DE102021207106A1

DE102021207106A1 - Device and method for monitoring an electrical storage device

Info

Publication number: DE102021207106A1
Application number: DE102021207106.6A
Authority: DE
Inventors: Naveen Kumar Soundararajan; Thorsten Kroker; Ingke-Christine Grau
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-07-06
Filing date: 2021-07-06
Publication date: 2023-01-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Überwachen eines elektrischen Speichers (2), der eine oder mehrere Speicherzellen (4_1-4_n) mit jeweils einer Anode (14) und einer Kathode (17) aufweist, mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie, mit einer ersten Einrichtung (5) zum Beaufschlagen der Anode (14) zumindest einer Speicherzelle (4_1-4_n) mit einem elektrischen Wechselsignal, mit einer zweiten Einrichtung (6) zum Erfassen einer durch das Wechselsignal erzeugten Reaktionssignal an der Kathode (17) derselben Speicherzelle (4_1-4_n) und zum Erfassen des erzeugten Wechselsignals an der Anode (14), und mit einer Steuereinrichtung (7), die dazu ausgebildet ist, die erste Einrichtung (5) anzusteuern und das durch die zweite Einrichtung (6) erfasste Reaktionssignal und Wechselsignal zur Impedanzspektroskopie zu empfangen und auszuwerten, wobei die zweite Einrichtung (6) zumindest ein Driftkompensationsmodul (15,16) aufweist.

The invention relates to a device (1) for monitoring an electrical storage device (2), which has one or more storage cells (4_1-4_n), each with an anode (14) and a cathode (17), by means of electrochemical impedance spectroscopy, with a first device (5) for applying an electrical alternating signal to the anode (14) of at least one storage cell (4_1-4_n), with a second device (6) for detecting a reaction signal generated by the alternating signal at the cathode (17) of the same storage cell (4_1-4_n ) and for detecting the alternating signal generated at the anode (14), and with a control device (7) which is designed to activate the first device (5) and the reaction signal and alternating signal detected by the second device (6) for impedance spectroscopy received and evaluated, the second device (6) having at least one drift compensation module (15,16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Speichers, der eine oder mehrere Speicherzellen mit jeweils einer Anode und einer Kathode aufweist, mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie.The invention relates to a device for monitoring an electrical storage device, which has one or more storage cells, each with an anode and a cathode, by means of electrochemical impedance spectroscopy.

Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen eines elektrischen Speichers, der eine oder mehrere Speicherzellen mit jeweils einer Anode und eine Kathode aufweist, mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie.Furthermore, the invention relates to a method for monitoring an electrical storage device, which has one or more storage cells each having an anode and a cathode, by means of electrochemical impedance spectroscopy.

Vorrichtungen und Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. So wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift US 2018/0203074 A1 eine Vorrichtung zur Durchführung einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie an einem Speicher mit mehreren elektrischen Speicherzellen beschrieben. Auch die Offenlegungsschriften US 2015/0030891 A1 und US 2020/0386820 beschäftigen sich mit dem Einsatz elektrochemischer Impedanzspektroskopie für die Überwachung von elektrischen Speichern mit mindestens einer Speicherzelle.Devices and methods of the type mentioned are already known from the prior art. For example, in the disclosure document U.S. 2018/0203074 A1 describes a device for performing an electrochemical impedance spectroscopy on a memory with a plurality of electrical storage cells. Also the disclosures US 2015/0030891 A1 and U.S. 2020/0386820 deal with the use of electrochemical impedance spectroscopy for monitoring electrical storage devices with at least one storage cell.

