner geht die vorliegende Erfindung aus von einem elektrischen Prüfgerät zum Prüfen einer Komponente einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer Elektrodenanordnung eines Akkumulators.
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Es ist bekannt, Energiespeichereinheiten, wie beispielsweise Kondensatoren oder Akkumulatoren, mit einem elektrischen Prüfgerät auf Kurzschlüsse zu untersuchen. Mit einem solchen Prüfgerät lassen sich beispielsweise Kurzschlüsse einer einzelnen Komponente, insbesondere einer Batteriekomponente wie beispielsweise einer Elektrodenanordnung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, feststellen.
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Üblicherweise bestehen die Elektroden der Elektrodenanordnung eines Lithium-Ionen-Akkumulators – im Unterschied zu den Platten- oder Gitterelektroden einer Blei-Säure-Batterie – aus sehr dünnen Metallfolien, d.h. die Metallfolie ist wenige Mikrometer dick. Die Metallfolien der Elektroden sind dabei mit einem Aktivmaterial beschichtet, wobei die Anode der Elektroden beispielsweise eine mit Kohlenstoff bzw. C-Modifikationen oder Graphit beschichtete Kupferfolie und die Kathode einen Kathodenwerkstoff mit einer Lithiumverbindung mit Kobalt, Mangan, Nickel-Kobalt, Nickel-Kobalt-Mangan oder Eisenphosphat aufweist. Je nach verwendetem Elektrodenmaterial werden unterschiedliche Energiedichten, Leistungsdichten, Nennspannungen und/oder Ladezyklen des Lithium-Ionen-Akkumulators erreicht. Typischerweise weisen Lithium-Ionen-Akkumulatoren auf Grund des vergleichsweise hohen negativen elektrochemischen Potentials des Lithiums eine höhere Leistungsdichte und Energiedichte auf, als andere Akkumulatoren.
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Mit den bekannten Durchgangsprüfern lassen sich zwar Kurzschlüsse feststellen, jedoch kann es – trotz einer Feststellung, dass kein Kurzschluss vorliegt – während des Einbringens eines Elektrolyten oder während einer erstmaligen Aufladung einer Energiespeicherzelle zu einem kritischen thermischen Ereignis kommen, wobei die Energiespeicherzelle zerstört wird. Die aus dem Stand der Technik bekannten Durchgangsprüfer und Prüfverfahren können solche Defekte der Energiespeicherzelle, die beispielsweise zu einem solchen kritischen Ereignis führen, gar nicht oder nur mittels einer aufwendigen und teuren Prüfung im Vorhinein erkennen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Prüfen einer Komponente einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer Elektrodenanordnung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, bereitzustellen, wodurch die Gefahr eines Kurzschlusses zuverlässiger und einfacher erkannt wird. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrisches Prüfgerät zur Verfügung zu stellen, welches zur Durchführung eines solchermaßen verbesserten Verfahrens geeignet ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zum Prüfen einer Komponente einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer Elektrodenanordnung eines Akkumulators, wobei in einem ersten Schritt der Komponente ein Prüfsignalverlauf über zwei elektrisch leitfähige Kontakte aufgeprägt wird, wobei in einem zweiten Schritt eine Impedanz der Komponente in Abhängigkeit des Prüfsignalverlaufs ermittelt wird, wobei in einem dritten Schritt eine Abweichung zwischen der Impedanz und einer Referenz-Impedanz bestimmt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Verfahren zum Prüfen einer Komponente einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer Elektrodenanordnung eines Akkumulators, beispielsweise eines Lithium-Ionen-Akkumulators, bereitgestellt wird, wodurch die Gefahr eines Kurzschlusses – welcher beispielsweise nach dem Einfüllen eines Elektrolyten auftritt – im Vorhinein erkannt und die Erkennung vereinfacht wird. Vor dem Einbringen des Elektrolyten wird zum einen abgesichert, dass kein elektrischer Kurzschluss, beispielsweise zwischen Elektroden der Komponente, existiert und zum anderen geprüft, dass keine anderweitige Beeinträchtigung der Energiespeicherzelle vorliegt. Der Akkumulator umfasst insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein verbessertes Messverfahren bereitgestellt, um einen etwaigen Kurzschluss innerhalb einer Elektrodenfolienanordnung, insbesondere innerhalb eines Elektrodenfolienstapels und/oder einer Elektrodenfolienrolle bzw. eines Elektrodenfolienwickels, zu erkennen. Weiterhin wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine qualitative Bewertung der Güte der elektrischen Verbindung zwischen den Ableitfahnen und den Elektrodenfolien ermöglicht. Insbesondere ist es vorteilhaft möglich, eine Beschädigung und/oder Beeinträchtigung der Energiespeicherzelle im Vorhinein zu erkennen, d.h. vor einem erstmaligen Betrieb, vor einer erstmaligen elektrischen Aufladung und/oder vor einer erstmaligen Auffüllung mit einem – flüssigen und/oder festen – Elektrolyten, wobei unter einem festen Elektrolyt beispielsweise ionenleitfähiges Polymer bzw. eine mit einem ionenleitfähigen Elektrolyten getränkte, gelierte Polymermatrix im Falle eines Akkumulators, insbesondere Lithium-Ionen Akkumulators, zu verstehen ist.
