DE102022202521A1 - Method for examining an electrochemical cell by electrochemical impedance spectroscopy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen einer elektrochemischen Zelle (100) durch eine elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS), aufweisend:- Aufprägen einer Frequenz (fi) auf ein Lastsignal (I, U) auf mindestens einem Segment (101) der elektrochemischen Zelle (100),- Erfassen einer Signalantwort (li, Ui) von der elektrochemischen Zelle (100),- Verändern der Frequenz (fi), um eine weitere Frequenz (fi+1) auf das Lastsignal (I, U) aufzuprägen und eine weitere Signalantwort (li+1, Ui+1) von dem Segment (101) der elektrochemischen Zelle (100) zu erhalten, wobei die oben genannten Schritte für einen bestimmten Frequenzbereich (df) durchgeführt werden,um eine Reihe an Signalantworten (I, U) für unterschiedliche Frequenzen (fi) in dem bestimmten Frequenzbereich (df) zu erhalten,- Zuordnen von Signalantworten (li, Ui) in der Reihe an Signalantworten (I, U) zu korrespondierenden Frequenzen (fi),- Bestimmen von Impedanzen (Z) für unterschiedliche Frequenzen (f) in dem bestimmten Frequenzbereich (df) in Abhängigkeit von korrespondierenden Signalantworten (li, Ui).The invention relates to a method for examining an electrochemical cell (100) by electrochemical impedance spectroscopy (EIS), comprising: imposing a frequency (fi) on a load signal (I, U) on at least one segment (101) of the electrochemical cell (100 ),- Detecting a signal response (li, Ui) from the electrochemical cell (100),- Changing the frequency (fi) in order to impose a further frequency (fi+1) on the load signal (I, U) and produce a further signal response ( li + 1, Ui + 1) from the segment (101) of the electrochemical cell (100), the above-mentioned steps being carried out for a certain frequency range (df) in order to obtain a series of signal responses (I, U) for different To obtain frequencies (fi) in the specific frequency range (df), - Assigning signal responses (li, Ui) in the series of signal responses (I, U) to corresponding frequencies (fi), - Determining impedances (Z) for different frequencies (f) in the specific frequency range (df) depending on corresponding signal responses (li, Ui).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen einer, insbesondere segmentierten, elektrochemischen Zelle, wie z. B. einer Brennstoffzelle, bspw. einer PEM-Brennstoffzelle, durch eine elektrochemische Impedanzspektroskopie bzw. mithilfe einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie. Ferner betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Computerprogrammprodukt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine korrespondierende Steuereinheit zum Durchführen eines entsprechenden Verfahrens. Zudem betrifft die Erfindung ein korrespondierendes Brennstoffzellensystem mit einer entsprechenden Steuereinheit.The invention relates to a method for examining a, in particular segmented, electrochemical cell, such as. B. a fuel cell, for example a PEM fuel cell, by electrochemical impedance spectroscopy or using electrochemical impedance spectroscopy. The invention further relates to a corresponding computer program product. The invention further relates to a corresponding control unit for carrying out a corresponding method. The invention also relates to a corresponding fuel cell system with a corresponding control unit.
Stand der TechnikState of the art
Elektrochemische Zellen, die z. B. in Brennstoffzellensystemen verwendet werden, sind grundsätzlich bekannt. Die elektrochemischen Zellen können bspw. als Brennstoffzellen, bspw. PEM-Brennstoffzellen, eng. „Proton Exchange Membrane Fuel Cells“ (PEMFC), ausgeführt sein. In Brennstoffzellensystemen werden die elektrochemischen Zellen zumeist in mehreren Lagen zu einem Stapel bzw. Stack zusammengestellt. Die elektrochemischen Zellen spielen eine zunehmend wichtiger werdende Rolle bei der Transformation des Mobilitätssektors in Richtung zu mehr Nachhaltigkeit. Der Automobilbetrieb von elektrochemischen Zellen ist sehr transient und beinhaltet signifikante räumliche Inhomogenitäten entlang der Strömungsrichtung einer einzelnen Zelle und durch die Schichten der Stacks hindurch. Die Optimierung des Zelldesigns und des Betriebs hin zu verbesserten Kosten, erhöhter Lebensdauer und verbesserter Leistung erfordert ein profundes Verständnis der räumlichzeitlichen Verteilung interner Zustände einer Zelle. Ein wichtiger interner Zustand, der kontrolliert werden muss, ist die Membranbefeuchtung. Dies kann nicht direkt in-situ gemessen werden, kann aber näherungsweise aus dem Membranwiderstand abgeleitet werden. Der Membranwiderstand kann bspw. mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) ermittelt werden. Lokale Untersuchungen einer elektrochemischen Zelle mittels der elektrochemischen Impedanzspektroskopie können sogar im stationären Betrieb der Zelle starke Inhomogenitäten bezüglich der Stromdichte und des Membranwiderstand entlang eines Strömungskanals der Reaktanten zeigen, die nur mittels segmentweise durchgeführter elektrochemischer Impedanzspektroskopie aufgedeckt werden können. Außerdem gibt es Ansätze, die den zeitlich aber nicht räumlich aufgelösten Membranwiderstand bei einer konstanten Untersuchungsfrequenz von bspw. 1 kHz betrachten. Diese Ansätze zeigten, dass ein zellgemittelter Membranwiderstand nur unzuverlässige Aussagen über die Membranfeuchte treffen können. Somit sind sowohl zeitlich als auch räumlich aufgelöste Membranwiderstands Akquisitionen erforderlich, um die Membranfeuchte unter automobilrelevantem Betrieb richtig zu beobachten.Electrochemical cells, e.g. B. used in fuel cell systems are basically known. The electrochemical cells can, for example, be used as fuel cells, for example PEM fuel cells. “Proton Exchange Membrane Fuel Cells” (PEMFC). In fuel cell systems, the electrochemical cells are usually assembled in several layers to form a stack. Electrochemical cells are playing an increasingly important role in the transformation of the mobility sector towards greater sustainability. Automotive operation of electrochemical cells is very transient and involves significant spatial inhomogeneities along the flow direction of a single cell and through the layers of the stack. Optimizing cell design and operations toward improved cost, increased lifetime, and improved performance requires a profound understanding of the spatiotemporal distribution of internal states of a cell. An important internal condition that must be controlled is membrane humidification. This cannot be measured directly in-situ, but can be approximately derived from the membrane resistance. The membrane resistance can be determined, for example, using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Local investigations of an electrochemical cell using electrochemical impedance spectroscopy can reveal strong inhomogeneities in current density and membrane resistance along a flow channel of the reactants, even during stationary operation of the cell, which can only be revealed using electrochemical impedance spectroscopy carried out in segments. There are also approaches that look at the temporally but not spatially resolved membrane resistance at a constant examination frequency of, for example, 1 kHz. These approaches showed that cell-averaged membrane resistance can only provide unreliable information about membrane moisture. Therefore, both temporally and spatially resolved membrane resistance acquisitions are required to correctly observe membrane moisture under automotive-relevant operation.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt vor: Ein Verfahren zum Untersuchen einer, insbesondere segmentierten, elektrochemischen Zelle, wie z. B. einer Brennstoffzelle, bspw. einer PEM-Brennstoffzelle, durch eine elektrochemische Impedanzspektroskopie bzw. mithilfe einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: Ein Computerprogrammprodukt mit den Merkmalen des unabhängigen Produktanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: Eine Steuereinheit mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem vierten Aspekt vor: Ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des nebengeordneten Vorrichtungsanspruches. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen und/oder Aspekten der Erfindung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen Ausführungsformen und/oder Aspekten und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Ausführungsformen und/oder Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.According to the first aspect, the present invention provides: A method for examining an, in particular segmented, electrochemical cell, such as. B. a fuel cell, for example a PEM fuel cell, by electrochemical impedance spectroscopy or using electrochemical impedance spectroscopy with the features of the independent method claim. According to the second aspect, the present invention provides: A computer program product with the features of the independent product claim. According to the third aspect, the present invention provides: A control unit with the features of the independent device claim. According to the fourth aspect, the present invention provides: A fuel cell system with the features of the independent device claim. Features and details that are described in connection with different embodiments and/or aspects of the invention naturally also apply in connection with the other embodiments and/or aspects and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual embodiments and/or aspects always is or can be mutually referenced.
