DE102017222967A1 - Impedance standard and method for calibrating an impedance spectroscopy device - Google Patents

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Thomas Hammerschmidt
Jan Philipp Schmidt
Ulrich Roth
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    • G01R27/28—Measuring attenuation, gain, phase shift or derived characteristics of electric four pole networks, i.e. two-port networks; Measuring transient response

Abstract

Ein Impedanznormal (10) zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung (11) für elektrochemische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen wird vorgestellt. Das Impedanznormal (10) umfasst wenigstens ein Messwiderstandselement (12) und eine Übertragungseinrichtung (20), die eine Impedanzeinheit (24) und eine Verstärkungseinheit (32) aufweist. Das Messwiderstandselement (12) ist mit der Übertragungseinrichtung (20) derart verbunden ist, dass bei einem durch das Messwiderstandselement (12) fließenden Strom über dem Messwiderstandselement (12) eine Arbeitsspannung abfällt, die an der Übertragungseinrichtung (20) anliegt, wobei wenigstens ein Teil der Arbeitsspannung an der Impedanzeinheit (24) abfällt. Die Verstärkungseinheit (32) ist dazu ausgebildet, aus der an der Impedanzeinheit abfallenden Spannung an einem Spannungsanschlusspaar (40, 42) eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die einer Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit einer definierten Impedanz abfallen würde, an das der Strom angelegt ist. Ferner wird ein Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung (11) vorgeschlagen.An impedance standard (10) for calibrating an impedance spectroscopic device (11) for electrochemical energy storage of motor vehicles is presented. The impedance standard (10) comprises at least one measuring resistor element (12) and a transmission device (20) which has an impedance unit (24) and an amplification unit (32). The measuring resistance element (12) is connected to the transmission device (20) in such a way that, when the current flowing through the measuring resistance element (12) is above the measuring resistance element (12), a working voltage drops, which is applied to the transmission device (20), at least one part the working voltage at the impedance unit (24) drops. The amplification unit (32) is configured to generate from the voltage drop across the impedance unit at a voltage connection pair (40, 42) an output voltage that corresponds to a voltage that would drop across a component having a defined impedance to which the current is applied is. Furthermore, a method for calibrating an impedance spectroscopy device (11) is proposed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Impedanznormal zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung für elektrochemische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen sowie ein Verfahren zur Kalibrierung einer Impedanzspektroskopievorrichtung.The invention relates to an impedance standard for calibrating an impedance spectroscopic device for electrochemical energy storage of motor vehicles and to a method for calibrating an impedance spectroscopy device.

Impedanzspektroskopievorrichtungen werden unter anderem eingesetzt, um elektrochemischen Energiespeicher, beispielsweise von Kraftfahrzeugen, hinsichtlich Alterung und Versagensrisiko zu untersuchen. Dazu wird mittels der Impedanzspektroskopievorrichtung die Impedanz des Energiespeichers bestimmt, welche Aussagen über den Alterungszustand ermöglicht.Impedance spectroscopy devices are used, inter alia, to investigate electrochemical energy storage, for example of motor vehicles, with respect to aging and failure risk. For this purpose, the impedance of the energy store is determined by means of the impedance spectroscopy device, which allows statements about the state of aging.

Um solche Impedanzspektroskopievorrichtungen zu kalibrieren, wird ein sogenanntes Impedanznormal benötigt, dessen Impedanz einen ähnlichen Wert hat wie der zu untersuchende Energiespeicher (also typischerweise einen hohen kapazitiven Anteil und einen geringen ohmschen Innenwiderstand).In order to calibrate such impedance spectroscopy devices, a so-called impedance standard is needed, the impedance of which has a similar value to the energy store to be examined (ie typically a high capacitive component and a low internal ohmic resistance).

Bekannte Impedanznormale können jedoch solche niederohmigen Impedanzen nicht darstellen und/oder parasitäre induktive Effekte nicht vollständig eliminieren. Zudem müssen Temperatureinflüsse auf die Impedanz der Impedanznormale möglichst ausgeschlossen werden.However, known impedance standards can not represent such low impedance and / or completely eliminate parasitic inductive effects. In addition, temperature influences on the impedance of the impedance standards must be excluded as far as possible.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Impedanznormal sowie ein Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung zu schaffen, bei dem die Nachteile aus dem Stand der Technik verbessert sind.The object of the invention is therefore to provide an impedance standard and a method for calibrating an impedance spectroscopy device, in which the disadvantages of the prior art are improved.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Impedanznormal der eingangs genannten Art, mit wenigstens einem Messwiderstandselement und einer Übertragungseinrichtung, die eine Impedanzeinheit und eine Verstärkungseinheit aufweist, wobei das Messwiderstandselement mit der Übertragungseinrichtung derart verbunden ist, dass bei einem durch das Messwiderstandselement fließenden Strom über dem Messwiderstandselement eine Arbeitsspannung abfällt, die an der Übertragungseinrichtung anliegt, wobei wenigstens ein Teil der Arbeitsspannung an der Impedanzeinheit abfällt, und wobei die Verstärkungseinheit dazu ausgebildet ist, aus der an der Impedanzeinheit abfallenden Spannung an einem Spannungsanschlusspaar eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die einer Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit einer definierten Impedanz abfallen würde, an das der Strom angelegt ist. Bei dem angelegten Strom handelt es sich vorzugsweise um einen Wechselstrom, der jedoch auch einen Gleichspannungsanteil aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Impedanznormal hat den Vorteil, dass nur geringe Spannungen und Ströme an der Übertragungseinrichtung anliegen, da der größte Teil des Stroms durch das Messwiderstandselement fließt. Deswegen erwärmen sich Bauteile der Übertragungseinrichtung weniger aufgrund ohmscher Verluste und Temperatureinflüsse auf die Impedanz der Impedanzeinheit sind reduziert.The object is achieved by an impedance standard of the type mentioned, with at least one measuring resistor element and a transmission device having an impedance unit and an amplifying unit, wherein the measuring resistance element is connected to the transmission device such that at a current flowing through the measuring resistance element current across the measuring resistor element a working voltage which is applied to the transmission means, wherein at least a part of the working voltage at the impedance unit drops, and wherein the amplifying unit is adapted to generate from the voltage drop across the impedance unit at a voltage terminal pair an output voltage corresponding to a voltage at a component with a defined impedance would drop, to which the current is applied. The applied current is preferably an alternating current, which, however, may also have a DC voltage component. The impedance standard according to the invention has the advantage that only small voltages and currents are applied to the transmission device, since most of the current flows through the measuring resistance element. Because of this, components of the transmission device heat up less due to ohmic losses and temperature influences on the impedance of the impedance unit are reduced.

