-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lithium-Ionen-Energiespeicher, eine Reihenschaltungsanordnung mit einer Reihenschaltung von mehreren Lithium-Ionen-Energiespeichern und Verfahren zum Messen von Eigenschaften des Lithium-Ionen-Energiespeichers sowie der Reihenschaltung.
-
Lithium-Ionen-Energiespeicher haben eine hohe Zellenspannung und ein gutes Verhältnis zwischen gespeicherter Energie und Gewicht und sind daher für mobile Anwendungen sehr gut geeignet. Insbesondere werden Lithium-Ionen-Energiespeicher als Akkumulatoren für elektrisch betriebene Fahrzeuge eingesetzt. Lithium-Ionen-Energiespeicher werden häufig in gewickelter Bauform hergestellt, wobei ein flächiges Material aufgewickelt wird, das zwei flächige Elektroden umfasst, sowie einen Separator, der die Elektroden elektrisch voneinander trennt. Die Elektroden umfassen typischerweise einen Metallkollektor, der vorzugsweise beidseitig mit einem Elektrodenmaterial beschichtet ist. Typischerweise wird in der Kathodenelektrode Aluminiumfolie und in der Anodenelektrode Kupferfolie als Metallkollektor verwendet. Gewöhnlich wird der Separator zwischen den Elektroden mit einem Ionen-Transportmittel getränkt, das den Durchgang von Ionen durch den Separator ermöglicht.
-
Lithium-Ionen-Energiespeicher sind als Batterien und Akkumulatoren bekannt. Als Akkumulatoren werden sie beispielsweise in sog. Battery-Direct-Invertern (BDI) eingesetzt, die aus einer Vielzahl von Einzelzellen von Lithium-Ionen-Energiespeichern Ströme bzw. Spannungen mit nahezu frei konfigurierbarem Verlauf erzeugen können.
-
Im Stand der Technik ist es bekannt, den von einem Lithium-Ionen-Energiespeicher abgegebenen Strom mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Sensoren, beispielsweise Sensoren mit Shunt-Widerstand oder mit Hall-Sensoren, zu messen. Neben Messmitteln für den direkten Stromfluss existiert eine Vielzahl von anderen Sensoren und/oder theoretischen Modellen, mit denen Eigenschaften von Lithium-Ionen-Energiespeichern erfasst werden können. Dazu werden typischerweise mit Sensoren eine Anzahl bestimmter Eigenschaften des Energiespeichers erfasst und auf die erfassten Werte die theoretischen Modelle angewendet, um auf die elektrischen Eigenschaften bzw. den Zustand des Energiespeichers zu schließen.
-
Die
EP 2442400 A1 offenbart eine elektrochemische Zelle auf Basis von Lithium-Technologie mit einer innenliegenden Referenzelektrode. Diese wird in den Separator eingebettet, so dass sich zwischen der Referenzelektrode und jeder der herkömmlichen Elektroden der Zelle eine Referenzzelle bildet. Durch die Bestimmung von Eigenschaften der beiden Referenzzellen, die Halbzellen des Energiespeichers repräsentieren, können Informationen über jede dieser Halbzellen und somit auch über den gesamten Energiespeicher gewonnen werden. Hierbei wird entweder der Strom der gesamten Zelle gemessen oder über andere Parameter und theoretische Modelle auf einen Zustand des Energiespeichers geschlossen. Weiter behindert die in den Separator eingebrachte zusätzliche Elektrode an dieser Stelle den Ionen-Fluss und bringt die Gefahr eines Kurzschlusses der Elektroden mit sich.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Bei dem erfindungsgemäßen Lithium-Ionen-Energiespeicher ist zumindest eine von Anode und Kathode in einen Hauptabschnitt und in einen Messabschnitt unterteilt. Es ergeben sich dadurch eine Messzelle und eine Hauptzelle des Energiespeichers. Eine Elektrode des Energiespeichers ist dabei als die den Hauptabschnitt und den Messabschnitt umfassende Elektrode definiert, welche elektrisch voneinander getrennt sind. Typischerweise ist der Messabschnitt erheblich kleiner als der Hauptabschnitt. Eine Gegenelektrode liegt der Elektrode in Bezug auf den Separator gegenüber und kann für beide Elektroden gemeinsam wirken. Ein als Gegenelektroden-Messabschnitt bezeichneter Teil der Gegenelektrode liegt der Messelektrode gegenüber, während ein als Gegenelektroden-Hauptabschnitt bezeichneter Teil der Gegenelektrode der Hauptelektrode gegenüberliegt. Der Gegenelektroden-Hauptabschnitt und der Gegenelektroden-Messabschnitt können elektrisch voneinander getrennt sein. Es ist möglich, sowohl die Anode, als auch die Kathode als Elektrode zu verwenden, während entsprechend die Kathode oder die Anode als Gegenelektrode dient. Der Separator kann als ein einziges, zusammenhängendes Element sowohl für die Messzelle, als auch für die Hauptzelle vorgesehen sein, jedoch ist ebenfalls denkbar, auch den Separator zu unterteilen, so dass sich flächige Abschnitte ergeben, die jeweils dem Hauptabschnitt der Elektrode bzw. dem Messabschnitt der Elektrode zugeordnet sind.
