DE102023130150A1

DE102023130150A1 - System und verfahren zur charakterisierung der leistung von elektrischen speichersystemen

Info

Publication number: DE102023130150A1
Application number: DE102023130150.0A
Authority: DE
Inventors: Anurag Koodali Thazathvetil; Krishna N H Sri; Madhusudan Acharya; P. E. Ramesh
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 2022-11-01
Filing date: 2023-10-31
Publication date: 2024-05-02

Abstract

Ein Testsystem zur Durchführung elektrochemischer Impedanzspektroskopie an einer zu testenden Einheit (UUT) umfasst einen Funktionsgenerator, der so ausgebildet ist, dass er eine Vielzahl von Frequenzkomponenten, die in einem einzigen Burst oder Breitbandstimulus kombiniert sind, an die UUT anlegt, und ein Oszilloskop mit einem oder mehreren Prozessoren, die so ausgebildet sind, dass sie ein Amplitudenverhältnis und eine Phasendifferenz zwischen einer Spannung und einem Strom der UUT bei einer Vielzahl von Frequenzen messen, nachdem der einzelne Burst oder Breitbandstimulus von Frequenzkomponenten angelegt worden ist, ein Nyquist-Diagramm von Impedanzwerten sowohl in der realen als auch in der imaginären Achse aus der gemessenen Phasendifferenz erzeugen und das Nyquist-Diagramm an einem Ausgang des Oszilloskops darstellen. Außerdem werden Verfahren zum Ausführen beschrieben.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Offenbarung beansprucht gemäß 35 U.S.C. § 119 die Priorität der indischen vorläufigen Patentanmeldung Nr. 202221062332 , eingereicht am 1. November 2022, mit dem Titel „SYSTEM AND METHOD TO CHARACTERIZE THE PERFORMANCE OF ELECTRICAL STORAGE SYSTEMS“, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen ist.
GEBIET DER TECHNIK
Diese Offenbarung bezieht sich auf Energiespeichersysteme und insbesondere auf ein elektrochemisches Impedanzspektroskopie-System und ein Verfahren zur Bestimmung der Leistung von elektrischen Speichersystemen.
HINTERGRUND
Es besteht eine wachsende Nachfrage nach der Erzeugung und Speicherung von Strom für den Hausgebrauch unter Verwendung von Brennstoffen, die nicht aus Biomasse gewonnen werden. Diese steigende Nachfrage gilt sowohl für den Hausgebrauch als auch für die Stromnetze und für Anwendungen in der Automobilindustrie. Batterien, insbesondere wiederaufladbare Batterien, werden zu einer gängigen Methode zur Energiespeicherung in den Bereichen Stromerzeugung (z. B. Photovoltaik (PV)-Anlagen), Haushaltsverbrauch, Mikronetze und Automobilanwendungen (z. B. Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge). Ein Problem bei wiederaufladbaren Batterien in den oben genannten Anwendungen ist, dass sie im Laufe der Zeit verschiedene Degradationsprozesse durchlaufen. Diese Degradation führt zu einer Verringerung der Leistung, einer Abnahme der Kapazität und/oder des Stroms sowie zu anderen Betriebsfaktoren.
Es gibt verschiedene Überwachungsmethoden und -systeme zur Überwachung von Parametern der Energiespeichersysteme und zur Bestimmung des gesamten Allgemeinzustands (SOH = State Of Health) der Energiespeichersysteme. Einige Beispiele für derzeitige Überwachungsmethoden sind Coulomb-Zählung, Wechselstrom-Innenwiderstand, Schweißmessungen, Spannungsüberwachungsmethoden und Algorithmen für den Ladezustand (SOC = State Of Charge) usw. Diese bestehenden Tests können jedoch aufgrund von internen Selbstentladeströmen und anderen Leistungsproblemen Fehler verursachen. Andere Batterieanalysetools verwenden sehr teure Instrumente wie Röntgenmikroskopie und spezielle, ebenfalls teure Spezialinstrumente. Darüber hinaus berücksichtigen herkömmliche Messgeräte wie Quellenmesseinheiten (SMUs = Source Measurement Units) oder andere spezielle Instrumente nicht die Spannungs- und Stromwellenformen der Energiespeichersysteme in einem kontinuierlichen Modus, was eine angemessene Charakterisierung des Batteriestatus sowie eine angemessene Designprüfung für neue Batteriezellen und -module erschwert.
Die in der Offenbarung beschriebenen Ausführungsformen gehen auf diese und andere Einschränkungen des Stands der Technik bei Messsystemen ein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die 1A und 1B zeigen vereinfachte Schaltpläne zur Durchführung einer Analyse des Frequenzgangs des Energiespeichersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2A zeigt ein Ersatzschaltbild, das dem Energiespeichersystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung entspricht.
2B zeigt eine grafische Darstellung des Frequenzgangs des Ersatzschaltbildes aus 2A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Die 3A und 3B zeigen eine grafische Darstellung von Impedanz- und Phasendiagrammen, die für das Energiespeichersystem in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erstellt wurden.
4 zeigt eine grafische Darstellung des Nyquist-Diagramms bei einer anderen Temperatur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
Die 5A und 5B zeigen grafische Darstellungen des Nyquist-Diagramms des Energiespeichersystems im Normalzustand und im geschädigten Zustand gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt ein Nyquist-Diagramm, das die Schaltkreisparameter des Energiespeichersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
7 zeigt einen Ausgabebildschirm einer Benutzerschnittstelle, die auf einem Test- und Messinstrument angezeigt werden kann und eine Regelkreisanalyse mit Phasen- und Verstärkungskurven sowie eine Ergebnistabelle und eine Zeitbereichs-Wellenformansicht gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt.
8 ist ein vereinfachter Schaltplan für die Durchführung einer Analyse des Frequenzgangs des Energiespeichersystems einschließlich eines Teils der Analyse mit künstlicher Intelligenz gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
9 ist ein Beispiel für einen Wobbelfrequenzstimulus im Burst- oder Breitbandmodus, der verwendet wird, um mehrere Frequenzkomponenten zu erzeugen, die zu einem einzigen Burst zusammengefügt werden, um sie auf einer zu testenden Einheit (Unit Under Test, UUT) gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung anzuwenden.
10 zeigt eine grafische Darstellung des Nyquist-Diagramms des Energiespeichersystems unter vollständig geladenem Zustand einer UUT gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung werden zu Erklärungszwecken spezifische Details aufgeführt, um das Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern. Einem Fachmann wird jedoch klar sein, dass die vorliegende Offenbarung auch ohne diese Details praktiziert werden kann. Der Fachmann wird ferner erkennen, dass Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, von denen einige im Folgenden beschrieben werden, in verschiedene Systeme integriert werden können.
Ausführungsformen gemäß dieser Offenbarung sind auf ein System und ein Verfahren zur Charakterisierung der Leistung von elektrischen Speichersystemen gerichtet. Insbesondere ermöglichen die offengelegten Systeme einem Benutzer die Durchführung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) in einer bisher nicht möglichen Weise unter Verwendung von Geräten, die üblicherweise in einem Prüflabor zu finden sind, wie im Folgenden ausführlich beschrieben.