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Solche Beeinträchtigungen können beispielsweise zu einer verkürzten Lebensdauer des Lithium-Ionen-Akkumulators führen. Beispielsweise könnte auf Grund eines durch Verunreinigungen und/oder defekte Kontaktstellen hervorgerufener verringerter Kontaktwiderstand und/oder Durchgangswiderstand zu einem erhöhten Stromfluss und dadurch zu einer Zerstörung des Lithium-Ionen-Akkumulators führen. Ein solches thermisches Ereignis wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung mittels Impedanzmessung vorteilhaft im Vorhinein erkannt und somit verhindert. Hierdurch wird insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Kontaktwiderstand, Durchgangswiderstand und/oder Innenwiderstand der Energiespeichereinheit gemessen und/oder erkannt. Beispielsweise ist es vorteilhaft möglich in Abhängigkeit der Messung des Kontaktwiderstands, Durchgangswiderstands und/oder Innenwiderstand auf Kontaktfehler oder andere Defekte der Energiespeichereinheit zu schließen – beispeilsweise eine ungenügend gute Kontaktierung der Elektroden.
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Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Prüfverfahren oder Durchgangsprüfern, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren neben einem sogenannten „satten“ Kurzschluss zwischen den Elektroden als Folge eines beschädigten Separators auch eine weitere Beeinträchtigung der Energiespeicherzelle erkannt werden. Beispielsweise ist eine solche weitere Beeinträchtigung eine zunächst nur geringe Beschädigung, sodass nur ein marginaler Strom beim Anlegen einer Spannung an die Kontakte der Komponente zwischen Anode und Kathode fließt, insbesondere wenn kein Elektrolyt vorhanden ist. Ein solcher marginaler Strom kann jedoch bei langer Wirkdauer, wie dies der Fall ist nachdem der Elektrolyt eingefüllt ist und dauerhaft eine Batteriespannung erzeugt wird, eine punktuelle Aufschmelzung der Separatorfolie zwischen der Anode und der Kathode der Elektrodenfolien der Lithium-Ionen-Batterie hervorrufen. In der Folge kann eine solche Beeinträchtigung einen satten Kurzschluss herbeiführen, wobei es bei einem eingebrachten Elektrolyten zu einem kritischen thermischen Ereignis und damit zur Freisetzung explosiver und/oder giftiger Gase kommen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine solche Gefahr effizient und mit vergleichsweise einfachen Mitteln im Vorhinein erkannt und somit vermieden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem Referenzschritt die Referenz-Impedanz zeitlich vor dem ersten Schritt ermittelt wird, wobei in dem Referenzschritt einer Referenz-Komponente der Prüfsignalverlauf über zwei elektrisch leitfähige Kontakte aufgeprägt wird und anschließend die Referenz-Impedanz der Komponente in Abhängigkeit des Prüfsignalverlaufs ermittelt und abgespeichert wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Ermittlung und Abspeicherung einer Referenz-Impedanz vor der Ermittlung der Abweichung im dritten Schritt in vorteilhafter Weise dazu, dass eine besonders präzise und zuverlässige Ermittlung einer Beschädigung und/oder Beeinträchtigung der Energiespeichereinheit ermöglicht wird. Die Referenz-Impedanz wird dabei insbesondere für eine Referenz-Komponente bestimmt, welche gleichartig ausgebildet ist wie die Komponente für welche die Impedanz gemäß den Schritten des Verfahrens ermittelt wird. Durch die Bestimmung der Abweichung zwischen der Impedanz und der Referenz-Impedanz wird in vorteilhafter Weise insbesondere auf die Güte der Verbindung, d.h. auf die Größe eines Durchgangswiderstands und/oder Kontaktwiderstands der Elektrodenanordnung bzw. der Komponente geschlossen, um insbesondere einen schleichenden Kurzschluss im Vorhinein, d.h. vor einer erstmaligen Inbetriebnahme, einer erstmaligen Aufladung und/oder vor einer Auffüllung eines Zwischenraums zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnung mit einem Elektrolyten, zu erkennen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im ersten Schritt der Prüfsignalverlauf mittels Änderung einer Frequenz eines Prüfsignals erzeugt wird, wobei im zweiten Schritt die Frequenz des Prüfsignals – diskret und/oder kontinuierlich – in der Zeit verändert wird, wobei eine Impedanzkennlinie aus zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Impedanzmessungen der Komponente in Abhängigkeit zweier oder mehrerer Frequenzen des Prüfsignals