-
Die Messzelle umfasst den Messabschnitt der Elektrode, einen Gegenelektroden-Messabschnitt, der dem Messabschnitt der Elektrode in Bezug auf den Separator gegenüberliegt und einen Abschnitt des Separators, der sich zwischen dem Messabschnitt der Elektrode und dem Gegenelektroden-Messabschnitt befindet. Mit Hilfe der Messzelle kann auf einfache und kostengünstige Weise eine Eigenschaft des Energiespeichers bestimmt werden. Die Hauptzelle umfasst den Gegenelektroden-Hauptabschnitt der Elektrode und analog zur Messzelle einen Gegenelektroden-Hauptabschnitt, der dem Hauptabschnitt der Elektrode in Bezug auf den Separator gegenüberliegt und einen Abschnitt des Separators, der sich zwischen dem Gegenelektroden-Hauptabschnitt der Elektrode und dem Hauptabschnitt der Gegenelektrode befindet. Die Hauptzelle liefert zumindest einen Großteil der Energie aus dem Lithium-Ionen Energiespeicher an die zu versorgende Einheit. Die Hauptzelle ist üblicherweise erheblich größer als die Messzelle, sowohl hinsichtlich der Speicherkapazität des Energiespeichers, als auch in Bezug auf die Fläche der Elektrode bzw. der Gegenelektrode. Beispielsweise beträgt die Kapazität der Hauptzelle mindestens das Zehnfache der Kapazität der Messzelle. Entsprechend können die Eigenschaften der Messzelle, die flächenbezogen sind, wie etwa die Stromabgabefähigkeit, ein Energieinhalt und dgl. von der Messzelle auf die Hauptzelle übertragen werden, indem mit einem Faktor des Flächenverhältnisses der beiden Zellen skaliert wird. Andere, nicht flächenbezogene Eigenschaften des Energiespeichers, wie etwa ein Alterungszustand oder dgl., können ohne eine Skalierung von der Messzelle auf die Hauptzelle übertragen werden. Die Hauptzelle gibt im Normalbetrieb Strom für die Anwendung ab, in der der Energiespeicher eingesetzt ist, und wird im Ladebetrieb wieder geladen. Um den Zustand der Zellen gleich zu halten, kann beides auch für die Messzelle gelten.
-
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
In einer Ausführungsform des Lithium-Ionen-Energiespeichers ist dieser mit einer ersten Messanordnung versehen, mit der ein Innenwiderstand des Lithium-Ionen-Energiespeichers messbar ist. Dazu ist ein Spannungsmessmittel mit dem Messabschnitt der Elektrode und mit der Gegenelektrode verbunden, um eine Differenzspannung zwischen diesen beiden Potentialen zu messen. Zur Realisierung des Spannungsmessmittels kann z.B. eine Subtrahiererschaltung mit einem Operationsverstärker zum Einsatz kommen. Alternativ kann ein Mikroprozessor oder dgl. verwendet werden, der zwei verschiedene Potentiale messen kann, beispielsweise mit zwei verschiedenen Analog-Digital-Wandlern oder einem Analog-Digital-Wandler mit vorgeschaltetem Umschalter. Außerdem ist zwischen der Messelektrode und der Gegenelektrode eine Stromquelle angeschlossen, die einen Stromfluss durch die Messzelle bewirkt.