Die Erfindung stellt bereit: ein Verfahren zum Untersuchen einer, insbesondere segmentierten, elektrochemischen Zelle, wie z. B. einer Brennstoffzelle, bspw. einer PEM-Brennstoffzelle, oder eines korrespondierenden Zellstapels durch eine elektrochemische Impedanzspektroskopie bzw. mithilfe einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie (kurz EIS).The invention provides: a method for examining an, in particular segmented, electrochemical cell, such as. B. a fuel cell, for example a PEM fuel cell, or a corresponding cell stack by electrochemical impedance spectroscopy or using electrochemical impedance spectroscopy (EIS for short).
Die elektrochemische Zelle (kann im Weiteren kurz als Zelle bezeichnet werden) kann bspw. eine PEM-Brennstoffzelle (PEMFC) oder eine andere elektrochemische Zelle (z. B. PEMEC, SOFC, SOEC, AEMFC, AEMEC, usw.) sein.The electrochemical cell (hereinafter referred to as a cell for short) can be, for example, a PEM fuel cell (PEMFC) or another electrochemical cell (e.g. PEMEC, SOFC, SOEC, AEMFC, AEMEC, etc.).
Das Verfahren weist folgende Schritte/Aktionen auf:
- - Aufprägen einer Frequenz auf ein Lastsignal auf mindestens einem Segment der elektrochemischen Zelle,
- - Erfassen einer Signalantwort von der elektrochemischen Zelle, insbesondere von dem Segment der elektrochemischen Zelle, insbesondere in Form von Informationen, die zur Erfassung der Impedanz notwendig oder nützlich sind (z.B. Strom- und/oder Spannungsantwort),
- - Verändern der Frequenz, um eine weitere Frequenz auf das Lastsignal aufzuprägen und eine weitere Signalantwort von dem Segment der elektrochemischen Zelle zu erhalten,
um eine Reihe an Signalantworten für unterschiedliche Frequenzen in dem bestimmten Frequenzbereich (z. B. mit einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 50 Hz) zu erhalten,
insbesondere bevor die Auswertung von Signalantworten beginnt,
- - Zuordnen von Signalantworten in der Reihe an Signalantworten zu korrespondierenden Frequenzen,
- - Bestimmen von Impedanzen für unterschiedliche Frequenzen in dem bestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit von korrespondierenden Signalantworten.
- - imposing a frequency on a load signal on at least one segment of the electrochemical cell,
- - Detecting a signal response from the electrochemical cell, in particular from the segment of the electrochemical cell, in particular in the form of information that is necessary or useful for detecting the impedance (e.g. current and/or voltage response),
- - changing the frequency to impose a further frequency on the load signal and to obtain a further signal response from the segment of the electrochemical cell,
to obtain a range of signal responses for different frequencies in the specific frequency range (e.g. with a frequency range of 10 kHz to 50 Hz),
especially before the evaluation of signal responses begins,
- - Assigning signal responses in the series of signal responses to corresponding frequencies,
- - Determining impedances for different frequencies in the specific frequency range depending on corresponding signal responses.
Die Vermessung von unterschiedlichen Frequenzen in dem bestimmten Frequenzbereich (z. B. mit einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 50 Hz) kann vorzugsweise unter einer Sekunde erfolgen. Erst danach kann die Auswertung der Signalantworten beginnen, die insbesondere das Zuordnen von Signalantworten in der Reihe an Signalantworten zu korrespondierenden Frequenzen und das Bestimmen von Impedanzen für unterschiedliche Frequenzen in dem bestimmten Frequenzbereich in Abhängigkeit von korrespondierenden Signalantworten umfasst.The measurement of different frequencies in the specific frequency range (e.g. with a frequency range of 10 kHz to 50 Hz) can preferably take place in less than one second. Only then can the evaluation of the signal responses begin, which in particular includes assigning signal responses in the series of signal responses to corresponding frequencies and determining impedances for different frequencies in the specific frequency range depending on corresponding signal responses.
Der Frequenzbereich, der vermessen wird, kann variabel eingestellt werden, z. B. von 10 kHz bis 50 Hz. Der Frequenzbereich, der vermessen wird, kann nach Bedarf verschoben, verkürzt oder verlängert werden.The frequency range that is measured can be set variably, e.g. B. from 10 kHz to 50 Hz. The frequency range that is measured can be shifted, shortened or extended as required.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass alle Frequenzen zuerst aufgeprägt und vermessen werden, bevor die Auswertung von Signalantworten beginnt. Auf diese Weise kann eine schnelle Abtastung von allen Frequenzen ermöglicht werden, bevor das vergleichsweise aufwendige Postprocessing beginnt. Insgesamt betrachtet kann das Verfahren in einer Zeit unter einer Sekunde durchgeführt werden.The idea behind the invention is that all frequencies are first impressed and measured before the evaluation of signal responses begins. In this way, a quick sampling of all frequencies can be made possible before the comparatively complex post-processing begins. Overall, the procedure can be carried out in less than a second.
Mithilfe der Erfindung wird somit ein diagnostisches Verfahren, sog. Rapid-and-Local-EIS-Verfahren (RaLo EIS), mithilfe der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) bereitgestellt, welches lokal sowie zeitlich aufgelöst ist und schnell, einfach und zuverlässig für transiente Bedingungen angewendet werden kann, um die elektrochemische Zelle zu untersuchen.With the help of the invention, a diagnostic method, so-called rapid and local EIS method (RaLo EIS), is provided using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), which is locally and temporally resolved and can be used quickly, easily and reliably for transient conditions can be used to examine the electrochemical cell.