bestimmt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Veränderung der Frequenz des Prüfsignals bei der Impedanzmessung in vorteilhafter Weise dazu, dass die Impedanz der Komponente für mehrere Frequenzen des Prüfsignals, bevorzugt für zwei bis 30 Frequenzen, besonders bevorzugt für 2 bis 10 Frequenzen, ganz besonders bevorzugt für 4 bis 5 Frequenzen, bestimmt wird und dadurch eine besonders präzise Aussage über Art und/oder Ausmaß der Defekte getroffen werden kann. Die Impedanzkennlinie wird insbesondere mittels Interpolation und/oder Extrapolation wenigstens zwei oder mehr der Impedanzen ermittelt. Bevorzugt wird zur Analyse der Beschädigung und/oder Beeinträchtigung der Komponente der Imaginärteil und der Realteil der Impedanzkennlinie als Ortskurve in der komplexen bzw. gaußschen Zahlenebene angezeigt, wobei die Ortskurve in Abhängigkeit der zwei oder mehreren Frequenzen ermittelt und/oder angezeigt wird. Somit ist es erfindungsgemäß Möglich in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Impedanzkennlinie und der Referenz-Impedanzkennlinie auf eine Beschädigung und/oder Beeinträchtigung bzw. auf Defekte der Komponente zu schließen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in einem vierten Schritt ein Indikationssignal in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Impedanz und der Referenz-Impedanz erzeugt wird, wobei eine Defektinformation über Defekte der Komponente mittels des Indikationssignals bereitgestellt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die Bereitstellung der Defektinformation in vorteilhafter Weise ermöglicht, den Herstellungsprozess der Energiespeichereinheit zu verbessern und zu vereinfachen. Dies wird insbesondere dadurch erzielt, dass in Abhängigkeit der Defektinformation gezielt einzelne defekte Batterien aus einer Charge heraussortiert werden können und dadurch Kosten gespart werden. Das Indikatorsignal ist insbesondere ein elektrisches, akustisches und/oder optisches Signal sein, welches beispielsweise einem Nutzer und/oder einem Automatisierungssystem, welches den Herstellungsprozess überwacht, bereitgestellt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass im Falle einer Abweichung der Realteile der Impedanz und der Referenzimpedanz mittels der Defektinformation eine Information über Art und/oder Größe eines Durchgangswiderstands und/oder eines Kontaktwiderstands der Komponente bereitgestellt wird, wobei im Falle einer Abweichung der Imaginärteile der Impedanz und der Referenz-Impedanz mittels der Defektinformation eine Information über Kontaktierungsfehler und/oder lokalisierte Materialdefekte bereitgestellt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Unterscheidung – der Abweichung zwischen der Impedanz und der Referenz-Impedanz – nach Realteil und Imaginärteil bei der Impedanzmessung in vorteilhafter Weise dazu, dass in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Impedanzkennlinie und der Referenz-Impedanzkennlinie auf eine Beschädigung und/oder Beeinträchtigung bzw. auf Defekte der Komponente geschlossen werden kann. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise der Herstellungsprozess einer solchen Komponente, beispielsweise der Elektrodenanordnung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, vereinfacht und verbessert, wobei gezielte und/oder angepasste Maßnahmen in Abhängigkeit der Detektionsinformation eingeleitet werden können, wodurch Kosten gespart und die Produktionsgeschwindigkeit erhöht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in dem vierten Schritt die Defektinformation in Abhängigkeit des Indikationssignals und/oder ein Kennlinienfeld mit der ermittelten Impedanzkennlinie und der Referenz-Impedanzkennlinie angezeigt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Anzeige bei der Detektionsinformation und/oder des Kennlinienfeldes in vorteilhafter Weise dazu, dass auf schnelle und einfache Weise eine hohe Präzision über den Zustand einer Komponente, insbesondere einer Charge einer Mehrzahl von Komponenten, geschlossen werden kann. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise der Herstellungsprozess einer solchen Komponente, beispielsweise der Elektrodenanordnung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, vereinfacht und verbessert, wobei gezielte und/oder angepasste Maßnahmen in Abhängigkeit der Detektionsinformation eingeleitet werden können, wodurch Kosten gespart und die Produktionsgeschwindigkeit erhöht wird.