-
Vorteil dieses Energiespeichers ist, dass er mit Mitteln versehen ist, mit denen Strom und Spannung durch die Messzelle bestimmt werden können, so dass sich daraus der Innenwiderstand des Energiespeichers berechnen lässt. Wird dieser mit dem Flächenverhältnis zwischen Messelektrode und Hauptelektrode skaliert, so kann der Innenwiderstand auf die Hauptelektrode extrapoliert werden, beispielsweise in einem Mikrocontroller oder dgl. oder in einer von dem Energiespeicher getrennten Berechnungseinrichtung. Mit dem bekannten Innenwiderstand der Messzelle kann der Innenwiderstand des gesamten Lithium-Ionen-Energiespeichers berechnet werden. Vorteilhaft kann die Stromquelle so dimensioniert sein, dass ihre Leistungsfähigkeit nur für eine Bestromung der Messzelle ausreicht, nicht jedoch für eine Bestromung der Hauptzelle. Dadurch ist ein solcher, sich selbst messender Energiespeicher kostengünstig.
-
In einer Weiterbildung der vorangehend beschriebenen Ausführungsform ist die Stromquelle als ein- und ausschaltbare Stromquelle ausgeführt. Dadurch ist es möglich, einen Stromfluss nur während einer Messung der Differenzspannung durch die Messzelle zu erzwingen. Ein Mikrocontroller oder dgl. kann mit dem Ausgang eines Subtrahierers verbunden sein oder das Messmittel zur Erfassung der Differenzspannung umfassen, wobei zugleich ein Ausgang des Mikrocontrollers mit einem Steuereingang der Stromquelle verbunden ist, mit dem sich diese ein- und ausschalten lässt.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Lithium-Ionen-Energiespeichers umfasst dieser eine zweite Messanordnung, mit der die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers gemessen werden kann. Dazu ist eine Widerstandseinrichtung zwischen die Messelektrode und die Gegenelektrode geschaltet, die einen Einstellwiderstand und einen Festwiderstand aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Der Widerstandswert des Einstellwiderstands kann verändert werden, beispielsweise durch elektrische Beeinflussung eines Steuereingangs des Einstellwiderstands, währen der Festwiderstand einen wenigstens näherungsweise festen Widerstandswert aufweist. In dieser Ausführungsform wird während einer Messung der Leistungsfähigkeit der Einstellwiderstand automatisch so eingestellt, dass sich, bedingt durch den Laststrom, zwischen dem Messanschluss des Messabschnitts und dem Gegenelektrodenanschluss der Gegenelektrode wenigstens angenähert eine Sollspannung ergibt, die vorzugsweise einer Minimalspannung der Messzelle entspricht. Außerdem ist ein Spannungsmessmittel an den Festwiderstand angeschlossen, um eine Spannung über den Festwiderstand zu messen. Diese Spannung dient als Rohwert der Leistungsfähigkeitsmessung und wird weiter interpretiert, um auf die Leistungsfähigkeit des Lithium-Ionen-Energiespeichers zu schließen.
-
In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Einstellwiderstand ein Halbleiterwiderstand, etwa ein Feldeffekttransistor oder ein bipolarer Transistor oder dgl., der mit einem Steuereingang versehen ist. Die zweite Messanordnung umfasst einen Eingang, an dem ein Sollwert in die Regelung eingegeben werden kann, einen elektrischen Ist-Wert-Eingang, in den das Potential der Messelektrode des Energiespeichers eingeht, wobei dieses Potential auf dasselbe Bezugspotential wie die Sollspannung bezogen ist, und einen Ausgang, der mit dem Steuereingang des Einstellwiderstands verbunden ist. Vorzugsweise wird als Regler ein Operationsverstärker verwendet. Alternativ kann z.B. auch ein Digitalregler verwendet werden. Im letzteren Fall kann die Sollspannung durch einen numerischen Sollwert repräsentiert sein. Es ist auch denkbar, einen Mikrocontroller oder dgl. mit einem Analog-Digital-Wandler zu verwenden und diesen mit der Messelektrode zu verbinden.