Unter transienten Bedingungen können insbesondere solche Ereignisse im Betrieb der elektrochemischen Zelle verstanden werden, welche zu einer Änderung im internen Zustand der elektrochemischen Zelle führen, bspw. bei einem Lastwechsel, einer Temperaturänderung, insbesondere einer Kühlmitteltemperaturveränderung, einer Kühlmitteldurchflussänderung, einer Änderung der Stöchiometrie, einer Änderung der chemischen Zusammensetzung im Betrieb der elektrochemischen Zelle, usw. Transiente Ereignisse dauern eine vergleichsweise längere Zeit an, bspw. von mehreren Sekunden, als ein Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches unter einer Sekunde erfolgen kann.Transient conditions can in particular be understood to mean events in the operation of the electrochemical cell which lead to a change in the internal state of the electrochemical cell, for example in the event of a load change, a temperature change, in particular a coolant temperature change, a coolant flow change, a change in stoichiometry, a change the chemical composition in the operation of the electrochemical cell, etc. Transient events last a comparatively longer time, for example several seconds, than a run of the method according to the invention, which can take place under one second.
Aus den Impedanzspektren können anschließend unterschiedliche Parameter bestimmt werden, die den internen Zustand der elektrochemischen Zelle beschreiben können, wie z. B. den Membranwiderstand.Different parameters can then be determined from the impedance spectra that can describe the internal state of the electrochemical cell, such as: B. the membrane resistance.
Bei der EIS-Messung können Strom und Spannung kontinuierlich und zeitlich hochaufgelöst gemessen werden, ohne die Messung für eine Auswertung zu unterbrechen (ein Beenden und erneutes Starten des Messvorgangs dauert circa 30 ms). Während der andauernden Messung können alle gewünschten Frequenzen seriell auf die Zelle aufgeprägt und bspw. für mind. 2 Perioden gehalten werden. Nachdem alle gewünschten Frequenzen aufgeprägt wurden, kann die Messung beendet werden. Die Messzeit beträgt somit nur die Summe aus der Anzahl der jeweiligen Perioden geteilt durch die jeweiligen Frequenzen. In einer nachgelagerten und somit zeitlich von der Messung entkoppelten Prozedur der Auswertung können schließlich die Zeitserien für Strom und Spannung in Impedanzdaten (Amplitude und Phasenverschiebung) umgewandelt werden. Jedem Zeitpunkt der Zeitreihen wird die zugehörige Frequenz zugeordnet, sodass es für jede Frequenz eigene, abgeschlossene Spannungs- und Strom-Zeitreihen bereitgestellt werden. Im Anschluss können diese Zeitserien an die Sinuskurven der jeweiligen Frequenzen gefittet werden. Aus den beiden gefitteten Sinuskurven für die Strom- und Spannungs-Zeitreihen wird die Impedanz berechnet.With the EIS measurement, current and voltage can be measured continuously and with high temporal resolution without interrupting the measurement for evaluation (ending and restarting the measuring process takes around 30 ms). During the ongoing measurement, all desired frequencies can be impressed serially on the cell and, for example, held for at least 2 periods. After all the desired frequencies have been applied, the measurement can be ended. The measurement time is therefore only the sum of the number of respective periods divided by the respective frequencies. In a downstream evaluation procedure that is therefore temporally decoupled from the measurement, the time series for current and voltage can finally be converted into impedance data (amplitude and phase shift). Each time point in the time series is assigned the associated frequency, so that separate, completed voltage and current time series are provided for each frequency. These time series can then be fitted to the sine curves of the respective frequencies. The impedance is calculated from the two fitted sine curves for the current and voltage time series.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verfahren in allen Segmenten der, insbesondere segmentierten, elektrochemischer Zelle, vorzugsweise parallel und/oder gleichzeitig, durchgeführt wird, um für alle Segmente der segmentierten elektrochemischer Zelle entsprechende Impedanzen für unterschiedliche Frequenzen zu erhalten. Durch die Parallelisierung das Verfahrens und der Reduzierung der Messzeit können interne Veränderungen des Membranwiderstandes und Stromverteilung lokal und zeitlich aufgelöst beobachtet und analysiert werden.Furthermore, it can be provided that the method is carried out in all segments of the, in particular segmented, electrochemical cell, preferably in parallel and/or simultaneously, in order to obtain corresponding impedances for different frequencies for all segments of the segmented electrochemical cell. Through the By parallelizing the process and reducing the measurement time, internal changes in the membrane resistance and current distribution can be observed and analyzed locally and in a temporally resolved manner.
Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, dass das Verfahren nur global eingesetzt werden kann, um das transiente Verhalten einer Zelle oder eines Zellstapels als Ganzes zu untersuchen.In principle, it is also conceivable that the method can only be used globally to examine the transient behavior of a cell or a cell stack as a whole.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass beim Erfassen einer Signalantwort von der elektrochemischen Zelle, insbesondere von dem mindestens einem Segment der elektrochemischen Zelle:
- - eine Signalantwort für Strom durch das Segment der elektrochemischen Zelle, und
- - eine Signalantwort für Spannung an dem Segment der elektrochemischen Zelle
- - a signal response for current through the segment of the electrochemical cell, and
- - a signal response for voltage on the segment of the electrochemical cell
An der elektrochemischen Zelle kann dabei der Strom lokal für jedes Segment mittels Stromsensoren (z. B. Hall Sensoren, Shunt-Widerständen o. Ä.) erfasst werden. Das Verfahren kann mit allen bekannten Strom- und Spannungs-Sensoren bzw. Verfahren verwendet werden, die im erforderlichen Maße zeitlich aufgelöst sind. Das Verfahren kann mit einer globalen Spannungsmessung erfolgen. Zusätzlich kann die Zellspannung für jedes Segment individuell erfasst werden. Die lokale Spannungsmessung kann vorteilhaft sein, um nicht zur Zelle gehörige Impedanzen (z. B. Kabelbedingte Impedanzen) bei der Messung kompensieren zu können. Durch die direkte Messung von Strom und Spannung an den Segmenten kann die Qualität der gemessenen Impedanzen signifikant erhöht werden. Die Messung der Strom- und Spannungszeitreihen kann durch Messkanäle mit ausreichend hohen Abtastrate und/oder durch parallelisierte Messkanäle erfolgen, um eine möglichst geringe Messzeit für einen möglichst großen Frequenzbereich bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie zu ermöglichen.At the electrochemical cell, the current can be recorded locally for each segment using current sensors (e.g. Hall sensors, shunt resistors, etc.). The method can be used with all known current and voltage sensors or methods that are temporally resolved to the required extent. The procedure can be carried out with a global voltage measurement. In addition, the cell voltage can be recorded individually for each segment. The local voltage measurement can be advantageous in order to be able to compensate for impedances that do not belong to the cell (e.g. cable-related impedances) during the measurement. By directly measuring current and voltage on the segments, the quality of the measured impedances can be significantly increased. The current and voltage time series can be measured using measurement channels with sufficiently high sampling rates and/or through parallelized measurement channels in order to enable the shortest possible measurement time for the largest possible frequency range in electrochemical impedance spectroscopy.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass das Erfassen von Signalantworten für Strom an Segmenten der elektrochemischen Zelle über individuelle Stromausgänge erfolgt. Somit kann vorteilhafterweise segmentierte Abtastung der Zelle ermöglicht werden.Furthermore, it can be provided that the detection of signal responses for current on segments of the electrochemical cell takes place via individual current outputs. Segmented scanning of the cell can thus advantageously be made possible.