Vorzugsweise umfasst die Verstärkungseinheit einen Differenzverstärker. Insbesondere verstärkt der Differenzverstärker die an der Impedanzeinheit abfallende Spannung, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Da dabei die Differenz der an den beiden Enden der Impedanzeinheit anliegenden Spannung gebildet wird, sind parasitäre Effekte (z.B. durch Induktivitäten von Zuleitungen hervorgerufen) reduziert oder sogar komplett beseitigt.Preferably, the amplification unit comprises a differential amplifier. In particular, the differential amplifier amplifies the voltage dropped across the impedance unit to produce the output voltage. Since the difference of the voltage applied to both ends of the impedance unit is thereby formed, parasitic effects (caused, for example, by inductances of leads) are reduced or even completely eliminated.

Ein Aspekt sieht vor, dass die Verstärkungseinheit eine Summierstufe umfasst. Vorzugsweise ist die Summierstufe dazu ausgebildet, zusätzliche Spannungen zu einer von der Verstärkungseinheit verstärkten Spannung zu addieren, um die Ausgangsspannung zu erzeugen.One aspect provides that the amplification unit comprises a summing stage. Preferably, the summing stage is configured to add additional voltages to a voltage amplified by the amplification unit to produce the output voltage.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Anschluss des Spannungsanschlusspaar einem Ausgang der Verstärkungseinheit zugeordnet. An diesem Anschluss liegt dann die Ausgangsspannung gegenüber Masse an. Dementsprechend kann die Ausgangsspannung über den Anschluss an andere Geräte ausgegeben werden, beispielsweise an eine Impedanzspektroskopievorrichtung.According to one embodiment of the invention, a connection of the voltage connection pair is assigned to an output of the amplification unit. At this terminal then the output voltage to ground at. Accordingly, the output voltage may be output through the terminal to other devices, such as an impedance spectroscopy device.

Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Übertragungseinrichtung ein ohmsches Widerstandselement aufweist. Das ohmsche Widerstandselement begrenzt einen elektrischen Strom durch die Impedanzeinheit, die sich dadurch weniger aufheizt. Dadurch sind thermische Einflüsse reduziert und die Impedanzeinheit muss weniger temperaturunempfindlich in Bezug auf Impedanzveränderungen sein. Durch die geringeren Anforderungen hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit lassen sich unter anderem die Kosten für die Impedanzeinheit reduzieren.A further aspect provides that the transmission device has an ohmic resistance element. The ohmic resistance element limits an electrical current through the impedance unit, which thereby heats up less. As a result, thermal influences are reduced and the impedance unit must be less sensitive to temperature changes in terms of impedance changes. The lower requirements in terms of temperature resistance, among other things, can reduce the cost of the impedance unit.

Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Impedanzeinheit ein Impedanzmultiplikatorelement, das dazu ausgebildet ist, die Impedanz der Impedanzeinheit zu verändern. Über das Impedanzmultiplikatorelement kann die Impedanz der Impedanzeinheit einfach angepasst werden, sodass das Impedanznormal dazu geeignet ist, mehrere Bauteile mit verschiedenen Sollimpedanzen darzustellen. Dadurch wird nicht für jede unterschiedliche Sollimpedanz ein eigenes Impedanznormal benötigt, wodurch das Impedanznormal vielseitiger einsetzbar ist.According to a further aspect, the impedance unit comprises an impedance multiplier element which is designed to change the impedance of the impedance unit. Through the impedance multiplier element, the impedance of the impedance unit can be easily adjusted, so that the impedance standard is suitable for representing a plurality of components with different nominal impedances. As a result, a separate impedance standard is not needed for each different target impedance, which makes the impedance standard more versatile.

In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Impedanzmultiplikatorelement einen Operationsverstärker und ohmsche Widerstände. Insbesondere sind der Operationsverstärker und die ohmschen Widerstände derart mit einem oder mehreren kapazitiven Bauteilen verbunden, dass eine effektive Kapazität des kapazitiven Bauteils bzw. der kapazitiven Bauteile erhöht ist. Ein Faktor, um den die effektive Kapazität gegenüber der ursprünglichen Kapazität des bzw. der kapazitiven Bauteile erhöht ist, ist dabei von den Widerständen der ohmschen Widerstände bestimmt. Dadurch können auch Bauteile mit niedrigerer Kapazität verwendet werden, wodurch Kosten eingespart werden.In one embodiment of the invention, the impedance multiplier element comprises a Operational amplifier and ohmic resistors. In particular, the operational amplifier and the ohmic resistors are connected to one or more capacitive components such that an effective capacitance of the capacitive component or of the capacitive components is increased. A factor by which the effective capacitance is increased compared to the original capacitance of the capacitive component or components is determined by the resistances of the ohmic resistors. As a result, components with lower capacity can be used, thereby saving costs.