1A und 1B sind vereinfachte Blockschaltbilder für die Durchführung der Analyse des Frequenzgangs eines Energiespeichersystems gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Diese in den 1A und 1B dargestellten Schaltpläne sind so ausgebildet, dass sie EIS-Techniken zur Bestimmung der Leistung eines Energiespeichersystems auf der Grundlage der Analyse des Frequenzgangs implementieren.
In 1A ist ein Schaltplan 100A für die Phasenmessung eines Energiespeichersystems 102 dargestellt. In dieser Abbildung ist das Energiespeichersystem 102 eine Testeinrichtung, die eine Batterie, z. B. eine wiederaufladbare Batterie, und einen Lastwiderstand enthält und als zu testende Einheit (Unit Under Test, UUT) bezeichnet wird. Die UUT 102 kann je nach Test aus einer einzelnen Zelle oder einem Batteriesatz bestehen. Einzelheiten zum Lastwiderstand werden im Folgenden beschrieben. Der Schaltplan 100A enthält mehrere Hardwarekomponenten, die zusammen betrieben werden können, um eine Ausführungsform eines EIS-Testsystems zu implementieren. Das EIS-Testsystem 100A von 1A umfasst einen Funktionsgenerator 110, der so ausgebildet ist, dass er mehrere Wellenformen mit unterschiedlichen Impulsbreiten, z. B. von 20 ns bis 150 µs, in einer vordefinierten Zeit erzeugt. In einer Ausführungsform werden diese Impulse in einem Burst-Modus erzeugt, bei dem alle erzeugten Frequenzen in einer kurzen Zeitspanne, z. B. weniger als 1 Sekunde, an das UUT 102 angelegt werden. In einigen Ausführungsformen werden mehrere Frequenzpunkte erzeugt und zu einem Burst-Stimulus zusammengefügt und der UUT 102 als Eingangssignal zugeführt. In einem Beispiel werden fünfzig getrennte Frequenzen von 1 Hz bis 1 KHz innerhalb einer Millisekunde an die UUT 102 angelegt. In anderen Ausführungsformen können die an die UUT 102 angelegten Impulsfrequenzen kleinere oder größere Frequenzspannen umfassen. Ein Beispiel für den Burst-Mode-Frequenzstimulus wird in 9 näher beschrieben.
Zurück zu 1A: Ein Oszilloskop 120 ist eine Test- und Messvorrichtung, das die Qualität der Signale misst, die es an einem oder mehreren Eingängen empfängt. Wie nachstehend im Detail beschrieben, kann das Oszilloskop 120 Anweisungen oder Software zur Durchführung der Messung und Analyse enthalten. In einem Beispiel kann das Oszilloskop 104 ein Mixed-Signal-Oszilloskop (MSO) sein, das so ausgebildet ist, dass es die analogen Kanäle eines herkömmlichen Oszilloskops mit zusätzlichen logischen Kanälen eines Logikanalysators kombiniert, wie z. B. ein MSO, das von Tektronix, Inc. aus Beaverton, Oregon, erhältlich ist. Die Abtastraten des Oszilloskops 120 können im Bereich von 100 KHZ bis zu mehreren GHz liegen. Das Oszilloskop 120 umfasst einen oder mehrere Computerprozessoren, die so strukturiert sind, dass sie mit gespeicherten Anweisungen aus einem Speicher arbeiten, um die hierin beschriebenen Test- und Messfunktionen und -vorgänge durchzuführen, einschließlich der Erzeugung von Grafiken, Diagrammen und Datenlisten, die für die Implementierung von Ausführungsformen gemäß der Offenlegung nützlich sind.
Ein Trenntransformator 112 ist so ausgebildet, dass er für eine elektrische Trennung oder Isolierung zwischen dem Frequenzgenerator und dem Testsystem sorgt, bevor Messungen durchgeführt werden. Der Trenntransformator 112 dient als Sicherheitsvorrichtung, um einen Strompfad zwischen dem Funktionsgenerator und der UUT 102 zu verhindern, und reduziert außerdem Transienten und Oberwellen im Testsystem. Wenn beispielsweise die UUT 102 isoliert ist und das Oszilloskop 120 an ein anderes leitendes Teil angeschlossen ist, wird diese Position geerdet. In diesem Szenario kann der direkte Kontakt mit der UUT 102 ohne die Isolationstransformation 112 zu Stromstößen führen. Daher bietet der Isolationstransformator 112 zusätzliche Sicherheit für das Testsystem 100A. Ein DC-Block 114 blockiert DC-Signale oder Offsets für den Test. Schließlich kann eine elektronische Last, wie z. B. eine Quellenmesseinheit (SMU = Source Measuring Unit) 130, verwendet werden, um spezifische Lastsignale für die UUT 102 in seinem Testaufbau zu erzeugen.
Die Testumgebung 100B in 1B zeigt eine Testumgebung zur Durchführung einer Impedanzmessung der UUT 102. In dieser Testumgebung 100B teilt ein Splitter 113 das Signal vom Funktionsgenerator 110 und liefert eine Kopie dessen, was an das UUT 102 angelegt wird, direkt an einen Kanal des Oszilloskops 120. Ein anderer Kanal des Oszilloskops 120 ist direkt mit der UUT 102 verbunden.
In Verbindung damit sind die Komponenten der Testumgebungen 110A und 100B der 1A und 1B so ausgebildet, dass sie die Phase und die Impedanz (Z) der UUT 102 messen können, wie im Folgenden näher beschrieben.
Wie oben kurz beschrieben, ermöglichen die Testumgebungen, die die EIS-Methode umsetzen, die Analyse der Impedanz der UUT 102 über einen bestimmten Frequenzbereich. So können die internen elektrochemischen Prozesse der UUT 102 bei verschiedenen Zeitkonstanten bestimmt werden. Genauer gesagt zeichnet das Oszilloskop 120 in den Testumgebungen 110A und 110B das Amplitudenverhältnis und die Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom der UUT 102 auf, nachdem der Frequenzburst an ihn angelegt wurde. Zu diesem Zweck ist es möglich, die Impedanz der UUT 102 bei mehreren Frequenzen zu charakterisieren. Zur Bestimmung der genannten Parameter wird, wie oben beschrieben, ein kleines Wechselstromsignal über einen breiten Frequenzbereich angelegt und die Reaktion gemessen. Wie weiter unten im Detail beschrieben, ermöglicht die Messung von Betrag und Phase der Impedanz der UUT 102 die Erstellung von Impedanz- und Bode-Diagrammen, die weiter unten unter Bezugnahme auf die 3A und 3B beschrieben werden. Darüber hinaus ermöglicht die Messung von Betrag und Phase der Impedanz Ausführungsformen gemäß dieser Offenbarung, eine Nyquist- oder Impedanzdarstellung zu erzeugen, indem der reale und der imaginäre Anteil der Impedanz bestimmt werden, was unter Bezugnahme auf 2B beschrieben wird.
Ausführungsformen gemäß der Offenlegung verwenden Schaltungsmodelle, um den Frequenzgang des Energiespeichersystems (UUT) 102 darzustellen. Bei der UUT kann es sich beispielsweise um eine Lithium-Ionen-Batterie, eine Nickel-Cadmium-Batterie, eine Alkalibatterie oder eine Natrium-Ionen-Batterie handeln, neben anderen Batterietypen. In 2A ist ein Ersatzschaltbild der Lithium-Ionen-Batterie dargestellt, das zur Durchführung der Tests verwendet werden kann, um die für die Leistung der Lithium-Ionen-Batterie kennzeichnenden Parameter zu bestimmen. Andere Batterietypen können die gleichen oder andere Ersatzschaltbilder haben. Obwohl die Beispiele in dieser Offenbarung unter Bezugnahme auf einer UUT beschrieben werden, die eine Lithium-Ionen-Batterie ist, können die Ausführungsformen mit jedem Batterietyp als UUT verwendet werden.