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Erfindungsgemäß bevorzugt werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Mehrzahl gleichartiger Komponenten, insbesondere gleichzeitig, durchgeführt und sämtliche Defektinformationen und/oder sämtliche Impedanzkennlinien auf einem, insbesondere einzigen, Anzeigemittel angezeigt.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Elektrisches Prüfgerät zum Prüfen einer Komponente einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer Elektrodenanordnung eines Akkumulators, wobei das Prüfgerät einen Prüfsignalgenerator, eine Impedanzmesseinheit und eine Auswerteeinheit aufweist, wobei das Prüfgerät Anschlussmittel zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit zwei Kontakten der Komponente aufweist, wobei der Prüfsignalgenerator zur Aufprägung eines Prüfsignalverlaufs über die Kontakte der Komponente vorgesehen ist, wobei die Impedanzmesseinheit zur Messung einer Impedanz der Komponente in Abhängigkeit des Prüfsignalverlaufs vorgesehen ist, wobei die Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Abweichung zwischen der Impedanz und einer Referenz-Impedanz vorgesehen ist.
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Das erfindungsgemäße elektrische Prüfgerät hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein Prüfgerät zur Verfügung gestellt wird, welches zur Durchführung eines erfindungsgemäß verbesserten Verfahrens geeignet ist und somit die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist. Insbesondere wird ein zeitabhängiges Prüfsignal verwendet, welches in Abhängigkeit der Zeit die Frequenz ändert, wobei die Impedanz der Komponente für zwei oder mehr Frequenzen des Prüfsignals bestimmt wird. Durch die Verwendung eines zeitabhängigen Signals können der Kontaktwiderstand und der Durchgangswiderstand gleichzeitig bestimmt werden, wodurch das Prüfgerät eine sehr schnelle und somit gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Bestimmung von Defekten der Komponente ermöglicht. Weiterhin wird hierdurch ein Prüfgerät zum Prüfen einer Komponente einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer Elektrodenanordnung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, bereitgestellt wird, welches die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, wobei die Gefahr eines Kurzschlusses – welcher beispielsweise nach dem Einfüllen eines Elektrolyten auftritt – im Vorhinein erkannt und die Erkennung vereinfacht wird. Der Akkumulator umfasst insbesondere einen Lithium-Ionen-Akkumulator.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Prüfgerät eine Speichereinheit aufweist, wobei die Speichereinheit zur Speicherung eines gemessenen Stromsignalverlaufs eines durch die Komponente fließenden Stroms und eines gemessenen Spannungssignalverlaufs einer zwischen den Kontakten an der Komponente abfallenden Spannung vorgesehen ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Speicherung des Stromsignalverlaufs und des Spannungssignalverlaufs in vorteilhafter Weise dazu, dass die Bestimmung der Impedanz durch die Auswerteinheit digitalisiert und dadurch in verbesserter Weise durchführbar ist. Bevorzugt besteht die Impedanzmesseinheit aus einer Strommesseinheit, welche zur Messung eines Stromsignals eines durch die Komponente fließenden Stromes vorgesehen ist, und eine Spannungsmesseinheit, welche zur Messung eines Spannungssignals einer an der Komponente abfallenden Spannung vorgesehen ist. Weiterhin ist es hierdurch ist es vorteilhaft möglich, das gemessene Stromsignal und das gemessene Spannungssignal vor der Auswertung durch die Auswerteinheit in der Speichereinheit abzuspeichern.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Prüfsignalgenerator zur Erzeugung des Prüfsignalverlaufs mittels – diskreter und/oder kontinuierlicher – Änderung der Frequenz eines Prüfsignals vorgesehen ist, wobei die Auswerteinheit zur Bestimmung einer Impedanzkennlinie aus zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Impedanzmessungen der Komponente in Abhängigkeit zweier oder mehrerer Frequenzen des Prüfsignals vorgesehen ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Veränderung der Frequenz des Prüfsignals bei der Impedanzmessung in vorteilhafter Weise dazu, dass die Impedanz der Komponente für mehrere Frequenzen des Prüfsignals, bevorzugt für zwei bis 30 Frequenzen, besonders bevorzugt für 2 bis 10 Frequenzen, ganz besonders bevorzugt für 4 bis 5 Frequenzen, bestimmt wird und dadurch eine besonders präzise Aussage über Art und/oder Ausmaß der Defekte getroffen werden kann. Somit ist es erfindungsgemäß Möglich in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Impedanzkennlinie und der Referenz-Impedanzkennlinie auf eine Beschädigung und/oder Beeinträchtigung bzw. auf Defekte der Komponente zu schließen und durch das Prüfgerät anzeigen zu lassen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswerteeinheit zur Erzeugung eines Indikationssignals in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Impedanz und der Referenz-Impedanz vorgesehen ist, wobei das Indikationssignal eine Defektinformation über Defekte der Komponente aufweist, wobei das Prüfgerät insbesondere ein Anzeigemittel aufweist, wobei das Anzeigemittel insbesondere zur Anzeige der Defektinformation und/oder eines Kennlinienfeldes mit der durch die Auswerteeinheit bestimmten Impedanzkennlinie und der Referenz-Impedanzkennlinie vorgesehen ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Anzeige der Detektionsinformation und/oder des Kennlinienfeldes bei der Bestimmung von Defekten einer Komponente, beispielsweise aus einer Mehrzahl von Komponenten, in vorteilhafter Weise dazu, dass auf besonders schnelle Weise in Abhängigkeit einer präzisen Information nicht nur die Art des Defekts bestimmt wird, sondern zusätzlich auch die defekte Komponente identifiziert wird, sodass in Abhängigkeit von der Detektionsinformation und der identifizierten Komponente entschieden werden kann, in welcher Weise auf den Defekt reagiert werden soll. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise durch das Prüfgerät der Herstellungsprozess einer solchen Komponente, beispielsweise der Elektrodenanordnung eines Lithium-Ionen-Akkumulators, vereinfacht und verbessert, wobei gezielte und/oder angepasste Maßnahmen in Abhängigkeit der Detektionsinformation eingeleitet werden können, wodurch Kosten gespart und die Produktionsgeschwindigkeit erhöht wird.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Die Zeichnungen illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine Komponente einer Energiespeichereinheit.
