DE102020104584B3 - Structure monitoring by means of impedance spectroscopy on a structure-integrated energy storage system - Google Patents

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Abstract

Zum fortlaufenden Erfassen des Zustands einer Struktur (3), in die ein Energiespeicher (2) für elektrische Energie integriert ist, werden nacheinander mehrere Impedanzspektren des Energiespeichers (2) aufgenommen und hinsichtlich Dehnungen der Struktur (3) im Bereich des in die Struktur (3) integrierten Energiespeichers (2) ausgewertet.In order to continuously record the state of a structure (3) in which an energy store (2) for electrical energy is integrated, several impedance spectra of the energy store (2) are recorded one after the other and with regard to expansion of the structure (3) in the area of the structure (3 ) integrated energy storage (2) evaluated.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum fortlaufenden Erfassen des Zustands einer Struktur, in die ein Energiespeicher für elektrische Energie integriert ist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung mit einer einen integrierten Energiespeicher auffassenden Struktur und mit einer an den Energiespeicher angeschlossenen Einrichtung.The invention relates to a method and a device for continuously detecting the state of a structure in which an energy store for electrical energy is integrated. The invention also relates to a device with a structure including an integrated energy store and with a device connected to the energy store.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Insbesondere an Bord von Fahrzeugen, wo sie zur Treibstoffeinsparung dienen kann, aber auch auf andern technischen Gebieten ist eine multifunktionale Verwendung von Bauteilen bekannt. Hierzu zählt zum Beispiel die Verwendung einer Wabenplatte, d. h. einer Leichtbauplatte mit einer wabenartigen Struktur zur Speicherung von elektrochemischer Energie. So beschreibt die DE 10 2017 118 308 A1 die Herstellung einer elektrochemischen Speichervorrichtung mit einer Wabenplatte, bei der die elektrochemische Speichervorrichtung im Bereich jeder Wabe der Wabenplatte eine Elektrode, eine Zwischenlage mit einer nichtleitenden Elektrolyt-Separator-Schicht und eine Gegenelektrode aufweist.A multifunctional use of components is known in particular on board vehicles, where it can serve to save fuel, but also in other technical fields. This includes, for example, the use of a honeycomb panel, ie a lightweight panel with a honeycomb-like structure for storing electrochemical energy. So describes the DE 10 2017 118 308 A1 the production of an electrochemical storage device with a honeycomb plate, in which the electrochemical storage device has an electrode, an intermediate layer with a non-conductive electrolyte separator layer and a counter electrode in the region of each honeycomb of the honeycomb plate.

Aus der DE 10 2013 103 921 A1 sind ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Temperatur von Zellen in einem Batteriepack ohne Verwendung von Temperatursensoren durch Messen der Impedanz der Zellen bekannt. Dabei wird ein Wechselspannungssignal an den Batteriepack angelegt, und es wird eine Zeitabtastung von Spannungs- und Stromdaten erhalten, aus der die Impedanzen bei mehreren Frequenzen der Wechselspannung bestimmt werden. Die Impedanzen werden dazu verwendet, um die Temperatur der Zellen unter Verwendung einer Look-up-Tabelle zu bestimmen.From the DE 10 2013 103 921 A1 discloses a method and system for determining the temperature of cells in a battery pack without using temperature sensors by measuring the impedance of the cells. An AC voltage signal is applied to the battery pack and a time sample of voltage and current data is obtained from which the impedances at several frequencies of the AC voltage are determined. The impedances are used to determine the temperature of the cells using a look-up table.

Aus der DE 10 2017 218 715 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Temperatur und Ladungszustand einer Lithiumionenzelle bekannt, das die Messung von mindestens zwei Impedanzwerten, die Bereitstellung von Referenzdaten als Funktion der Temperatur und des Ladungszustands und die Ermittlung der Temperatur des Ladungszustands durch Vergleich der gemessenen Impedanzwerte mit den Referenzdaten umfasst.From the DE 10 2017 218 715 A1 a method for determining the temperature and state of charge of a lithium ion cell is known, which comprises the measurement of at least two impedance values, the provision of reference data as a function of the temperature and the state of charge and the determination of the temperature of the state of charge by comparing the measured impedance values with the reference data.