Das Überwachen des Zustands eines elektrischen Speichers im laufenden Betrieb ist grundsätzlich vorteilhaft und wird auch gesetzlich gefordert. Um ein drohendes thermisches Durchgehen (thermal runaway) zu erfassen, ist es bekannt, bestimmte Parameter, wie die elektrische Zellspannung, eine externe Temperatur, eine mechanische Ausdehnung sowie das Entstehen von Gasen, zu überwachen. Mithilfe dieser Parameter können unumkehrbare Redoxreaktionen in einer Speicherzelle erfasst werden. Bei einem thermischen Durchgehen steigt die Temperatur der Speicherzelle exponentiell an und kann zu einer Kettenreaktion führen, wenn benachbarte Speicherzellen durch die erhitzte Speicherzelle beschädigt und erhitzt werden. Mithilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie ist eine frühzeitige Erkennung eines drohenden thermischen Durchgehens möglich. Jedoch benötigen bisher bekannte Verfahren eine aufwändige Infrastruktur, da ein hoher Rechenaufwand notwendig ist, um beispielsweise die Qualität einer Impedanzspektroskopie mithilfe der Kramers-Kronig-Methode zu validieren. Insbesondere bei sogenannten Online-Messungen, also bei Messungen, die im laufenden Betrieb beziehungsweise in Echtzeit erfolgen sollen, ist die Durchführung derartiger Methoden bisher kaum zu bewältigen.Monitoring the status of an electrical storage device during operation is fundamentally advantageous and is also required by law. In order to detect an impending thermal runaway (thermal runaway), it is known to monitor certain parameters, such as the electrical cell voltage, an external temperature, mechanical expansion and the formation of gases. These parameters can be used to capture irreversible redox reactions in a memory cell. During a thermal runaway, the temperature of the memory cell increases exponentially and can lead to a chain reaction as neighboring memory cells are damaged and heated by the heated memory cell. With the help of electrochemical impedance spectroscopy, early detection of an impending thermal runaway is possible. However, previously known methods require a complex infrastructure, since a high computational effort is required, for example, to validate the quality of an impedance spectroscopy using the Kramers-Kronig method. In particular in the case of so-called online measurements, that is to say measurements which are to be carried out during operation or in real time, it has hitherto been almost impossible to carry out such methods.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Durchführung einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie zum Erfassen des Zustands einer Speicherzelle eines elektrischen Speichers im laufenden Betrieb des elektrischen Speichers, insbesondere im Kraftfahrzeug, zu ermöglichen.The present invention is therefore based on the object of enabling electrochemical impedance spectroscopy to be carried out to detect the state of a storage cell of an electrical storage device during ongoing operation of the electrical storage device, in particular in a motor vehicle.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese hat den Vorteil, dass eine elektrochemische Impedanzspektroskopie mit reduziertem Rechenaufwand und damit in Echtzeit oder nahezu Echtzeit durchführbar ist. Hierzu sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung vor, dass eine erste Einrichtung zum Beaufschlagen der Anode zumindest einer der Speicherzellen des Speichers mit einem elektrischen Wechselsignal, insbesondere Wechselspannung oder Wechselstrom, eine zweite Einrichtung zum Erfassen eines durch das Wechselsignal erzeugten Reaktionssignals an der Kathode derselben Speicherzelle und zum Erfassen des erzeugten Wechselsignals an der Anode, sowie eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die erste Einrichtung anzusteuern und das durch die zweite Einrichtung erfasste Reaktionssignal und Wechselsignal zur Impedanzspektroskopie zu empfangen und auszuwerten, vorhanden ist, wobei die zweite Einrichtung zumindest ein Driftkompensationsmodul aufweist. Durch das Berücksichtigen des an der Anode tatsächlich erzeugten Wechselsignals, oder auch Ist-Wechselsignal, sowie des an der Kathode erzeugten Reaktionssignal und mithilfe des vorteilhaften Driftkompensationsmoduls ist eine vorteilhafte Auswertung beziehungsweise Impedanzspektroskopie mit geringem Rechenaufwand gewährleistet.The object on which the invention is based is achieved by the device having the features of claim 1 . This has the advantage that an electrochemical impedance spectroscopy can be carried out with reduced computing effort and thus in real time or almost real time. For this purpose, the device according to the invention provides that a first device for applying an electrical alternating signal, in particular AC voltage or alternating current, to the anode of at least one of the storage cells of the storage device, a second device for detecting a reaction signal generated by the alternating signal at the cathode of the same storage cell and for detecting of the generated alternating signal at the anode, as well as a control device, which is designed to activate the first device and to receive and evaluate the reaction signal and alternating signal for impedance spectroscopy detected by the second device, is present, the second device having at least one drift compensation module. By taking into account the alternating signal actually generated at the anode, or also the actual alternating signal, as well as the reaction signal generated at the cathode and with the aid of the advantageous drift compensation module, an advantageous evaluation or impedance spectroscopy with little computing effort is ensured.