Wie in 2A in Verbindung mit 1A und 1B gezeigt, wurde ein Ersatzschaltkreismodell 200, das der Lithium-Ionen-Batterie (oder der UUT 102) entspricht, entwickelt, um die Analyse des gemessenen Nyquist-Diagramms der UUT zu unterstützen. Wie gezeigt, enthält das Schaltungsmodell 200 der UUT 102 vier Haupt-Widerstandskomponenten und Blindkomponenten. Zu den Komponenten des Schaltungsmodells 200 gehören ein Volumenwiderstand (Rb), dargestellt als „R1“, eine Festelektrolytschnittstelle (R_SEI) mit einer Kombination aus einem Widerstand, dargestellt als „R2“, und einem Kondensator, dargestellt als „C2“, der parallel geschaltet ist, eine Ladungstransferwiderstandskomponente (Rct) mit einer Kombination aus einem Widerstand, dargestellt als „R3“, und einem Kondensator, dargestellt als „C3“, der parallel geschaltet ist, und eine Warburg-Impedanzkomponente (W), dargestellt als „Z“. Es ist zu beachten, dass alle Komponenten des Schaltungsmodells 200 in Reihe geschaltet sind. Ferner definieren die Komponenten des Schaltungsmodells 200 die Betriebseigenschaften der UUT 102 bei verschiedenen Frequenzen, die unter Bezugnahme auf 2B erläutert werden.
In einem Beispiel kann die Impedanz (Z_T) des Schaltungsmodells 200 anhand der folgenden Gleichung (Gl. 1) berechnet werden: $Z_{T} = R1 + R2/ (1 + j ω *C2*R2) + R3*Z/ ((R3 + Z) + j ω *C3*R3*Z)$
In 2B ist in Verbindung mit 2A eine grafische Darstellung 220 zu sehen. Die grafische Darstellung 220 in 2B ist ein Nyquist-Diagramm, das die Impedanzantwort des Schaltungsmodells 200 von 2A darstellt. Es ist zu beachten, dass die Halbkreisabschnitte normalerweise bestimmten Prozessen anhand ihrer charakteristischen Frequenz zugeordnet werden. So kann der Übergang von einem dominanten Prozess zu einem anderen charakteristischen Prozess in den Spektren durch Änderungen des Winkels und der Amplitude sichtbar gemacht werden. Darüber hinaus können aus dem Nyquist-Diagramm die dem Schaltungsmodell 200 der UUT 102 zugeordneten chemischen Parameter extrahiert werden. Insbesondere werden die chemischen Parameter auf der Grundlage der halbkreisförmigen Bereiche des Nyquist-Diagramms bestimmt, und außerdem kann der Widerstand der UUT 102 durch Bildung des Mittelwerts auf der realen Achse ermittelt werden. Die auf der Grundlage der Halbkreisbereiche berechneten Parameter des Schaltungsmodells 200 lauten wie folgt:

- Bereich „Rb“: Dieser Bereich entspricht dem Verhalten des Schaltungsmodells 200 aufgrund eines ohmschen Widerstands, der nicht Null ist, d. h. des Widerstands „Rb“. Rb" ist der Gesamtwiderstand des Elektrolyten, des Separators und der Elektroden und steht in signifikantem Zusammenhang mit dem gesamten Allgemeinzustand (SOH) der UUT 102. Es ist zu beachten, dass mit abnehmender Frequenz das Spektrum des ohmschen Widerstands, der nicht Null ist, die Achse der realen Impedanz (Z) bei hoher Frequenz schneidet. Dieser Bereich entspricht dem ersten Teil des Schaltungsmodells 200 von 2A.
- Bereich „R_SEI“: Dieser Bereich ist ein erster halbkreisförmiger Bereich im Nyquist-Diagramm und steht im Zusammenhang mit der Erzeugung der auf der Elektrode abgeschiedenen Grenzflächenschicht. Er entspricht dem zweiten Teil des Schaltkreismodells 200 von 2A.
- Bereich „Rct“: Dieser Bereich stellt einen zweiten Halbkreisbereich im Nyquist-Diagramm dar und hängt mit der Kinetik der elektrochemischen Reaktion zusammen, die durch die Oberflächenbeschichtung, den Phasenübergang, die Bandlückenstruktur oder die Partikelgröße verändert wird. Er entspricht dem dritten Teil des Schaltungsmodells 200 von 2A.
- Bereich der Warburg-Impedanz (W): Dieser Bereich entspricht einer relativ geraden Linie des Nyquist-Diagramms und hängt mit der Diffusion von Lithium-Ionen zusammen. Dieser Bereich entspricht dem vierten Teil des Schaltungsmodells 200 in 2A.

Das Verhalten des Schaltungsmodells 200 kann bei hohen Frequenzen aufgrund der mit dem Schaltungsmodell 200 verbundenen induktiven Effekte in der negativen imaginären Impedanzachse liegen. Im Allgemeinen entspricht die Impedanz der realen und imaginären Achse: $Zreal = Z*cos (Φ) : R (Widerstand RB)$
$Zimg = Z*sin (Φ) : C (Kapazität) + L (Induktivität)$
Ferner kann der Ladezustand (State of Charge, SoC) des Schaltungsmodells 200 als Verhältnis zwischen der in der UUT 102 gespeicherten Energiemenge und der Nennkapazität bestimmt werden. In einem Beispiel wird der SoC anhand der folgenden Gleichung (Gl. 4) berechnet: $SOC = \int I dt$
wobei I der von 0 bis zur Ladezeit integrierte Batteriestrom ist.
Darüber hinaus kann der Allgemeinzustand (SOH) der UUT 102 auf der Grundlage des Schaltungsmodells 200 als Verhältnis zwischen der maximal freisetzbaren Kapazität und der Nennkapazität bestimmt werden.
Die UUT 102 kann während der Prüfung dynamisch betrieben werden, z. B. durch die E-Last/SMU 130 (1A/1B), um Lastanforderungen zu folgen, und während eines solchen dynamischen Betriebs laufen in der Batterie verschiedene langsame und schnelle Prozesse parallel ab. Diese Vorgänge überlagern sich und ergeben ein komplexes dynamisches Verhalten, das im Oszilloskop 120 (1A/1B) im Wechselspiel von Strom und Spannung über der Zeit zu beobachten ist. Außerdem regulieren schnelle dynamische Prozesse die Reaktion innerhalb von Mikro- und Millisekunden, während Reaktionen, die mit langsamen Prozessen wie der Feststoffdiffusion zusammenhängen, erst nach längeren Reaktionszeiten zu beobachten sind. Die sich daraus ergebende dynamische Gesamtreaktion der UUT 102 auf eine bestimmte Spannungs- oder Stromänderung ist somit charakteristisch für die Vorgänge in seinem Inneren und - bei einer gegebenen Konstruktion einer Batterie - für ihren Arbeitspunkt, ihren Ladezustand und ihren Allgemeinzustand. Daher werden die von den Testsystemen 100A und 100B der 1A und 1B erfassten dynamischen Signale für die Analyse des SoH der UUT 102 berücksichtigt.