-
In einer weiteren Ausführung des Lithium-Ionen-Energiespeichers weist dieser eine dritte Messanordnung zur Messung der Impedanz des Lithium-Ionen-Energiespeichers auf. Dazu ist eine Wechselstromquelle mit je einem ihrer Anschlüsse mit der Messelektrode und der Gegenelektrode verbunden, so dass die Wechselstromquelle einen Wechselstrom über die Messzelle bewirken kann. Außerdem ist mit der Messelektrode und mit der Gegenelektrode jeweils ein Anschluss eines Wechselspannungsmessmittels angeschlossen, das die Spannung über die Messzelle messen kann. Vorzugsweise, aber nicht zwingend, arbeitet die Wechselstromquelle mit einer Frequenz, bei der auch das Wechselspannungsmessmittel misst. Aus der Wechselspannung und aus dem Wechselstrom kann eine Impedanz der Messzelle errechnet werden, die beispielsweise einen Scheinwiderstand und eine Phasenverschiebung zwischen dem Wechselstrom und der Wechselspannung umfasst.
-
In einer Weiterbildung der vorangehend beschriebenen Ausführungsform wird mittels einer vierten Messanordnung nicht nur die Impedanz eines einzelnen Lithium-Ionen-Energiespeichers, sondern von mehreren, in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Energiespeichern bestimmt. Dazu wird eine Reihenschaltungsanordnung mit einer Reihenschaltung von Lithium-Ionen-Energiespeichern vorgeschlagen. An einem Ende der Reihe ist ein Lithium-Ionen-Energiespeicher nach der Erfindung angeordnet. In der Reihenschaltung sind jeweils Anoden und Kathoden von einander benachbarten Energiespeichern miteinander verbunden. Eine Wechselstromquelle erzwingt dabei einen Stromfluss durch die gesamte Reihe von Lithium-Ionen-Energiespeichern, wobei sie an einem Ende der Reihenschaltung mit einer Gegenelektrode des dort angeordneten Energiespeichers und an dem anderen Ende der Reihenschaltung mit der Messelektrode des dort angeordneten erfindungsgemäßen Energiespeichers verbunden ist. Dessen Hauptelektrode ist nicht mit einer Elektrode des benachbarten Energiespeichers verbunden. Mit den Anschlüssen der Wechselstromquelle an den Energiespeicher sind die Anschlüsse des Wechselspannungsmessmittels verbunden. Auf diese Weise kann die Impedanz der gesamten Reihe von Energiespeichern bestimmt werden. Wie in der Variante mit einem einzelnen Energiespeicher wird dazu der Wechselstrom mit der Wechselspannung auf bekannte Weise in Beziehung gesetzt. Insbesondere kann die Reihenschaltung ein Batteriemodul umfassen, etwa ein BDI. Die Impedanz kann mittels des Flächenverhältnisses zwischen dem Hauptabschnitt der Elektrode und dem Messabschnitt der Elektrode von der Messzelle auf die Hauptzelle und/oder auf den gesamten Energiespeicher umgerechnet werden.