Aus der DE 10 2009 000 337 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustands einer Batteriezelle bekannt. Das Verfahren umfasst die Aufnahme eines Impedanzspektrums der Batteriezelle, die Ermittlung einer Auswertgröße anhand des gemessenen Impedanzspektrums und die Bestimmung eines Alterungszustands der Batteriezelle anhand eines Vergleichs der Auswertgröße mit einem Referenzwert. Bei der Auswertgröße kann es sich um einen Impedanzwert bei einer bestimmten Niederfrequenz, das Verhältnis eines Impedanzwerts bei einer ersten Niederfrequenz zu dem Impedanzwert bei einer zweiten Niederfrequenz oder eine Niederfrequenz handeln, bei der ein bestimmter Schwellimpedanzwert erreicht wird. Der Referenzwert wird anhand einer Referenzimpedanzspektroskopiemessung der Batteriezelle oder durch Bildung eines Mittelwerts aus entsprechenden Werten bestimmt, die für eine Mehrzahl von Batteriezellen vom gleichen Typ bestimmt werden. Dabei werden dann die entsprechenden Werte jeweils anhand einer Referenzimpedanzspektroskopiemessung der einzelnen Batteriezellen ermittelt, die einen bekannten Alterungszustand aufweisen.From the DE 10 2009 000 337 A1 a method for determining an aging condition of a battery cell is known. The method includes recording an impedance spectrum of the battery cell, determining an evaluation variable based on the measured impedance spectrum, and determining an aging condition of the battery cell based on a comparison of the evaluation variable with a reference value. The evaluation variable can be an impedance value at a specific low frequency, the ratio of an impedance value at a first low frequency to the impedance value at a second low frequency or a low frequency at which a specific threshold impedance value is reached. The reference value is determined on the basis of a reference impedance spectroscopy measurement of the battery cell or by forming an average value from corresponding values which are determined for a plurality of battery cells of the same type. The corresponding values are then determined on the basis of a reference impedance spectroscopy measurement of the individual battery cells, which have a known state of aging.

Aus der US 2012 / 0 078 552 A1 ist ein In-situ-Batteriediagnoseverfahren unter Verwendung von elektrochemischer Impedanzspektroskopie bekannt. Das Ergebnis von elektrochemischen Impedanzmessungen wird mit den Ergebnissen von elektrochemischen Impedanzmessungen an Batterien mit bekannten Zuständen verglichen. Diese bekannten Zustände betreffen den Ladungszustand („state of charge“ - SoC) und den Gesundheitszustand („state of health“ - SoH) der Batterie. Die elektrochemische Impedanz wird für verschiedene Frequenzen durch sinusförmige Variation des Stroms durch die Batterie und Messen der induzierten sinusförmigen Spannung an den Batterieanschlüssen bestimmt.From the US 2012/0 078 552 A1 an in situ battery diagnostic method using electrochemical impedance spectroscopy is known. The result of electrochemical impedance measurements is compared with the results of electrochemical impedance measurements on batteries with known states. These known states relate to the state of charge (SoC) and the state of health (SoH) of the battery. The electrochemical impedance is determined for different frequencies by sinusoidally varying the current through the battery and measuring the induced sinusoidal voltage at the battery terminals.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung aufzuzeigen, mit denen ohne Verwendung zusätzlicher Sensoren ein fortlaufendes Erfassen des Zustands einer Struktur möglich ist, in die ein Energiespeicher für elektrische Energie integriert ist.The invention is based on the object of providing a method and a device with which, without the use of additional sensors, it is possible to continuously record the state of a structure in which an energy store for electrical energy is integrated.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und einer Einrichtung mit dem Merkmal des unabhängigen Patentanspruchs 5 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 4 sind auf bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet. Die abhängigen Patentansprüche 6 bis 8 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtung. Die Patentansprüche 9 bis 11 definieren Vorrichtungen mit einer einen integrierten Energiespeicher umfassenden Struktur und mit einer an den Energiespeicher angeschlossenen erfindungsgemäßen Einrichtung.The object of the invention is achieved by a method with the features of independent patent claim 1 and a device with the features of independent patent claim 5. The dependent claims 2 to 4 are directed to preferred embodiments of the method according to the invention. The dependent claims 6 to 8 relate to preferred embodiments of the device according to the invention. Claims 9 to 11 define devices with a structure comprising an integrated energy store and with a device according to the invention connected to the energy store.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum fortlaufenden Erfassen des Zustands einer Struktur, in die ein Energiespeicher für elektrische Energie integriert ist, werden nacheinander mehrere Impedanzspektren des Energiespeichers aufgenommen und hinsichtlich Dehnungen der Struktur im Bereich des in die Struktur integrierten Energiespeichers ausgewertet.In a method according to the invention for continuously detecting the state of a structure in which an energy store for electrical energy is integrated, several impedance spectra of the energy store are recorded one after the other and evaluated with regard to expansion of the structure in the area of the energy store integrated into the structure.

Unter einer Struktur wird hier jedes lasttragende Bauteil und jede aus lasttragenden Bauteilen zusammengesetzte größere Einheit verstanden.A structure is understood here to mean any load-bearing component and any larger unit composed of load-bearing components.