Wie bereits erwähnt, können die von den Testsystemen 100A und 100B der 1A und 1B durchgeführten Messungen verwendet werden, um einen oder mehrere Bode-Diagramme des Frequenzgangs der UUT 102 während des Tests zu erstellen. In einer Ausführungsform wird die Phasenmessung bei verschiedenen Frequenzen aus dem Bode-Diagramm mit Hilfe der folgenden Gleichung (Gl. 5) erzeugt: $\begin{array}{l} Phase bei Wobbelfrequenz = \\ FFT ((Phase (Ausgangsspannung) - Phase (Ausgangsstrom)) \end{array}$
Darin sind:

- Control Loop Response berechnet die Phasendifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangsquelle bei jeder Frequenz innerhalb des gemessenen Bandes, wobei die Frequenz von 1 Hz bis 40 MHz reicht,
- FFT ist die schnelle Fourier-Transformation,
- Phase ist die Zeitverschiebung zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal, und
- Phase (Ausgangsspannung und -strom) sind die Ausgangsspannung und der -strom der UUT 102.

3B zeigt ein Bode-Diagramm der Phase unter Verwendung eines Filters mit gleitendem Durchschnitt (MAV).
Bei Impedanzmessungen wird in einer Ausführungsform die Impedanz (Z) als Größenverhältnis der Quellenverstärkung unter Verwendung der folgenden Gleichung (Gl. 6) berechnet: $Z = (G/ (1 - G))$
Dabei ist G der Betrag der Verstärkung, $\begin{array}{l} Ferner ist G in dB = \\ {Log}_{10} ((Ausgangsspannung) - (AFG - Direkt - (Eingangs -) Spannung)) \end{array}$
3A zeigt eine grafische Darstellung einer Impedanzkurve, die für ein bestimmtes Beispiel einer UUT 102 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erstellt wurde. In einem Beispiel kann das Energiespeichersystem 102 eine 6V- oder 12V-Lithium-Ionen-Batterie enthalten, die bis zur Hälfte ihrer Kapazität geladen ist.
4 zeigt ein Beispiel für ein Nyquist-Diagramm, das für eine bestimmte UUT 102 ( 1A/2A) bei verschiedenen Temperaturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung erstellt wurde. Insbesondere wurde die UUT 102 in sieben Intervallen verschiedenen Temperaturen zwischen -25° C und 50° C ausgesetzt. Die UUT 102 wurde gemessen, indem breitbandige Frequenzen in einem Burst-Modus in die UUT 102 eingespeist wurden, wie oben beschrieben, und die Antworten wurden mit dem Oszilloskop 120 gemessen, ebenfalls wie oben beschrieben.
Die 5A und 5B veranschaulichen, wie das Nyquist-Diagramm für verschiedene UUTs 102 die Parameter der zu testenden Einheiten vermittelt. Insbesondere zeigt 5A ein Nyquist-Diagramm einer wiederaufladbaren Batterie in einem normalen oder guten Zustand, während 5B ein Nyquist-Diagramm einer wiederaufladbaren Batterie in einem schlechten oder verschlechterten Zustand zeigt. Die Betrachtung der beiden Nyquist-Diagramme in 5A und 5B zeigt, dass es einen signifikanten Unterschied im Ladungsübertragungswiderstand (Rct) zwischen dem in 5A dargestellten normalen Batteriezustand und der in 5B dargestellten Batterie im geschädigten Zustand gibt. Genauer gesagt ist der Widerstand „Rct“ in 5B für die geschädigte Batterie höher als für die normale Batterie.
Nachdem ein oder mehrere Nyquist-Diagramme für ein UUT, wie in den 4, 5A und 5B gezeigt, erzeugt wurden, kann das Nyquist-Diagramm analysiert und in separate Bereiche in Übereinstimmung mit den Schaltungsparametern unterteilt werden, wie oben mit Bezug auf 2B diskutiert. Insbesondere erzeugen Ausführungsformen gemäß der Offenbarung ein Nyquist-Phasendiagramm 600, wie das in 6 dargestellte, zur Darstellung auf einem Bildschirm oder am Ausgang des Oszilloskops 120 der 1A und 1B.
Das Ausgangs-Nyquist-Diagramm 600 unterscheidet sich von den Nyquist-Diagrammen in den 4, 5A und 5B dadurch, dass das Nyquist-Diagramm 600 nur wenige Testpunkte enthält, da der Test nur kurzzeitig durchgeführt wurde. Wie oben beschrieben, wird das Nyquist-Diagramm 600 ebenso wie das vorangegangene Nyquist-Diagramm unter Verwendung der realen und imaginären Impedanzen erstellt, die anhand der oben dargestellten Gleichungen 2 und 3 berechnet werden, die sich auf die Kapazitäts- und Induktivitätswerte der Schaltung beziehen. Selbst wenn das Nyquist-Diagramm nur wenige Werte enthält, zeigt das Nyquist-Diagramm 600 immer noch deutlich die vier separaten Zonen der Modellschaltung (Rb, R_SEI, R_CT und W). Darüber hinaus kann auch ein Feld 610 mit skalaren Werten, die aus der Nyquist-Phasendarstellung 600 generiert wurden, dargestellt werden. Die skalaren Werte können durch Bildung des Mittelwerts der im Nyquist-Phasendiagramm 600 aufgezeichneten Werte für jede der vier unter Bezugnahme auf die 2A und 2B beschriebenen Zonen erzeugt werden. So wird der Wert Rb bestimmt, indem der Mittelwert der Nyquist-Diagramm-Werte in der Zone des Volumenwiderstands (Rb) genommen wird, der Wert RSEI wird bestimmt, indem der Mittelwert der Nyquist-Diagramm-Werte in der Zone der Fest(körper)elektrolyt-Grenzfläche (SEI) genommen wird, der RCT-Wert wird bestimmt, indem der Mittelwert der Nyquist-Diagramm-Werte in der Ladungstransferzone genommen wird, und die Warburg-Impedanz W wird bestimmt, indem der Mittelwert der Nyquist-Diagramm-Werte in der Warburg-Impedanzzone genommen wird. Schließlich wird der Ladezustand SOC mit Hilfe von Gleichung 4 bestimmt, wobei der Strom über einen Zeitraum von Ladezeiten integriert wird.