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2 zeigt einen Prüfsignalverlauf eines Prüfsignals.
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3 zeigt eine Impedanzkennlinie einer Komponente einer Energiespeichereinheit.
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4 zeigt ein Kennlinienfeld mit einer Referenz-Impedanzkennlinie und zwei Impedanzkennlinien.
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5 zeigt eine elektrische Schaltung eines elektrischen Prüfgeräts gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist eine Komponente 1 einer Energiespeichereinheit dargestellt. Die Komponente 1 ist hier eine Batteriekomponente 1, insbesondere eine Elektrodenanordnung 1 eines Lithium-Ionen-Akkumulators. Die Elektrodenanordnung 1 ist hier ein Elektrodenstapel 1 aus einer Mehrzahl von gestapelten, insbesondere flächig erstreckten Elektrodenfolien 11, 21, wobei zwischen den Elektrodenfolien 11, 21 jeweils eine Separatorfolie 30 angeordnet ist. Die Elektrodenfolien 11, 21 sind jeweils einem Anodenkontakt 10 bzw. Kathodenkontakt 20 zugeordnet, wobei der Anodenkontakt 10 und der Kathodenkontakt 20 hierin auch als Kontakte 10, 20 der Komponente 1 oder als Anode 10 bzw. Kathode 20 bezeichnet werden. Mit dem Anodenkontakt 10 sind Anoden-Elektrodenfolien 11 und mit dem Kathodenkontakt 20 sind Kathoden-Elektrodenfolien 21 elektrisch leitfähig verbunden. Die Elektrodenfolien 11 bzw. 21 sind jeweils über Ableitfahnen mit dem Anodenkontakt 10 bzw. Kathodenkontakt 20 elektrisch leitfähig verbunden, wobei die Verbindungsstellen hierin als Kontaktstellen der Elektrodenanordnung 1 bezeichnet werden. Zwischen die Elektrodenfolien 11, 21 wird ein Elektrolytmittel 40, auch als Elektrolyt 40 bezeichnet, welches insbesondere ein flüssiges Elektrolytmittel 40 oder ein festes Elektrolytmittel 40, beispielsweise ionenleitfähiges Polymer bzw. eine mit einem ionenleitfähigen Elektrolyten getränkte gelierte Polymermatrix, ist.
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Die Elektrodenfolien 11, 21 eines Lithium-Ionen-Akkumulators liegen in einer Batteriezelle 1 typischerweise in aufgewickelter Rollenform oder in geschichteter Stapelform vor, um eine große Oberfläche von sich gegenüberstehenden Elektroden, insbesondere Kathode 20 und Anode 10 der Elektrodenanordnung 1, zu erreichen. In einem Zwischenraum zwischen den jeweiligen Elektrodenfolien 11, 21 der Kathode 20 und Anode 10 ist eine poröse Separatorfolie 30 angeordnet, welche ebenfalls eine Dicke von wenigen Mikrometern aufweist, beispielsweise 10–40 Mikrometer. Die Separatorfolie 30 besteht insbesondere aus einem Thermoplast. Der Zwischenraum, in welchem die Separatorfolie 30 angeordnet ist, ist in dem Lithium-Ionen-Akkumulator mit einem flüssigen Elektrolyten 40 oder einem festen Elektrolytmittel 40, beispielsweise ionenleitfähiges Polymer bzw. eine mit einem ionenleitfähigen Elektrolyten getränkte gelierte Polymermatrix, durchtränkt bzw. aufgefüllt. Hierdurch wird ein Ladungsaustausch zwischen Kathode 10 und Anode 20 der Elektrodenanordnung 1, beispielsweise durch frei bewegliche Lithium-Ionen, ermöglicht. Die Separatorfolie 30 gestattet dabei einen Durchtritt der Lithium-Ionen, welche vergleichsweise klein gegenüber den Lösungsmittelmolekülen eines flüssigen Elektrolyten 40 sind. Die Separatorfolie 30 ist beispielsweise zur elektrischen Isolierung, insbesondere von Anode 10 und Kathode 20, der Elektrodenfolien 11, 21 vorgesehen, um Kurzschlüsse, beispielsweise auf Grund von Interkalation des Lithiums, zu vermeiden.