Unter einem in eine Struktur integrierten Energiespeicher wird hier ein Energiespeicher verstanden, der derart Teil der Struktur ist, dass er an der Lasttragung durch die Struktur partizipiert. Dabei kann der Energiespeicher dadurch in die Struktur integriert sein, dass er auf strukturoriginären mechanischen Bestandteilen der Struktur aufbaut oder mit seinen mechanischen Bestandteilen strukturoriginäre Bestandteile der Struktur verstärkt. So führen mechanische Beanspruchungen der Struktur unter Deformation der Struktur immer auch zur mechanischen Beanspruchung des Energiespeichers unter Deformation des Energiespeichers.An energy store integrated into a structure is understood here to mean an energy store which is part of the structure in such a way that it participates in the load bearing through the structure. In this case, the energy storage device can be integrated into the structure in that it is based on structural original mechanical components of the structure or reinforces structural original structural components of the structure with its mechanical components. Mechanical stresses on the structure with deformation of the structure always lead to mechanical stress on the energy store and deformation of the energy store.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass mechanische Deformationen eines Energiespeichers, auch wenn sie sich in engen Grenzen halten, signifikante Auswirkungen auf das Impedanzspektrum des Energiespeichers haben. Anders gesagt haben unterschiedliche mechanische Beanspruchungen signifikant unterschiedliche Impedanzspektren des Energiespeichers zur Folge, aus denen mit hoher Genauigkeit auf die mechanischen Beanspruchungen des Energiespeichers und damit auch auf die mechanischen Beanspruchungen der Struktur, in die der Energiespeicher integriert ist, rückgeschlossen werden kann. Insbesondere gilt dies in Bezug auf Dehnungen des Energiespeichers bzw. der Struktur.The present invention is based on the knowledge that mechanical deformations of an energy store, even if they are kept within narrow limits, have significant effects on the impedance spectrum of the energy store. In other words, different mechanical stresses result in significantly different impedance spectra of the energy store, from which conclusions can be drawn with high accuracy about the mechanical stresses of the energy store and thus also about the mechanical stresses of the structure in which the energy store is integrated. This applies in particular with regard to expansion of the energy store or the structure.

Dass die Impedanzspektren von Energiespeichern für elektrische Energie von anderen Faktoren als den Dehnungen der Energiespeicher, beispielsweise der Temperatur und dem Ladezustand des jeweiligen Energiespeichers, abhängen, ist bekannt. Diese Abhängigkeiten lassen sich jedoch vielfach bereits aufgrund andersartiger Veränderungen der Impedanzspektren mit der Temperatur und/oder dem Ladezustand als mit der Dehnung des jeweiligen Energiespeichers separieren. So unterscheiden sich die verschieden Einflussfaktoren häufig hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Verlauf der Impedanz über der Frequenz einerseits und den Verlauf der Phase zwischen Spannung und Strom über der Frequenz andererseits. Selbst wenn auf dieser Basis noch keine Trennung möglich ist, wird sie aufgrund des zeitlichen Verlaufs von Änderungen der Impedanzspektren möglich, da sich die Temperatur und der Ladezustand nur mit begrenzter Rate stetig ändern und zudem aufgrund der Richtung eines Stromflusses von oder zu dem Energiespeicher bekannt ist, wie sich der Ladezustand und auch die Temperatur ändern sollte. Insbesondere dann, wenn das Erfassen des Zustands der jeweiligen Struktur auf das Erfassen dynamischer Dehnungen der Struktur abzielt, ändern sich die Impedanzspektren des jeweiligen Energiespeichers aufgrund dieser dynamischen Dehnungen sehr viel schneller und typischerweise mit schnell wechselnden Vorzeichen. Es versteht sich, dass die Impedanzspektren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren so schnell hintereinander aufgenommen werden, dass die interessierenden dynamischen Dehnungen der jeweiligen Struktur zeitlich ausreichend dicht abgetastet werden. Dazu ist die Frequenz, mit der die Impedanzspektren aufgezeichnet werden, nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem mehr als doppelt so hoch festzulegen wie die Frequenz der interessierenden Dehnungen.It is known that the impedance spectra of energy stores for electrical energy depend on factors other than the expansion of the energy store, for example the temperature and the state of charge of the respective energy store. However, these dependencies can often already be separated on the basis of different types of changes in the impedance spectra with the temperature and / or the state of charge than with the expansion of the respective energy store. The various influencing factors often differ with regard to their effects on the course of the impedance over frequency on the one hand and the course of the phase between voltage and current over frequency on the other. Even if no separation is possible on this basis, it becomes possible due to the temporal course of changes in the impedance spectra, since the temperature and the state of charge only change continuously at a limited rate and is also known due to the direction of a current flow from or to the energy storage device how the state of charge and also the temperature should change. In particular, when the detection of the state of the respective structure aims at detecting dynamic expansions of the structure, the impedance spectra of the respective energy storage device change much more quickly and typically with rapidly changing signs due to these dynamic expansions. It goes without saying that the impedance spectra in the method according to the invention are recorded so quickly one after the other that the dynamic expansions of the respective structure of interest are scanned sufficiently closely over time. For this purpose, the frequency with which the impedance spectra are recorded, according to the Nyquist-Shannon sampling theorem, is more than twice as high as the frequency of the strains of interest.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die aufgenommenen Impedanzspektren weiterhin hinsichtlich Temperaturen der Struktur in dem Bereich des in die Struktur integrierten Energiespeichers ausgewertet werden. Darüber hinaus ist auch eine Auswertung der aufgenommenen Impedanzspektren hinsichtlich des Ladezustands des jeweiligen Energiespeichers und/oder des sich mit einer noch größeren Zeitkonstante ändernden Alterungszustands des jeweiligen Energiespeichers möglich.In the method according to the invention, the recorded impedance spectra can also be evaluated with regard to temperatures of the structure in the region of the energy store integrated into the structure. In addition, it is also possible to evaluate the recorded impedance spectra with regard to the state of charge of the respective energy store and / or the aging state of the respective energy store, which changes with an even greater time constant.