7 ist ein Bildschirmdiagramm eines beispielhaften Anzeigebildschirms 700, das während des Tests der UUT 102 auf dem Oszilloskop 120 (1A/1B) angezeigt werden kann. Der Anzeigebildschirm 700 umfasst drei Hauptabschnitte. Ein Abschnitt 710 zeigt eine Regelkreisanalyse oder ein Bode-Diagramm, das die Werte der Verstärkung 712 und der Phase 714 über einen Frequenzbereich zeigt, der in Abschnitt 720 dargestellt ist. Obwohl in Abschnitt 720 nur 22 Werte dargestellt werden, sind weitere Werte vorhanden und durch Scrollen verfügbar. Es ist zu beachten, dass die horizontale Achse des Abschnitts 710 in logarithmischer Skala dargestellt ist, obwohl eine solche Skala nicht erforderlich ist. Die in Abschnitt 720 dargestellte Messung wird durch einzelnes Wobbeln diskreter Frequenzen des Frequenzgenerators durchgeführt. Obwohl ein ähnliches Bode-Diagramm erzeugt werden kann, wenn der Burst-Modus zum Anlegen von Frequenzen verwendet wird, liefert diese in Abschnitt 720 dargestellte Ausführungsform Einzelheiten zu den Verstärkungs- und Phasenwerten bei allen Frequenzen, die zwischen einem Start- und einem Stoppbereich durchlaufen werden. Der Abschnitt 730 zeigt die gleichen Ergebnisse wie das Bode-Diagramm von 730, jedoch im Zeitbereich, in diesem Fall zwischen zwei Cursern, die auf -1,500 µs und +1,500 µs eingestellt sind. Anhand der Phasen- und Verstärkungsinformationen im Zeitbereich von Abschnitt 720 kann der Entwickler erkennen, ob es in der Wellenform Störungen gibt oder ob die Form der Wellenform stark verrauscht ist. Zum Beispiel, wenn die Wellenform im Abschnitt 720 keine sinusförmigen Werte aufweist oder wenn es Öffnungen zwischen dem Verstärkungsrand (GM) und den Phasenrändem (PM) gibt.
8 zeigt ein weiteres vereinfachtes Schaltbild 800 zur Durchführung einer Analyse des Frequenzgangs des Energiespeichersystems gemäß den Ausführungsformen. In der Schaltung 800 sind die in den 1A und 1B dargestellten allgemeinen Komponenten vorhanden, wobei zusätzliche Informationen in einem Verarbeitungsblock 810 bereitgestellt werden, der zusätzliche Prozesse beschreibt, die den Test der UUT gemäß den Ausführungsformen durchführen. Ein Block 812 wird auf dem Oszilloskopausgang ausgeführt, nachdem der Frequenzburstmodus durch den Frequenzgenerator 110 an das UUT 102 angelegt wurde. Eine Funktion 812 des Verarbeitungsblocks 810 führt eine Nachbearbeitungsfunktion aus, indem sie jede Frequenzkomponente, die während des Burst-Modus angelegt wurde, im FFT-Bereich durchsucht. Durch diese Suche und Trennung werden die Ergebnisse gefiltert. Für jede identifizierte Frequenzkomponente wird die Größe des höchsten Energiewerts extrahiert und gespeichert. Ein Prozess 814 erzeugt das Nyquist-Diagramm wie oben beschrieben, indem Impedanzwerte sowohl auf der realen als auch auf der imaginären Achse aufgetragen werden. Anschließend wird die Impedanzkurve in einem Vorgang 816 extrahiert, wie oben unter Bezugnahme auf 3A beschrieben. In den Vorgängen 820, 822 und 824 kann maschinelles Lernen auf den Prozess angewendet werden. Zunächst wird eine große Anzahl von Diagrammen von Standardbatteriebibliotheken mit verschiedenen bekannten Zuständen in Operation 820 als Trainingssatz von Basisbibliotheken aufgenommen. Dann wird die von den Ausführungsformen für die UUT 102 erzeugte spezielle Darstellung mit dem Trainingssatz verglichen und eine Modellanpassung auf der Grundlage der erzeugten EIS-Daten durchgeführt. Schließlich werden die beste(n) Übereinstimmung(en) verwendet, um eine Vorhersage der Batterielebensdauer der soeben gemessenen UUT zu treffen, und die Ergebnisse werden in einem Vorgang 824 ausgegeben. Dieser Abgleich hilft bei der Charakterisierung der Batterieleistung und -alterung und kann die Lebensdauer der UUT viel besser vorhersagen als frühere Methoden.
9 veranschaulicht grafisch, wie die Breitbandfrequenzen in einem Burst-Modus auf die UUT angewendet werden. Unter Bezugnahme auf 9 und die 1A und 1B erzeugt der Frequenzgenerator 100 einen Burst oder Breitbandmodus einer Gruppe von Frequenzen 902 und legt diese in einem einzigen Burst an die UUT 102 an. Im Diagramm 900 von 9 beginnt die an die UUT 102 angelegte Startfrequenz bei 0,01 Hz und endet bei 1 kHz. Die Anwendung dieser Kombination von Frequenzen auf die UUT 102 in einer kurzen Zeitspanne ist viel schneller als die vorherige Methode, bei der verschiedene Frequenzen einzeln durchlaufen wurden. Die Frequenzen in der Frequenzgruppe 902 umfassen im Allgemeinen mindestens 10 Punkte pro Dekade und können bis zu 100 Punkte pro Dekade umfassen. Die Anzahl der Punkte pro Dekade beeinflusst die Leistung des EIS. Bei dem oben beschriebenen Frequenzbereich ergeben 10 Punkte pro Dekade etwa 55-60 einzelne Frequenzpunkte in der Frequenzgruppe 902. Natürlich können auch andere Frequenzen gewählt werden.
10 zeigt grafische Darstellungen, die ein Nyquist-Diagramm 1000 einer Batterie (oder der UUT 102) unter vollständig geladenen Bedingungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellen. Dieses Nyquist-Diagramm 1000 unterscheidet sich von den vorherigen Nyquist-Diagrammen in den 5A, 5B und 6 dadurch, dass die separaten Zonen, die in diesen vorherigen Nyquist-Diagrammen zu sehen sind, im Diagramm 1000 nicht vorhanden sind. Es ist daher offensichtlich, dass die UUT 102 im voll aufgeladenen Zustand keine echte Diffusion zeigt, wenn man sich das Diagramm 1000 ansieht.
Die vorstehende Beschreibung der Erfindung dient lediglich der Veranschaulichung der Erfindung und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Da Modifikationen der offengelegten Ausführungsformen, die den Inhalt der Erfindung enthalten, dem Fachmann einfallen können, sollte die Erfindung so ausgelegt werden, dass sie alles umfasst, was in den Anwendungsbereich der Erfindung fällt.
Die in der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen verwendeten Begriffe und Wörter sind nicht auf die bibliographischen Bedeutungen beschränkt, sondern werden vom Erfinder lediglich verwendet, um ein klares und einheitliches Verständnis der Erfindung zu ermöglichen. Es ist davon auszugehen, dass die Singularformen „ein“, „eine“ und „der/die/das“ den Plural einschließen, sofern aus dem Kontext nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht.
Verweise in der Beschreibung auf „eine einzelne Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ bedeuten, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur, ein bestimmtes Merkmal oder eine bestimmte Funktion, die im Zusammenhang mit der Ausführungsform beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Die Formulierung „in einer einzelnen Ausführungsform“, die an verschiedenen Stellen der Beschreibung auftaucht, bezieht sich nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform.
Es sollte beachtet werden, dass die Beschreibung lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Der Fachmann wird daher in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu entwickeln, die, obwohl sie hier nicht ausdrücklich beschrieben sind, die Grundsätze der vorliegenden Erfindung verkörpern. Darüber hinaus sind alle hierin erwähnten Beispiele grundsätzlich ausdrücklich nur zu Erklärungszwecken gedacht, um dem Leser zu helfen, die Grundsätze der Erfindung und die vom Erfinder zur Weiterentwicklung des Standes der Technik beigetragenen Konzepte zu verstehen, und sind so auszulegen, dass sie keine Beschränkung auf solche speziell erwähnten Beispiele und Bedingungen darstellen. Darüber hinaus sind alle hierin enthaltenen Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung sowie spezifische Beispiele davon beschreiben, so zu verstehen, dass sie Äquivalente davon umfassen.