-
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem der Innenwiderstand eines Lithium-Ionen-Energiespeichers gemessen werden kann. Das Verfahren wird auf einen Lithium-Ionen-Energiespeicher mit einer ersten Messanordnung, der oben beschrieben ist, angewendet. Dabei wird zunächst ein Strom aus der Stromquelle ausgegeben und während des Stromflusses mit dem Spannungsmessmittel die Spannung zwischen dem Messanschluss und dem Elektrodenanschluss gemessen. Aus dem Strom und der Spannung kann der Innenwiderstand der Messzelle berechnet werden. Dazu wird die gemessene Spannung durch die Stromstärke der Stromquelle geteilt. Dann wird der so ermittelte Innenwiderstand der Messzelle durch Extrapolation mit Hilfe des Verhältnisses der Fläche des Hauptabschnitts zu der Fläche des Messabschnitts auf die Hauptzelle extrapoliert. Diese Berechnungen können beispielsweise mit einem Mikrocontroller durchgeführt werden, der außerdem einen Analog-Digital-Wandler aufweisen kann, mit dem die gemessene Spannung in numerische Werte wandelbar ist. Mit einem Ausgang des Mikrocontrollers kann in einer Variante außerdem das Fließen von Strom aus der Stromquelle ausgelöst werden. Die gemessene Spannung kann von einer Subtrahiererschaltung erzeugt werden. Die von der Stromquelle ausgegebene Stromstärke ist vorzugsweise fest vorgegeben und fließt mit dem Einschalten der Stromquelle. Zur Berechnung des Innenwiderstandes kennt der Mikrocontroller die Stromstärke der Stromquelle. Sie kann beispielsweise als numerischer Wert hinterlegt sein.
-
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen der Leistungsfähigkeit eines Lithium-Ionen-Energiespeichers vorgeschlagen, der eine zweite Messanordnung, wie oben beschrieben, umfasst. Bei dem Verfahren wird Strom aus der Messzelle entnommen, der durch eine Widerstandsregeleinrichtung so eingestellt wird, dass sich näherungsweise eine Sollspannung über die Messzelle ergibt. Der Strom aus der Messzelle fließt dabei u.a. über den Festwiderstand, so dass über diesem eine Spannung anliegt, die zu dem Strom proportional ist. Dieser ist proportional zu der Spannung über dem Festwiderstand. Der Strom bzw. die über den Festwiderstand messbare Spannung können als Maß für die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers herangezogen werden. Die Leistungsfähigkeit der Messzelle kann mit Hilfe des Flächenverhältnisses des Hauptabschnitts zu dem Messabschnitt extrapoliert werden.
-
In noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen der Impedanz eines Lithium-Ionen-Energiespeichers oder einer Reihenschaltungsanordnung mit mehreren Lithium-Ionen-Energiespeichern vorgeschlagen. Dabei umfasst der Lithium-Ionen-Energiespeicher eine dritte Messanordnung bzw. die Reihenschaltung eine vierte Messanordnung, die jeweils oben beschrieben sind. Eine Wechselstromquelle erzwingt einen Stromfluss durch entweder den Lithium-Ionen-Energiespeicher oder durch die Reihenschaltung von mehreren Lithium-Ionen-Energiespeichern, wobei die Stärke des Stromflusses bekannt ist. Der Strom fließt jeweils über eine Messelektrode eines erfindungsgemäßen Energiespeichers. Zugleich mit dem Stromfluss wird mit einem Wechselspannungsmessmittel eine Wechselspannung über den Lithium-Ionen-Energiespeicher oder die Reihenschaltung mit mehreren Lithium-Ionen-Energiespeichern gemessen. Aus der Wechselspannung und dem Wechselstrom wird dann die Impedanz des Lithium-Ionen-Energiespeichers bzw. der Reihenschaltungsanordnung ermittelt, beispielsweise in einem Mikrocontroller oder dgl. oder in einer für mehrere Energiespeicher zentralen Berechnungseinheit. Aus der Impedanz kann auf Zustände des Lithium-Ionen-Energiespeichers oder den Lithium-Ionen-Energiespeichern in der Reihenschaltung geschlossen werden, was im Stand der Technik bekannt ist.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