Die Impedanzspektren werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über einen Frequenzbereich aufgenommen, der typischerweise bei oder oberhalb von 100 µHz beginnt und der typischerweise unterhalb von oder bei 1 MHz endet. Nach oben sind die Grenzen der Impedanzspektroskopie durch Messungenauigkeit der eingesetzten Geräte gesetzt. Oberhalb von 1 MHz nehmen die Messungenauigkeiten in der Regel deutlich zu, so dass eine sinnvolle Interpretation der Messergebnisse schwierig wird. Die untere Grenze ist ein Zeitproblem. Die Messungen nehmen lange Zeiten in Anspruch. Jedoch kann hier noch eine sinnvolle Information vorhanden sein.In the method according to the invention, the impedance spectra are recorded over a frequency range which typically begins at or above 100 μHz and which typically ends below or at 1 MHz. The upper limits of impedance spectroscopy are set by the measurement inaccuracy of the devices used. Above 1 MHz, the measurement inaccuracies usually increase significantly, so that a meaningful interpretation of the measurement results becomes difficult. The lower limit is a time problem. The measurements take a long time. However, useful information can still be present here.

Je nach Struktur und integriertem Energiespeicher treten die mit unterschiedlichen Dehnungen einhergehenden Änderungen der Impedanzspektren in einem Frequenzbereich, über den hinweg sich die Frequenz meistens nicht mehr als verhundertfacht, häufig nicht mehr als verfünfzigfacht, oftmals nicht mehr als verzehnfacht und nicht selten nicht mehr als verfünffacht. Es versteht sich, dass das Aufnehmen der Impedanzspektren schneller vonstattengeht und entsprechend häufiger wiederholt werden kann, wenn sie nur über einen kleineren Frequenzbereich aufgenommen werden. Typischerweise wächst die Frequenz in dem Frequenzbereich, über den die Impedanzspektren aufgenommen werden, jedoch zumindest um 50 % und aller meistens um mindestens 100 % an. Das Aufnehmen der Impedanzspektren geht auch dann schneller vonstatten und kann entsprechend häufiger wiederholt werden, wenn die Impedanzspektren bezüglich der abgefragten Frequenzen nicht kontinuierlich sondern nur punktuell aufgenommen werden, d. h. bei ausgewählten einzelnen Frequenzen. Im Extremfall wird ein jedes Impedanzspektrum durch Messungen bei nur zwei Frequenzen aufgenommen, die dann aber beim Aufnehmen aller Impedanzspektren gleich sind.Depending on the structure and the integrated energy storage device, the changes in the impedance spectra associated with different expansions occur in a frequency range over which the frequency usually does not increase more than a hundredfold, often not more than fiftyfold, often not more than tenfold and often not more than fivefold. It goes without saying that the recording of the impedance spectra takes place more quickly and can accordingly be repeated more frequently if they only cover a smaller frequency range be included. Typically, however, the frequency increases in the frequency range over which the impedance spectra are recorded, but by at least 50% and mostly by at least 100%. The recording of the impedance spectra then takes place more quickly and can be repeated more frequently if the impedance spectra with respect to the queried frequencies are not recorded continuously but only selectively, ie at selected individual frequencies. In the extreme case, each impedance spectrum is recorded by measurements at only two frequencies, which are then the same when all impedance spectra are recorded.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit verschiedenen Energiespeichern durchgeführt werden, zu denen grundsätzlich alle elektrochemischen Batterien, alle physikalische Kondensatoren und auch alle auf sowohl physikalischen als auch chemischen Prinzipien aufbauende Superkondensatoren zählen.The method according to the invention can be carried out with various energy stores, which basically include all electrochemical batteries, all physical capacitors and also all supercapacitors based on both physical and chemical principles.

Es versteht sich, dass die Empfindlichkeit, mit das erfindungsgemäße Verfahren zum Auflösen von Dehnungen der Struktur geeignet ist, von der Richtung abhängig ist, in der diese Dehnungen in Bezug auf Hauptachsen des jeweiligen Energiespeichers auftreten. Eine dieser Hauptachsen verläuft normal zu parallel zueinander ausgerichteten flächigen Anoden und Kathoden des jeweiligen Energiespeichers. Eine andere Hauptachse verläuft parallel zu diesen Anoden und Kathoden.It goes without saying that the sensitivity with which the method according to the invention is suitable for resolving expansions in the structure depends on the direction in which these expansions occur in relation to the main axes of the respective energy store. One of these main axes runs normal to flat anodes and cathodes of the respective energy store, which are aligned parallel to one another. Another major axis is parallel to these anodes and cathodes.