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An die Elektrodenfolien 11, 21 werden metallische Ableitfahnen, welche als Teil der Elektrodenfolien 11, 21 dargestellt sind) gefügt und zur Kontaktierung nach außen zu den Kontakten 10 bzw. 20 geführt. Die Ableitfahnen werden beispielsweise aus unbeschichteten Bereichen der Elektrodenfolien 11, 21 herausgeschnitten. Die Ableitfahnen können sowohl zur Kontaktierung der Elektrodenanordnung 1, d.h. jeweils des Kathodenkontakts 20 bzw. Anodenkontakts 10, als auch zur Parallelschaltung mehrerer Elektrodenanordnungen 1 oder Elektrodenfolien 11, 21 der Elektrodenanordnung 1 verwendet werden. Wobei eine Mehrzahl in solcher Weise elektrisch leitfähig verbundenen Elektrodenanordnungen 1 als Zelle der Energiespeichereinheit bezeichnet wird.
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Durch die zur Herstellung einer als Elektrodenstapel oder Elektrodenwickel ausgebildeten Elektrodenanordnung 1 notwendigen Fertigungsschritte, beispielsweise mechanisches bzw. thermisches Fügen, Trennen und/oder Vereinzeln, können Verunreinigungen wie Metallspäne, Schmutz usw. in die Elektrodenanordnung 1 gelangen und so zu Defekten der Elektrodenanordnung 1 bzw. Komponente 1 führen. Solche Defekte können Beschädigungen der Komponente 1 sein, welche einen unmittelbaren Kurzschluss, d.h. „satten Kurzschluss“, hervorrufen und/oder Beeinträchtigungen der Komponente 1 sein. Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Prüfgerät 2 Beschädigungen der Beschichtung, der Elektrodenfolien 11, 21, welche insbesondere Metallfolien 11, 21 sind, und/oder der Separatorfolie 30, beispielsweise ein Durchstoßen der Separatorfolie 30, erkannt werden, bevor es zu einem Kurzschluss zwischen den Elektroden 11, 21, insbesondere vor der erstmaligen Inbetriebnahme, kommt. Ein solcher Kurzschluss kann beispielsweise beim Einbringen eines Elektrolyten 40 auf Grund der vorhandenen intrinsischen Zellenspannung ein kritisches thermisches Ereignis hervorrufen. Bei einer Beschädigung des Separators 30 kann es beispielsweise zu einem sogenannten „schleichenden Kurzschluss“ kommen, wobei sich – im Gegensatz zum oben genannten satten Kurzschluss – ein Selbstentladestrom einer Zelle des Lithium-Ionen-Akkumulators vergrößert und erst anschließend einen satten Kurzschluss herbeiführt.
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Andererseits kann für den Fall, dass die Ableitfahnen im Herstellungsprozess an die Elektrodenfolien 11, 21 gefügt werden, beispielsweise gelötet bzw. mittels eines leitfähigen Klebstoffes geklebt werden, durch fehlerhaftes Fügen eine schlechte elektrisch leitfähige Verbindung an den Kontaktstellen erzeugt werden. Beispielsweise kann ein veränderter Kontakt- und/oder Durchgangswiderstand, d.h. höherer und/oder niedriger Widerstand verglichen mit einer ordnungsmäßigen Verbindung, zwischen den Elektrodenfolien 11, 21 und den Ableitfahnen und/oder zwischen den Ableitfahnen und Batterieanschlusspolen (nicht dargestellt) oder Kontakte 10, 20, herbeigeführt werden. Weiterhin kann durch das Fügen die Separatorfolie 30 beschädigt werden. Die fehlerhaften Kontaktstellen können wiederum eine Hitzeentstehung beim Bestromen herbeiführen und eine exotherme Zersetzungsreaktion im Zellinneren der Energiespeicherzelle in Gang setzen.
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In 2 ist ein Prüfsignalverlauf eines Prüfsignals 100 in Abhängigkeit einer Zeitachse 101 und Amplitudenachse 102 dargestellt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass der zusammengesetzte Elektrodenfolienstapel 1 aus Anoden-Elektrodenfolien 11 und Kathoden-Elektrodenfolien 21 mit dazwischen befindlicher Separatorfolie 30 an den Kontakten 10, 20 mit einem Prüfsignal 100, insbesondere einer elektrischen Spannung 100, welche auch als Messspannung 100 bezeichnet wird, beaufschlagt. Das Prüfsignal 100 ist erfindungsgemäß insbesondere ein zeitabhängiges Wechselstromsignal 100, beispielsweise ein Sinussignal 100, mit zeitlich variierter Frequenz, wobei das Prüfsignal 100 insbesondere mittels eines Prüfsignalgenerators 3, beispielsweise ein Wobbelgenerator 3 (siehe 5), erzeugt wird. Der Prüfsignalverlauf des Prüfsignals 100 kann beispielsweise auch ein Rechtecksignal oder Sägezahnsignal sein.