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Driftkompensationsmodul einen Tiefpassfilter und einen Differenzverstärker auf. Hierdurch wird erreicht, dass unabhängig von einem Exponentialdrift oder Lineardrift ein Wechselsignal erhalten wird, das mit dem beaufschlagten Wechselsignal oder Erregungswechselsignal korrespondiert, das durch die erste Einrichtung bereitgestellt wird. Durch den Tiefpassfilter wird insbesondere ein Gleichspannungssignal erzeugt, das das elektrische Potenzial von der Anode und/oder der Kathode repräsentiert. Das Potenzial beeinflusst die Amplitude des Gleichspannungssignals, wodurch eine Gleichspannungsvorspannung zu dem Wechselspannungserregungssignal addiert wird, wodurch die Gleichspannungsvorspannung von der Gesamtreaktion der Speicherzelle beziehungsweise der Speicherzellenanschlüsse mithilfe des Differenzialverstärkers unterschieden wird, sodass ein Wechselspannungsreaktionssignal für das weitere Auswerten zur Verfügung gestellt wird.According to a preferred development of the invention, the drift compensation module has a low-pass filter and a differential amplifier. What is thereby achieved is that, independently of an exponential drift or linear drift, an alternating signal is obtained which corresponds to the applied alternating signal or excitation alternating signal that is provided by the first device. In particular, the low-pass filter generates a DC voltage signal that represents the electrical potential of the anode and/or the cathode. The potential affects the amplitude of the DC voltage signal, adding a DC voltage bias to the AC voltage excitation signal, whereby the DC voltage voltage is distinguished from the overall response of the memory cell or the memory cell terminals using the differential amplifier, so that an AC voltage response signal is provided for further evaluation.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Differenzverstärker einem Tiefpassfilter nachgeschaltet und mit der Anode verbunden ist. Dadurch wird durch den Differenzverstärker das tiefpassgefilterte Signal mit dem Wechselsignal verglichen, sodass die Differenzen der Signale verstärkt und der Auswertung zugeführt wird, wodurch eine vorteilhafte und zeitnahe Auswertung ermöglicht wird.Furthermore, it is preferably provided that the differential amplifier is connected downstream of a low-pass filter and connected to the anode. As a result, the low-pass filtered signal is compared with the alternating signal by the differential amplifier, so that the differences in the signals are amplified and fed to the evaluation, as a result of which an advantageous and timely evaluation is made possible.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen der ersten Einrichtung und der Anode eine Vorspannungsentfernereinheit, oder auch DC-Vorspannung-Entkopplungseinheit genannt, und zwischen der zweiten Einrichtung und der Steuereinrichtung eine Vorspannungsrückführeinheit geschaltet ist. Durch das Entfernen der Vorspannung ist eine vorteilhafte Erregung der Speicherzelle gewährleistet, durch das Hinzufügen einer Vorspannung im Reaktionssignal beziehungsweise -weg wird in vorteilhafter Weise ein Gleichspannungssignal zur Verfügung gestellt, das von einem Mikrokontroller, insbesondere einem Arduino, ausgewertet werden kann.Furthermore, it is preferably provided that a bias voltage remover unit, also called DC bias voltage decoupling unit, is connected between the first device and the anode, and a bias voltage feedback unit is connected between the second device and the control device. Removing the bias voltage ensures an advantageous excitation of the memory cell, adding a bias voltage in the reaction signal or path advantageously provides a DC voltage signal that can be evaluated by a microcontroller, in particular an Arduino.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die zweite Einrichtung für die Anode und für die Kathode jeweils ein Driftkompensationsmodul und eine Vorspannungsrückführungseinrichtung aufweist. Dadurch werden die Signale von Anode und Kathode unabhängig voneinander der Driftkompensation unterzogen und der Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt. Insbesondere ist die erste Einrichtung dazu ausgebildet, die Anoden mehrerer Speicherzellen mit der elektrischen Wechselspannung zu beaufschlagen oder es ist für jede Speicherzelle jeweils eine erste Einrichtung vorhanden.Furthermore, it is preferably provided that the second device has a drift compensation module and a bias voltage feedback device for the anode and for the cathode. As a result, the signals from the anode and cathode are subjected to drift compensation independently of one another and are made available to the control device. In particular, the first device is designed to apply the electrical AC voltage to the anodes of a plurality of storage cells, or a first device is provided for each storage cell.