Ganz allgemein gilt, dass quantitative Aussagen über die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erfassten Dehnungen der Struktur nur nach einer Kalibrierung, d. h. nach Verknüpfen bekannter Dehnungen der Struktur mit den einhergehenden Änderungen der Impedanzspektren des Energiespeichers möglich sind. Dann sind jedoch nicht nur Aussagen über die Größe der Dehnungen, sondern auch über die Richtung der Dehnungen der Struktur möglich. Dabei kann, wie es aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, mit Look-up-Tables gearbeitet werden.In general, quantitative statements about the expansion of the structure detected with the method according to the invention can only be made after calibration, i.e. after calibration. H. after linking known expansions of the structure with the associated changes in the impedance spectra of the energy store are possible. Then it is not only possible to make statements about the size of the expansion, but also about the direction of the expansion of the structure. As is fundamentally known from the prior art, it is possible to work with look-up tables.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung zum fortlaufenden Erfassen des Zustands einer Struktur, in die ein Energiespeicher für elektrische Energie integriert ist, ist dazu ausgebildet, die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.A device according to the invention for continuously detecting the state of a structure in which an energy store for electrical energy is integrated is designed to carry out the steps of the method according to the invention.

Der in die Struktur integrierte Energiespeicher ist in aller Regel an einen den Energiespeicher wechselweise ladenden und entladenden Stromrichter angeschlossen. In diesen Stromrichter kann die erfindungsgemäße Einrichtung integriert sein. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Einrichtung für das Aufnehmen der Impedanzspektren des Energiespeichers alle hierfür bereits bei dem Stromrichter vorhandenen Bauteile zur Vorgabe einer Wechselspannung und zum Erfassen des daraufhin fließenden Stroms nutzt. Dies bedeutet, dass die erfindungsgemäße Einrichtung im Extremfall allein durch eine Modifikation der Steuerung des Stromrichters implementiert sein kann.The energy store integrated into the structure is generally connected to a power converter that alternately charges and discharges the energy store. The device according to the invention can be integrated in this converter. This means that the device according to the invention for recording the impedance spectra of the energy store uses all of the components already present in the converter for this purpose for specifying an alternating voltage and for detecting the current flowing thereupon. This means that, in the extreme case, the device according to the invention can be implemented solely by modifying the control of the converter.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine einen integrierten Energiespeicher umfassende Struktur und eine an den Energiespeicher angeschlossene erfindungsgemäße Einrichtung auf. Der Energiespeicher kann dabei, wie bereits angedeutet wurde, mindestens eine Batterie, einen Kondensator oder einen Superkondensator aufweisen. Die Struktur kann eine an den Energiespeicher angebundene und/oder den Energiespeicher teilweise ausbildende Faserverbundstruktur aufweisen. Bei der Vorrichtung kann es sich um eine Baugruppe eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs oder um ein ganzes solches Fahrzeug handeln.A device according to the invention has a structure comprising an integrated energy store and a device according to the invention connected to the energy store. As already indicated, the energy store can have at least one battery, one capacitor or one supercapacitor. The structure can have a fiber composite structure that is connected to the energy store and / or partially forms the energy store. The device can be an assembly of a vehicle, in particular an aircraft, or an entire vehicle of this type.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Advantageous further developments of the invention emerge from the patent claims, the description and the drawings.

Die in der Beschreibung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the description are only exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively without the advantages necessarily having to be achieved by embodiments according to the invention.

Hinsichtlich des Offenbarungsgehalts - nicht des Schutzbereichs - der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents gilt Folgendes: Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen, was aber nicht für die unabhängigen Patentansprüche des erteilten Patents gilt.With regard to the disclosure content - not the scope of protection - of the original application documents and the patent, the following applies: Further features can be found in the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to one another and their relative arrangement and operative connection. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different patent claims is also possible in a way deviating from the selected back-references of the patent claims and is hereby suggested. This also applies to features that are shown in separate drawings or mentioned in their description. These features can also be combined with features of different patent claims. Features listed in the claims can also be omitted for further embodiments of the invention, but this does not apply to the independent claims of the granted patent.

Die in den Patentansprüchen und der Beschreibung genannten Merkmale sind bezüglich ihrer Anzahl so zu verstehen, dass genau diese Anzahl oder eine größere Anzahl als die genannte Anzahl vorhanden ist, ohne dass es einer expliziten Verwendung des Adverbs „mindestens“ bedarf. Wenn also beispielsweise von einem Energiespeicher die Rede ist, ist dies so zu verstehen, dass genau ein Energiespeicher, zwei Energiespeicher oder mehr Energiespeicher vorhanden sind. Die in den Patentansprüchen angeführten Merkmale können durch weitere Merkmale ergänzt werden oder die einzigen Merkmale sein, die das jeweilige Verfahren oder Erzeugnis aufweist.The number of features mentioned in the patent claims and the description are to be understood in such a way that precisely this number or a greater number than the number mentioned is present, without there being any explicit Use of the adverb "at least" requires. So when we talk about an energy store, for example, this is to be understood to mean that there is exactly one energy store, two energy stores or more energy stores. The features listed in the patent claims can be supplemented by further features or be the only features that the respective method or product has.