Aspekte der Offenlegung können auf speziell entwickelter Hardware, auf Firmware, digitalen Signalprozessoren oder auf einem speziell programmierten Allzweckcomputer mit einem Prozessor, der nach programmierten Anweisungen arbeitet, arbeiten. Die hier verwendeten Begriffe „Controller“ oder „Prozessor“ sollen Mikroprozessoren, Mikrocomputer, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) und spezielle Hardware-Controller umfassen. Ein oder mehrere Aspekte der Offenbarung können in computerverwendbaren Daten und computerausführbaren Anweisungen verkörpert sein, beispielsweise in einem oder mehreren Programmmodulen, die von einem oder mehreren Computern (einschließlich Überwachungsmodulen) oder anderen Geräten ausgeführt werden. Im Allgemeinen umfassen Programmmodule Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen usw., die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte abstrakte Datentypen implementieren, wenn sie von einem Prozessor in einem Computer oder einem anderen Gerät ausgeführt werden. Die computerausführbaren Anweisungen können auf einem nicht transitorischen, computerlesbaren Medium wie einer Festplatte, einer optischen Platte, einem Wechselspeichermedium, einem Festkörperspeicher, einem Random Access Memory (RAM) usw. gespeichert sein. Wie dem Fachmann klar sein wird, kann die Funktionalität der Programm-Module in verschiedenen Aspekten beliebig kombiniert oder verteilt werden. Darüber hinaus kann die Funktionalität ganz oder teilweise in Firmware oder Hardware-Äquivalenten wie integrierten Schaltungen, FPGA und dergleichen verkörpert sein. Bestimmte Datenstrukturen können verwendet werden, um einen oder mehrere Aspekte der Offenbarung effektiver zu implementieren, und solche Datenstrukturen werden im Rahmen der hier beschriebenen computerausführbaren Anweisungen und computerverwendbaren Daten in Betracht gezogen.
Die offengelegten Aspekte können in einigen Fällen in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden. Die offengelegten Aspekte können auch in Form von Befehlen implementiert werden, die auf einem oder mehreren nicht-übertragbaren computerlesbaren Medien gespeichert sind, die von einem oder mehreren Prozessoren gelesen und ausgeführt werden können. Solche Anweisungen können als Computerprogrammprodukt bezeichnet werden. Computerlesbare Medien, wie hier beschrieben, sind alle Medien, auf die ein Computer zugreifen kann. Computerlesbare Medien können zum Beispiel Computerspeichermedien und Kommunikationsmedien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein.
Computerspeichermedien sind alle Medien, die zur Speicherung von computerlesbaren Informationen verwendet werden können. Zu den Computerspeichermedien gehören beispielsweise RAM, ROM, EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), Flash-Speicher oder andere Speichertechnologien, CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), DVD (Digital Video Disc) oder andere optische Plattenspeicher, Magnetkassetten, Magnetbänder, Magnetplattenspeicher oder andere magnetische Speichervorrichtungen sowie alle anderen flüchtigen oder nicht flüchtigen, entfernbaren oder nicht entfernbaren Medien, die in beliebigen Technologien eingesetzt werden. Computerspeichermedien schließen Signale als solche und vorübergehende Formen der Signalübertragung aus.
Kommunikationsmedien sind alle Medien, die für die Übertragung von computerlesbaren Informationen verwendet werden können. Zu den Kommunikationsmedien gehören beispielsweise Koaxialkabel, Glasfaserkabel, Luft oder jedes andere Medium, das für die Übertragung von elektrischen, optischen, Hochfrequenz- (HF), Infrarot-, akustischen oder anderen Signalen geeignet ist.
BEISPIELE
Im Folgenden werden Beispiele für die offengelegten Technologien aufgeführt. Eine Ausführungsform der Technologien kann eines oder mehrere und jede Kombination der unten beschriebenen Beispiele umfassen.
Beispiel 1 ist ein Testsystem zur Durchführung elektrochemischer Impedanzspektroskopie an einer zu testenden Einheit (UUT = Unit Under Test), wobei das System einen Funktionsgenerator enthält, der so ausgebildet ist, dass er eine Vielzahl von Frequenzkomponenten, die in einem einzigen Burst oder Breitbandstimulus kombiniert sind, an die UUT anlegt; und ein Oszilloskop mit einem oder mehreren Prozessoren, die so ausgebildet sind, dass sie ein Amplitudenverhältnis und eine Phasendifferenz zwischen einer Spannung und einem Strom der UUT bei einer Vielzahl von Frequenzen messen, nachdem der einzelne Burst oder Breitbandstimulus von Frequenzkomponenten angelegt worden ist, ein Nyquist-Diagramm von Impedanzwerten sowohl in der realen als auch in der imaginären Achse aus der gemessenen Phasendifferenz erzeugen und das Nyquist-Diagramm an einem Ausgang des Oszilloskops darstellen.
Beispiel 2 ist ein Testsystem gemäß Beispiel 1, das ferner eine lastverändernde Vorrichtung umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie mindestens zwei verschiedene Lasten an die UUT anlegt, und bei dem der eine oder die mehreren Prozessoren des Oszilloskops ferner so ausgebildet sind, dass sie ein Amplitudenverhältnis und eine Phasendifferenz zwischen einer Spannung und einem Strom der UUT bei einer Vielzahl von Frequenzen messen, nachdem der einzelne Burst von Frequenzkomponenten für mindestens zwei verschiedene an die UUT angelegte Lastwerte angelegt worden ist, dass sie ein Nyquist-Diagramm von Impedanzwerten sowohl in der realen als auch in der imaginären Achse aus jeder der mindestens zwei gemessenen Phasendifferenzen erzeugen, und dass sie das Nyquist-Diagrammen auf einem einzigen Bild am Ausgang des Oszilloskops erzeugen.
Beispiel 3 ist ein Testsystem nach einem der vorangegangenen Beispiele, bei dem die Vielzahl der Frequenzkomponenten im einzelnen Burst mindestens 20 einzelne Frequenzpunkte umfasst, die einen bestimmten Frequenzbereich auf der Grundlage der Eigenschaften der UUT abdecken.
Beispiel 4 ist ein Testsystem gemäß Beispiel 3, bei dem der Frequenzbereich zwischen 0,01 Hz und 1 KHZ liegt.
Beispiel 5 ist ein Testsystem nach einem der vorangegangenen Beispiele, bei dem die Vielzahl der für die Messung des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz verwendeten Frequenzen auf Eigenschaften der UUT beruht.
Beispiel 6 ist ein Testsystem gemäß Beispiel 5, bei dem die Vielzahl der für die Messung des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz verwendeten Frequenzen von 1 Hz bis 40 MHz reicht.
Beispiel 7 ist ein Testsystem gemäß Beispiel 1, bei dem der eine oder die mehreren Prozessoren des Oszilloskops so strukturiert sind, dass sie ein Verstärkungsdiagramm und ein Phasendiagramm der gemessenen Amplituden- und Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom der UUT bei der Vielzahl von Frequenzen erzeugen und das Verstärkungsdiagramm und das Phasendiagramm am Ausgang des Oszilloskops darstellen.