Vorzugsweise weist die erste Einrichtung einen Digital-zu-Analog-Wandler auf und die zweite Einrichtung einen Analog-zu-Digital-Wandler. Hierdurch wird erreicht, dass die ansonsten digital arbeitende Steuereinrichtung vorteilhaft mit der jeweiligen Speicherzelle zusammenwirkt.The first device preferably has a digital-to-analog converter and the second device has an analog-to-digital converter. The result of this is that the control device, which otherwise operates digitally, advantageously interacts with the respective memory cell.

Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die Vorrichtung für jede Speicherzelle zumindest ein Driftkompensationsmodul aufweist. Insbesondere weist die Vorrichtung für jede Anode und jede Kathode jeder Speicherzelle jeweils ein Driftkompensationsmodul auf. Dadurch ergibt sich eine präzise und vorteilhafte Durchführung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Furthermore, it is preferably provided that the device has at least one drift compensation module for each memory cell. In particular, the device has a drift compensation module for each anode and each cathode of each storage cell. This results in a precise and advantageous implementation of the electrochemical impedance spectroscopy.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung für alle Speicherzellen des Energiespeichers eine gemeinsame Vorspannungsentfernereinheit auf. Dadurch wird die Anzahl der Bauteile der Vorrichtung und damit der Montage sowie der finanzielle Aufwand in vorteilhafter Weise reduziert.According to a preferred development of the invention, the device has a common bias voltage remover unit for all storage cells of the energy store. As a result, the number of components of the device and thus the assembly and the financial outlay are reduced in an advantageous manner.

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass die Anode zumindest einer der Speicherzellen mit einem elektrischen Wechselsignal beaufschlagt wird, das durch das Wechselsignal erzeugte Reaktionssignal an der Kathode derselben Speicherzelle sowie das an der Anode erzeugte Wechselsignal erfasst und zur Durchführung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie miteinander verglichen werden, wobei das erfasste Wechselsignal und/oder das Reaktionswechselsignal vor dem Vergleich einer Driftkompensation unterzogen werden. Es ergeben sich hierdurch die bereits genannten Vorteile.The method according to the invention with the features of claim 10 is characterized in that the anode of at least one of the storage cells is supplied with an electrical alternating signal, the reaction signal generated by the alternating signal at the cathode of the same storage cell and the alternating signal generated at the anode are detected and implemented electrochemical impedance spectroscopy are compared with one another, the detected alternating signal and/or the alternating reaction signal being subjected to drift compensation before the comparison. This results in the advantages already mentioned.

Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen

1 eine Vorrichtung zum Überwachen eines elektrischen Speichers in einer vereinfachten Darstellung,
2 die Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer detaillierteren Darstellung, und
3 die Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer detaillierteren Darstellung.

Further advantages and preferred features and feature combinations result in particular from what has been described above and from the claims. In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. to show

1 a device for monitoring an electrical storage device in a simplified representation,
2 the device according to a first exemplary embodiment in a more detailed representation, and
3 the device according to a further embodiment in a more detailed representation.

1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine vorteilhafte Vorrichtung 1 zum Überwachen eines elektrischen Energiespeichers 2, der vorliegend als Energiespeicher 2 eines Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Der Energiespeichers 2 weist ein Gehäuse 3 auf, in dem eine Vielzahl von elektrischen Speicherzellen 4_1,4_2 bis 4_n, wobei n einer natürlichen Zahl entspricht, angeordnet ist. Bei dem elektrischen Speicher 2 handelt es sich insbesondere um einen Lithiumionenspeicher beziehungsweise bei den Speicherzellen um Lithiumionenspeicherzellen. 1 shows a simplified representation of an advantageous device 1 for monitoring an electrical energy store 2, which is presently designed as an energy store 2 of a motor vehicle. The energy store 2 has a housing 3 in which a multiplicity of electrical storage cells 4_1, 4_2 to 4_n, where n corresponds to a natural number, are arranged. The electrical storage device 2 is in particular a lithium ion storage device or the storage cells are lithium ion storage cells.