Zudem kann vorgesehen sein, dass das Erfassen von Signalantworten für Spannung an Segmenten der elektrochemischen Zelle über individuelle Spannungsausgänge oder über einen gemeinsamen Spannungsausgang erfolgt. Mithilfe von individuellen Spannungsausgänge können verbesserte Ergebnisse beim Bestimmen von Impedanzen erzielt werden. Mithilfe eines gemeinsamen Spannungsausgangs kann wiederum der Aufbau eines Diagnosetools zum Durchführen des Verfahrens, insbesondere Rapid-and-Local-EIS-Verfahren (RaLo EIS), vereinfacht werden.In addition, it can be provided that the detection of signal responses for voltage on segments of the electrochemical cell takes place via individual voltage outputs or via a common voltage output. Using individual voltage outputs, improved results when determining impedances can be achieved. With the help of a common voltage output, the construction of a diagnostic tool for carrying out the procedure, in particular Rapid and Local EIS procedures (RaLo EIS), can be simplified.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass das Aufprägen von unterschiedlichen Frequenzen auf ein Lastsignal auf Segmenten der elektrochemischen Zelle über einen gemeinsamen Eingang oder über individuelle Eingänge erfolgt. Mithilfe eines gemeinsamen Einganges kann der Aufbau eines Diagnosetools zum Durchführen des Verfahrens, insbesondere Rapid-and-Local-EIS-Verfahren (RaLo EIS), vereinfacht werden. Ein Aufbau mit individuellen Eingängen ist aber ebenfalls denkbar.It can also be provided that different frequencies are impressed on a load signal on segments of the electrochemical cell via a common input or via individual inputs. With the help of a common input, the construction of a diagnostic tool for carrying out the procedure, in particular Rapid and Local EIS procedures (RaLo EIS), can be simplified. However, a structure with individual inputs is also conceivable.
Ferner kann vorgesehen sein, dass Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist:
- - Bestimmen von mindestens einem Parameter der elektrochemischen Zelle in Abhängigkeit von den bestimmten Impedanzen für unterschiedliche Frequenzen.
- - Determining at least one parameter of the electrochemical cell depending on the specific impedances for different frequencies.
Der mindestens eine Parameter kann insbesondere einen Membranwiderstand (Rmem), einen Protonenwiderstand (Rp) in der Katalysatorschicht, einen Ladungstransferwiderstand (Rct) und eine sog. Doppelschichtkapazität (Cdl) umfassen. Mithilfe von diesen Parametern kann der interne Zustand der Zelle untersuchet werden. Aber auch andere Parameter, die zum Beschreiben des Innenzustandes der Zelle geeignet sind, und können von dem mindestens einen Parameter umfasst werden.The at least one parameter can in particular include a membrane resistance (Rmem), a proton resistance (Rp) in the catalyst layer, a charge transfer resistance (Rct) and a so-called double layer capacitance (Cdl). These parameters can be used to examine the internal state of the cell. But other parameters that are suitable for describing the internal state of the cell can also be included in the at least one parameter.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, für mindestens einen repräsentativen Frequenzbereich durchgeführt werden. Vorteilhafterweise können/kann in Abhängigkeit von den bestimmten Impedanzen für unterschiedliche Frequenzen in dem repräsentativen Frequenzbereich ein Startwert und/oder mindestens eine Fitgrenze zum Bestimmen von mindestens einem Parameter der elektrochemischen Zelle ermittelt werden.Advantageously, the method, which can proceed as described above, can be carried out for at least one representative frequency range. Advantageously, depending on the determined impedances for different frequencies in the representative frequency range, a starting value and/or at least one fit limit for determining at least one parameter of the electrochemical cell can be determined.
Mit dem oben beschriebenen Diagnoseverfahren, sog. Rapid-and-Local-EIS-Verfahren (RaLo EIS), ist es nun möglich, Impedanzspektren zeitlich und räumlich aufgelöst innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs zu messen. Die dadurch gewonnen Impedanzdaten werden am Ende des Verfahrens interpretiert, um Parameter der Zelle zu bestimmen, die ihren internen Zustand bezeichnen können, wie z. B. der Membranwiderstand. Ein bestimmter Frequenzbereich, z. B. zwischen 10 kHz und 50 Hz, welcher bei transienten Ereignissen innerhalb einer schnellen Durchlaufszeit von unter einer Sekunde abgetastet werden kann, kann im unteren Frequenzbereich unabgetastete Frequenzen aufweisen. Ein vollständiger Frequenzbereich, z. B. zwischen 10 kHz und 0,1 Hz, kann allerdings vorteilhaft sein, um die Bestimmung der Parameter, die den internen Zustand der Zelle beschreiben, mit einer erhöhten Genauigkeit durchzuführen.With the diagnostic method described above, the so-called Rapid and Local EIS method (RaLo EIS), it is now possible to measure impedance spectra with temporal and spatial resolution within a specified frequency range. The resulting impedance data is interpreted at the end of the procedure to determine parameters of the cell that can indicate its internal state, such as: B. the membrane resistance. A specific frequency range, e.g. B. between 10 kHz and 50 Hz, which can be sampled for transient events within a fast turnaround time of less than a second, unsampled frequencies in the lower frequency range have zen. A full frequency range, e.g. B. between 10 kHz and 0.1 Hz, however, can be advantageous in order to determine the parameters that describe the internal state of the cell with increased accuracy.