Beispiel 8 ist ein Testsystem nach einem der vorangehenden Beispiele, das ferner die Bestimmung eines Ladungszustands der UUT durch Modellanpassung des Nyquist-Diagramms an eine Vielzahl von Nyquist-Diagrammen anderer UUTs mit bekannten Ladungszuständen umfasst, wobei mindestens zwei der Vielzahl von Nyquist-Diagrammen andere Eingangsspannungen und Temperaturbedingungen als die anderen in der Vielzahl von Nyquist-Diagrammen aufweisen.
Beispiel 9 ist ein Testsystem nach einem der vorhergehenden Beispiele, bei dem der eine oder die mehreren Prozessoren des Oszilloskops so strukturiert sind, dass sie skalare Werte ausgeben, die eine oder mehrere Zonen des Nyquist-Diagramms darstellen.
Beispiel 10 ist ein Testsystem gemäß Beispiel 9, bei dem die skalaren Werte Werte für einen oder mehrere der folgenden Parameter enthalten: Volumenwiderstand, Fest(körper)elektrolyt-Grenzfläche, Ladungstransfer und Warburg-Impedanz.
Beispiel 11 ist ein Verfahren zur Durchführung elektrochemischer Impedanzspektroskopie an einer zu testenden Einheit (UUT = Unit Under Test), das das Anlegen einer Vielzahl von Frequenzkomponenten, die in einem einzigen Burst oder Breitbandstimulus kombiniert sind, an den UUT einschließt, Messen eines Amplitudenverhältnisses und einer Phasendifferenz zwischen einer Spannung und einem Strom der UUT bei einer Vielzahl von Frequenzen, nachdem der einzelne Burst oder Breitbandstimulus von Frequenzkomponenten angelegt worden ist, Erzeugen eines Nyquist-Diagramms von Impedanzwerten sowohl in der realen als auch in der imaginären Achse aus der gemessenen Phasendifferenz, und Darstellen des Nyquist-Diagramms an einem Ausgang des Oszilloskops.
Beispiel 12 ist ein Verfahren gemäß Beispiel 11, das außerdem umfasst:

Anlegen von mindestens zwei verschiedenen Lasten an die UUT, Messen eines Amplitudenverhältnisses und einer Phasendifferenz zwischen einer Spannung und einem Strom der UUT bei einer Vielzahl von Frequenzen, nachdem der einzelne Burst von Frequenzkomponenten für mindestens zwei verschiedene an die UUT angelegte Lastwerte angelegt wurde, Erzeugen eines Nyquist-Diagramms von Impedanzwerten sowohl in der realen als auch in der imaginären Achse aus jeder der mindestens zwei gemessenen Phasendifferenzen, und Erzeugen des Nyquist-Diagramms auf einem einzigen Bild am Ausgang des Oszilloskops.

Beispiel 13 ist ein Verfahren nach einem der vorangegangenen Beispielverfahren, bei dem das Anwenden einer Vielzahl von Frequenzkomponenten das Anwenden von mindestens 20 einzelnen Frequenzpunkten umfasst, die einen bestimmten Frequenzbereich auf der Grundlage von Eigenschaften der UUT abdecken.
Beispiel 14 ist ein Verfahren gemäß Beispiel 13, bei dem der Frequenzbereich zwischen 0,01 Hz und 1 kHZ liegt.
Beispiel 15 ist ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Beispielverfahren, bei dem das Messen des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz bei einer Vielzahl von Frequenzen das Messen des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz bei einer Vielzahl von Frequenzen auf der Grundlage von Eigenschaften der UUT umfasst.
Beispiel 16 ist ein Verfahren gemäß Beispiel 15, bei dem die Vielzahl der für die Messung des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz verwendeten Frequenzen von 1 Hz bis 40 MHz reicht.
Beispiel 17 ist ein Verfahren gemäß einem der vorangehenden Beispielverfahren, das ferner das Erzeugen eines Verstärkungsdiagramms und eines Phasendiagramms der gemessenen Amplituden- und Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom der UUT bei der Vielzahl von Frequenzen und das Darstellen des Verstärkungsdiagramms und des Phasendiagramms am Ausgang des Oszilloskops umfasst.
Beispiel 18 ist ein Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Beispielverfahren, das ferner umfasst: das Bestimmen eines Ladungszustands der UUT durch Modellanpassung des Nyquist-Diagramms gegen eine Vielzahl von Nyquist-Diagrammen anderer UUTs mit bekannten Ladungszuständen, wobei mindestens zwei der Vielzahl von Nyquist-Diagrammen andere Eingangsspannungen und Temperaturbedingungen als andere in der Vielzahl von Nyquist-Diagrammen aufweisen.
Beispiel 19 ist ein Verfahren gemäß einem der vorangehenden Beispielverfahren, das ferner das Erzeugen und Ausgeben von Skalarwerten umfasst, die eine oder mehrere Zonen des Nyquist-Diagramms darstellen.
Beispiel 20 ist ein Verfahren gemäß Beispiel 19, bei dem die skalaren Werte Werte für einen oder mehrere der Bereiche Volumenwiderstand, Fest(klroer)elektrolyt-Grenzfläche, Ladungstransfer und Warburg-Impedanz umfassen.
Die zuvor beschriebenen Versionen des offengelegten Gegenstands haben viele Vorteile, die entweder beschrieben wurden oder für eine Person mit normalen Kenntnissen offensichtlich sind. Dennoch sind diese Vorteile oder Merkmale nicht in allen Versionen der offengelegten Geräte, Systeme oder Verfahren erforderlich.
Außerdem wird in dieser schriftlichen Beschreibung auf bestimmte Merkmale verwiesen. Es ist davon auszugehen, dass die Offenbarung in dieser Spezifikation alle möglichen Kombinationen dieser besonderen Merkmale umfasst. Wenn ein bestimmtes Merkmal im Zusammenhang mit einem bestimmten Aspekt oder Beispiel offenbart wird, kann dieses Merkmal, soweit möglich, auch im Zusammenhang mit anderen Aspekten und Beispielen verwendet werden.
Alle in der Beschreibung, einschließlich der Ansprüche, der Zusammenfassung und der Zeichnungen, offengelegten Merkmale und alle Schritte in einem offengelegten Verfahren oder Prozess können in jeder beliebigen Kombination kombiniert werden, mit Ausnahme von Kombinationen, bei denen sich zumindest einige dieser Merkmale und/oder Schritte gegenseitig ausschließen. Jedes in der Beschreibung, einschließlich der Ansprüche, der Zusammenfassung und der Zeichnungen, offenbarte Merkmal kann durch alternative Merkmale ersetzt werden, die dem gleichen, gleichwertigen oder ähnlichen Zweck dienen, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
Auch wenn in dieser Anmeldung auf ein Verfahren mit zwei oder mehr definierten Schritten oder Vorgängen Bezug genommen wird, können die definierten Schritte oder Vorgänge in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden, sofern der Kontext diese Möglichkeiten nicht ausschließt.