Um den aktuellen Zustand der Energiespeichers 2 sowie seiner Speicherzellen 4_1 bis 4_n zu überwachen, ist die Vorrichtung 1 dazu ausgebildet, eine elektrochemische Impedanzspektroskopie durchzuführen. Dazu weist die Vorrichtung 1 eine erste Einrichtung 5 zum Erzeugen eines Wechselspannungssignals, insbesondere Wechselstrom- oder Wechselspannungssignal, auf, sowie eine zweite Einrichtung 6 zum Erfassen eines tatsächlich erzeugten (Ist-) Wechselsignals, insbesondere Wechselspannung, und eines Reaktionssignals, eines Stroms und/oder einer Phasendifferenz. Vergleichbar mit den bekannten Ladeverfahren zum Aufladen des elektrischen Speichers mit konstantem Strom oder konstanter Spannung, kann also das Erregersignal für die zu überwachende Speicherzelle entweder ein konstanter Strom (galvanostatische Methode) oder eine konstante Spannung (potentiostatische Methode) eingesetzt werden. Durch eine vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung 1 ist es möglich, diese mit mehreren der elektrischen Speicherzellen 4_1 bis 4_n, insbesondere mit allen Speicherzellen 4_1 bis 4_n zu verbinden, um eine Speicherzell-individuelle Impedanzspektroskopie durchzuführen.In order to monitor the current state of the energy store 2 and its storage cells 4_1 to 4_n, the device 1 is designed to carry out an electrochemical impedance spectroscopy. For this purpose, the device 1 has a first device 5 for generating an alternating voltage signal, in particular an alternating current or alternating voltage signal, and a second device 6 for detecting an actually generated (actual) alternating signal, in particular alternating current voltage, and a reaction signal, a current and/or a phase difference. Comparable to the known charging methods for charging the electrical storage device with constant current or constant voltage, the excitation signal for the storage cell to be monitored can be either a constant current (galvanostatic method) or a constant voltage (potentiostatic method). An advantageous embodiment of the device 1, it is possible Lich to connect them to several of the electrical storage cells 4_1 to 4_n, in particular to all storage cells 4_1 to 4_n, in order to carry out a memory cell-specific impedance spectroscopy.

Die Vorrichtung 1 weist dazu außerdem eine Steuereinrichtung 7 auf, die insbesondere einen Mikrokontroller, insbesondere Arduino, auf, der mit den Einrichtungen 5 und 6 verbunden ist, um insbesondere die Einrichtung 5 anzusteuern und die Signale der Einrichtung 6 zu empfangen und auszuwerten.For this purpose, the device 1 also has a control device 7, which in particular has a microcontroller, in particular Arduino, which is connected to the devices 5 and 6 in order to control the device 5 in particular and to receive and evaluate the signals from the device 6.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist jedem der Speicherzellen 4_1 bis 4_n jeweils eine derartige Vorrichtung 1 zugeordnet. Wobei gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel für alle Speicherzellen zusammen eine gemeinsame Steuereinrichtung 7 vorhanden ist.According to a first exemplary embodiment, one such device 1 is assigned to each of the memory cells 4_1 to 4_n. According to a further exemplary embodiment, a common control device 7 is present for all memory cells together.

2 zeigt die Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei welchem eine einzelne Speicherzelle 4 durch die Vorrichtung 1 überwacht wird. Die Steuereinrichtung 7 ist durch einen Digital-zu-Analog-Wandler 8 mit der Einrichtung 5 verbunden. Die Einrichtung 5 weist insbesondere eine Gleichstromquelle 9 auf sowie einen Operationsverstärker 10. Dem Digital-zu-Analog-Wandler 8 ist eine Vorspannungsentfernungseinheit 11, auch DC-Bias-Entfernungseinheit oder Entkopplungseinheit genannt, nachgeschaltet. Der Digital-zu-Analog-Wandler 8 ist dazu ausgebildet, als Gleichspannungssignalerzeuger 13 ein sinusförmliches Gleichspannungssignal dem Operationsverstärker 12 zuzuführen. Bei dem Digital-zu-Analog-Wandler 8 handelt es sich insbesondere um eine direkte digitale Syntheseeinheit, die einen direkten digitalen Frequenzsynthesizer (DDS) und einen Digitalanalogwandler (DAC) aufweist. 2 FIG. 1 shows the device 1 according to an embodiment in which a single memory cell 4 is monitored by the device 1. FIG. The control device 7 is connected to the device 5 by a digital-to-analog converter 8 . The device 5 has, in particular, a direct current source 9 and an operational amplifier 10. The digital-to-analog converter 8 is followed by a bias removal unit 11, also known as a DC bias removal unit or decoupling unit. The digital-to-analog converter 8 is designed to supply a sinusoidal DC voltage signal to the operational amplifier 12 as a DC voltage signal generator 13 . The digital-to-analog converter 8 is in particular a direct digital synthesis unit that has a direct digital frequency synthesizer (DDS) and a digital-to-analog converter (DAC).