-
1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Energiespeichers;
-
2a ein Schaltsymbol einer ersten Variante des Energiespeichers nach der Erfindung;
-
2b ein Schaltsymbol einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Energiespeichers;
-
3 ein schematisches Schaltbild Darstellung einer Schaltungsanordnung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
-
4 ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
-
5 ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung einer dritten Ausführungsform der Erfindung; und
-
6 ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung in 5.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Lithium-Ionen-Energiespeichers 1. Dieser umfasst eine Elektrode 2, 3, die in einen Hauptabschnitt 2 und einen Messabschnitt 3 unterteilt ist. Der Hauptabschnitt 2 und der Messabschnitt 3 sind elektrisch voneinander isoliert. Der Energiespeicher umfasst weiter einen Separator 5 und eine Gegenelektrode 4, wobei der Separator 5 zwischen der Elektrode 2, 3 und der Gegenelektrode 4 angeordnet ist und den Übertritt von Elektronen zwischen Elektrode und Gegenelektrode verhindert. Insbesondere liegt der Separator 5 zwischen dem Messabschnitt 2 und der Gegenelektrode 4 sowie zwischen dem Hauptabschnitt 2 und der Gegenelektrode 4. Bevorzugt sind der Hauptabschnitt 2, der Messabschnitt 3 und die Gegenelektrode 4 jeweils mit einem separaten Anschluss zur Kontaktierung versehen. Die Anschlüsse sind in 1 nicht dargestellt. Die Elektrode 2, 3 und die Gegenelektrode 4 sind jeweils ein im Wesentlichen flächiges Gebilde. Der Hauptabschnitt 2 bildet mit der Gegenelektrode 4 und dem dazwischen liegenden Abschnitt des Separators eine Hauptzelle des Energiespeichers. Eine Messzelle des Energiespeichers ist aus dem Messabschnitt 3, der Gegenelektrode 4 und dem zwischen diesen beiden Elementen liegenden Abschnitt des Separators 5 gebildet. Die Elektrode 2, 3 kann als Anode oder als Kathode ausgestaltet sein. Im ersten Fall ist die Gegenelektrode 4 dann die Kathode bzw. im zweiten Fall die Anode.
-
2a zeigt ein Schaltsymbol für den Lithium-Ionen-Energiespeicher 1. Der Energiespeicher 1 selbst ist als Schaltzeichen für eine galvanische Zelle dargestellt, die die Anschlüsse 12, 13 und 14 aufweist. Der Hauptabschnittsanschluss 12 ist dabei mit dem Hauptabschnitt 2 der Elektrode 2, 3 und der Messanschluss 13 mit dem Messabschnitt 3 der Elektrode 2, 3 verbunden. Die Elektrode 2, 3 ist als Kathode ausgeführt. Mit der als Anode ausgeführten Gegenelektrode 4 ist der Gegenelektrodenanschluss 14 verbunden.
-
2b zeigt eine weitere Variante des Energiespeichers 1 als Schaltzeichen. In diesem Beispiel ist die Anode als geteilte Elektrode 2, 3 ausgeführt. Der Hauptabschnitt 2 ist wiederum mit dem Hauptabschnittsanschluss 12 und der Messabschnitt 3 mit dem Messanschluss 13 verbunden. Die als Kathode ausgeführte Gegenelektrode 4 ist mit dem Gegenelektrodenanschluss 14 verbunden.
-
3 zeigt schematisch ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Messung der Impedanz eines Energiespeichers
1. Der Messanschluss
13 der Messelektrode
3 ist mit einem Anschluss einer Stromquelle
21 verbunden. Ein zweiter Anschluss der Stromquelle
21 ist mit einem Anschluss
14 der Gegenelektrode
4 verbunden, so dass die Stromquelle
21 einen Stromfluss durch den Energiespeicher
1 bewirken kann. Der Strom fließt dabei von einem Abschnitt der Gegenelektrode
4 in die Messelektrode
3. Der Anschluss
12 der Hauptelektrode
2 ist mit einem Eingang eines Differenzverstärkers
22 verbunden. Ein weiterer Eingang des Differenzverstärkers
22 ist mit dem Messanschluss
13 und einem Anschluss der Stromquelle