Vorzugsweise ist dem Messwiderstandselement und der Verstärkungseinheit jeweils eine eigene Spannungsquelle zugeordnet, insbesondere wobei die Spannungsquellen als Gleichspannungsquellen ausgebildet sind. Insbesondere addiert eine erste Spannungsquelle einen Gleichstromanteil zu einem durch das Messwiderstandselement fließenden Strom und die zweite Spannungsquelle addiert einen Gleichspannungsanteil zu einer von der Verstärkungseinheit verstärkten Spannung, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn Impedanzspektroskopievorrichtungen kalibriert werden sollen, die einen Gleichstrom- oder Gleichspannungsanteil voraussetzen. Das erfindungsgemäße Impedanznormal ist dementsprechend auch zur Kalibrierung solcher Impedanzspektroskopievorrichtungen geeignet.Preferably, the measuring resistance element and the amplifying unit each have their own voltage source assigned, in particular wherein the voltage sources are designed as DC voltage sources. More specifically, a first voltage source adds a DC component to a current flowing through the sense resistor element, and the second voltage source adds a DC component to a boosted voltage by the amplification unit to produce the output voltage. This is particularly advantageous when calibrating impedance spectroscopy devices that require a DC or DC component. Accordingly, the impedance standard according to the invention is also suitable for calibrating such impedance spectroscopy devices.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die dem Messwiderstandselement zugeordnete Spannungsquelle einen Operationsverstärker. Insbesondere umfasst die Spannungsquelle einen Operationsverstärker mit nachgeschalteter Leistungsstufe oder anders ausgedrückt einen Leistungs-Operationsverstärker. Die Spannungsquelle ist also insbesondere nicht durch eine konventionelle Batterie gebildet. Die Leistungsstufe kann mehrere Transistoren umfassen. Die Spannungsquelle kann mit einer Referenzspannungsquelle verbunden und derart ausgebildet sein, dass die Ausgangsspannung der Spannungsquelle der Referenzspannungsquelle entspricht. Insbesondere ist die Referenzspannungsquelle eingangsseitig mit dem Leistungs-Operationsverstärker verbunden und sein Ausgang folgt der Eingangsspannung.According to a further embodiment of the invention, the voltage source assigned to the measuring resistance element comprises an operational amplifier. In particular, the voltage source comprises an operational amplifier with a downstream power stage or in other words a power operational amplifier. The voltage source is thus in particular not formed by a conventional battery. The power stage may include multiple transistors. The voltage source can be connected to a reference voltage source and configured such that the output voltage of the voltage source corresponds to the reference voltage source. In particular, the reference voltage source is connected on the input side to the power operational amplifier and its output follows the input voltage.

Ein Aspekt sieht vor, dass die beiden Spannungsquellen synchronisiert sind, insbesondere wobei die der Verstärkungseinheit zugeordnete Spannungsquelle eine anpassbare Spannung aufweist. Unter synchronisiert ist dabei zu verstehen, dass die beiden Spannungsquellen ein gleiches Spannungsniveau aufweisen. Bei der Kalibrierung einer Impedanzspektroskopievorrichtung liegt dann sowohl an Stromausgängen als auch an Spannungseingängen der Impedanzspektroskopievorrichtung dieselbe Gleichspannung an, wodurch das Impedanznormal einen elektrochemischen Energiespeicher optimal nachbildet und Messfehler reduziert sind. Insbesondere dient die der Verstärkungseinheit zugeordnete Spannungsquelle als Referenzspannungsquelle für die dem Messwiderstandselement zugeordnete Spannungsquelle.One aspect provides that the two voltage sources are synchronized, in particular wherein the voltage source assigned to the amplification unit has an adjustable voltage. Under synchronized is to be understood that the two voltage sources have an equal voltage level. During the calibration of an impedance spectroscopy apparatus, the same DC voltage is present at both current outputs and voltage inputs of the impedance spectroscopy device, whereby the impedance standard optimally emulates an electrochemical energy store and measurement errors are reduced. In particular, the voltage source assigned to the amplification unit serves as a reference voltage source for the voltage source assigned to the measuring resistance element.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Summierstufe dazu ausgebildet, eine Spannung der der Verstärkungseinheit zugeordneten Spannungsquelle zu einer vom Differenzverstärker erzeugten Spannung zu addieren, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. In dieser Variante des erfindungsgemäßen Impedanznormals sind verschiedene Vorteile kombiniert. Zum einen sind wegen des Differenzverstärkers parasitäre Effekte (nahezu) eliminiert. Zum anderen setzen manche Impedanzspektroskopievorrichtungen einen Gleichspannungsanteil voraus und das erfindungsgemäße Impedanznormal ist auch für solche Impedanzspektroskopievorrichtungen geeignet.According to a further embodiment of the invention, the summation stage is designed to add a voltage of the voltage source assigned to the amplification unit to a voltage generated by the differential amplifier in order to generate the output voltage. Various advantages are combined in this variant of the impedance standard according to the invention. First, because of the differential amplifier, parasitic effects are (almost) eliminated. On the other hand, some impedance spectroscopy devices assume a DC component and the impedance standard according to the invention is also suitable for such impedance spectroscopy devices.

Insbesondere ist das Impedanznormal dazu ausgebildet, ein im Folgenden beschriebenes Verfahren durchzuführen.In particular, the impedance standard is designed to carry out a method described below.

Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung für elektrochemische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen, mit den folgenden Schritten: ein Impedanznormal wird mittels der Impedanzspektroskopievorrichtung mit einem Wechselstrom beaufschlagt; eine über ein Messwiderstandselement des Impedanznormals abfallende Arbeitsspannung wird abgegriffen; und zumindest ein Teil der Arbeitsspannung wird über eine Verstärkungseinheit des Impedanznormals verstärkt, sodass eine Ausgangsspannung mittels des Impedanznormals erzeugt wird, die einer Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit einer definierten Impedanz abfallen würde, an das der Wechselstrom angelegt ist, insbesondere wobei zum Wechselstrom mittels einer ersten Spannungsquelle ein Gleichstrom addiert wird und wobei mittels der Verstärkungseinheit eine Gleichspannung einer zweiten Spannungsquelle, die mit der ersten Spannungsquelle synchronisiert ist, zum verstärkten Teil der Arbeitsspannung addiert wird, um die Ausgangsspannung zu erzeugen. Bezüglich der Vorteile wird auf die obigen Erläuterungen verwiesen.The object is further achieved according to the invention by a method for calibrating an impedance spectroscopic device for electrochemical energy storage of motor vehicles, comprising the following steps: an impedance normal is applied by means of the impedance spectroscopy device with an alternating current; a working voltage dropping across a measuring resistance element of the impedance standard is tapped off; and at least a part of the working voltage is amplified by an amplifying unit of the impedance standard so that an output voltage is generated by means of the impedance standard corresponding to a voltage which would drop across a component having a defined impedance to which the alternating current is applied, in particular to the alternating current a direct current is added by means of a first voltage source and wherein by means of the amplification unit a DC voltage of a second voltage source synchronized with the first voltage source is added to the amplified part of the working voltage to produce the output voltage. With regard to the advantages, reference is made to the above explanations.

Vorzugsweise wird die Ausgangsspannung an die Impedanzspektroskopievorrichtung angelegt. Da die Ausgangsspannung derjenigen Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit definierter Impedanz abfallen würde, durch das der Wechselstrom fließt, kann die über die Spannungseingänge an die Impedanzspektroskopievorrichtung rückgekoppelte Ausgangsspannung dazu verwendet werden, die Impedanzspektroskopievorrichtung zu kalibrieren.Preferably, the output voltage is applied to the impedance spectroscopic device. Since the output voltage corresponds to the voltage that would drop across a device of defined impedance through which the alternating current flows, the output voltage fed back via the voltage inputs to the impedance spectroscopy device may be used to calibrate the impedance spectroscopic device.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:

  • 1 ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Impedanznormals;
  • 2 ein schematisches Ablaufdiagramm der Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 3 ein schematisches Schaltbild eines Impedanzmultiplikatorelements des Impedanznormals von 1; und
  • 4 ein schematisches Schaltbild einer Spannungsquelle des Impedanznormals von 1.
Further advantages and features of the invention will become apparent from the following description and the drawings, to which reference is made. In these show:
  • 1 a schematic block diagram of an impedance standard according to the invention;
  • 2 a schematic flow diagram of the steps of a method according to the invention;
  • 3 a schematic diagram of an impedance multiplier element of the impedance standard of 1 ; and
  • 4 a schematic diagram of a voltage source of the impedance standard of 1 ,

In 1 ist ein Impedanznormal 10 gezeigt, wie es bei der Kalibrierung einer Impedanzspektroskopievorrichtung 11 für elektrochemische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen verwendet wird. Ein Beispiel für solche elektrochemischen Speicher sind Lithium-Ionen-Batterien, die vor allem in wenigstens teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen weit verbreitet sind. Ferner werden solche Impedanznormale bei der Kalibrierung von Impedanzspektroskopievorrichtungen für Brennstoffzellen verwendet, insbesondere für Brennstoffzellen von Kraftfahrzeugen.In 1 is an impedance standard 10 as shown in the calibration of an impedance spectroscopy device 11 is used for electrochemical energy storage of motor vehicles. An example of such electrochemical storage are lithium-ion batteries, which are widely used, especially in at least partially electrically powered vehicles. Furthermore, such impedance standards are used in the calibration of impedance spectroscopic devices for fuel cells, especially for fuel cells of motor vehicles.

Das Impedanznormal 10 umfasst ein Messwiderstandselement 12, das mit einem ersten Stromanschluss 14 sowie über eine erste Spannungsquelle 16 mit einem zweiten Stromanschluss 18 verbunden ist. Die erste Spannungsquelle 16 ist als Gleichstromquelle ausgebildet. Bei geschlossenem Stromkreis kann sie dementsprechend das Messwiderstandselement 12 mit einer Gleichspannung beaufschlagen.The impedance standard 10 includes a measuring resistor element 12 that with a first power connection 14 as well as a first voltage source 16 with a second power connection 18 connected is. The first voltage source 16 is designed as a DC power source. When the circuit is closed, it can accordingly the measuring resistor element 12 apply a DC voltage.

Mit dem Messwiderstandselement 12 ist eine Übertragungseinrichtung 20 derart elektrisch leitend verbunden, dass eine wegen eines Stroms IM durch das Messwiderstandselement 12 an diesem abfallende Arbeitsspannung UA an der Übertragungseinrichtung 20 anliegt.With the measuring resistor element 12 is a transmission device 20 electrically conductively connected such that due to a current I M through the measuring resistor element 12 at this decreasing working voltage U A at the transmission device 20 is applied.

Die Übertragungseinrichtung 20 umfasst ein ohmsches Widerstandselement 22 sowie eine zum ohmschen Widerstandselement 22 in Reihe geschaltete Impedanzeinheit 24 mit einem Impedanzelement 26 und einem Impedanzmultiplikatorelement 28.The transmission device 20 includes an ohmic resistance element 22 as well as an ohmic resistance element 22 series connected impedance unit 24 with an impedance element 26 and an impedance multiplier element 28 ,

Das ohmsche Widerstandselement 22 reduziert einen Strom IA, der durch das Impedanzelement 26 fließt, sodass sich dieses weniger stark erwärmt und thermische Einflüsse auf die Impedanz des Impedanzelements 26 und somit auf die der Impedanzeinheit 24 reduziert sind.The ohmic resistance element 22 reduces a current I A passing through the impedance element 26 flows, so that this less heated and thermal influences on the impedance of the impedance element 26 and thus to the impedance unit 24 are reduced.