Das Sinussignal wird mithilfe der Entkopplungseinheit 11 zu einem Wechselsignal konvertiert, das es ermöglicht, dass eine Wechselspannung auf die Anschlüsse, insbesondere die Anode der Speicherzelle 4, beaufschlagt wird.The sinusoidal signal is converted into an alternating signal with the aid of the decoupling unit 11, which makes it possible for an alternating voltage to be applied to the connections, in particular the anode of the memory cell 4.

Vorliegend ist also der Ausgang des Operationsverstärkers 10 beziehungsweise der Einrichtung 5 mit der Anode 14 der Speicherzelle 4 verbunden. Mit der Anode 14 ist außerdem auch ein Teil der Einrichtung 6 verbunden. Die Einrichtung 6 weist ein Driftkompensationsmodul 15 auf, das mit der Anode 14 verbunden ist, sowie ein Driftkombinationsmodul 16, das mit der Kathode 17 der Speicherzelle 4 verbunden ist.In the present case, therefore, the output of the operational amplifier 10 or of the device 5 is connected to the anode 14 of the memory cell 4 . A part of the device 6 is also connected to the anode 14 . The device 6 has a drift compensation module 15 which is connected to the anode 14 and a drift combination module 16 which is connected to the cathode 17 of the storage cell 4 .

Die Driftkompensationsmodule 15, 16 sind grundsätzlich gleich ausgebildet und weisen jeweils einen Tiefpassfilter 18 und einen Differenzverstärker 19 auf. Der Differenzverstärker 19 ist einmal durch den Tiefpassfilter 18 mit der Anode 14 beziehungsweise mit der Kathode 17 und einmal direkt mit der Anode 14 beziehungsweise mit der Kathode 17 verbunden, wie in 2 gezeigt. Der Ausgang des jeweiligen Differenzverstärkers 19 ist mit jeweils einer Vorspannungsrückführungseinrichtung 20 der Einrichtung 6 verbunden. Die Ausgänge der Vorspannungsrückführungseinrichtungen 20 sowie der Ausgang der Vorspannungsentfernereinheit 12 sind mit einem Analog-zu-Digital-Wandler 21 verbunden, der wiederum mit dem Mikrokontroller beziehungsweise der Steuereinrichtung 7 verbunden ist. Optional ist die Kathode 17 auch direkt mit der Steuereinrichtung 7 verbunden, wie in 2 gezeigt.The drift compensation modules 15, 16 are basically identical and each have a low-pass filter 18 and a differential amplifier 19. The differential amplifier 19 is connected once through the low-pass filter 18 to the anode 14 or to the cathode 17 and once directly to the anode 14 or to the cathode 17, as in FIG 2 shown. The output of the respective differential amplifier 19 is connected to a respective bias voltage feedback device 20 of the device 6 . The outputs of the bias voltage feedback devices 20 as well as the output of the bias voltage remover unit 12 are connected to an analog-to-digital converter 21 which in turn is connected to the microcontroller or the control device 7 . Optionally, the cathode 17 is also connected directly to the control device 7, as in 2 shown.

Die Ausgangsspannung der Speicherzelle 4 wird somit mittels des Differenzverstärkers 19 insbesondere durch eine Differenzrückkopplungsschleife ausgegeben. An dem Ausgang des Differenzialverstärkers liegt ein Wechselspannungssignal an. Weil der Analog-zu-Digital-Wandler 21, der insbesondere Teil der Steuervorrichtung 7 ist, Signale nur im Gleichspannungsbereich erfassen kann, hilft die Vorspannungsrückführungseinrichtung 20, das erfasste Signal in den Gleichspannungsbereich zurückzuführen. Das führt dazu, dass die Ausgangsspannung der Speicherzelle zurück in ein Gleichspannungssinuswellensignal konvertiert wird, das um die hinzugefügte Gleichspannung zentriert ist. Die Eingangsspannung wird dem Anschluss P1 des Analog-zu-Digital-Wandler 21 zugeführt, die der Driftkompensation unterzogenen Wechselsignale dem Anschluss P2 und P3. Durch Auswertung der an diesen drei Anschlüssen erfassten Signalen beziehungsweise Daten wird bevorzugt eine komplexe Impedanz (R1 ±jR2) durch den Mikrokontroller, insbesondere mithilfe einer diskreten Fourier Transformation und unter Berücksichtigung des ohmschen Gesetzes berechnet.The output voltage of the memory cell 4 is thus output by means of the differential amplifier 19, in particular through a differential feedback loop. An AC voltage signal is present at the output of the differential amplifier. Because the analog-to-digital converter 21, which in particular is part of the control device 7, can only detect signals in the DC domain, the bias feedback device 20 helps to return the detected signal to the DC domain. This results in the memory cell output voltage being converted back to a DC sine wave signal centered around the added DC voltage. The input voltage is fed to connection P1 of analog-to-digital converter 21, the alternating signals subjected to drift compensation to connection P2 and P3. By evaluating the signals or data recorded at these three connections, a complex impedance (R1±jR2) is preferably calculated by the microcontroller, in particular with the aid of a discrete Fourier transformation and taking into account Ohm's law.