21 verbunden. Das Ausgangssignal aus dem Differenzverstärker
22 entspricht somit dem Potentialunterschied zwischen dem Hauptabschnitt
2 der Elektrode
2,
3 und dem Messabschnitt
3 der Elektrode
2,
3. Über eine Leitung
24 ist der Ausgang des Differenzverstärkers
22 mit einem Analog-Digital-Wandler-Eingang eines Mikrocontrollers
23 verbunden. Der Mikrocontroller
23 kennt die Stromstärke, die durch die Stromquelle
21 fließt und die Differenzspannung der Potentiale des Hauptabschnitts
2 und des Messabschnitts
3. Um einen Innenwiderstand des Energiespeichers
1 zu berechnen, dividiert der Mikrocontroller
23 die Differenzspannung durch die Stromstärke und erhält somit den Innenwiderstand der Messzelle. Um den Innenwiderstand der Messzelle auf die Hauptzelle zu extrapolieren, teilt der Mikrocontroller den Innenwiderstand der Messzelle durch ein Flächenverhältnis des Hauptabschnitts
2 zu dem Messabschnitt
3. Dieses Flächenverhältnis ist in dem Mikrocontroller
23 hinterlegt. Die Stromquelle
21 ist als schaltbare Stromquelle
21 ausgeführt, die zwischen einem Stromfluss mit vorgegebener Stärke und keinem Stromfluss umgeschaltet werden kann. Die Stromquelle
21 verfügt über einen entsprechenden Steuereingang, der über die Leitung
25 mit einem geeigneten Ausgang des Mikrocontrollers
23 verbunden ist. Somit kann der Mikrocontroller
23 eine Messung der Spannung dann durchführen, wenn der Stromfluss durch die Stromquelle
21 eingeschaltet ist. In einem Ruhebetrieb der Messung ist die Stromquelle
21 ausgeschaltet. Die Berechnung des Innenwiderstands kann mit folgender Formel durchgeführt werden:
wobei R
i den Innenwiderstand, n das Verhältnis der Fläche des Hauptabschnitts zu der Fläche des Messabschnitts, ΔU die Differenzspannung und I
Messzelle den Strom durch die Messzelle bezeichnen.
-
4 zeigt schematisch ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Messung der Leistungsfähigkeit eines Lithium-Ionen-Energiespeichers 1 nach der Erfindung. Mit dem Energiespeicher 1 ist eine Messanordnung verbunden, die eine Widerstandseinrichtung 31, 35 umfasst, welche einen Einstellwiderstand 31 und einen Festwiderstand 35 aufweist, die in Reihe geschaltet sind. Der Einstellwiderstand 31 ist mit dem Messanschluss 13 des Energiespeichers 1 verbunden. Der Festwiderstand 35 ist mit dem Gegenelektrodenanschluss 14 des Energiespeichers 1 verbunden. Alternativ können in einer Variante die Anschlüsse der Widerstandseinrichtung in Bezug auf die Anschlüsse 13 und 14 vertauscht im Vergleich zu der oben beschriebenen Variante ausgeführt sein. An den Messanschluss 13 ist außerdem der positive Eingang eines Operationsverstärkers 32 angeschlossen. Der negative Eingang des Operationsverstärkers 32 ist mit einer Sollspannungsquelle 33 verbunden. Das Differenzsignal zwischen der Sollspannung und der Spannung an dem Messanschluss 13 wird über die Leitung 34 an einen Steuereingang des Einstellwiderstands 31 geleitet. Der Einstellwiderstand 31 ist als NPN-Transistor ausgeführt. Auf diese Weise ist eine Regelschleife realisiert, mit der die Spannung an dem Messanschluss 13 auf die Sollspannung regelbar ist. Auf diese Weise fließt über die Widerstandseinrichtung 31, 35 ein Strom, der der Messzelle bei der Sollspannung entnommen wird. Typischerweise wird die Sollspannung so eingestellt, dass diese einer Minimalspannung entspricht, d.h., dass der Messzelle der maximal mögliche Strom entnommen wird, der noch nicht zu einer Zerstörung der Messzelle führt. Über den Festwiderstand 35 fällt eine zu diesem Strom proportionale Spannung 36 ab. Diese kann zwischen den Anschlüssen 37 und 38 mit einem geeigneten Spannungsmessmittel gemessen werden. Das Messergebnis stellt einen Wert für die Leistungsfähigkeit des Energiespeichers 1 dar.