Das Impedanzmultiplikatorelement 28 ist dazu ausgebildet, die Impedanz der Impedanzeinheit 24 zu verändern. Ein beispielhafter Aufbau des Impedanzmultiplikatorelements 28 ist in 3 gezeigt. Es weist einen Operationsverstärker 29 sowie zwei ohmsche Widerstände R1 und R2 auf. Der ohmsche Widerstand R1 ist auf einer Seite mit dem ohmschen Widerstand R2 sowie dem ohmschen Widerstandselement 22 verbunden. Auf der anderen Seite ist der ohmsche Widerstand R1 mit einem nicht invertierenden Eingang 29a des Operationsverstärkers 29 sowie dem Impedanzelement 26 verbunden. Ein Ausgang 29b des Operationsverstärkers 29 ist mit dem invertierenden Eingang 29c des Operationsverstärkers gekoppelt. Zudem ist der Ausgang 29b mit dem zweiten ohmschen Widerstand R2 verbunden, insbesondere direkt verbunden. Optional kann am invertierenden Eingang 29c ein weiterer ohmscher Widerstand R3 vorgesehen sein, um Offset-Ströme am nicht-invertierenden Eingang 29a und am invertierenden Eingang 29c anzupassen. Der Widerstand des weiteren ohmschen Widerstands R3 ist dann vorzugsweise gleich dem Widerstand des ohmschen Widerstands R1.The impedance multiplier element 28 is adapted to the impedance of the impedance unit 24 to change. An exemplary construction of the impedance multiplier element 28 is in 3 shown. It has an operational amplifier 29 as well as two ohmic resistors R1 and R2 on. The ohmic resistance R1 is on one side with the ohmic resistance R2 and the ohmic resistance element 22 connected. On the other side is the ohmic resistance R1 with a non-inverting input 29a of the operational amplifier 29 and the impedance element 26 connected. An exit 29b of the operational amplifier 29 is with the inverting input 29c coupled to the operational amplifier. In addition, the output 29b with the second ohmic resistance R2 connected, in particular directly connected. Optionally, at the inverting input 29c another ohmic resistance R3 be provided to offset currents at the non-inverting input 29a and at the inverting input 29c adapt. The resistance of the further ohmic resistance R3 is then preferably equal to the resistance of the ohmic resistance R1 ,

Wäre ohne das Impedanzmultiplikatorelement 28 die Kapazität der Impedanzeinheit gleich C (im Wesentlichen durch die Kapazität des Impedanzelements bestimmt), so ist durch das in 3 gezeigte Impedanzmultiplikatorelement 28 die Kapazität auf C'=C*R1/R2 erhöht. Dementsprechend kann bei Verwendung einer solchen Schaltung auf Kondensatoren mit niedrigerer Kapazität zurückgegriffen werden.Would be without the impedance multiplier element 28 the capacitance of the impedance unit is equal to C (determined essentially by the capacitance of the impedance element), it is indicated by the in 3 shown impedance multiplier element 28 the capacity is increased to C '= C * R1 / R2. Accordingly, using such a circuit, lower capacity capacitors can be used.

Gemäß einer anderen Variante umfasst das Impedanzmultiplikatorelement 28 ein Potentiometer, mittels dem sich die Impedanz des Impedanzelements 26 verändern lässt. Alternativ oder zusätzlich kann das Impedanzmultiplikatorelement 28 weitere Impedanzelemente aufweisen, die zum Impedanzelement 26 hinzugeschaltet werden, um die Impedanz der Impedanzeinheit 24 zu verändern. Die weiteren Impedanzelemente werden beispielsweise über Schalter hinzu- und/oder weggeschaltet, insbesondere über MOSFET-Schalter. Hierdurch lassen sich unterschiedliche Impedanzmodelle realisieren.According to another variant, the impedance multiplier element comprises 28 a potentiometer, by means of which the impedance of the impedance element 26 can change. Alternatively or additionally, the impedance multiplier element 28 have further impedance elements that the impedance element 26 be added to the impedance of the impedance unit 24 to change. The further impedance elements are added and / or switched off, for example via switches, in particular via MOSFET switches. As a result, different impedance models can be realized.

Insbesondere weist das Impedanznormal eine Steuereinheit auf, die dazu eingerichtet ist, die weiteren Impedanzelemente über die Schalter hinzu- und/oder wegzuschalten. Die Steuereinheit kann durch einen Rechner oder einen Mikrocontroller bereitgestellt sein.In particular, the impedance standard has a control unit which is set up to switch the further impedance elements on and / or off via the switches. The control unit may be provided by a computer or a microcontroller.

Zwischen einem dem ohmschen Widerstandselement 22 und dem Impedanzelement 26 ist ein nicht invertierender Eingang 30 einer Verstärkungseinheit 32 angeschlossen. Der invertierende Eingang 34 der Verstärkungseinheit ist zwischen dem Impedanzelement 26 und dem Messwiderstandselement 12 angeschlossen.Between a resistive element 22 and the impedance element 26 is a non-inverting input 30 an amplification unit 32 connected. The inverting input 34 the amplification unit is between the impedance element 26 and the measuring resistor element 12 connected.

Genauer gesagt umfasst die Verstärkungseinheit 32 einen Differenzverstärker, an dessen Eingänge 30, 34 das Impedanzelement 26 wie oben beschrieben angeschlossen ist.More specifically, the amplification unit comprises 32 a differential amplifier, at its inputs 30 . 34 the impedance element 26 connected as described above.

Durch das Impedanzelement 26 fließt aufgrund der Arbeitsspannung UA der Strom IA, weswegen am Impedanzelement 26 eine Spannung UZ = Z · IA abfällt, wobei Z die Impedanz des Impedanzelements 26 ist. Zwischen den Anschlüssen des Impedanzelements 26 an die Eingänge 30, 34 des Differenzverstärkers herrscht also eine Spannung, die vom Differenzverstärker verstärkt an einem Ausgang ausgegeben wird.Through the impedance element 26 flows due to the working voltage U A of the current I A , so at the impedance element 26 a voltage U Z = Z · I A falls, where Z is the impedance of the impedance element 26 is. Between the terminals of the impedance element 26 to the entrances 30 . 34 of the differential amplifier so there is a voltage that is amplified from the differential amplifier output at an output.