Während der Überwachung oder des Prüfverfahrens werden die Signale durch den jeweiligen Tiefpassfilter 18 in ein Gleichspannungssignal gewandelt, das das elektrische Potenzial der Anode 14 beziehungsweise Kathode 17 wiedergibt. Das jeweilige Elektrodenpotenzial beeinflusst die Amplitude des Gleichspannungssignals, wodurch eine Vorspannung zu dem Wechselspannungserregungssignal hinzugefügt wird. Dadurch wird die Vorspannung von den erfassten Signalen (insbesondere erfasste Wechselspannung und Reaktionsspannung) unterschieden, um die Erregerwechselspannung und Reaktionssignale für die weitere Auswertung herauszufiltern.During the monitoring or the testing process, the signals are converted by the respective low-pass filter 18 into a DC voltage signal that reflects the electrical potential of the anode 14 or cathode 17. The respective electrode potential affects the amplitude of the DC signal, thereby adding a bias voltage to the AC excitation signal. This distinguishes the bias voltage from the sensed signals (particularly sensed AC voltage and response voltage) to filter out the excitation AC voltage and response signals for further evaluation.

Unabhängig von einem exponentiellen oder einem linearen Drift, der während einer Messung stattfinden kann, wird als Ausgangssignal ein Wechselspannungssignal bereitstellt, das nur mit dem Erregerwechselspannungssignal korrespondiert. Durch die vorteilhafte Integration des Driftkombinationsmoduls 15, 16 wird erreicht, dass die elektrochemische Impedanzspektroskopie auch durchführbar ist, wenn sich die Speicherzelle in einer transienten Phase befindet.Regardless of an exponential or a linear drift that can occur during a measurement, an AC voltage signal is provided as the output signal, which only corresponds to the excitation AC voltage signal. The advantageous integration of the drift combination module 15, 16 means that the electrochemical impedance spectroscopy can also be carried out when the storage cell is in a transient phase.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, dadurch unterscheidet, dass für jede der Speicherzellen 4_1 bis 4_n eine Auswerteschaltung, die zumindest jeweils die Einrichtung 5 zumindest teilweise, und 6 aufweist, vorgesehen ist. Dabei ist insbesondere die Einrichtung 5, zumindest teilweise für alle Auswerteschaltungen gemeinsam vorhanden. So ist insbesondere die Vorspannungsentfernungseinheit 12 allen Auswerteschaltungen vorgeschaltet. Für jede der Auswerteschaltungen weist der ADC-Anschluss beziehungsweise der Analog-zu-Digital-Wandler 21 jeweils die drei zuvor genannten Anschlüsse P1, P2, P3 auf. Wenn die Spannungsquelle, wie in 3 gezeigt, parallel zu den Auswerteschaltungen geschaltet ist, wird jeder Auswerteschaltung die gleiche Spannung bereitgestellt, sodass eine einzige Signalquelle (8 + 12) ausreicht, um eine Vielzahl von Speicherzellen für die elektrochemische Impedanzspektroskopie anzusteuern. Durch den Einsatz eines gemeinsamen Empfängerbausteins, wie vorliegend dem Analog-zu-Digital-Wandler 21, können die Ausgangssignale der mehreren Speicherzellen 4_1 bis 4_n gleichzeitig erfasst und ausgewertet werden, sodass eine Auswertung in Echtzeit gewährleistet ist. 3 1 shows a further exemplary embodiment which differs from the previous exemplary embodiment in that an evaluation circuit, which at least in each case at least partially has the device 5 and 6, is provided for each of the memory cells 4_1 to 4_n. In this case, in particular, device 5 is present, at least in part, jointly for all evaluation circuits. In particular, the bias removal unit 12 is connected upstream of all evaluation circuits. For each of the evaluation circuits, the ADC connection or the analog-to-digital converter 21 has the three aforementioned connections P1, P2, P3. If the voltage source, as in 3 shown, is connected in parallel to the evaluation circuits, each evaluation circuit is provided with the same voltage, so that a single signal source (8+12) is sufficient to drive a large number of storage cells for electrochemical impedance spectroscopy. By using a common receiver module, such as the analog-to-digital converter 21 in the present case, the output signals of the multiple memory cells 4_1 to 4_n can be recorded and evaluated simultaneously, so that evaluation in real time is ensured.