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In 3 ist eine Impedanzkennlinie 200 einer Komponente 1 einer Energiespeichereinheit in der komplexen bzw. gaußschen Zahlenebene dargestellt. 3 zeigt den Realteil der Impedanzkennlinie 200 auf der Realteilachse 201 und den Imaginärteil der Impedanzkennlinie 200 auf der Imaginärteilachse 202 in Abhängigkeit der Frequenz 203 des Prüfsignals 100. Eine in solcher Weise dargestellte Impedanzkennlinie 200 wird hier auch als Ortskurve 200 bezeichnet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Veränderung der Frequenz des Prüfsignals 100 bei der Impedanzmessung in vorteilhafter Weise dazu, dass die Impedanz der Komponente für mehrere Frequenzen 203 des Prüfsignals 100, bevorzugt für zwei bis 30 Frequenzen, besonders bevorzugt für 2 bis 10 Frequenzen, ganz besonders bevorzugt für 4 bis 5 Frequenzen, bestimmt wird und dadurch eine besonders präzise Aussage über Art und/oder Ausmaß der Defekte getroffen werden kann.
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Entsprechend des gemessenen Stroms, welcher durch die Komponente 1 in Abhängigkeit des Prüfsignals 100 fließt, kann die Impedanzkennlinie 200 ermittelt werden. Bevorzugt werden dazu bestimmte auf die jeweilige Ausführungsform der Komponente 1 abgestimmte Frequenzen 203, sogenannte charakteristische Frequenzen 203, bestimmt. Zwischen den ermittelten Impedanzen an den Stellen der Frequenzen 203 wird mittels Interpolation die Impedanzkennlinie 200 bestimmt.
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In 4 ist ein Kennlinienfeld mit einer Referenz-Impedanzkennlinie 200 und zwei Impedanzkennlinien 200‘, 200‘‘ dargestellt. Für fehlerfreie gleichartige Komponenten 1, insbesondere Elektrodenrollen bzw. Elektrodenwickel oder Elektrodenstapel 1, ergeben sich somit jeweils ähnliche Ortskurven 200, 200‘, 200‘‘ die als Referenz 200 dienen, wobei unter der Impedanzkennlinie 200, 200‘, 200‘‘ eine solche Ortskurve zu verstehen ist und die Referenz 200 auch als Referenz-Impedanzkennlinie 200 bezeichnet wird. Weicht die ermittelte Ortskurve 200‘, 200‘‘ einer vermessenen Komponente 1 von der Referenz-Impedanzkennlinie 200 ab, wird somit auf eine Beeinträchtigung und/oder Beschädigung bzw. auf einen Defekt der Komponente 1 geschlossen. Beispielsweise lässt sich bei einer Verschiebung der Impedanzkennlinie 200‘, 200‘‘ – bezogen auf die Referenz-Impedanzkennlinie 200 – zu einem kleineren Realteil hin auf einen schleichenden Kurzschluss schließen. Ebenso lässt sich beispielsweise bei einer entsprechenden Verschiebung des Imaginärteils der Impedanzkennlinie 200‘, 200‘‘ auf punktuelle Fehlstellen bzw. Kontaktierungsfehler schließen, die auf Grund von Stromverdrängungseffekten die Impedanzkennlinie 200‘, 200‘ gegenüber der Referenz 200 verändern. Ist die Impedanzkennlinie 200‘, 200‘‘ beispielsweise in der oben bezeichneten Weise hin zu einem höheren Realteil verschoben, so weist dies auf mangelhafte Kontaktstellen hin. Somit ist es erfindungsgemäß Möglich in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Impedanzkennlinie 200‘, 200‘‘ und der Referenz-Impedanzkennlinie 200 auf eine Beschädigung und/oder Beeinträchtigung bzw. auf Defekte der Komponente 1 zu schließen.
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In 5 ist eine Schaltung 2 eines elektrischen Prüfgeräts 2 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das elektrische Prüfgerät 2 ist zum Prüfen einer Komponente 1 einer Energiespeichereinheit, insbesondere einer Elektrodenanordnung 1 eines Lithium-Ionen-Akkumulators vorgesehen. Das Prüfgerät 2 weist dazu einen Prüfsignalgenerator 3, eine Impedanzmesseinheit 4, 4‘ und eine Auswerteeinheit 5 auf.
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Ferner weist das Prüfgerät 2 Anschlussmittel 6 auf, welcher zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung mit zwei Kontakten 10, 20 der Komponente 1 vorgesehen sind.