Die Verstärkungseinheit 32 umfasst zudem eine Summierstufe, der eine zweite Spannungsquelle 36 zugeordnet ist, die als Gleichstromquelle ausgebildet ist. Insbesondere ist die zweite Spannungsquelle 26 derart gestaltet, dass ihr Spannungsniveau anpassbar ist. Sie dient dann als Referenzspannungsquelle, wie später noch näher erläutert wird. Die Summierstufe addiert eine Spannung der zweiten Spannungsquelle 36 zur vom Differenzverstärker ausgegebenen, verstärkten Spannung und erzeugt so an einem Ausgang 38 der Verstärkungseinheit 32 eine Ausgangsspannung Ua gegen Masse. Zu diesem Zweck ist die Spannung beispielsweise an einem Eingang des Differenzverstärkers angelegt.The reinforcement unit 32 also includes a summing stage, which is a second voltage source 36 is assigned, which is designed as a DC power source. In particular, the second voltage source 26 designed so that their voltage level is customizable. It then serves as a reference voltage source, as will be explained in more detail later. The summing stage adds a voltage of the second voltage source 36 to the amplified amplifier output, amplified voltage and thus generates at an output 38 the amplification unit 32 an output voltage U a against mass. For this purpose, the voltage is applied, for example, to one input of the differential amplifier.

Der Ausgang 38 der Verstärkungseinheit 32 ist einem ersten Spannungsanschluss 40 des Impedanznormals 10 zugeordnet. Ein zweiter Spannungsanschluss 42 des Impedanznormals 10 liegt auf Masse.The exit 38 the amplification unit 32 is a first voltage connection 40 of the impedance standard 10 assigned. A second voltage connection 42 of the impedance standard 10 lies on earth.

Die Übertragungseinrichtung 20 ist derart gestaltet, dass die Ausgangsspannung Ua derjenigen Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit definierter Impedanz Zdef abfallen würde, durch das der Strom IM fließt. Es gilt dementsprechend Ua = Zdef · IM.The transmission device 20 is designed such that the output voltage U a the voltage corresponding to that of a component with a defined impedance Z def would fall off, by which the current I M flows. Accordingly, U a = Z def · I M.

Dabei sind die beiden Spannungsquellen 16, 36 vorzugsweise miteinander hinsichtlich ihrer Spannungsniveaus synchronisiert. Anders ausgedrückt handelt es sich um voneinander verschiedene Spannungsquellen, die jedoch derart synchronisiert sind, dass sie stets eine gleiche Spannung aufweisen, wie durch die Verbindung der beiden Spannungsquellen 16, 36 angedeutet.The two voltage sources are 16 . 36 preferably synchronized with each other in terms of their voltage levels. In other words, they are mutually different voltage sources, but synchronized in such a way that they always have the same voltage as the connection of the two voltage sources 16 . 36 indicated.

Vorzugsweise ist die zweite Spannungsquelle 36 als Gleichspannungsquelle mit einer anpassbaren Ausgangsspannung URef ausgeführt. Diese Ausgangsspannung URef liegt, wie in 4 schematisch gezeigt, an der ersten Spannungsquelle 16 an.Preferably, the second voltage source 36 as DC voltage source with an adjustable output voltage U ref executed. This output voltage U ref lies, as in 4 shown schematically at the first voltage source 16 on.

Die erste Spannungsquelle 16 umfasst in der gezeigten, beispielhaften Variante einen Leistungs-Operationsverstärker 39 mit einem Operationsverstärkerbaugruppe 39a und einer Leistungsstufe 39b. Die Leistungsstufe 39b kann mehrere Transistoren umfassen. Der Leistungs-Operationsverstärker 39 ist derart gestaltet, dass an seinem Ausgang 39c genau die Spannung Uref gegenüber Masse anliegt, wobei der Ausgang 39c dem Messwiderstandselement 12 zugeordnet ist.The first voltage source 16 In the exemplary embodiment shown, it comprises a power operational amplifier 39 with an operational amplifier assembly 39a and a performance level 39b , The performance level 39b can include multiple transistors. The power op amp 39 is designed such that at its output 39c exactly the tension U ref is applied to ground, the output 39c the measuring resistor element 12 assigned.

Im Folgenden wird anhand der 1 und 2 ein Verfahren zur Kalibrierung der Impedanzspektroskopievorrichtung 11 näher erläutert. Insbesondere handelt es sich um ein Verfahren zur Kalibrierung der Impedanzspektroskopievorrichtung 11 unter Verwendung des oben beschriebenen Impedanznormals 10.The following is based on the 1 and 2 a method of calibrating the impedance spectroscopy device 11 explained in more detail. In particular, it is a method for calibrating the impedance spectroscopy device 11 using the impedance standard described above 10 ,

Ein erster und ein zweiter Stromausgang 44, 46 der Impedanzspektroskopievorrichtung 11 werden an den ersten bzw. den zweiten Stromanschluss 14, 18 des Impedanznormals 10 angeschlossen.A first and a second current output 44 . 46 the impedance spectroscopy device 11 be connected to the first or the second power connection 14 . 18 of the impedance standard 10 connected.

Außerdem werden ein erster und ein zweiter Spannungseingang 48, 50 der Impedanzspektroskopievorrichtung 11 an den ersten bzw. den zweiten Spannungsanschluss 40, 42 des Impedanznormals 10 angeschlossen.In addition, a first and a second voltage input 48 . 50 the impedance spectroscopy device 11 to the first and the second voltage connection 40 . 42 of the impedance standard 10 connected.