Die in den Patentansprüchen enthaltenen Bezugszeichen stellen keine Beschränkung des Umfangs der durch die Patentansprüche geschützten Gegenstände dar. Sie dienen lediglich dem Zweck, die Patentansprüche leichter verständlich zu machen.The reference signs contained in the claims do not restrict the scope of the subject matter protected by the claims. They only serve the purpose of making the claims easier to understand.

FigurenlisteFigure list

Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.

  • 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 2 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 3 zeigt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommene Impedanzspektren eines Energiespeichers für elektrische Energie bei unterschiedlicher Dehnung des Energiespeichers; und
  • 4 zeigt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommene Impedanzspektren bei unterschiedlicher Temperatur des Energiespeichers.
In the following, the invention is further explained and described with reference to preferred exemplary embodiments shown in the figures.
  • 1 is a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention.
  • 2 Figure 3 is a flow diagram of an embodiment of the method of the present invention.
  • 3rd shows the impedance spectra of an energy store for electrical energy recorded when the method according to the invention is carried out with different expansion of the energy store; and
  • 4th shows impedance spectra recorded when the method according to the invention is carried out at different temperatures of the energy store.

FIGURENBESCHREIBUNGFIGURE DESCRIPTION

1 zeigt stark schematisch eine Vorrichtung 1, bei der ein Energiespeicher 2 für elektrische Energie in eine Struktur 3 integriert ist, so dass er in einem mit gestrichelter Linie 4 angedeuteten Lastpfad der Struktur 3 liegt. An den Energiespeicher 2 ist ein Stromrichter 5 zum Laden und Entladen des Energiespeichers 2 angeschlossen. Der Stromrichter 5 umfasst hier einen bidirektionalen DC/DC-Wandler 6, einen Gleichspannungszwischenkreis 7 und einen bidirektionalen DC/AC-Wandler 8, der an ein Wechselstromnetz 9, beispielsweise ein Bordnetz eines Flugzeugs angeschlossen ist. Der DC/DC-Wandler 6 wird von einer Steuerung 10 gesteuert. Die Steuerung 10 und der DC/DC-Wandler 6 sind zugleich Teile einer Einrichtung 25 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens steuert die Steuerung 10 den DC/DC-Wandler 6 so an, dass er Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen an den Energiespeicher 2 anlegt. Die Steuerung 10 erfasst nicht nur diese Wechselspannungen, sondern auch die infolge der angelegten Wechselspannungen fließenden Ströme und deren relative Phase zu den Wechselspannungen. Hieraus ermittelt die Steuerung Impedanzspektren des Energiespeichers 2. Derartige Impedanzspektren werden wiederholt nacheinander aufgezeichnet und bezüglich darin enthaltener Informationen über die derzeitige Temperatur, die derzeitige Dehnung und auch den derzeitigen Ladezustand des Energiespeichers 2 ausgewertet. Mit diesen fortlaufend gewonnenen Informationen wird der Energiespeicher 2 bezüglich seiner Temperatur, seiner Dehnung und seines Ladezustands überwacht. Die Überwachung der Dehnung des Energiespeichers 2 bedeutet zugleich eine Überwachung der Dehnung der Struktur 3, in der er integriert ist. Die Ergebnisse der Überwachung werden auf einem Monitor 11 angezeigt. 1 shows a device very schematically 1 , in which an energy storage 2 for electrical energy in a structure 3rd is integrated so that it is in one dashed line 4th indicated load path of the structure 3rd lies. To the energy storage 2 is a power converter 5 for charging and discharging the energy storage 2 connected. The converter 5 here includes a bidirectional DC / DC converter 6th , a DC voltage intermediate circuit 7th and a bidirectional DC / AC converter 8th connected to an alternating current network 9 , for example, an on-board network of an aircraft is connected. The DC / DC converter 6th is controlled by a controller 10 controlled. The control 10 and the DC / DC converter 6th are also part of an institution 25th for carrying out the method according to the invention. The controller controls the implementation of the method according to the invention 10 the DC / DC converter 6th in such a way that it sends alternating voltages of different frequencies to the energy store 2 applies. The control 10 detects not only these alternating voltages, but also the currents flowing as a result of the applied alternating voltages and their relative phase to the alternating voltages. The controller uses this to determine the impedance spectra of the energy store 2 . Such impedance spectra are repeatedly recorded one after the other and with regard to information contained therein about the current temperature, the current expansion and also the current state of charge of the energy store 2 evaluated. With this continuously obtained information the energy storage 2 monitored with regard to its temperature, its elongation and its state of charge. Monitoring the expansion of the energy store 2 also means monitoring the expansion of the structure 3rd in which it is integrated. The results of the monitoring are shown on a monitor 11 displayed.