Bezugszeichenlistereference list

11: Vorrichtungcontraption
22: Energiespeicherenergy storage
33: GehäuseHousing
4_1 bis 4_n4_1 to 4_n: Speicherzellenstorage cells
55: Einrichtungfurnishings
66: Einrichtungfurnishings
77: Steuereinrichtungcontrol device
88th: Digital-zu-Analog-WandlerDigital to analog converter
99: Gleichstromquelledirect current source
1010: Operationsverstärkeroperational amplifier
1111: Vorspannungsentfernungseinheitbias removal unit
1212: Operationsverstärkeroperational amplifier
1313: Erzeugerproducer
1414: Anodeanode
1515: Driftkompensationsmoduldrift compensation module
1616: Driftkompensationsmoduldrift compensation module
1717: Kathodecathode
1818: Tiefpassfilterlow pass filter
1919: Differenzverstärkerdifferential amplifier
2020: Vorspannungsrückführungseinrichtungbias return device
2121: Analog-zu-Digital-WandlerAnalog to digital converter
P1P1: Anschlussconnection
P2p2: Anschlussconnection
P3P3: Anschlussconnection

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US20180203074A1 [0003]
US20150030891A1[0003]
US20200386820 [0003]

Claims

Device (1) for monitoring an electrical storage device (2), which has one or more storage cells (4_1-4_n), each with an anode (14) and a cathode (17), by means of electrochemical impedance spectroscopy, with a first device (5) for Applying an electrical alternating signal to the anode (14) of at least one storage cell (4_1-4_n), with a second device (6) for detecting a reaction signal generated by the alternating signal at the cathode (17) of the same storage cell (4_1-4_n) and for detecting the generated alternating signal at the anode (14), and with a control device (7) which is designed to activate the first device (5) and to receive and evaluate the reaction signal and alternating signal detected by the second device (6) for impedance spectroscopy, wherein the second device (6) has at least one drift compensation module (15,16).

device after claim 1 , characterized in that the drift compensation module (15,16) has a low-pass filter (18) and a differential amplifier (19).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the differential amplifier (19) is connected downstream of the low-pass filter (18) and to the anode (14).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that a bias voltage removal unit (11) is connected between the first device (5) and the anode (14) and a bias voltage recovery unit (20) is connected between the second device (6) and the control device (7). .

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the second device (6) for the anode (14) and for the cathode (17) each have a drift compensation module (15, 16) and a bias voltage feedback device (20).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the first device (5) has a digital-to-analog converter (8) and the second device (6) has an analog-to-digital converter (21).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device (1) has at least one drift compensation module (15, 16) for each storage cell (4_1-4_n).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device (1) has a common bias removal unit (11) for all storage cells (4_1-4_n) of an energy store (2).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device (1) has a bias voltage removal unit (11) and a bias voltage return unit for each memory cell (4_1-4_n).

Method for monitoring an electrical storage device, which has one or more storage cells (4_1-4_n), each with an anode (14) and a cathode (17), by means of electrochemical impedance spectroscopy, the anode (14) of at least one of the storage cells (4_1-4_n ) is subjected to an electrical alternating signal, a reaction signal generated by the alternating signal at the cathode (17) of the same storage cell (4_1-4_n) and the actual alternating signal generated at the anode (14) are recorded and compared with one another to carry out the electrochemical impedance spectroscopy, the detected actual alternating signal and/or the alternating reaction signal being subjected to drift compensation before the comparison.