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Der Prüfsignalgenerator 3 ist zur Beaufschlagung der Kontakte 10, 20 der Komponente 1 mit einem Prüfsignal 100 vorgesehen. Das Prüfsignal ist insbesondere ein zeitabhängiges, insbesondere frequenzveränderliches, Sinussignal, Sägezahnsignal oder Rechtecksignal.
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Die Impedanzmesseinheit 4, 4‘ ist zur Messung einer Impedanz der Komponente 1 in Abhängigkeit einer Frequenz des Prüfsignals 100 vorgesehen ist. Die Impedanzmesseinheit 4, 4‘ besteht insbesondere aus einer Strommesseinheit 4, welche zur Messung des durch die Komponente 1 fließenden Stroms vorgesehen ist, und eine Spannungsmesseinheit 4‘, welche zur Messung der an der Komponente 1 abfallenden Spannung vorgesehen ist. Die Strommessung und Spannungsmessung erfolgt dabei in Abhängigkeit des Prüfsignals. Die Impedanz wird insbesondere in einem Zeitintervall gemessen, in dem die Frequenz des Prüfsignals im Wesentlichen konstant ist. Das Prüfgerät weist insbesondere eine Speichereinheit 7, 7‘ mit einer Spannungssignalspeichereinheit 7‘, welche zur Speicherung des gemessenen Spannungssignals der an der Komponente 1 abfallenden Spannung vorgesehen ist auf. Weiterhin weist die Speichereinheit 7, 7‘ insbesondere eine Stromsignalspeichereinheit 7 auf, welche zur Speicherung des durch die Komponente 1 fließenden Stroms vorgesehen ist. Insbesondere wird das Spannungssignal und/oder das Stromsignal während des Zeitintervalls gespeichert und der konstanten Frequenz des Prüfsignals zugeordnet, welches ebenfalls abgespeichert wird.
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Das Prüfgerät 2 weist weiterhin eine Auswerteeinheit 5 auf, welche zur Bestimmung einer Abweichung zwischen der Impedanz 200, 200‘ 200‘‘ und einer Referenz-Impedanz 200 vorgesehen ist. Zunächst wird durch die Auswerteeinheit 5 aus dem gespeicherten Stromsignal und dem gespeicherten Spannungssignal die Impedanz der Komponente in Abhängigkeit einer Frequenz 203 des Prüfsignals 100 bestimmt. Anhand von wenigstens zwei Werten der Impedanz der Komponente 1 in Abhängigkeit der jeweiligen Frequenz 203 des Prüfsignals 100 wird insbesondere eine Impedanzkennlinie 200, 200‘, 200‘‘ ermittelt. Die Auswerteeinheit 5 ist insbesondere zur Erzeugung eines Indikationssignals in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Impedanz und der Referenz-Impedanz vorgesehen. Das Indikationssignal weist insbesondere eine Defektinformation über Defekte der Komponente 1 auf, wobei das Prüfgerät 2 insbesondere ein Anzeigemittel aufweist, wobei das Anzeigemittel insbesondere zur Anzeige der Defektinformation und/oder eines Kennlinienfeldes mit der durch die Auswerteeinheit 5 bestimmten Impedanzkennlinie und der Referenz-Impedanzkennlinie vorgesehen ist. Erfindungsgemäß bevorzugt werden die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Mehrzahl gleichartiger Komponenten 1, insbesondere gleichzeitig, durchgeführt und sämtliche Defektinformationen und/oder sämtliche Impedanzkennlinien auf einem, insbesondere einzigen, Anzeigemittel (nicht dargestellt) des Prüfgeräts 2 angezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Komponente / Elektrodenanordnung
- 2
- Prüfgerät
- 3
- Prüfsignalgenerator
- 4
- Strommesseinheit / Impedanzmesseinheit
- 4‘
- Spannungsmesseinheit / Impedanzmesseinheit
- 5
- Auswerteeinheit
- 6
- Anschlussmittel
- 7
- Stromsignalspeichereinheit / Speichereinheit
- 7‘
- Spannungssignalspeichereinheit / Speichereinheit
- 10
- Anoden-Kontakt / Kontakt
- 11
- Anoden-Elektrodenfolie / Elektrodenanordnung
- 20
- Kathoden-Kontakt / Kontakt
- 21
- Kathoden-Elektrodenfolie / Elektrodenanordnung
- 30
- Separatorfolie
- 100
- Prüfsignal
- 101
- Zeitachse
- 102
- Amplitudenachse
- 200, 200‘, 200‘‘
- Impedanzkennlinie / Ortskurve
- 200
- Referenz-Impedanzkennlinie / Ortskurve
- 201
- Realteilachse
- 202
- Imaginärteilachse
- 203
- Frequenz des Prüfsignals