Bei dem in 2 in Form eines Blockdiagramms 12 illustrierten erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt ein wiederholtes Anlegen 13 von Wechselspannungen verschiedener Frequenzen an den Energiespeicher 2. Dabei findet ein Messen 14 der infolge der Wechselspannungen fließenden Ströme nach Stromstärke und Phase statt. Auf dieser Basis erfolgt ein Aufnehmen 15 von Impedanzspektren, an das sich ein Bestimmen 16 von Temperatur, Dehnung und Ladezustand des Energiespeichers 2 bzw. der Struktur 3, in die der Energiespeicher 2 eingebettet ist, aus den Impedanzspektren anschließt.The in 2 in the form of a block diagram 12th In the illustrated method according to the invention, repeated application takes place 13th of alternating voltages of different frequencies to the energy storage 2 . There is a measurement 14th of the currents flowing as a result of the alternating voltages according to current strength and phase. Recording takes place on this basis 15th of impedance spectra to which a determination is based 16 of temperature, expansion and state of charge of the energy storage 2 or the structure 3rd into which the energy storage 2 is embedded, connects from the impedance spectra.

3 zeigt ein Beispiel für den Einfluss einer mechanischen Last auf den Energiespeicher 2 für elektrische Energie, der in einen Faserverbund integriert ist und sich im Lastpfad 4 befindet. Dabei sind vier Messwertreihen 17 bis 20 dargestellt. Die oberste Messwertreihe 17 zeigt die Impedanzen des Energiespeichers unter Einwirken der mechanischen Last, die eine 0,5 % Dehnung der Struktur 3 mit dem integrierten Energiespeicher 2 hervorruft, für verschiedene Frequenzen an. Die Messwertreihe 18 gibt die Impedanz des Energiespeichers 2 ohne diese Dehnung wieder. Die beiden Messwertreihen 19 und 20 zeigen die relative Phase des von der angelegten Wechselspannung hervorgerufenen Stroms über denselben Frequenzbereich der angelegten Spannung mit und ohne Last. Bei der Phase ergibt sich durch die Dehnung, die die Impedanz über einen großen Frequenzbereich deutlich verändert, keine signifikante Verschiebung. 3rd shows an example of the influence of a mechanical load on the energy storage device 2 for electrical energy that is integrated in a fiber composite and located in the load path 4th is located. There are four series of measured values 17th to 20th shown. The top row of measured values 17th shows the impedances of the energy store under the action of the mechanical load, which causes a 0.5% elongation of the structure 3rd with the integrated energy storage 2 calls for different frequencies. The series of measured values 18th gives the impedance of the energy store 2 without this stretching again. The two series of measured values 19th and 20th show the relative phase of the current produced by the applied AC voltage over the same frequency range of the applied voltage with and without load. In the phase, there is no significant shift due to the expansion, which significantly changes the impedance over a large frequency range.

4 ist eine Auftragung der Impedanz desselben Energiespeichers 2, wie er 3 zugrunde liegt, für zwei verschiedene Temperaturen des Energiespeichers 2, ohne Einwirken einer Last. Die Messwertreihe 21 zeigt dabei die Impedanz des Energiespeichers 2 bei Raumtemperatur an, die Messwertreihe 22 die Impedanz bei 60° C. Mit der Impedanz ändert sich hier auch die Phase des durch die angelegten Wechselspannungen hervorgerufenen Stroms, wie die entsprechenden Messwertreihen 23 und 24 zeigen. So kann auch bei Erfassen der Impedanzspektren nur an wenigen Stützstellen, d. h. bei wenigen Frequenzen der angelegten Wechselspannung darauf rückgeschlossen werden, in wieweit die Änderung bei der Impedanz auf eine Änderung der Temperatur oder eine unterschiedliche Dehnung zurückzuführen ist. Zudem kann dabei der zeitliche Verlauf der Änderung der Impedanz berücksichtigt werden. Änderungen der Temperatur des Energiespeichers 2 können nicht mit so schneller Rate und so schnellem Vorzeichenwechsel erfolgen wie Änderungen der Dehnung des Energiespeichers 2, so dass höherfrequente Änderungen der Impedanz eher unterschiedlichen Dehnungen als Temperaturänderungen zugeordnet werden können. 4th is a plot of the impedance of the same energy store 2 , like him 3rd is based on, for two different temperatures of the energy storage 2 without being subjected to any load. The series of measured values 21 shows the impedance of the energy store 2 at room temperature, the series of measurements 22nd the impedance at 60 ° C. With the impedance, the phase of the current caused by the applied alternating voltages also changes here, as does the corresponding series of measured values 23 and 24 demonstrate. Thus, even when the impedance spectra are recorded only at a few support points, ie at a few frequencies of the applied alternating voltage, conclusions can be drawn as to the extent to which the change in impedance is due to a change in temperature or a different expansion. In addition, the change in impedance over time can be taken into account. Changes in the temperature of the energy store 2 cannot take place at such a rapid rate and as rapid a change in sign as changes in the expansion of the energy store 2 so that higher-frequency changes in impedance can be assigned to different strains rather than temperature changes.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtungcontraption
22
EnergiespeicherEnergy storage
33
Strukturstructure
44th
LastpfadLoad path
55
StromrichterPower converter
66th
DC/DC-WandlerDC / DC converter
77th
GleichspannungszwischenkreisDC voltage intermediate circuit
88th
DC/AC-WandlerDC / AC converter
99
WechselstromnetzAC network
1010
Steuerungcontrol
1111
Monitormonitor
1212th
BlockdiagrammBlock diagram
1313th
AnlegenInvest
1414th
Messenmeasure up
1515th
Aufnehmentake up
1616
BestimmenDetermine
1717th
Messwertreihe (Impedanz, mit Last)Series of measured values (impedance, with load)
1818th
Messwertreihe (Impedanz, ohne Last)Series of measured values (impedance, no load)
1919th
Messwertreihe (Phase, mit Last)Series of measured values (phase, with load)
2020th
Messwertreihe (Phase, mit Last)Series of measured values (phase, with load)
2121
Messwertreihe (Impedanz, Raumtemperatur)Series of measured values (impedance, room temperature)
2222nd
Messwertreihe (Impedanz, 60° C)Series of measured values (impedance, 60 ° C)
2323
Messwertreihe (Phase, Raumtemperatur)Series of measured values (phase, room temperature)
2424
Messwertreihe (Phase, 60° C)Series of measured values (phase, 60 ° C)
2525th
EinrichtungFacility