Mithilfe eines repräsentativen Ablaufes des Diagnoseverfahrens für einen erweiterten, vorzugsweise vollständigen Frequenzbereich, z. B. zwischen 10 kHz und 0,1 Hz, können Erkenntnisse gewonnen werden, die dazu genutzt werden können, das Diagnoseverfahren für schmalere Frequenzbereiche, z. B. zwischen 10 kHz und 50 Hz, zu verfeinern. Die Erkenntnisse können bspw. in Form von Startwerten und/oder Fitgrenzen für korrespondierende Impedanzmodelle bereitgestellt werden. Mithilfe von gezielt ermittelten Startwerten und/oder Fitgrenzen kann auch bei einem kleineren Frequenzbereich eine hohe Genauigkeit beim Bestimmten von Zellparametern erzielt werden, sodass die Messzeit reduziert werden kann aber die hohe Genauigkeit beibehalten wird. Somit ist es möglich, RaLo-EIS-Daten zuverlässig und schnell zu fitten und zu interpretieren. Auf diese Weise können sogar unvollständige Impedanzspektren, die orts- und zeitabhängig nach dem Diagnoseverfahren, sog. Rapid-and-Local-EIS-Verfahren (RaLo EIS), erhaltenen wurden, zuverlässig und schnell ausgewertet werden.Using a representative sequence of the diagnostic procedure for an extended, preferably complete frequency range, e.g. B. between 10 kHz and 0.1 Hz, insights can be gained that can be used to improve the diagnostic process for narrower frequency ranges, e.g. B. between 10 kHz and 50 Hz. The findings can be provided, for example, in the form of starting values and/or fit limits for corresponding impedance models. With the help of specifically determined starting values and/or fit limits, a high level of accuracy in determining cell parameters can be achieved even with a smaller frequency range, so that the measurement time can be reduced but the high level of accuracy is maintained. This makes it possible to fit and interpret RaLo-EIS data reliably and quickly. In this way, even incomplete impedance spectra that were obtained depending on location and time using the diagnostic method, the so-called Rapid and Local EIS method (RaLo EIS), can be evaluated reliably and quickly.
Ein solcher repräsentativer Ablauf des Diagnoseverfahrens kann vorteilhafterweise in den Momenten durchgeführt werden, wenn die Zelle in einem stationären Zustand betrieben wird, wenn bspw. keine Lastschwankungen zu erwarten sind, und/oder wenn die Rechenleistung sowie Zeit zur Verfügung stehen. Repräsentative Abläufe des Diagnoseverfahrens können bspw. vor und nach der RaLo-EIS-Messung durchgeführt werden und volle Impedanzspektren (EIS1 und EIS2, mit vollem Frequenzbereich von 10 kHz bis 0,1 Hz) liefern. An diese vollen Spektren kann dasselbe Impedanzmodell gefittet werden, welches auch für die RaLo-EIS-Daten verwendet wird. Aus den daraus resultierenden Ergebnissen können ferner Fitgrenzen und Startwerte für alle Fitprozeduren gewonnen werden. Mit diesen Fitgrenzen und Startwerden kann daraufhin ein zuverlässiges und schnelleres Fitten der RaLo-EIS-Daten ermöglicht werden.Such a representative sequence of the diagnostic method can advantageously be carried out at the moments when the cell is operated in a stationary state, for example when no load fluctuations are to be expected and/or when the computing power and time are available. Representative processes of the diagnostic procedure can, for example, be carried out before and after the RaLo-EIS measurement and provide full impedance spectra (EIS1 and EIS2, with the full frequency range from 10 kHz to 0.1 Hz). The same impedance model that is used for the RaLo-EIS data can be fitted to these full spectra. Fit limits and starting values for all fit procedures can also be obtained from the resulting results. These fit limits and starting values can then be used to enable reliable and faster fitting of the RaLo-EIS data.
Solche repräsentativen Abläufe des Diagnoseverfahrens kann weiterhin periodisch, ereignisgesteuert, insbesondere bei einem Start, bei einem stationären Betrieb, beim Abstellen der elektrochemischen Zelle, usw., und/oder vorausschauend, insbesondere in Abhängigkeit von Wetterdaten, Navigationsdaten, Kalenderdaten, Benutzereinstellungen usw., durchgeführt werden. Auf diese Weise können erweiterte Erkenntnisse gewonnen werden, die dazu genutzt werden können, das Diagnoseverfahren noch weitere zu verfeinern.Such representative processes of the diagnostic method can also be carried out periodically, event-controlled, in particular during a start, during stationary operation, when switching off the electrochemical cell, etc., and/or in a forward-looking manner, in particular depending on weather data, navigation data, calendar data, user settings, etc become. In this way, additional insights can be gained that can be used to further refine the diagnostic process.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Startwert als eine Funktion, insbesondere als ein Mittelwert, von mindestens einem (oder mehreren) bestimmten Parameter(n) festgelegt wird. Auf diese Weise kann einfach und schnell ein geeigneter Startpunkt für das Fitting der RaLo-EIS-Daten ermittelt werden, der das Auswerten von Daten noch schneller macht.Furthermore, it can be provided that the starting value is defined as a function, in particular as an average, of at least one (or more) specific parameter(s). In this way, a suitable starting point for fitting the RaLo-EIS data can be determined quickly and easily, which makes evaluating data even faster.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Fitgrenze in Abhängigkeit von mindestens einem Mittelwert zum Bestimmen von mindestens einem Parameter festgelegt wird. Auf diese Weise können einfach und schnell geeignete Fitgrenzen zum Auswerten von RaLo-EIS-Daten ermittelt werden, wodurch die Analyse der Daten schnell und zuverlässig erfolgen kann.In addition, it can be provided that the at least one fit limit is determined depending on at least one mean value for determining at least one parameter. In this way, suitable fit limits for evaluating RaLo-EIS data can be determined quickly and easily, which means that the data can be analyzed quickly and reliably.
Mit den gewonnen Fitgrenzen und Startwerten kann anschließend der Fit für die RaLo-EIS-Daten gemäß dem ausgesuchten Fitmodell vollzogen werden. Für diesen Schritt können diverse Impedanzmodelle, Kostenfunktionen und/oder verschiedene Minimierungsalgorithmen verwendet werden. Auch ist eine Unterteilung der Messstrecke denkbar, sodass die Messzeit in kürzere Abschnitte unterteilt wird, zwischen denen immer ein voller EIS-Datensatz aufgenommen wird und in die Berechnung von Fitgrenzen und Startwerten miteingeht. Auch könnten die Startwerte und Fitgrenzen nach unterschiedlichen Regeln berechnet werden. Durch die Startwerte und die Fitgrenzen kann sichergestellt werden, dass jeder Parameter in realistischen Grenzen bleibt, dass der Suchraum je Parameter verkleinert und somit die Rechenzeit verkürzt wird und das Optimum des Fits schnell gefunden wird.With the fit limits and starting values obtained, the fit for the RaLo-EIS data can then be carried out according to the selected fit model. Various impedance models, cost functions and/or various minimization algorithms can be used for this step. It is also conceivable to divide the measuring section so that the measuring time is divided into shorter sections, between which a full EIS data set is always recorded and is included in the calculation of fit limits and starting values. The starting values and fit limits could also be calculated according to different rules. The starting values and the fit limits can be used to ensure that each parameter remains within realistic limits, that the search space for each parameter is reduced and thus the calculation time is shortened and that the optimum fit is found quickly.
Das Verfahren, welches wie oben beschrieben ablaufen kann, kann auf eine voreilhafte Weise, bei einem transienten Ereignis im Betrieb der elektrochemischen Zelle durchgeführt wird, um mindestens ein Parameter der elektrochemischen Zelle bei dem transienten Ereignis zu untersuchen. Ein transientes Ereignis kann dabei als ein Ereignis bestimmt werden, welches zu einer Änderung im internen Zustand der elektrochemischen Zelle führt, bspw. bei einem Lastwechsel, einer Temperaturänderung, einer Änderung der Stöchiometrie, einer Änderung der chemischen Zusammensetzung im Betrieb der elektrochemischen Zelle. Ein solches transientes Ereignis dauert zumeist eine längere Zeit, bspw. eine mehrfache Zeit, an als ein Durchlauf eines Diagnoseverfahrens, sog. Rapid-and-Local-EIS-Verfahren (RaLo EIS).The method, which can proceed as described above, can be carried out in a preliminary manner, upon a transient event in the operation of the electrochemical cell, in order to examine at least one parameter of the electrochemical cell during the transient event. A transient event can be defined as an event that leads to a change in the internal state of the electrochemical cell, for example during a load change, a temperature change, a change in stoichiometry, a change in the chemical composition during operation of the electrochemical cell. Such a transient event usually lasts for a longer time, for example a multiple time, than a run of a diagnostic procedure, so-called Rapid and Local EIS procedure (RaLo EIS).
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt vor: ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogrammprodukts durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren durchzuführen, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukts werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.According to the second aspect, the present invention provides: a computer program product comprising instructions which, when the computer program product is executed by a computer, cause the computer to carry out a method, which can proceed as described above. With the help of the computer program product according to the invention, the same advantages are achieved that were described above in connection with the method according to the invention. These advantages are fully referenced here.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem dritten Aspekt vor: eine Steuereinheit, aufweisend eine Recheneinheit und eine Speichereinheit, in welcher ein Code hinterlegt ist, welcher bei zumindest teilweiser Ausführung durch die Recheneinheit ein Verfahren durchführt, welches wie oben beschrieben ablaufen kann. Mithilfe der erfindungsgemäßen Steuereinheit werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.According to the third aspect, the present invention provides: a control unit, comprising a computing unit and a storage unit in which a code is stored which, when at least partially executed by the computing unit, carries out a method which can run as described above. With the help of the control unit according to the invention, the same advantages are achieved that were described above in connection with the method according to the invention. These advantages are fully referenced here.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem vierten Aspekt vor: ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Steuereinheit, welche wie oben beschrieben ausgeführt werden kann. Mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.The present invention provides according to the fourth aspect: a fuel cell system comprising a control unit which can be implemented as described above. With the help of the fuel cell system according to the invention, the same advantages are achieved that were described above in connection with the method according to the invention. These advantages are fully referenced here.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:Preferred embodiments:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 einen beispielhaften Aufbau für eine Strom und Spannungsmessung bei einer Impedanzmessung, -
2 einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens im Rahmen der vorliegenden Offenbarung (b) im Vergleich zu einem herkömmlichen Ablauf einer Impedanzmessung (a), und -
3 einen beispielhaften Ablauf eines Verfahrens für verlässliches Fitten von RaLo-EIS-Daten.
-
1 an exemplary setup for a current and voltage measurement during an impedance measurement, -
2 an exemplary sequence of a method within the scope of the present disclosure (b) in comparison to a conventional sequence of an impedance measurement (a), and -
3 an exemplary sequence of a procedure for reliable fitting of RaLo-EIS data.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.In the different figures, the same parts of the invention are always provided with the same reference numerals, which is why they are generally. d. R. can only be described once.
Die
Die elektrochemische Zelle 100 oder kurz benannt Zelle kann eine PEM-Brennstoffzelle (PEMFC) oder eine andere elektrochemische Zelle (z. B. PEMEC, SOFC, SOEC, AEMFC, AEMEC, usw.) sein. Die elektrochemische Zelle 100 kann mindestens ein oder mehrere Segmente 101 aufweisen.The
Das Verfahren 300 weist folgende Schritte/Aktionen auf:
- 301 Aufprägen einer Frequenz fi auf ein Lastsignal I, U auf mindestens einem
Segment 101der elektrochemischen Zelle 100, - 302 Erfassen einer Signalantwort Ii, Ui von der elektrochemischen Zelle 100, insbesondere
von dem Segment 101der elektrochemischen Zelle 100, insbesondere in Form von Informationen, die zur Erfassung der Impedanz notwendig oder nützlich sind (z.B. Strom- und/oder Spannungsantwort),
- 303 Verändern der Frequenz fi, um eine weitere Frequenz fi+1 auf das Lastsignal I, U aufzuprägen und eine weitere Signalantwort li+1, Ui+1
von dem Segment 101 der elektrochemischen Zelle 100 zu erhalten,
um eine Reihe 304 an Signalantworten I, U für unterschiedliche Frequenzen fi in dem bestimmten Frequenzbereich df z. B. mit einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 50 Hz zu erhalten.The
- 301 imposing a frequency fi on a load signal I, U on at least one
segment 101 of theelectrochemical cell 100, - 302 Detecting a signal response Ii, Ui from the
electrochemical cell 100, in particular from thesegment 101 of theelectrochemical cell 100, in particular in the form of information that is necessary or useful for detecting the impedance (e.g. current and/or voltage response),
- 303 changing the frequency fi in order to impose a further frequency fi+1 on the load signal I, U and to obtain a further signal response li+1, Ui+1 from the
segment 101 of theelectrochemical cell 100,
around a series 304 of signal responses I, U for different frequencies fi in the specific frequency range df z. B. with a frequency range of 10 kHz to 50 Hz.
Die aufgeprägten Frequenzen fi können bspw. für mind. 2 Perioden gehalten werden.The impressed frequencies fi can, for example, be held for at least 2 periods.
Die zuvor genannten Schritte, die zur Vermessung 301 bis 303 von unterschiedlichen Frequenzen fi in dem bestimmten Frequenzbereich df dienen, können vorzugsweise vor der Auswertung 305, 306 von Signalantworten I, U durchgeführt werden.The aforementioned steps, which serve to measure 301 to 303 different frequencies fi in the specific frequency range df, can preferably be carried out before the
Die Auswertung von Signalantworten I, U weist folgende Schritte/Aktionen auf:
- 305 Zuordnen von Signalantworten Ii, Ui in der Reihe an Signalantworten I, U zu korrespondierenden Frequenzen fi,
- 306 Bestimmen von Impedanzen Z für unterschiedliche Frequenzen f in dem bestimmten Frequenzbereich df in Abhängigkeit von korrespondierenden Signalantworten Ii, Ui.
- 305 Assigning signal responses Ii, Ui in the series of signal responses I, U to corresponding frequencies fi,
- 306 Determination of impedances Z for different frequencies f in the specific frequency range df depending on corresponding signal responses Ii, Ui.
Die Impedanzen Z für unterschiedliche Frequenzen f können ebenfalls als Impedanzspektren bezeichnet werden.The impedances Z for different frequencies f can also be referred to as impedance spectra.
Die Vermessung 301 bis 303 kann bspw. für einen Frequenzbereich von 10 kHz bis 50 Hz durchgeführt werden. Die Vermessung 301 bis 303 kann somit unter einer Sekunde erfolgen. Die Schritte für die Vermessung 301 bis 303 sind in
Erst danach kann die Auswertung 305, 306 der Signalantworten I, U aus der Reihe 304 an Signalantworten I, U beginnen. Die Schritte für die Auswertung 305, 306 sind in
Der bestimmte Frequenzbereich df, der vermessen wird, kann variabel eingestellt werden, bspw. von 10 kHz bis 50 Hz, und nach Bedarf verschoben, verkürzt oder verlängert werden. Der bestimmte Frequenzbereich df ist in der
Wie es die
Dabei wird der Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren 300 (vgl.
Wie es die
Im Gegensatz dazu weist das erfindungsgemäße Verfahren 300 nur einen Durchlauf N = 1 zum Vermessen 301 bis 303 von allen Frequenzen fi = f1, f2, f3, ... auf. Auf diese Weise kann eine schnelle Messung auf allen Frequenzen fi = f1, f2, f3, ... ermöglicht werden, bevor die vergleichsweise aufwendige Auswertung 305, 306 beginnt.In contrast, the
Die Messzeit beträgt somit nur die Summe aus der Anzahl der jeweiligen Perioden geteilt durch die jeweiligen Frequenzen fi. In einer nachgelagerten und somit zeitlich von der Messung entkoppelten Prozedur der Auswertung 305, 306 können schließlich die Zeitserien für Strom I und Spannung U in Impedanzdaten (Amplitude und Phasenverschiebung) umgewandelt werden.The measurement time is therefore only the sum of the number of the respective periods divided by the respective frequencies fi. In a
Mithilfe der Erfindung kann somit ein diagnostisches Verfahren, sog. Rapid-and-Local-EIS-Verfahren (RaLo EIS), bereitgestellt werden, welches lokal sowie zeitlich aufgelöst ist und welches schnell, einfach und zuverlässig für transiente Bedingungen im Betrieb der elektrochemischen Zelle 100 angewendet werden kann, um die internen Parameter P der Zelle 100 zu untersuchen.With the help of the invention, a diagnostic method, so-called rapid and local EIS method (RaLo EIS), can be provided, which is locally and temporally resolved and which is quick, simple and reliable for transient conditions in the operation of the
Unter transienten Bedingungen können jegliche Änderungen im internen Zustand der elektrochemischen Zelle 100 subsummiert werden, bspw. Lastwechsel, Temperaturänderungen, insbesondere Kühlmitteltemperaturveränderungen, Kühlmitteldurchflussänderungen, Änderungen der Stöchiometrie, Änderungen der chemischen Zusammensetzung usw. Transiente Ereignisse dauern eine längere Zeit an, bspw. eine mehrfache Zeit von mehreren Sekunden, z. B. eine 10fache Zeit, bspw. 10 Sekunden, als ein Durchlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens 300, welches unter einer Sekunde erfolgen kann.Under transient conditions, any changes in the internal state of the
Aus den Impedanzspektren aus dem Schritt 306 können anschließend in Schritt 307 unterschiedliche Parameter P bestimmt werden, die den internen Zustand der elektrochemischen Zelle 100 beschreiben können, bspw.:
- - Membranwiderstand Rmem,
- - Protonenwiderstand Rp in der Katalysatorschicht,
- - Ladungstransferwiderstand Rct, und/oder
- - Doppelschichtkapazität Cdl usw.
- - membrane resistance Rmem,
- - proton resistance Rp in the catalyst layer,
- - Charge transfer resistance Rct, and/or
- - Double layer capacity Cdl etc.
Wie es die
Weiterhin deutet die
- - eine Signalantwort Ii für Strom I
durch das Segment 101der elektrochemischen Zelle 100, und - - eine Signalantwort Ui für Spannung U an
dem Segment 101 der elektrochemischen Zelle 100
- - a signal response Ii for current I through the
segment 101 of theelectrochemical cell 100, and - - a signal response Ui for voltage U on the
segment 101 of theelectrochemical cell 100
Des Weiteren deutet die
Zudem deutet die
Außerdem deutet die
Ferner deutet die
Mit dem oben beschriebenen Verfahren 300, sog. Rapid-and-Local-EIS RaLo EIS, entwickelt. RaLo EIS, ist es nun möglich, Impedanzspektren zeitlich und räumlich aufgelöst innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs df zu messen. Die dadurch gewonnen Impedanzdaten Z werden am Ende des Verfahrens 300 interpretiert, um Parameter P der Zelle 100 zu bestimmen, die für den internen Zustand der Zelle 100 spezifisch sein können, wie z. B. der Membranwiderstand. Ein bestimmter Frequenzbereich, z. B. zwischen 10 kHz und 50 Hz, welcher bei transienten Ereignissen innerhalb einer schnellen Durchlaufszeit von unter einer Sekunde abgetastet werden kann, kann im unteren Frequenzbereich unabgetastete Frequenzen aufweisen. Ein vollständiger Frequenzbereich, z. B. zwischen 10 kHz und 0,1 Hz, kann allerdings vorteilhaft sein, um die Bestimmung der Parameter, die den internen Zustand der Zelle beschreiben, mit einer erhöhten Genauigkeit durchzuführen.Developed using the
Mithilfe eines repräsentativen Ablaufes des Diagnoseverfahrens 300(df1, df2) für einen erweiterten, vorzugsweise vollständigen Frequenzbereich df1, df2, z. B. zwischen 10 kHz und 0,1 Hz, können Erkenntnisse gewonnen werden, die dazu genutzt werden können, das Diagnoseverfahren 300 für schmalere Frequenzbereiche df, z. B. zwischen 10 kHz und 50 Hz., zu verfeinern. Die Erkenntnisse können bspw. in Form von Startwerten Pstart und/oder Fitgrenzen P1, P2 für korrespondierende Impedanzmodelle bereitgestellt werden, um bei einem kleineren Frequenzbereich eine schnelle und effiziente Bestimmung von Zellparametern zu ermöglichen. von Startwerten Pstart und/oder Fitgrenzen P1, P2ist es möglich, RaLo-EIS-Daten zuverlässig und schnell zu fitten und zu interpretieren. Auf diese Weise können sogar unvollständige Impedanzspektren, die orts- und zeitabhängig nach dem Diagnoseverfahren, sog. Rapid-and-Local-EIS RaLo EIS, erhaltenen wurden, zuverlässig und schnell analysiert werden.Using a representative sequence of the diagnostic method 300 (df1, df2) for an extended, preferably complete frequency range df1, df2, e.g. B. between 10 kHz and 0.1 Hz, insights can be gained that can be used to develop the
Ein solcher repräsentativer Ablauf des Diagnoseverfahrens 300 (df1, df2) kann vorteilhafterweise in den Momenten durchgeführt werden, wenn die Zelle 100 in einem stationären Zustand betrieben wird, wenn bspw. keine Lastschwankungen zu erwarten sind, und/oder wenn die Rechenleistung sowie Zeit zur Verfügung stehen.Such a representative sequence of the diagnostic method 300 (df1, df2) can advantageously be carried out at the moments when the
Repräsentative Abläufe des Diagnoseverfahrens können bspw. vor und nach der RaLo-EIS-Messung durchgeführt werden und volle Impedanzspektren (EIS1 und EIS2, mit vollem Frequenzbereich von 10 kHz bis 0,1 Hz) liefern.Representative processes of the diagnostic procedure can, for example, be carried out before and after the RaLo-EIS measurement and provide full impedance spectra (EIS1 and EIS2, with the full frequency range from 10 kHz to 0.1 Hz).