Über die Stromausgänge 44, 46 wird an das Impedanznormal 10, genauer gesagt an das Messwiderstandselement 12, ein Wechselstrom angelegt (Schritt S1). Zu diesem Wechselstrom wird mittels der ersten Spannungsquelle 16 ein Gleichstromanteil addiert, sodass ein gesamter Strom IM durch das Messwiderstandselement 12 fließt, der insbesondere mittels des Messwiderstandselements 12 gemessen wird.About the current outputs 44 . 46 goes to the impedance standard 10 More precisely to the measuring resistor element 12 , an alternating current is applied (step S1 ). To this alternating current is by means of the first voltage source 16 adds a DC component so that a total current I M through the measuring resistor element 12 flowing, in particular by means of the measuring resistor element 12 is measured.

Wegen des Stroms IM durch das Messwiderstandselement 12 fällt an diesem eine Arbeitsspannung UA ab, die von der Übertragungsvorrichtung wie oben beschrieben abgegriffen wird (Schritt S2).Because of the current I M through the measuring resistor element 12 falls at this one working voltage U A which is picked up by the transmission device as described above (step S2 ).

Wenigstens ein Teil der Arbeitsspannung UA , genauer gesagt eine über dem Impedanzelement 26 abfallende Spannung, wird wie oben beschrieben verstärkt und mit einer Gleichspannung der zweiten Spannungsquelle 36 überlagert, um die Ausgangsspannung Ua zu erzeugen (Schritt S3). Die zweite Spannungsquelle 36 ist dabei mit der ersten Spannungsquelle 16 synchronisiert, sodass beide das gleiche Spannungsniveau aufweisen.At least part of the working voltage U A more precisely one above the impedance element 26 decreasing voltage is amplified as described above and with a DC voltage of the second voltage source 36 superimposed to the output voltage U a to generate (step S3 ). The second voltage source 36 is with the first voltage source 16 synchronized so that both have the same voltage level.

Die Ausgangsspannung Ua liegt an den Spannungseingängen 48, 50 der Impedanzspektroskopievorrichtung 11 an. Da die Ausgangsspannung derjenigen Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit definierter Impedanz Zdef abfallen würde, durch das der Strom IM fließt, kann die über die Spannungseingänge 48, 50 an die Impedanzspektroskopievorrichtung 11 rückgekoppelte Ausgangsspannung Ua dazu verwendet werden, die Impedanzspektroskopievorrichtung 11 zu kalibrieren.The output voltage U a is at the voltage inputs 48 . 50 the impedance spectroscopy device 11 on. Since the output voltage corresponds to the voltage on a component with a defined impedance Z def would fall off, by which the current I M can flow through the voltage inputs 48 . 50 to the impedance spectroscopy device 11 feedback output voltage U a be used to the impedance spectroscopy device 11 to calibrate.

Mit dem Impedanznormal 10 ist es demnach möglich, parasitäre Effekte vollständig zu eliminieren, sodass auch niederohmige Impedanzen erfasst werden können. Auch können andere Spannungen als nur die Leerlaufspannung dargestellt werden.With the impedance standard 10 Thus, it is possible to completely eliminate parasitic effects, so that even low impedance can be detected. Also, other voltages than just the open circuit voltage can be displayed.

Aufgrund der beiden synchronisierten Spannungsquellen 16, 36 jeweils eine Spannungsquelle für die Source- als auch für die Sense-Eingänge vorgesehen ist, wobei die beiden Spannungsquellen 16, 36 nicht manuell abgeglichen werden müssen, da sie synchronisiert sind. Folglich gleichen sich die beiden Spannungsquellen 16, 36 selbsttätig bzw. automatisch ab.Due to the two synchronized voltage sources 16 . 36 in each case a voltage source for the source as well as for the sense inputs is provided, wherein the two voltage sources 16 . 36 do not have to be reconciled manually because they are synchronized. Consequently, the two voltage sources are the same 16 . 36 automatically or automatically.

Generell kann jede der Spannungsquellen 16, 36 als Stromsenke bzw. Stromquelle ausgebildet sein.In general, any of the voltage sources 16 . 36 be designed as a current sink or power source.

Claims (13)