Claims (11)

Verfahren zum fortlaufenden Erfassen des Zustands einer Struktur (3), in die ein Energiespeicher (2) für elektrische Energie integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander mehrere Impedanzspektren des Energiespeichers (2) aufgenommen und hinsichtlich Dehnungen der Struktur (3) im Bereich des in die Struktur integrierten Energiespeichers (2) ausgewertet werden.Method for the continuous detection of the state of a structure (3) in which an energy store (2) for electrical energy is integrated, characterized in that several impedance spectra of the energy store (2) are recorded one after the other and with regard to expansions of the structure (3) in the area of the in the structure of the integrated energy store (2) can be evaluated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzspektren weiterhin hinsichtlich Temperaturen der Struktur im Bereich des in die Struktur (3) integrierten Energiespeichers (2) ausgewertet werden.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the impedance spectra are further evaluated with regard to temperatures of the structure in the area of the energy store (2) integrated into the structure (3). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzspektren über einen Frequenzbereich aufgenommen werden, der bei oder oberhalb von 100 µHz beginnt und der unterhalb von oder bei 1 MHz endet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the impedance spectra are recorded over a frequency range which begins at or above 100 µHz and which ends below or at 1 MHz. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (2) mindestens eine Batterie, einen Kondensator oder einen Superkondensator aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the energy store (2) has at least one battery, a capacitor or a super capacitor. Einrichtung (25) zum fortlaufenden Erfassen des Zustands einer Struktur, in die ein Energiespeicher (2) für elektrische Energie integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (25) dazu ausgebildet ist, nacheinander mehrere Impedanzspektren des Energiespeichers (2) aufzunehmen und hinsichtlich Dehnungen der Struktur (3) im Bereich des in die Struktur (3) integrierten Energiespeichers (2) auszuwerten.Device (25) for continuously detecting the state of a structure in which an energy store (2) for electrical energy is integrated, characterized in that the device (25) is designed to record several impedance spectra of the energy store (2) one after the other and with regard to expansion to evaluate the structure (3) in the area of the energy store (2) integrated into the structure (3). Einrichtung (25) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (25) dazu ausgebildet ist, die Impedanzspektren weiterhin hinsichtlich Temperaturen der Struktur (3) im Bereich des in die Struktur (3) integrierten Energiespeichers (2) auszuwerten.Device (25) according to Claim 5 , characterized in that the device (25) is designed to further evaluate the impedance spectra with regard to temperatures of the structure (3) in the area of the energy store (2) integrated into the structure (3). Einrichtung (25) nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (25) dazu ausgebildet ist, die Impedanzspektren über einen Frequenzbereich oberhalb von 100 MHz und unterhalb von 4 MHz aufzunehmen.Device (25) according to one of the Claims 5 and 6th , characterized in that the device (25) is designed to record the impedance spectra over a frequency range above 100 MHz and below 4 MHz. Einrichtung (25) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) in einen den Energiespeicher (2) ladenden und entladenden Stromrichter (5) integriert ist.Device (25) according to one of the Claims 5 to 7th , characterized in that the device (2) is integrated in a power converter (5) which charges and discharges the energy store (2). Vorrichtung (1) mit einer einen integrierten Energiespeicher (2) umfassenden Struktur (3) und mit einer an den Energiespeicher (2) angeschlossenen Einrichtung (25) nach einem der Ansprüche 5 bis 7.Device (1) with a structure (3) comprising an integrated energy store (2) and with a device (25) connected to the energy store (2) according to one of the Claims 5 to 7th . Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (2) mindestens eine Batterie, einen Kondensator oder einen Superkondensator aufweist.Device (1) according to Claim 9 , characterized in that the energy store (2) has at least one battery, a capacitor or a super capacitor. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (3) eine an den Energiespeicher (2) angebundene und/oder den Energiespeicher (2) teilweise ausbildende Faserverbundstruktur aufweist.Device (1) according to one of the Claims 9 and 10 , characterized in that the structure (3) has a fiber composite structure connected to the energy store (2) and / or partially forming the energy store (2).
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