Solche repräsentativen Abläufe des Diagnoseverfahrens kann weiterhin periodisch, ereignisgesteuert, insbesondere bei einem Start, bei einem stationären Betrieb, beim Abstellen der elektrochemischen Zelle 100, usw., und/oder vorausschauend, insbesondere in Abhängigkeit von Wetterdaten, Navigationsdaten, Kalenderdaten, Benutzereinstellungen usw., durchgeführt werden.Such representative sequences of the diagnostic method can also be periodic, event-controlled, in particular during a start, during stationary operation, when switching off the
Des Weiteren zeigt die
Zudem kann die mindestens eine Fitgrenze P1, P2 in Abhängigkeit von mindestens einem Mittelwert (P1mittel(EIS1) + P2mittel(EIS2))/2 zum Bestimmen von mindestens einem Parameter P festgelegt werden.In addition, the at least one fit limit P1, P2 can be determined depending on at least one mean value (P1mean(EIS1) + P2mean(EIS2))/2 for determining at least one parameter P.
Bei einem Beispiel von zwei repräsentativen Abläufen von Diagnoseverfahren 300 (df1, df2) bzw. EIS1 und EIS2können für jeden der Parameter (P = Rmem, Rp, Rct, Cdl) des Impedanzmodells Schritte durchgeführt werden:
- 1) Der Mittelwert aus P1mittel(EIS1) und P2mittel(EIS2) kann als Startwert Pstart bestimmt werden,
- 2) Ferner kann ein ΔP berechnet werden, bspw. gleich einem Teil, z. B.10% oder 5%, der Differenz zwischen P1mittel(EIS1) und P2mittel(EIS2),
- 3) Ein Minimum aus den beiden Parametern P1mittel(EIS1) und P2mittel(EIS2) minus ΔP kann bspw. als eine untere Fitgrenze P1 für den Parameter P festgelegt werden.
- 4) Ein Maximum aus den beiden Parametern P1mittel(EIS1) und P2mittel(EIS2) plus ΔP kann als eine obere Fitgrenze P2 für den Parameter P festgelegt werden.
- 1) The mean value of P1mean(EIS1) and P2mean(EIS2) can be determined as the starting value Pstart,
- 2) Furthermore, a ΔP can be calculated, for example equal to a part, e.g. B.10% or 5%, the difference between P1average(EIS1) and P2average(EIS2),
- 3) A minimum of the two parameters P1mean(EIS1) and P2mean(EIS2) minus ΔP can, for example, be set as a lower fit limit P1 for the parameter P.
- 4) A maximum of the two parameters P1mean(EIS1) and P2mean(EIS2) plus ΔP can be set as an upper fit limit P2 for the parameter P.
Mit den gewonnen Fitgrenzen P1, P2 und Startwerten Pstart kann anschließend der Fit für die RaLo-EIS-Daten gemäß dem ausgesuchten Fitmodell vollzogen werden. Für diesen Schritt können diverse Impedanzmodelle, Kostenfunktionen und/oder verschiedene Minimierungsalgorithmen verwendet werden.With the obtained fit limits P1, P2 and starting values Pstart, the fit for the RaLo-EIS data can then be carried out according to the selected fit model. Various impedance models, cost functions and/or various minimization algorithms can be used for this step.
Auch ist eine Unterteilung der Messstrecke denkbar, sodass die Messzeit in kürzere Abschnitte unterteilt wird, zwischen denen immer ein voller EIS-Datensatz aufgenommen wird und in die Berechnung von Fitgrenzen und Startwerten miteingeht.It is also conceivable to divide the measuring section so that the measuring time is divided into shorter sections, between which a full EIS data set is always recorded and is included in the calculation of fit limits and starting values.
Auch könnten die Startwerte Pstart und Fitgrenzen P1, P2 nach anderen Regeln berechnet werden.The starting values Pstart and fit limits P1, P2 could also be calculated according to other rules.
Durch die Startwerte Pstart und die Fitgrenzen P1, P2 kann sichergestellt werden, dass jeder Parameter P in realistischen Grenzen bleibt, dass der Suchraum je Parameter verkleinert und somit die Rechenzeit verkürzt wird und das Optimum des Fits schnell gefunden wird.The starting values Pstart and the fit limits P1, P2 can be used to ensure that each parameter P remains within realistic limits, that the search space for each parameter is reduced and thus the calculation time is shortened and that the optimum fit is found quickly.
Als Impedanzmodell kann bspw. das Transmission-Line-Model verwendet werden.The transmission line model, for example, can be used as an impedance model.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The above description of the figures describes the present invention exclusively in the context of examples. Of course, individual features of the embodiments can, if it makes technical sense, be freely combined with one another without departing from the scope of the invention.
Claims (16)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022202521.0A DE102022202521A1 (en) | 2022-03-15 | 2022-03-15 | Method for examining an electrochemical cell by electrochemical impedance spectroscopy |
PCT/EP2023/056543 WO2023174969A1 (en) | 2022-03-15 | 2023-03-15 | Method for examining an electrochemical cell using electrochemical impedance spectroscopy |
Applications Claiming Priority (1)
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DE102022202521.0A DE102022202521A1 (en) | 2022-03-15 | 2022-03-15 | Method for examining an electrochemical cell by electrochemical impedance spectroscopy |
Publications (1)
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