Impedanznormal (10) zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung (11) für elektrochemische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen, mit wenigstens einem Messwiderstandselement (12) und einer Übertragungseinrichtung (20), die eine Impedanzeinheit (24) und eine Verstärkungseinheit (32) aufweist, wobei das Messwiderstandselement (12) mit der Übertragungseinrichtung (20) derart verbunden ist, dass bei einem durch das Messwiderstandselement (12) fließenden Strom über dem Messwiderstandselement (12) eine Arbeitsspannung abfällt, die an der Übertragungseinrichtung (20) anliegt, wobei wenigstens ein Teil der Arbeitsspannung an der Impedanzeinheit (24) abfällt, und wobei die Verstärkungseinheit (32) dazu ausgebildet ist, aus der an der Impedanzeinheit (24) abfallenden Spannung an einem Spannungsanschlusspaar (40, 42) eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die einer Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit einer definierten Impedanz abfallen würde, an das der Strom angelegt ist.Impedance standard (10) for calibrating an impedance spectroscopic device (11) for electrochemical energy stores of motor vehicles, comprising at least one measuring resistance element (12) and a transmission device (20) having an impedance unit (24) and an amplification unit (32), wherein the measuring resistance element (12) is connected to the transmission device (20) in such a way that when the current flowing through the measuring resistance element (12) flows above the measuring resistance element (12) a working voltage drops which is applied to the transmission device (20), wherein at least a part of the working voltage at the impedance unit (24) drops, and wherein the amplifying unit (32) is adapted to generate from the voltage drop across the impedance unit (24) at a pair of voltage terminals (40, 42) an output voltage corresponding to a voltage that would drop across a component having a defined impedance that the current is applied. Impedanznormal (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinheit (32) einen Differenzverstärker umfasst.Impedance standard (10) after Claim 1 , characterized in that the amplification unit (32) comprises a differential amplifier. Impedanznormal (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungseinheit (32) eine Summierstufe umfasst.Impedance standard (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the amplification unit (32) comprises a summing stage. Impedanznormal (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss (40) des Spannungsanschlusspaars (40, 42) einem Ausgang (38) der Verstärkungseinheit (32) zugeordnet ist.Impedance standard (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a connection (40) of the voltage connection pair (40, 42) is assigned to an output (38) of the amplification unit (32). Impedanznormal (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinrichtung (20) ein ohmsches Widerstandselement (22) aufweist.Impedance standard (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the transmission device (20) has an ohmic resistance element (22). Impedanznormal (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzeinheit (24) ein Impedanzmultiplikatorelement (28) umfasst, das dazu ausgebildet ist, die Impedanz der Impedanzeinheit (24) zu verändern.An impedance standard (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the impedance unit (24) comprises an impedance multiplier element (28) adapted to change the impedance of the impedance unit (24). Impedanznormal (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Impedanzmultiplikatorelement (28) einen Operationsverstärker (29) und ohmsche Widerstände (R1, R2) umfasst.Impedance standard (10) after Claim 6 , characterized in that the impedance multiplier element (28) comprises an operational amplifier (29) and ohmic resistors (R1, R2). Impedanznormal (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Messwiderstandselement (12) und der Verstärkungseinheit (32) jeweils eine eigene Spannungsquelle (16, 36) zugeordnet ist, insbesondere wobei die Spannungsquellen (16, 36) als Gleichspannungsquellen ausgebildet sind.Impedance standard (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the measuring resistor element (12) and the amplifying unit (32) each having its own voltage source (16, 36) is associated, in particular wherein the voltage sources (16, 36) are designed as DC voltage sources , Impedanznormal (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Messwiderstandselement (12) zugeordnete Spannungsquelle (16) einen Operationsverstärker (39a) umfasst, insbesondere einen Operationsverstärker (39a) mit nachgeschalteter Leistungsstufe (39b).Impedance standard (10) after Claim 8 , characterized in that the measuring resistor element (12) associated voltage source (16) comprises an operational amplifier (39a), in particular an operational amplifier (39a) with a downstream power stage (39b). Impedanznormal (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spannungsquellen (16, 36) synchronisiert sind, insbesondere wobei die der Verstärkungseinheit (32) zugeordnete Spannungsquelle (36) eine anpassbare Spannung aufweist.Impedance standard (10) after Claim 8 or 9 , characterized in that the two voltage sources (16, 36) are synchronized, in particular wherein the voltage source (36) assigned to the amplification unit (32) has an adjustable voltage. Impedanznormal (10) nach Anspruch 3 in Kombination mit einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Summierstufe dazu ausgebildet ist, eine Spannung der der Verstärkungseinheit (32) zugeordneten Spannungsquelle (36) zu einer vom Differenzverstärker erzeugten Spannung zu addieren, um die Ausgangsspannung zu erzeugen.Impedance standard (10) after Claim 3 in combination with one of Claims 8 to 10 characterized in that the summation stage is adapted to add a voltage of the voltage source (36) associated with the gain unit (32) to a voltage produced by the differential amplifier to produce the output voltage. Verfahren zum Kalibrieren einer Impedanzspektroskopievorrichtung (11) für elektrochemische Energiespeicher von Kraftfahrzeugen, mit den folgenden Sch ritten: - Beaufschlagen eines Impedanznormals (10) mit einem Wechselstrom mittels der Impedanzspektroskopievorrichtung (11); - Abgreifen einer über ein Messwiderstandselement (12) des Impedanznormals (10) abfallenden Arbeitsspannung; und - Verstärken zumindest eines Teils der Arbeitsspannung über eine Verstärkungseinheit (32) des Impedanznormals (10), sodass eine Ausgangsspannung mittels des Impedanznormals (10) erzeugt wird, die einer Spannung entspricht, die an einem Bauteil mit einer definierten Impedanz abfallen würde, an das der Wechselstrom angelegt ist, insbesondere wobei zum Wechselstrom mittels einer ersten Spannungsquelle (16) ein Gleichstrom addiert wird und mittels der Verstärkungseinheit (32) eine Gleichspannung einer zweiten Spannungsquelle (36), die mit der ersten Spannungsquelle (16) synchronisiert ist, zum verstärkten Teil der Arbeitsspannung addiert wird, um die Ausgangsspannung zu erzeugen.Method for calibrating an impedance spectroscopic device (11) for electrochemical energy stores of motor vehicles, comprising the following steps: - applying an impedance standard (10) to an alternating current by means of the impedance spectroscopy device (11); - Picking a drop across a measuring resistor element (12) of the impedance standard (10) working voltage; and - Amplifying at least a portion of the working voltage via an amplifying unit (32) of the impedance standard (10) such that an output voltage is generated by means of the impedance standard (10) corresponding to a voltage that would drop across a component having a defined impedance to which the alternating current in particular wherein a direct current is added to the alternating current by means of a first voltage source (16) and to the amplified part of the working voltage by means of the amplifying unit (32) a DC voltage of a second voltage source (36) which is synchronized with the first voltage source (16) is added to produce the output voltage. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung an die Impedanzspektroskopievorrichtung (11) angelegt wird.Method according to Claim 12 , characterized in that the output voltage is applied to the impedance spectroscopy device (11).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102014011397A1 (en) * 2014-08-06 2016-02-11 Bundesrepublik Deutschland, vertr. durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Method for calibrating an electrochemical impedance spectroscopy measuring device and impedance standard
DE102014222371A1 (en) * 2014-11-03 2016-05-04 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Circuit arrangement and method for determining the impedance of a test battery

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