Obwohl spezifische Beispiele der Erfindung zum Zwecke der Veranschaulichung dargestellt und beschrieben wurden, können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne von Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sollte die Erfindung nicht eingeschränkt werden, außer wie durch die beigefügten Ansprüche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 202221062332 [0001]

Claims

Ein Testsystem zur Durchführung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie an einer zu testenden Einheit (UUT = Unit Under Test), wobei das System umfasst: einen Funktionsgenerator, der so ausgebildet ist, dass er eine Vielzahl von Frequenzkomponenten, die in einem einzigen Burst oder Breitbandstimulus kombiniert sind, an die UUT anlegt; und ein Oszilloskop mit einem oder mehreren Prozessoren, die ausgebildet sind um Folgendes auszuführen: Messen des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz zwischen einer Spannung und einem Strom der UUT bei einer Vielzahl von Frequenzen, nachdem der einzelne Burst oder der breitbandige Stimulus von Frequenzkomponenten angelegt wurde, Erzeugen eines Nyquist-Diagramms der Impedanzwerte in der realen und der imaginären Achse aus der gemessenen Phasendifferenz, und Darstellen des Nyquist-Diagramms an einem Ausgang des Oszilloskops.
Das Testsystem nach Anspruch 1, das ferner eine Lastveränderungsvorrichtung umfasst, die so ausgebildet ist, dass sie mindestens zwei verschiedene Lasten auf die UUT anwendet, und bei dem der eine oder die mehreren Prozessoren des Oszilloskops ferner so ausgebildet sind, dass sie Folgendes ausführen: Messen eines Amplitudenverhältnisses und einer Phasendifferenz zwischen einer Spannung und einem Strom der UUT bei einer Vielzahl von Frequenzen, nachdem der einzelne Burst von Frequenzkomponenten für mindestens zwei verschiedene Lastwerte, die an die UUT angelegt werden, angelegt worden ist, Erzeugen eines Nyquist-Diagramms der Impedanzwerte in der realen und der imaginären Achse aus jeder der mindestens zwei gemessenen Phasendifferenzen, und Erzeugen der Nyquist-Diagramme in einem einzigen Bild am Ausgang des Oszilloskops.
Das Testsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Vielzahl der Frequenzkomponenten in dem einzelnen Burst mindestens 20 einzelne Frequenzpunkte umfasst, die einen bestimmten Frequenzbereich auf der Grundlage der Eigenschaften der UUT abdecken.
Das Testsystem nach Anspruch 3, bei dem der Frequenzbereich zwischen 0,01 Hz und 1 kHZ liegt.
Das Testsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Vielzahl der für die Messung des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz verwendeten Frequenzen auf Eigenschaften der UUT beruht.
Das Testsystem nach Anspruch 5, bei dem die Vielzahl der für die Messung des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz verwendeten Frequenzen von 1 Hz bis 40 MHz reicht.
Das Testsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der eine oder die mehreren Prozessoren des Oszilloskops so strukturiert sind, dass sie Folgendes ausführen: Erzeugen eines Verstärkungsdiagramms und eines Phasendiagramms der gemessenen Amplitude und Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom des UUT bei der Vielzahl von Frequenzen; und Darstellen des Verstärkungsdiagramms und des Phasendiagramms am Ausgang des Oszilloskops.
Das Testsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, das ferner ein Bestimmen eines Ladungszustands der UUT durch Modellanpassung des Nyquist-Diagramms an eine Vielzahl von Nyquist-Diagrammen anderer UUTs mit bekannten Ladungszuständen umfasst, wobei mindestens zwei der Vielzahl von Nyquist-Diagrammen andere Eingangsspannungen und Temperaturbedingungen als die anderen in der Vielzahl von Nyquist-Diagrammen aufweisen.
Das Testsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der eine oder die mehreren Prozessoren des Oszilloskops so strukturiert sind, dass sie skalare Werte ausgeben, die eine oder mehrere Zonen des Nyquist-Diagramms darstellen.
Das Testsystem nach Anspruch 9, bei dem die skalaren Werte Werte für einen oder mehrere der folgenden Werte enthalten: Volumenwiderstand, Festkörperelektrolyt-Grenzfläche, Ladungstransfer und Warburg-Impedanz.
Ein Verfahren zur Durchführung der elektrochemischen Impedanzspektroskopie an einer zu testenden Einheit (UUT = Unit Under Test), wobei das Verfahren umfasst: Anlegen einer Vielzahl von Frequenzkomponenten, die in einem einzigen Burst oder breitbandigen Stimulus kombiniert sind, an die UUT; Messen eines Amplitudenverhältnisses und einer Phasendifferenz zwischen einer Spannung und einem Strom der UUT bei einer Vielzahl von Frequenzen, nachdem der einzelne Burst oder Breitbandstimulus von Frequenzkomponenten angelegt wurde; Erzeugen eines Nyquist-Diagramms von Impedanzwerten sowohl in der realen als auch in der imaginären Achse aus der gemessenen Phasendifferenz; und Darstellen des Nyquist-Diagramms an einem Ausgang des Oszilloskops.
Das Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst: Anwendung von mindestens zwei verschiedenen Lasten auf die UUT; Messen eines Amplitudenverhältnisses und einer Phasendifferenz zwischen einer Spannung und einem Strom der UUT bei einer Vielzahl von Frequenzen, nachdem der einzelne Burst von Frequenzkomponenten für mindestens zwei verschiedene Lastwerte, die an die UUT angelegt werden, angelegt worden ist; Erzeugen eines Nyquist-Diagramms von Impedanzwerten sowohl in der realen als auch in der imaginären Achse aus jeder der mindestens zwei gemessenen Phasendifferenzen; und Erstellen der Nyquist-Diagramme auf einem einzigen Bild am Ausgang des Oszilloskops.
Das Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Anwendung einer Vielzahl von Frequenzkomponenten die Anwendung von mindestens 20 einzelnen Frequenzpunkten umfasst, die einen bestimmten Frequenzbereich auf der Grundlage der Eigenschaften der UUT abdecken.
Das Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Frequenzbereich zwischen 0,01 Hz und 1 kHZ liegt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Messen des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz bei einer Vielzahl von Frequenzen das Messen des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz bei einer Vielzahl von Frequenzen auf der Grundlage von Eigenschaften der UUT umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Vielzahl der für die Messung des Amplitudenverhältnisses und der Phasendifferenz verwendeten Frequenzen einen Bereich von 1 Hz bis 40 MHz umfasst.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, das ferner umfasst: Erzeugen eines Verstärkungsdiagramms und eines Phasendiagramms der gemessenen Amplitude und Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom der UUT bei der Vielzahl von Frequenzen; und die Darstellung der Verstärkung und der Phase am Ausgang des Oszilloskops.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, das ferner umfasst: Bestimmen eines Ladungszustandes der UUT durch Modellanpassung des Nyquist-Diagramms gegen eine Vielzahl von Nyquist-Diagrammen anderer UUTs mit bekannten Ladungszuständen, wobei mindestens zwei der Vielzahl von Nyquist-Diagrammen andere Eingangsspannungen und Temperaturbedingungen aufweisen als andere in der Vielzahl von Nyquist-Diagrammen.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, das ferner das Erzeugen und Ausgeben von Skalarwerten umfasst, die eine oder mehrere Zonen des Nyquist-Diagramms darstellen.
Das Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die skalaren Werte Werte für einen oder mehrere der folgenden Werte enthalten: Volumenwiderstand, Festkörperelektrolyt-Grenzfläche, Ladungstransfer und Warburg-Impedanz.