-
5 zeigt schematisch ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Messung der Impedanz eines Energiespeichers
1. Mit dem Energiespeicher
1 ist eine Messanordnung verbunden, die eine Wechselstromquelle
41 und einen als Spannungsfolger geschalteten Operationsverstärker
42 umfasst. Der Ausgang des Operationsverstärkers
42 ist auf dessen negativen Eingang über die Rückkopplungsleitung
44 zurückgekoppelt. Die Wechselspannungsquelle
41 ist mit einem ihrer Anschlüsse mit dem Messanschluss
13 und mit ihrem anderen Anschluss mit dem Gegenelektrodenanschluss
14 verbunden. Mit der Wechselstromquelle
41 kann ein Wechselstrom durch den Energiespeicher
1 bewirkt werden. Dabei stellt sich an dem Messanschluss
13 ein wechselndes Potential ein. Dieses Potential wird mit dem Spannungsfolger impedanzgewandelt, so dass am Anschluss
43 ein niederohmiges Ausgangssignal des Spannungsfolgers anliegt. Vorzugsweise erfolgt die Messung des Potentials auf dem Messabschnitt
3 mit Bezug auf die Gegenelektrode
4, deren Potential an den Gegenelektrodenanschluss
14 abgenommen werden kann. Das Signal an dem Anschluss
43 des Spannungsfolgers wird vorzugsweise über einen Analog-Digital-Wandler in einen Mikrocontroller oder dgl. eingelesen, in dem außerdem die Stromstärke der Stromquelle
41 hinterlegt ist. Besonders bevorzugt erfasst ein solcher Mikrocontroller außerdem die Phasenlage des Wechselstroms, sodass der Mikrocontroller die Impedanz des Energiespeichers
1 z.B. als Scheinwiderstand und Phasendrehung berechnen kann. Diese Berechnung kann im Sinne einer elektrischen Impedanzspektroskopie durchgeführt werden, wobei der Wechselstrom
mit der Stromamplitude als Folge der Modulationsspannung
mit der Spannungsamplitude ΔU fließt. Dabei ist ω die Frequenz der Wechselspannung und des Wechselstroms und φ die Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und dem Wechselstrom. Die Impedanz Z der Messzelle kann mit folgender Formel berechnet werden:
-
Die Impedanz der Hauptzelle kann aus der Impedanz der Messzelle abgeleitet werden, indem die Impedanz der Messzelle durch das Verhältnis der Fläche der Hauptzelle zu der Fläche der Messzelle geteilt wird.
-
In 6 ist eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung aus 5 als schematisches Schaltbild gezeigt, mit der gleichzeitig die Impedanz von mehreren Lithium-Ionen-Energiespeichern 1, 51 gemessen werden kann. Im Unterschied zu der 5 wird nicht ein einziger Energiespeicher 1, sondern eine Reihenschaltung eines solchen erfindungsgemäßen Energiespeichers 1 mit zwei weiteren Energiespeichern 51 vermessen. In der Praxis kann auch andere Anzahl von weiteren Energiespeichern vermessen werden. Dazu ist ein Anschluss der Wechselstromquelle 41 an die Kathode des Energiespeichers 51 angeschlossen. Dieser ist am anderen Ende der in Reihe geschalteten Energiespeicher 1, 51 als der erfindungsgemäße Energiespeichers 1 angeordnet. Der andere Anschluss der Wechselstromquelle 41 ist wie in 5 an den Messanschluss 13 des erfindungsgemäßen Energiespeichers 1 angeschlossen. Somit kann die Wechselstromquelle 41 einen Strom durch alle Energiespeicher 1, 51 zugleich bewirken, so dass sich an dem Messanschluss 13 ein Potential ergibt, das die gemeinsame Impedanz der Energiespeicher 1, 51 wiedergibt. Dieses wird, wie in 5, mit einem Spannungsfolger impedanzgewandelt. Die Nachverarbeitung kann ebenso wie in Bezug auf 5 beschrieben erfolgen.
-
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
-
mit der Spannungsamplitude ΔU fließt. Dabei ist ω die Frequenz der Wechselspannung und des Wechselstroms und φ die Phasenverschiebung zwischen der Wechselspannung und dem Wechselstrom. Die Impedanz Z der Messzelle kann mit folgender Formel berechnet werden:
