WO2022067365A2 - Prüfvorrichtung für separate batteriezellen - Google Patents

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WO2022067365A2
WO2022067365A2 PCT/AT2021/060350 AT2021060350W WO2022067365A2 WO 2022067365 A2 WO2022067365 A2 WO 2022067365A2 AT 2021060350 W AT2021060350 W AT 2021060350W WO 2022067365 A2 WO2022067365 A2 WO 2022067365A2
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battery cells
charging
cycle
battery cell
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Wenzel PROCHAZKA
Ernst Fuchs
Wolfram KOHS
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Avl List Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a testing device for simultaneously testing a plurality of separate battery cells with regard to a characteristic of a charging behavior of each battery cell, and a method for this.
  • Such checks are carried out, for example, at one end of a production line for battery cell production, in order to monitor the quality of battery cells produced of the same type, in particular of a production batch.
  • Corresponding tests are also carried out for so-called matching, i.e. when a group of battery cells that are as homogeneous as possible with almost identical measured values for properties such as capacity, internal resistance or similar are to be determined for the production of battery modules.
  • the battery cells After assembling the individual elements of a lithium-ion battery cell, including filling with electrolyte, the battery cells go through a so-called formation process.
  • a kind of protective layer forms on the anode, the so-called “solid electrolyte interphase", also known as SEI.
  • SEI solid electrolyte interphase
  • the quality of this layer is of great importance for the other properties and, above all, for the life expectancy of the battery cell. Due to this importance, the formation step is given a lot of attention in battery cell production.
  • the formation consists of a very slow charging and discharging step, during which the SEI can build up, whereby certain conditions such as temperature, charging rate, constant potential charging steps, pause times, etc. are previously based on a specific pair of electrolyte and electrode material have been optimized.
  • all battery cells are subjected to quality control, whereby the values recorded for capacity and internal resistance can be made available to a corresponding selection step for matching the battery cells to narrow ranges of similar values in the event of a downstream grouping of the battery cells for battery modules or battery packs.
  • Measuring apparatuses for testing battery cells are known, in which a battery cell is subjected to test cycles with charging and discharging steps while currents or amounts of charge and a cell voltage are recorded.
  • measuring devices for end-of-line cell testing in production are known, which provide a large number of test channels in which one battery cell can be measured in parallel or at the same time, so that a higher throughput of battery cell numbers can take place.
  • a corresponding measuring apparatus is only suitable for carrying out random samples, since the individual testing of battery cells allows an individual and thus time-consuming or only complex to automate assembly and removal of the battery cells.
  • module testers or module cyclers are known, to which a battery module can be connected and measured in the same way instead of a battery cell.
  • a measuring device only allows conclusions to be drawn about the properties of the battery module as a whole, i.e. the battery cells contained therein in combination, but not about these individually. Although a larger number of battery cells can be cycled overall, a measurement resolution in terms of quality control of the battery cells is not possible here.
  • a testing device for the simultaneous testing of a plurality of separate battery cells with regard to a characteristic of a charging behavior of each battery cell.
  • the test device has a connection module with at least one connection means for electrically connecting battery cells to the test device; a charging module that provides an electrical power supply for charging the battery cells; a discharge module that provides an electrical load for discharging the battery cells; a measuring module with voltage detection means for detecting a voltage of each battery cell and with current detection means for detecting at least one current supplied and drawn from the plurality of separate battery cells; a comparison module with comparison means for comparing values, which are recorded by the measuring module, with at least one stored reference value and/or with values of the battery cells recorded at the same time with one another; and a control module with control means for controlling one or more parallel charging and discharging cycles by means of the charging module and the discharging module; on.
  • At least one cycle module is provided on the test device according to the invention, which provides a common charging and discharging cycle for a predetermined number of the plurality of separate battery cells via the control module, the number of separate battery cells predetermined for the cycle module being connected in series by means of the connection module , and the cycle module has cycle means in order to electrically apply a common charging current and/or a common discharging current of the cycle module to the predetermined number of separate battery cells at least at times.
  • separate battery cells is defined as a single battery cell with a positive and a negative contact without any further electrical connections.
  • separate battery cells can for example, as piece goods in bulk at the end of a battery cell production line, and in particular are not to be understood as synonymous with battery cells that are already assigned in any way to a group such as a battery module.
  • voltage detection means is defined as a comprehensive generic term for any measuring technique for measuring an electrical voltage.
  • a suitable voltage detection means can be implemented in the form of a conventional digital sensor of a voltmeter, in particular by a measuring resistor connected in parallel as a voltmeter for tapping a voltage and an analog/digital converter for generating a measurement signal.
  • the term current detection means is defined as a comprehensive generic term for any measuring technique for measuring an electric current.
  • a suitable current detection means can be in the form of a conventional digital sensor of an ammeter, in particular by a series-connected measuring resistor or an inductive conductor loop as a voltmeter for measuring a voltage that is proportional to the current, and an analog-to-digital converter for generating a Be realized measurement signal.
  • the concept of a means of comparison is defined as a generic term for an algorithmic logic that allows a qualitative comparison of variables of multiple input values from measurement signals with reference to the same measurement parameter.
  • a suitable means of comparison can be provided in particular as a microcomputer for data processing, on which a program routine with logic for comparing values is implemented.
  • a cycle module is defined as a test channel from preferably a plurality of test channels of the test device for carrying out charging cycles for test purposes.
  • the battery cells can be divided into several cycle modules independently of a mechanical mount, as long as an electrical connection remains the same.
  • cycle means is defined according to this disclosure as a generic term for a fixing and contacting structure by which during a test cycle a series circuit is established between the separate battery cells.
  • the fixing and contacting structure includes, for example, metallic, elastic clamping elements, through which the battery cells are accommodated in the cycle module so that they can be easily inserted and removed, so that the battery cells can be inserted into and removed from a cycle module, preferably in an automated manner.
  • the testing device is based on the known principle of providing parallel test cycles that are as identical as possible for a large number of individual battery cells.
  • each cycle module is assigned an equalization module which has equalization means for carrying out charge equalization based on differences between the voltages of the separate battery cells connected in series.
  • the term balancing means is defined as a comprehensive generic term of any circuit technology for balancing a balanced state of charge between multiple battery cells.
  • a suitable balancing means can be provided in the form of a conventional balancing circuit with a load resistor, a sense resistor and a switch. So-called balancing can be used to ensure that battery cells in the series circuit have a lower capacity, i.e. are not overcharged or deeply discharged. Furthermore, all battery cells are brought to a common cell voltage that is as equal as possible.
  • the equalization module also has equalization detection means for detecting values of charge equalization between the separate battery cells connected in series.
  • the term balance detection means is defined as a comprehensive generic term of any measurement technique for measuring a moving electric charge quantity.
  • a suitable equalization detection means can be in the form of a conventional digital sensor of a coulometer, in particular using a series-connected measuring resistor or an inductive conductor loop as a voltmeter for tapping a voltage that is proportional to an equalizing current, an analog-to-digital converter for generating a Measurement signal and a time recording can be realized.
  • the detected charge balances can be included for the benefit of an accurate measurement methodology.
  • the individual equalizing currents between the individual battery cells are also considered, which allow a direct comparison and thus a conclusion about relative deviations of the battery cells to one another.
  • Such considerations of charge balancing can relate to the differences in cell voltages, or to Calculate amounts of charge via a time integral of a compensating current.
  • the considerations can cover an absolute charge balancing leading to an equilibrium or also a time-limited or switched or controlled charge balancing with results in residual imbalances.
  • the measuring module has an analog-to-digital converter for detecting values of a voltage in each cycle module, which is in a signal connection with the control module for transmitting measured values via galvanic isolation.
  • the measuring module has a parallel-connected measuring resistor for each battery cell.
  • a current measurement can be carried out on each battery cell within the series circuit.
  • a large number of measuring resistors that are as identical as possible with a potential system error are necessary, but their deviation as an error influence only refers to the charge equalization, i.e. relatively small amount of charge compared to the total charging or discharging of a battery cell with separate measuring resistors in parallel measuring arrangement for Individual test cycles of individual battery cells.
  • the measuring module has an operational amplifier between each measuring resistor and the analog-to-digital converter.
  • This metrological structure can increase the accuracy of the sensitive detection of low residual currents between approximately balanced cell voltages.
  • the compensation module has a parallel-connected balancer circuit with a load resistor and a switch controlled by means of pulse width modulation for each battery cell. This allows each battery cell to be discharged in a targeted manner. A target current of a battery cell is determined by the control module and set via pulse width modulation. An actual discharge current can deviate slightly from this and must therefore be measured very precisely via the measuring resistor. It can be advantageous here if the voltage detection means of the measuring module and/or the compensation means of the compensation module can be connected in series with the at least one cycle module by means of the cycle means.
  • Such a discharge channel from the aforementioned balancer circuit with a load resistor and a switch controlled by pulse width modulation can be connected in series, as can the voltage measurement, so that the battery cells connected in series can be discharged or balanced simultaneously with different currents. At least one cell that has reached a predetermined lower state of charge can no longer be discharged.
  • the current detection means of the measuring module can have a measuring resistor in each cycle module through which the common charging current and/or the common discharging current of the predetermined number of separate battery cells connected in series flows.
  • a measuring resistor in each cycle module through which the common charging current and/or the common discharging current of the predetermined number of separate battery cells connected in series flows.
  • the current detection means of the measuring module also have a programmable amplifier, via which the measuring resistor is connected to an analog-to-digital converter.
  • This metrological structure can increase the accuracy of the sensitive detection of a total current of the battery cells connected in series.
  • the testing device also has an automation module with automation means for automatically assigning each separate battery cell to a value of a checked property of the charging behavior.
  • automation means as a summarizing generic term of any automation technology for assigning or identifying the battery cells to or with a determined value range or value.
  • a suitable means of automation can take the form of a robotic arm for bringing and sorting the battery cells into storage locations, or a marking device such as a labeling machine or a laser marking machine be provided for applying codes or similar markings to the battery cells in relation to their test results. In this way, an extension of one end of a production line can be created in that the battery cells are assigned, for example, to groups with specific value ranges, or the battery cells are assigned an identification according to specific value ranges or the determined values.
  • connection module has a fixing and contacting structure for each cycle module in which the number of separate battery cells predetermined for the cycle module can be accommodated next to one another in the same orientation of the longitudinal axis in an adjacent arrangement and connected in series.
  • the connection module has a fixing and contacting structure for each cycle module in which the number of separate battery cells predetermined for the cycle module can be accommodated next to one another in the same orientation of the longitudinal axis in an adjacent arrangement and connected in series.
  • a property of the charging behavior checked by the test device is a charging efficiency of each separate battery cell in relation to a charge supplied in a charging and discharging cycle and a discharged charge of each battery cell.
  • This parameter is a fundamental factor that gives an indication of the quality of a battery cell.
  • a checked property of the charging behavior is a charging and/or discharging speed of each battery cell. This parameter is another indicator of the quality of a battery cell.
  • the measuring module also has signaling means for impressing an alternating current signal on each battery cell and receiving means for receiving a response signal on each battery cell, and a checked property of the charging behavior is the internal resistance of each battery cell.
  • signaling means is defined as a generic term for a signal source and a signal receiver for impressing an AC signal and receiving a response signal.
  • Appropriate signaling means can for example, be provided by a modulatable AC power source, which is integrated in the charging module and discharge module together, and a voltmeter with time resolution as a receiving means of the cycle module. This extended measurement function can also be used to assess the quality or identify possible causes of a battery cell error.
  • the measurement module has a temperature sensor for each battery cell, and a checked property of the charging behavior is a temperature and/or a temperature profile of each battery cell. This expanded measurement function allows further conclusions to be drawn about the quality or faulty status of a battery cell.
  • the present invention also relates to a method for simultaneously checking a plurality of separate battery cells with regard to a characteristic of a charging behavior of each battery cell, with the steps: connecting battery cells to a testing device; charging the battery cells by an electric power supply; discharging the battery cells by an electrical consumer load; detecting a voltage of each battery cell and detecting at least one current supplied and drained to and from the plurality of separate battery cells; Comparing recorded values with a stored reference value and/or with simultaneously recorded values of battery cells among one another; and controlling one or more parallel charging and discharging cycles.
  • the invention provides: a series connection of a predetermined number of separate battery cells; and at least temporarily connecting the series-connected battery cells to a common charging current and/or a common discharging current.
  • the common charging current is stopped being supplied as soon as one of the series-connected battery cells reaches a voltage which exceeds a predetermined upper voltage threshold value. In this way, overcharging of the weakest battery cell, ie that battery cell with the lowest capacity in the series circuit, can be prevented. It is also advantageous during the method if dissipation of the common discharge current is terminated as soon as a discharged amount of charge has been reached at one of the battery cells connected in series, which corresponds to the amount of charge previously supplied to the same battery cell. This prevents the weakest battery cell in the series circuit from being deeply discharged. After that, the remaining battery cells can be individually further discharged while at least one battery cell is no longer discharged as soon as it has reached a predetermined lower threshold value of the state of charge.
  • the testing device is therefore based on the following metrological principle. If all battery cells of a cycle module are connected in series, the charging or discharging current is initially the same for all battery cells. Due to manufacturing tolerances in the internal resistance and the cell chemistry, etc., the battery cells are charged to different voltages. To prevent this, in a second step of the charging process, they are individually discharged or charged in a targeted manner using compensating currents in accordance with balancing, in order to then adapt them to a balanced charge state. Likewise, an individual discharge of battery cells is only carried out at the end of the initially common charging process. Thus, a metrological consideration can focus on the acquisition of values in the second sections of the charging and discharging process, in which much lower charges, i.e. only remaining residual charges, flow.
  • the capacity values or a charging efficiency of all battery cells can be compared very precisely. Measurement errors can therefore theoretically only occur due to tolerances in the individual balancer circuits, which, however, only compensate for small amounts of charge between the battery cells. Due to the low measurement error, the testing device is particularly suitable for an application for recording values that allow a very precise analysis such as production batch inhomogeneity or other production fluctuations from batch to batch. In addition to the capacity values, the charge-discharge efficiency or the Coulomb efficiency is also an indicator of the quality of battery cells of interest. resse, since it can be associated with irreversible lossy processes in the battery cell.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a modular structure of the test device according to the invention
  • FIG. 2 shows a block diagram of components of a cycle module of the test device according to the invention
  • FIG. 3 shows a block diagram of components of a balancer circuit of the compensation module on a battery cell
  • FIG. 4 shows a block diagram of components of the measuring module for detecting a total current of the series connection of battery cells.
  • Fig. 1 a modular structure of an embodiment of the testing device 100 is shown schematically.
  • the testing device 100 includes a charging module 40 and a discharging module 50 which are controlled by a control module 80 .
  • the control module 80 includes a microcomputer with signal inputs and outputs for connection to various modules of the test device 100, such as the charging module 40 and the discharging module 50.
  • the charging module 40 and discharging module 50 essentially provides an electrically controllable 2-quadrant current source. with which the battery cells to be tested 20 can be charged and discharged.
  • the discharge module 50 provides a configurable current sink, via which the battery cells 20 can be discharged.
  • a configurable voltage level of the charging module 40 determines the maximum number n of battery cells 20 during a Test cycle can be connected in series in a cycle module 10.
  • the test device 100 has a plurality of cycle modules 10a, 10b, 10c, which are connected in parallel to the charging module 40 and the discharging module 50, the cycle modules 10, for example, each accessing the same charging voltage and each configured for a series connection of the same predetermined number n of battery cells 20 are.
  • each cycle module 10a, 10b, 10c a fixing and contacting structure is provided as a cycle means, through which a series connection between the separate battery cells 20 is produced during a testing process or a test cycle.
  • the fixing and contacting structure includes, for example, metallic, elastic clamping elements, through which the battery cells 20 can be easily inserted and removed in the cycle module 10a, 10b, 10c, so that the battery cells 20 are preferably automatically introduced into the testing device 100 at the end of a production line of battery production and can be deployed.
  • the fixing and contacting structure for the battery cells 20 in the cycle modules 10a, 10b, 10c are part of a connection module 30.
  • the connection module 30 comprises all electrical lines for supplying and removing charges between the test device 100 and the battery cells 20 and connects, among other things the cycle modules 10a, 10b, 10c with the charging module 40 and the discharging module 50.
  • the charging module 40 has a maximum voltage of 64 V, and a number n of 12 battery cells 20 with a maximum nominal voltage of 5 V is provided in the cycle modules 10a, 10b, 10c.
  • the current values depend on the cell types and their capacity, which specify the charging and discharging currents. Accordingly, a charging and discharging current of the charging module 40 and the discharging module 50 can be set in the intended ranges.
  • the battery cells 20 can be arranged next to one another within the cycle module 10a, 10b, 10c in the same orientation of the longitudinal axis in an adjacent arrangement or in groups of 4, 6 or 8 battery cells 20 to one another.
  • the control module 80 controls a charging and discharging cycle by means of the charging module 40 and the discharging module 50 in feedback from detected values of the measuring modules 60a, 60b, 60c, which for the series-connected battery cells 20 in each cycle module 10a, 10b, 10c at least in sections is carried out together.
  • the battery cells 20 are charged together in each cycle module 10a, 10b, 10c until the weakest battery cell 20, which has the lowest capacity, reaches a switch-off voltage Umax.
  • the measuring module 60a, 60b, 60c has a voltage sensor in the cycle modules 10a, 10b, 10c for each battery cell 20 in order to detect the respective cell voltages and transmit them to the control module.
  • a compensation module 90 takes over a second section of the charging process.
  • the balancing module 90 comprises a balancing circuit 91 for each battery cell 20 as a balancing means in the cycle modules 10a, 10b, 10c.
  • the balancing module 90 is connected to the control module 80 and guides the battery cells 20 to a uniform state of charge in a cycle module after the charging current has been switched off.
  • controlled equalizing currents are carried out in the series circuit of the cycle module 10a, 10b, 10c, with weaker battery cells 20 being discharged a little, as a result of which stronger battery cells 20 are charged a little.
  • the battery cells 20 in a cycle module have a relatively balanced, full state of charge or SOC (state of charge).
  • the battery cells 20 are discharged in a similar manner to charging.
  • the control module uses the discharge module 50 to discharge the battery cells 20 of a cycle module together via a load that is provided as a current sink of the discharge module 50 .
  • the equalizing module 90 takes over an individual further discharging of the remaining battery cells 20 in the cycle module 10a, 10b, 10c via the balancer circuits 90 until they are discharged to the same state.
  • the measuring module 60a, 60b, 60c detects the total current of a common charging current and discharging current during a first section of the charging and discharging process via a measuring resistor RM.
  • the compensation module 90a, 90b, 90c individually detects the compensation currents in the second section of the charging process and the discharge currents in the second section of the discharging process via a measuring resistor R2 in each balancer circuit 91 for each battery cell 20.
  • a comparison module 70 compares the detected values among the battery cells 20 and, if necessary, relates them to a reference value.
  • a comparison means of the comparison module 70 is implemented as a program routine of the microcomputer of the control module 80 .
  • a check or test cycle of the checking device 100 is stored in the control module 80 in order to classify the battery cells 20 with regard to their quality, for example.
  • the control module 80 coordinates the other modules of the test device 100 and evaluates a detected accumulation of the currents for the resulting charges to create a charge balance calculation, data recording and, if necessary, their representation. Furthermore, the individual discharge currents are specified by the control module 80 as a function of the measured cell voltages.
  • FIG. 2 shows a section of a circuit within a cycle module 10a, 10b, 10c, in which a multiplicity of battery cells 20 are electrically connected in a series circuit.
  • Each battery cell 20 is connected to an analog-to-digital converter (ADC) 61 of the measurement module 60a, 60b, 60c via a balancer circuit 91 of the equalization module 90 .
  • the ADC 61 is connected to a reference potential and a DC supply.
  • the ADC is also connected to the control module 80 via a signal connection 63 with galvanic isolation in order to transmit the sensitively recorded values of the measuring module 60a, 60b, 60c with as little sensitivity as possible to interference.
  • the control module 80 calculates a compensating current for balancing in the second step of the charging process, so that individual cells are not overcharged or others are undercharged.
  • FIG. 3 shows a section of a balancer circuit 91 that is assigned to each battery cell 20 .
  • the balancer circuit 91 essentially consists of a load resistance Ri, which can be pulsed on and off via a switch 92 by means of pulse width modulation (PWM).
  • PWM pulse width modulation
  • the PWM is specified by the control module 80 during the second section of the discharging process, so that each battery cell 20 is discharged in a targeted manner.
  • a calculated target discharge current is set by the control module 80 via the pulse width modulation.
  • the actual discharge current of each battery cell 20 can deviate somewhat from this and can also be measured very precisely via a measuring resistor R2 of the balancer circuit 91.
  • the measuring resistor R2 is usually very small. It is connected to an input of the ADC 61 with an operational amplifier 93 with a level shifter, so that a correspondingly small measurement voltage can be processed.
  • Such a discharge channel made up of balancer circuits 91 can be connected in series, just like a cell voltage measurement, so that the battery cells 20 can be discharged or balanced at the same time with different currents. At least one battery cell 20 is no longer discharged or charged as soon as it has reached a lower threshold value or upper threshold value of a state of charge.
  • FIG. 4 shows a detail from a measuring circuit of measuring module 60a, 60b, 60c for detecting a total current during a first section of the charging process or discharging process.
  • a measuring resistor RM is provided for measuring the total current, which is connected to the ADC 61 via a programmable amplifier (PGA) 64 .
  • the measuring resistor RM and the programmable amplifier (PGA) 64 are configured or configurable according to the predetermined number n or a resulting nominal voltage of the series-connected battery cells 20 in the cycle module 10a, 10b, 10c.
  • the measuring resistor RM is preferably selected very precisely with regard to temperature stability, since a charging efficiency of the battery cells 20 can be calculated from this.
  • the PGA 64 is connected to a bipolar voltage channel of an ADC 61 .
  • the ADC 61 of the sense resistor RM is not necessarily the same as the ADC 61 for the balancer circuits 91 is. However, at least channels of the ADC 61 are for the balancer circuits 91 and preferably also those for the Measuring resistor RM connected to the same reference potential in order to minimize the error influences, especially due to temperature fluctuations.
  • the testing device 100 can also include an automation module (not shown in more detail) in order to assign recorded values to the tested battery cells by means of identification or spatial assignment or classification.
  • an automation module (not shown in more detail) in order to assign recorded values to the tested battery cells by means of identification or spatial assignment or classification.
  • a robot with a gripping tool can be provided at the end of a production line, which inserts the battery cells 20 into the test device 100, removes them, assigns them to specific groups or identifies them by suitable means.
  • the measuring module 60a, 60b, 60c can have an additional function, not shown in detail, for detecting a temperature or an internal resistance of each battery cell 20.
  • a temperature can be measured using temperature sensors for each battery cell 20 .
  • the battery cells 20 are brought to a defined state of charge (SOC). After a rest phase, a current pulse is applied to the battery cells 20 together by means of a signaling means of the charging module 40 or discharging module 50 and the resulting voltage values are measured as a response signal by receiving means of the cycle module 10a, 10b, 10c.
  • SOC state of charge
  • the internal resistance values or an impedance for specific points in time can be calculated from the current and the difference between the DC voltage and the superimposed voltage pulse during the current pulse.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung (100) sowie ein Verfahren zur zeitgleichen Überprüfung einer Mehrzahl von separaten Batteriezellen (20) in Bezug auf eine Eigenschaft eines Ladeverhaltens jeder Batteriezelle. Die Prüfvorrichtung weist neben einem Verbindungsmodul (30) einem Lademodul (40), einem Entlademodul (50), einem Messmodul (60a, 60b, 60c) und einem Vergleichsmodul (70) ein Steuermodul (80) für eine Steuerung von einem oder mehreren parallel ablaufenden Auf- und Entladezyklen auf. Erfindungsgemäß weist die Prüfvorrichtung (100) ferner ein Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) auf, das einen gemeinsamen Auf- und Entladezyklus für eine vorbestimmte Anzahl (n) aus der Mehrzahl von separaten Batteriezellen (20) über das Steuermodul (80) bereitstellt, wobei die für das Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) vorbestimmte Anzahl (n) von separaten Batteriezellen (20) mittels des Verbindungsmoduls (30) in Serie geschaltet sind, und das Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) weist Zyklusmittel auf, um die vorbestimmte Anzahl (n) von separaten Batteriezellen (20) zumindest zeitweise mit einem gemeinsamen Aufladestrom und/oder einem gemeinsamen Entladestrom des Zyklusmoduls (10a, 10b, 10c) elektrisch zu beaufschlagen.

Description

Prüfvorrichtung für separate Batteriezellen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung zur zeitgleichen Überprüfung einer Mehrzahl von separaten Batteriezellen in Bezug auf eine Eigenschaft eines Ladeverhaltens jeder Batteriezelle sowie ein Verfahren hierzu.
Derartige Überprüfungen werden beispielsweise an einem Ende einer Fertigungslinie einer Batteriezellenproduktion durchgeführt, um eine Qualität von produzierten Batteriezellen gleichen Typs, insbesondere einer Produktionscharge zu überwachen. Ebenso werden entsprechende Tests für ein sogenanntes Matching durchgeführt, d.h. wenn für die Fertigung von Batteriemodulen, eine Gruppe möglichst homogener Batteriezellen mit nahezu identischen Messwerten zu Eigenschaften wie der Kapazität, einem Innenwiderstand o.ä. ermittelt werden sollen.
Nach einem Zusammensetzen der einzelnen Elemente einer Lithium-Ionen Batteriezelle einschließlich einem Befüllen mit Elektrolyt durchlaufen die Batteriezellen einen sogenannten Formierungsprozess. Dabei bildet sich eine Art Schutzschicht auf der Anode aus, die sogenannte „solid electrolyte interphase“ auch SEI genannt. Die Qualität dieser Schicht ist für die weiteren Eigenschaften und vor allem für die Lebenserwartung der Batteriezelle von großer Bedeutung. Aufgrund dieser Bedeutung kommt dem Formierungsschritt eine hohe Aufmerksamkeit bei der Batteriezellenproduktion zu. Im einfachsten Fall besteht die Formierung aus einem sehr langsamen Lade- und Entladeschritt, bei denen sich die SEI aufbauen kann, wobei bestimmte Bedingungen wie die Temperatur, Laderate, Konstantpotenzial-Ladeschritten, Pausezeiten o.ä. zuvor auf ein spezifisches Paar von Elektrolyt und Elektrodenmaterial optimiert wurden.
Im Idealfall werden sämtliche Batteriezellen einer Qualitätskontrolle unterzogen, wobei deren erfasste Werte zur Kapazität und des Innenwiderstands im Falle einer nachgelagerten Gruppierung der Batteriezellen für Batteriemodule oder Batteriepakete einem entsprechenden Selektionsschritt für ein Matching der Batteriezellen auf enge Bereiche ähnlicher Werte zur Verfügung gestellt werden können.
Es sind Messapparaturen zur Prüfung von Batteriezellen bekannt, in denen eine Batteriezelle Testzyklen mit Auflade- und Entladeschritten unterzogen wird während Ströme bzw. Ladungsmengen und eine Zellenspannung erfasst werden. Es sind auch derartige Messapparaturen für eine End-of-Line Zelltestung in Produktionen bekannt, die eine Vielzahl von Testkanälen bereitstellen, in denen parallel bzw. zeitgleich ablaufend jeweils eine Batteriezelle vermessen werden kann, so dass ein höherer Durchsatz an Stückzahlen der Batteriezellen erfolgen kann.
Dieses Prinzip hat jedoch erhebliche Nachteile in der Genauigkeit bzw. Vergleichbarkeit der Messungen. Problematisch ist hierbei, dass eine Strommessung zur Erfassung von bewegten Ladungsmengen in und aus den Batteriezellen für alle parallelen Zyklen sehr genau sein muss, z.B. eine identische Replizierung der Ladeströme und Messungen bis auf z.B. 99,999 %, um für alle getesteten Batteriezellen eine Ausgangsbedingung für eine qualitative Vergleichbarkeit zu schaffen und eine Produktionscharge valide überprüfen zu können.
Ferner eignet sich eine entsprechende Messapparatur im Hinblick auf die Handhabung großer Stückzahlen lediglich zur Durchführung von Stichproben, da die Einzeltestung von Batteriezellen eine individuelle und somit zeitintensive bzw. lediglich aufwändig zu automatisierende Bestückung und Entnahme der Batteriezellen zulässt.
Darüber hinaus sind sogenannte Modultester oder Modulzyklisierer bekannt, an denen anstelle einer Batteriezelle ein Batteriemodul in gleicher Weise angeschlossen und vermessen werden kann. Eine solche Messapparatur lässt lediglich Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Batteriemoduls als Ganzes, d.h. die darin enthaltenen Batteriezellen im Verbund, jedoch nicht auf diese im Einzelnen zu. So kann zwar eine insgesamt größere Stückzahl von Batteriezellen zyklisiert werden, eine Messauflösung im Sinne einer Qualitätskontrolle der Batteriezellen ist hier jedoch nicht möglich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zur Qualitätskontrolle von Batteriezellen geeignete Prüfvorrichtung zu schaffen, welche hierfür eine Messtechnik mit hoher Genauigkeit bereitstellt. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung eine dementsprechende Prüfvorrichtung zu schaffen, die eine verbesserte Handhabung bereitstellt, um einen hohen Durchsatz separater Batteriezellen aus einer Produktionslinie zyklisieren und vermessen zu können. Die voranstehenden Aufgaben werden durch eine Prüfvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Erfindungsgemäß ist eine Prüfvorrichtung zur zeitgleichen Überprüfung einer Mehrzahl von separaten Batteriezellen in Bezug auf eine Eigenschaft eines Ladeverhaltens jeder Batteriezelle vorgesehen. Hierfür weist die Prüfvorrichtung ein Verbindungsmodul mit wenigstens einem Verbindungsmittel zum elektrischen Verbinden von Batteriezellen mit der Prüfvorrichtung; ein Lademodul, das eine elektrische Leistungszufuhr zum Aufladen der Batteriezellen bereitstellt; ein Entlademodul, das eine elektrische Verbraucherlast zum Entladen der Batteriezellen bereitstellt; ein Messmodul mit Spannungs-Erfassungsmitteln zum Erfassen einer Spannung jeder Batteriezelle und mit Strom-Erfassungsmitteln zum Erfassen wenigstens eines zugeführten und abgeführten Stroms aus der Mehrzahl von separaten Batteriezellen; ein Vergleichsmodul mit Vergleichsmitteln für einen Vergleich von Werten, die von dem Messmodul erfasst werden, mit wenigstens einem hinterlegten Referenzwert und/oder mit zeitgleich erfassten Werten der Batteriezellen untereinander; und ein Steuermodul mit Steuerungsmitteln für eine Steuerung von einem oder mehreren parallel ablaufenden Auf- und Entladezyklen mittels dem Lademodul und dem Entlademodul; auf. Ferner ist an der Prüfvorrichtung wenigstens ein Zyklusmodul erfindungsgemäß vorgesehen, das einen gemeinsamen Auf- und Entladezyklus für eine vorbestimmte Anzahl aus der Mehrzahl von separaten Batteriezellen über das Steuermodul bereitstellt, wobei die für das Zyklusmodul vorbestimmte Anzahl von separaten Batteriezellen mittels des Verbindungsmoduls in Serie geschaltet sind, und das Zyklusmodul weist Zyklusmittel auf, um die vorbestimmte Anzahl von separaten Batteriezellen zumindest zeitweise mit einem gemeinsamen Aufladestrom und/oder einem gemeinsamen Entladestrom des Zyklusmoduls elektrisch zu beaufschlagen.
Der Begriff von separaten Batteriezellen ist gemäß dieser Offenbarung als einzelne Batteriezelle mit einem positiven und einem negativen Kontakt ohne weitere elektrische Verbindungen definiert. In diesem Zustand können separate Batteriezellen bei- spielsweise als Stückgut in loser Schüttung am Ende einer Batteriezellenfertigungsstraße vorliegen, und sind insbesondere nicht gleichbedeutend mit Batteriezellen zu verstehen, die bereits in beliebiger Art einer Gruppe wie beispielsweise einem Batteriemodul zugeordnet sind.
Der Begriff von Spannungs-Erfassungsmitteln ist gemäß dieser Offenbarung als zusammenfassender Oberbegriff jeglicher Messtechnik zur Messung einer elektrischen Spannung definiert. Ein geeignetes Spannungs-Erfassungsmittel kann in Form eines herkömmlichen digitalen Sensors eines Voltmeters insbesondere durch einen parallel geschalteten Messwiderstand als Spannungsmesser zum Abgreifen einer Spannung und einen Analog-Digital-Umsetzer zur Erzeugung eines Messsignals realisiert sein.
Der Begriff von Strom-Erfassungsmitteln ist gemäß dieser Offenbarung als zusammenfassender Oberbegriff jeglicher Messtechnik zur Messung eines elektrischen Stroms definiert. Ein geeignetes Strom-Erfassungsmittel kann in Form eines herkömmlichen digitalen Sensors eines Ampermeters insbesondere durch einen in Serie geschalteten Messwiderstand oder einer induktiven Leiterschleife als Spannungsmesser zum Abgreifen einer Spannung, die sich zu dem Strom proportional verhält, und einen Analog-Digital-Umsetzer zur Erzeugung eines Messsignals realisiert sein.
Der Begriff von einem Vergleichsmittel ist gemäß dieser Offenbarung als Oberbegriff für eine algorithmische Logik definiert, die einen qualitativen Vergleich von Größen mehrerer Eingangswerte aus Messsignalen mit Bezug zu dem gleichen Messparameter zulässt. Ein geeignetes Vergleichsmittel kann insbesondere als ein Mikrocomputer zur Datenverarbeitung bereitgestellt sein, auf dem eine Programmroutine mit einer Logik zum Wertevergleich implementiert ist.
Der Begriff von einem Zyklusmodul ist gemäß dieser Offenbarung als ein Testkanal aus vorzugsweise einer Vielzahl von Testkanälen der Prüfvorrichtung zur Durchführung von Ladezyklen zu Testzwecken definiert. Dabei muss nicht zwangsweise eine geometrische oder räumliche Aufteilung der einzelnen Batteriezellen zwischen den Zyklusmodulen vorliegen. Die Batteriezellen können unabhängig von einer mechanischen Aufnahme auf mehrere Zyklusmodule aufgeteilt sein, solange eine elektrische Verschaltung die gleiche bleibt.
Der Begriff von Zyklusmitteln ist gemäß dieser Offenbarung als Oberbegriff für eine Fixierungs- und Kontaktierungsstruktur definiert, durch welche während eines Test- zyklus eine Serienschaltung zwischen den separaten Batteriezellen hergestellt wird. Die Fixierungs- und Kontaktierungsstruktur umfasst beispielsweise metallische, elastische Klemmelemente, durch welche die Batteriezellen leicht einführbar und entnehmbar in dem Zyklusmodul aufgenommen werden, sodass die Batteriezellen vorzugsweise automatisiert in ein Zyklusmodul eingebracht und ausgebracht werden können.
Die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung baut auf dem bekannten Prinzip auf, möglichst identische parallele Testzyklen für eine Vielzahl von einzelnen Batteriezellen bereitzustellen. Im Kern der Erfindung besteht jedoch der Lösungsansatz, mehrere einzelne Batteriezellen in Serie zu verschalten und damit in einem Testzyklus bzw. einem Zyklusmodul auf einmal gleichzeitig charakterisieren zu können.
Durch die Verwendung einer gemeinsamen Ladeschaltung für den Lade- und Entladevorgang für mehrere in Serie geschaltete Batteriezellen werden Messfehlerquellen im Vergleich zu parallelen Zyklen vermieden, in denen mehrere unabhängige Schaltungen mit Toleranzen von Bauteilen, wie Messwiderständen als systematischer Fehler vorliegen. In der Serienschaltung ist beispielsweise ein Messwiderstand für einen Gesamtstrom aller Batteriezellen vorhanden und somit identisch. Somit können Eigenschaften wie die Kapazitätswerte aller Batteriezellen in der vorgesehenen Serienschaltung sehr genau untereinander verglichen werden.
Durch die Vermeidung einer Vielzahl von parallelen Testzyklen am Ende einer Fertigungsstraße, in denen Einzeltestungen von Batteriezellen möglichst identisch und zeitgleich gefahren werden müssen, mittels einer geringeren Anzahl von parallelen Testzyklen bzw. Zyklusmodulen, bei denen die separaten Batteriezellen über eine Testanordnung seriell verschaltet werden, können jedoch nicht nur systematische Fehlerquellen minimiert werden, sondern auch eine Auswertung anhand statistischer Präzision genutzt und verbessert werden.
Seitens der Prüfvorrichtung ergeben sich außerdem Kostenvorteile, da die Bereitstellung einer geringeren Anzahl von Testkanälen mit einer höheren Nennspannung, die einer bestimmten in Serie geschalteten Anzahl von einzelnen Batteriezellen entspricht, im Vergleich zu einer hohen Anzahl von parallelen Testkanälen zur Durchführung eines Zyklus mit der Nennspannung einer einzelnen Batteriezelle, einen geringeren messtechnischen Aufwand darstellt. Auch ist die Bestückung in Mehrfachanordnungen von Batteriezellen für einen Testzyklus bzw. ein Zyklusmodul schneller durchführbar und leichter automatisierbar als in einzelnen Anordnungen von Batteriezellen für einen Einzeltestzyklus, was insbesondere bei einer Qualitätsprüfung von vorzugsweise aller Batteriezellen in einer Serienproduktion von hoher Relevanz ist.
Es kann von Vorteil sein, wenn jedem Zyklusmodul ein Ausgleichsmodul zugeordnet ist, welches Ausgleichsmittel zum Durchführen von Ladungsausgleichungen basierend auf Differenzen zwischen Spannungen der in Serie geschalteten separaten Batteriezellen aufweist. Gemäß dieser Offenbarung ist der Begriff von Ausgleichsmitteln als zusammenfassender Oberbegriff jeglicher Schaltungstechnik zum Balancing eines ausgeglichenen Ladezustands zwischen mehreren Batteriezellen definiert. Ein geeignetes Ausgleichsmittel kann in Form einer herkömmlichen Balancer-Schaltung mit einem Belastungswiderstand, einem Messwiderstand und einem Schalter bereitgestellt sein. Durch ein sogenanntes Balancing kann sichergestellt werden, dass Batteriezellen in der Serienschaltung mit einer geringeren Kapazität, also nicht überladen wird oder tiefentladen wird. Ferner werden alle Batteriezellen an eine möglichst gleiche gemeinsame Zellspannung herangeführt.
Dabei kann es insbesondere von Vorteil sein, wenn das Ausgleichmodul ferner Ausgleichs-Erfassungsmittel zum Erfassen von Werten von Ladungsausgleichungen zwischen den in Serie geschalteten separaten Batteriezellen aufweist. Gemäß dieser Offenbarung ist der Begriff von Ausgleichs-Erfassungsmitteln als zusammenfassender Oberbegriff jeglicher Messtechnik zur Messung einer bewegten elektrischen Ladungsmenge definiert. Ein geeignetes Ausgleichs-Erfassungsmittel kann in Form eines herkömmlichen digitalen Sensors eines Coulometers, insbesondere durch einen in Serie geschalteten Messwiderstand oder einer induktiven Leiterschleife als Spannungsmesser zum Abgreifen einer Spannung, die sich zu einem Ausgleichstrom proportional verhält, einen Analog-Digital-Umsetzer zur Erzeugung eines Messsignals und eine Zeiterfassung realisiert sein. Die erfassten Ladungsausgleichungen können zum Vorteil einer genauen Messmethodik einbezogen werden. Dabei werden nach Beendigung eines für alle Batteriezellen gemeinsamen Ladestroms noch die einzelnen Ausgleichsströme zwischen den einzelnen Batteriezellen untereinander betrachtet, welche einen direkten Vergleich und somit einen Rückschluss auf relative Abweichungen der Batteriezellen zueinander zulassen. Derartige Betrachtungen von Ladungsausgleichungen können sich auf die Differenzen von Zellspannungen, oder auf Ladungsmengen über ein zeitliches Integral eines Ausgleichsstroms beziehen. Die Betrachtungen können einen zu einem Gleichgewicht führenden, absoluten Ladungsausgleich oder ebenso einen zeitlich begrenzten oder geschalteten bzw. gesteuerten Ladungsausgleich mit Resultaten zu verbleibenden Ungleichgewichten erfassen.
Es kann ferner von Vorteil sein, wenn das Messmodul einen Analog-zu-Digital- Wandler zum Erfassen von Werten einer Spannung in jedem Zyklusmodul aufweist, der über eine galvanische Trennung in einer Signalverbindung mit dem Steuermodul zur Übertragung von Messwerten steht. Durch diese messtechnische Struktur können weitere Störeinflüsse während einer empfindlichen Erfassung von geringen Restströmen zwischen annähernd ausgeglichenen Zellspannungen minimiert werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Messmodul zu jeder Batteriezelle jeweils einen parallel geschalteten Messwiderstand aufweist. So kann eine Strommessung an jeder Batteriezelle innerhalb der Serienschaltung vorgenommen werden. Dadurch sind zwar eine Mehrzahl möglichst gleicher Messwiderstände mit einem potenziellen Systemfehler nötig, allerdings bezieht sich deren Abweichung als Fehlereinfluss lediglich auf die Ladungsausgleichungen, d.h. relativ geringe Ladungsmenge im Vergleich zu dem gesamten Auf- oder Entladung der einer Batteriezelle mit über separate Messwiderstände in parallelen Messanordnung für Einzeltestzyklen von einzelnen Batteriezellen.
In diesem Zusammenhang bringt es Vorteile mit sich, wenn das Messmodul zwischen jedem Messwiderstand und dem Analog-zu-Digital-Wandler einen Operationsverstärker aufweist. Durch diese messtechnische Struktur kann eine Genauigkeit der empfindlichen Erfassung von geringen Restströmen zwischen annähernd ausgeglichenen Zellspannungen erhöht werden.
Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn das Ausgleichmodul zu jeder Batteriezelle jeweils eine parallel geschaltete Balancer-Schaltung mit einem Belastungswiderstand und einem mittels Pulsweitenmodulation angesteuerten Schalter aufweist. Hierdurch kann jede Batteriezelle gezielt entladen werden. Ein Soll-Strom einer Batteriezelle wird von dem Steuermodul ermittelt und über Pulsweitenmodulation eingestellt. Ein tatsächlicher Entladestrom kann davon etwas abweichen und muss deshalb sehr präzise über den Messwiderstand mitgemessen werden. Hierbei kann es von Vorteil sein, wenn die Spannungs-Erfassungsmittel des Messmoduls und/oder die Ausgleichsmittel des Ausgleichsmoduls mittels der Zyklusmittel dem wenigstens einen Zyklusmodul in Serie schaltbar sind. Ein solcher Entlade- Kanal aus der zuvor genannten Balancer-Schaltung mit einem Belastungswiderstand und einem mittels Pulsweitenmodulation angesteuerten Schalter kann ebenso wie die Spannungsmessung in Serie geschaltet werden, sodass die in Serie geschalteten Batteriezellen gleichzeitig mit unterschiedlichen Strömen entladen oder balanciert werden können. Dabei kann mindestens eine Zelle, die einen vorbestimmten unteren Ladezustand erreicht hat, nicht weiter entladen werden.
Vorteilhafterweise, können die Strom-Erfassungsmittel des Messmoduls in jedem Zyklusmodul einen Messwiderstand aufweisen, der von dem gemeinsamen Aufladestrom und/oder dem gemeinsamen Entladestrom der in Serie geschalteten vorbestimmten Anzahl von separaten Batteriezellen durchflossen wird. Durch die Verwendung eines einzigen Messwiderstands zur Gesamtstrommessung sowohl beim Aufladen als auch beim Entladen kann im Vergleich zu Einzeltestzyklen von einzelnen Batteriezellen ein potenzieller Systemfehler durch Toleranzen von Messwiderständen vermieden werden. Der Messwiderstand ist vorzugsweise mit einem bipolaren Spannungsmesseingang eines Analog-zu-Digital-Wandlers verbunden.
In diesem Zusammenhang kann es von Vorteil sein, wenn die Strom- Erfassungsmittel des Messmoduls ferner einen programmierbaren Verstärker aufweisen, über den der Messwiderstand mit einem Analog-zu-Digital-Wandler verbunden ist. Durch diese messtechnische Struktur kann eine Genauigkeit der empfindlichen Erfassung eines Gesamtstroms der in Serie geschalteten Batteriezellen erhöht werden.
Außerdem kann es vorteilhaft sein, wenn die Prüfvorrichtung ferner ein Automatisierungsmodul mit Automatisierungsmitteln zum automatisierten Zuordnen jeder separaten Batteriezelle zu einem Wert einer überprüften Eigenschaft des Ladeverhaltens aufweist. Gemäß dieser Offenbarung ist der Begriff von Automatisierungsmitteln als zusammenfassender Oberbegriff jeglicher Automatisierungstechnik zur Zuordnung oder Kennzeichnung der Batteriezellen zu oder mit einem ermittelten Wertebereich oder Wert. Ein geeignetes Automatisierungsmittel kann als ein Roboterarm zum Verbringen und Einsortieren der Batteriezellen in Ablageorte oder eine Kennzeichnungseinrichtung wie eine Etikettiermaschine oder eine Laserbeschriftungsmaschine zum Aufbringen von Codierungen oder ähnlichen Kennzeichnungen an den Batteriezellen in Bezug auf deren Prüfergebnis bereitgestellt sein. Hierdurch kann eine Erweiterung eines Endes einer Fertigungslinie geschaffen werden, indem die Batteriezellen beispielsweise Gruppen mit bestimmten Wertebereichen, oder den Batteriezellen eine Kennzeichnung nach bestimmten Wertebereichen oder den ermittelten Werten zugeordnet werden.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Verbindungsmodul für jedes Zyklusmodul eine Fixierungs- und Kontaktierungsstruktur aufweist, in der die für das Zyklusmodul vorbestimmte Anzahl von separaten Batteriezellen in gleicher Ausrichtung der Längsachse in einer benachbarten Anordnung nebeneinander aufnehmbar und in Serie geschaltet kontaktierbar sind. Beispielsweis durch eine schienenartige Fixierung, die mit einer bestimmten Anzahl von Batteriezellen schnell bestückt werden kann, lassen sich weitere Vorteile in der Handhabung großer Stückzahlen gegenüber parallelen Messanordnungen für Einzeltestzyklen einer Batteriezelle erzielen.
Vorteilhaft ist es, wenn eine durch die Prüfvorrichtung überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens eine Ladeeffizienz jeder separaten Batteriezelle in Bezug zu einer in einem Auf- und Entladezyklus zugeführten Ladung und einer abgeführten Ladung jeder Batteriezelle ist. Dieser Parameter ist ein grundlegender Faktor, der einen Rückschluss auf die Qualität einer Batteriezelle gewährt.
Ebenso vorteilhaft ist es, wenn eine überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens eine maximale Ladekapazität jeder Batteriezelle ist. Auch dieser Parameter gewährt einen Rückschluss auf die Qualität einer Batteriezelle.
Auch ist es vorteilhaft, wenn eine überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens eine Lade- und/oder Entladegeschwindigkeit jeder Batteriezelle ist. Dieser Parameter ist ein weiterer Indikator für die Qualität einer Batteriezelle.
Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, wenn das Messmodul ferner Signalmittel zum Aufprägen eines Wechselstromsignals an jeder Batteriezelle und Empfangsmittel zum Empfangen eines Antwortsignals an jeder Batteriezelle aufweist, und eine überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens der Innenwiderstand jeder Batteriezelle ist. Gemäß dieser Offenbarung ist der Begriff von Signalmitteln als Oberbegriff für eine Signalquelle und einen Signalempfänger zur Aufprägung eines Wechselstromsignals und Aufnahme eines Antwortsignals definiert. Geeignete Signalmittel können beispielsweise durch eine modulierbare Wechselstromquelle, die in dem Lademodul und Entlademodul gemeinsam integriert ist, und einen Spannungsmesser mit zeitlicher Auflösung als Empfangsmittel des Zyklusmoduls bereitgestellt sein. Durch diese erweiterte Messfunktion können ebenfalls die Qualität beurteilt oder mögliche Fehlerursachen einer Batteriezelle erkannt werden.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn das Messmodul für jede Batteriezelle jeweils einen Temperatursensor aufweist, und eine überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens eine Temperatur und/oder ein Temperaturverlauf jeder Batteriezelle ist. Durch diese erweiterte Messfunktion können weitere Rückschlüsse über die Qualität oder Fehlzustände einer Batteriezelle getroffen werden.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum zeitgleichen Überprüfen einer Mehrzahl von separaten Batteriezellen in Bezug auf eine Eigenschaft eines Ladeverhaltens jeder Batteriezellen mit den Schritten: Verbinden von Batteriezellen mit einer Prüfvorrichtung; Aufladen der Batteriezellen durch eine elektrische Leistungszufuhr; Entladen der Batteriezellen durch eine elektrische Verbraucherlast; Erfassen einer Spannung jeder Batteriezelle und Erfassen wenigstens eines zugeführten und abgeführten Stroms zu bzw. aus der Mehrzahl von separaten Batteriezellen aufweist; Vergleichen von erfassten Werten mit einem hinterlegten Referenzwert und/oder mit zeitgleich erfassten Werten von Batteriezellen untereinander; und Steuern von einem oder mehreren parallel ablaufenden Auf- und Entladezyklen. Insbesondere ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen: ein in Serie schalten einer vorbestimmte Anzahl von separaten Batteriezellen; und ein zumindest zeitweises Verbinden der in Serie geschalteten Batteriezellen mit einem gemeinsamen Aufladestrom und/oder einem gemeinsamen Entladestrom. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung erläutert worden sind.
Ferner ist es während des Verfahrens von Vorteil, wenn ein Zuführen des gemeinsamen Aufladestroms beendet wird, sobald eine der in Serie geschalteten Batteriezellen eine Spannung erreicht, die einen vorbestimmten oberen Spannungsschwellwert überschreitet. Somit kann ein Überladen der schwächsten Batteriezelle, d.h. derjenigen Batteriezelle mit der geringsten Kapazität in der Serienschaltung, verhindert werden. Ebenfalls von Vorteil während des Verfahrens ist es, wenn ein Abführen des gemeinsamen Entladestroms beendet wird, sobald an einer der in Serie geschalteten Batteriezellen eine abgeführte Ladungsmenge erreicht ist, die der zuvor zugeführten Ladungsmenge an derselben Batteriezelle entspricht. Dadurch kann ein Tiefentladen der schwächsten Batteriezelle in der Serienschaltung verhindert werden. Danach kann eine individuelle weitere Entladung der übrigen Batteriezellen erfolgen während mindestens eine Batteriezelle, sobald diese einen vorbestimmten unteren Schwellwert des Ladezustands erreicht hat, nicht mehr entladen wird.
Zusammenfassend zu den erfindungswesentlichen Aspekten und den vorteilhaften ergänzenden Aspekten liegt der Prüfvorrichtung demnach folgendes messtechnisch Prinzip zugrunde. Wenn alle Batteriezellen eines Zyklusmoduls in Serie geschaltet sind, so ist der Lade- bzw. Entladestrom zunächst für alle Batteriezellen gleich. Durch Fertigungstoleranzen in den Innenwiderständen und der Zellchemie etc. werden die Batteriezellen auf unterschiedliche Spannungen aufgeladen. Um dies zu verhindern, werden sie in einem zweiten Schritt des Ladevorgangs entsprechend einem Balancing einzeln gezielt durch Ausgleichsströme entladen bzw. aufgeladen, um sie dann einem ausgeglichenen Ladungszustand anzupassen. Ebenso wird eine individuelle Entladung von Batteriezellen erst am Ende des zunächst gemeinsamen Ladevorgangs durchgeführt. Somit kann sich eine messtechnische Betrachtung auf die Erfassung von Werten in den zweiten Abschnitten des Lade- und Entladevorgangs fokussieren, in dem sehr viel geringere Ladungen, d.h. lediglich verbliebene Restladungen fließen.
Durch die Verwendung einer einheitlichen Ladeschaltung für den Lade- und Entladevorgang für mehrere Batteriezellen in Serie, entfällt ein potenzieller systematischer Fehler, der durch mehrere unabhängige Schaltungen entstehen würde. Daher können unter anderem die Kapazitätswerte oder eine Ladungseffizienz aller Batteriezellen sehr genau verglichen werden. Messfehler können somit theoretisch nur noch über Toleranzen in den einzelnen Balancer-Schaltungen auftreten, welche jedoch nur kleine Ladungsausgleichungen zwischen den Batteriezellen übernehmen. Durch den geringen Messfehler eignet sich die Prüfvorrichtung insbesondere für eine Anwendung zur Erfassung von Werten, die eine Analyse wie Produktionschargen- Inhomogenität oder sonstige Produktionsschwankungen von Charge zu Charge sehr präzise zulassen. Neben den Kapazitätswerten ist auch die Lade-Entladeeffizienz bzw. die Coulomb-Effizienz als Indikator für die Qualität von Batteriezellen von Inte- resse, da sie mit irreversiblen verlustbehafteten Vorgängen in der Batteriezelle assoziiert werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild zu einem modularen Aufbau der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung,
Fig. 2 ein Blockschaltbild von Komponenten eines Zyklusmoduls der erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild von Komponenten einer Balancer-Schaltung des Ausgleichsmoduls an einer Batteriezelle;
Fig. 4 ein Blockschaltbild von Komponenten des Messmoduls zur Erfassung eines Gesamtstroms der Serienschaltung von Batteriezellen.
In Fig. 1 ist ein modularer Aufbau einer Ausführungsform der Prüfvorrichtung 100 schematisch dargestellt.
Die Prüfvorrichtung 100 umfasst ein Lademodul 40 und ein Entlademodul 50, die von einem Steuermodul 80 gesteuert werden. Das Steuermodul 80 umfasst einen Mikrocomputer mit Signaleingängen und -ausgängen zur Verbindung mit verschiedenen Modulen der Prüfvorrichtung 100, wie unter anderem mit dem Lademodul 40 und dem Entlademodul 50. Das Lademodul 40 und Entlademodul 50 stellt im Wesentlichen eine elektrisch steuerbare 2-Quadranten Stromquelle bereit, mit welcher die zu prüfenden Batteriezellen 20 aufgeladen und entladen werden können. Das Entlademodul 50 stellt eine konfigurierbare Stromsenke bereit, über welche die Batteriezellen 20 entladen werden können. Eine konfigurierbare Spannungshöhe des Lademoduls 40 bestimmt die maximale Anzahl n von Batteriezellen 20, die während eines Testzyklus in einem Zyklusmodul 10 in Serie geschaltet werden können. Die Prüfvorrichtung 100 weist mehrere Zyklusmodule 10a, 10b, 10c auf, die parallel zu dem Lademodul 40 und dem Entlademodul 50 angeschlossen sind, wobei die Zyklusmodule 10 beispielsweise jeweils auf dieselbe Ladespannung zugreifen und jeweils für eine Serienschaltung der gleichen vorbestimmte Anzahl n von Batteriezellen 20 konfiguriert sind.
Es handelt sich dabei stets um separate Batteriezellen 20, also nicht um vorgefertigte Batteriemodule. In jedem Zyklusmodul 10a, 10b, 10c sind als Zyklusmittel eine Fixie- rungs- und Kontaktierungsstruktur vorgesehen, durch welche während eines Prüfvorgangs bzw. eines Testzyklus eine Serienschaltung zwischen den separaten Batteriezellen 20 hergestellt wird. Die Fixierungs- und Kontaktierungsstruktur umfass beispielsweise metallische, elastische Klemmelemente, durch welche die Batteriezellen 20 leicht einführbar und entnehmbar in dem Zyklusmodul 10a, 10b, 10c aufgenommen werden, sodass die Batteriezellen 20 vorzugsweise am Ende einer Fertigungslinie einer Batterieproduktion automatisiert in die Prüfvorrichtung 100 eingebracht und ausgebracht werden können. Die Fixierungs- und Kontaktierungsstruktur für die Batteriezellen 20 in den Zyklusmodulen 10a, 10b, 10c sind Bestandteil eines Verbindungsmoduls 30. Das Verbindungsmodul 30 umfasst als Verbindungsmittel sämtliche elektrische Leitungen zur Zufuhr und Abfuhr von Ladungen zwischen der Prüfvorrichtung 100 und den Batteriezellen 20 und verbindet unter anderem die Zyklusmodule 10a, 10b, 10c mit dem Lademodul 40 und dem Entlademodul 50.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Lademodul 40 eine Spannung von maximal 64 V auf, und in den Zyklusmodulen 10a, 10b, 10c ist jeweils eine Anzahl n von 12 Batteriezellen 20 mit einer Nennspannung von maximal 5 V vorgesehen. Die Stromgrößen sind hingegen abhängig von den Zelltypen bzw. deren Kapazität, welche die Lade- und Entladeströme vorgeben. Demnach sind ein Lade- und Entladestrom des Lademoduls 40 und des Entlademoduls 50 in vorgesehenen Bereichen einstellbar. Die Batteriezellen 20 können innerhalb des Zyklusmoduls 10a, 10b, 10c in gleicher Ausrichtung der Längsachse in einer benachbarten Anordnung nebeneinander angeordnet sein oder in Gruppen von 4, 6 oder 8 Batteriezellen 20 zueinander angeordnet sein. Das Steuermodul 80 steuert in Rückmeldung von erfassten Werten der Messmodule 60a, 60b, 60c einen Auf- und Entladezyklus mittels des Lademoduls 40 und des Entlademoduls 50, der für die in Serie geschalteten Batteriezellen 20 in jedem Zyklus- modul 10a, 10b, 10c zumindest abschnittsweise gemeinsam ausgeführt wird. Hierzu werden die Batteriezellen 20 in jedem Zyklusmodul 10a, 10b, 10c gemeinsam geladen bis die schwächste Batteriezelle 20, welche die geringste Kapazität aufweist, eine Abschaltspannung Umax erreicht. Das Messmodul 60a, 60b, 60c weist hierzu in den Zyklusmodulen 10a, 10b, 10c für jede Batteriezelle 20 einen Spannungssensor auf, um die jeweiligen Zellspannungen zu erfassen und an das Steuermodul zu übermitteln. Danach übernimmt ein Ausgleichsmodul 90 einen zweiten Abschnitt des Ladevorgangs. Das Ausgleichsmodul 90 umfasst als Ausgleichsmittel in den Zyklusmodulen 10a, 10b, 10c für jede Batteriezelle 20 eine Balancer-Schaltung 91.
Das Ausgleichsmodul 90 ist mit dem Steuermodul 80 verbunden und führt die Batteriezellen 20 in einem Zyklusmodul nach einem Abschalten des Ladestroms auf einen einheitlichen Ladezustand. Dabei werden kontrollierte Ausgleichsströme in der Serienschaltung des Zyklusmoduls 10a, 10b, 10c durchgeführt, wobei schwächere Batteriezellen 20 ein wenig entladen werden, wodurch stärkere Batteriezellen 20 ein wenig aufgeladen werden. Nach beispielsweise zwei oder drei Balancing-Schritten zum Ladungsausgleich weisen die Batteriezellen 20 in einem Zyklusmodul einen relativ ausgeglichen, vollen Ladungszustand bzw. SOC (State of Charge) auf.
Die Entladung der Batteriezellen 20 erfolgt in ähnlicher Weise, wie die Aufladung. Zunächst führt das Steuermodul mittels des Entladungsmoduls 50 eine Entladung der Batteriezellen 20 eines Zyklusmoduls gemeinsam über eine Verbraucherlast durch, die als Stromsenke des Entlademoduls 50 bereitgestellt ist. Die gemeinsame Entladung wird von dem Steuermodul 80 abgeschaltet, nachdem eine der Batteriezellen 20 als erste einen akkumulierten Entladestrom, d.h. eine abgeführte Ladungsmenge (Qout=in) erreicht hat, welche identisch ist mit dem an derselben Batteriezelle 20 während des Ladevorgangs zuvor zugeführten akkumulierten Aufladestrom, d.h. einer zugeführten Ladungsmenge. Danach übernimmt wiederum in einem zweiten Abschnitt des Entladevorgangs das Ausgleichsmodul 90 eine individuelle weitere Entladung der übrigen Batteriezellen 20 in dem Zyklusmodul 10a, 10b, 10c über die Balancer-Schaltungen 90 bis diese zu demselben Zustand entladen sind. Das Messmodul 60a, 60b, 60c erfasst über einen Messwiderstand RM den Gesamtstrom eines gemeinsamen Ladestroms und Entladestroms während eines ersten Abschnitts des Lade- und Entladevorgangs. Ferner erfasst das Ausgleichsmodul 90a, 90b, 90c über einen Messwiderstand R2 in jeder Balancer-Schaltung 91 für jede Batteriezelle 20 individuell die Ausgleichsströme in dem zweiten Abschnitt des Ladevorgangs und die Entladeströme in dem zweiten Abschnitt des Entladevorgangs. Die gemessenen Ströme und Spannungen werden von dem Messmodul 60a, 60b, 60c erfasst und zeitlich akkumuliert bzw. integriert. Ein Vergleichsmodul 70 vergleicht die erfassten Werte unter den Batteriezellen 20 und setzt sie gegebenenfalls in Bezug zu einem Referenzwert. Ein Vergleichsmittel des Vergleichsmoduls 70 ist als eine Programmroutine des Mikrocomputers des Steuermoduls 80 implementiert.
In dem Steuermodul 80 ist ein Prüfungs- bzw. Testzyklus der Prüfvorrichtung 100 hinterlegt, um die Batteriezellen 20 beispielsweise in Bezug auf deren Qualität zu klassifizieren. Das Steuermodul 80 koordiniert die anderen Module der Prüfvorrichtung 100 und verwertet eine erfasste Akkumulierung der Ströme zu den resultierenden Ladungen zur Erstellung einer Ladungsbilanzberechnung, Datenaufzeichnung und ggf. deren Darstellung. Ferner werden von dem Steuermodul 80 die individuellen Entladeströme in Abhängigkeit von den gemessenen Zellspannungen vorgegeben.
Fig.2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Schaltung innerhalb eines Zyklusmoduls 10a, 10b, 10c, in dem eine Vielzahl von Batteriezellen 20 in einer Serienschaltung elektrisch verbunden aufgenommen ist. Jede Batteriezelle 20 ist über eine Balancer- Schaltung 91 des Ausgleichsmoduls 90 mit einem Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) 61 des Messmoduls 60a, 60b, 60c verbunden. Der ADC 61 ist mit einem Referenzpotenzial und einer Gleichstromzufuhr verbunden. Der ADC ist ferner über eine Signalverbindung 63 mit einer galvanischen Trennung mit dem Steuermodul 80 verbunden, um die sensibel erfassten Werte des Messmoduls 60a, 60b, 60c möglichst störungsunempfindlich zu übertragen. Abhängig von den einzelnen Zellspannungen errechnet das Steuermodul 80 einen Ausgleichsstrom für ein Balancing im zweiten Schritt des Ladevorgangs, sodass nicht einzelne Zellen überladen oder andere zu wenig geladen werden.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt einer Balancer-Schaltung 91 , die jeder Batteriezelle 20 zugeordnet ist. Die Balancer-Schaltung 91 besteht im Wesentlichen aus einem Be- lastungswiderstand Ri, der über einen Schalter 92 mittels Pulsweitenmodulation (PWM) gepulst ein- und ausgeschaltet werden kann. Die PWM wird von dem Steuermodul 80 während des zweiten Abschnitts des Entladevorgangs vorgegeben, sodass jede Batteriezelle 20 gezielt entladen wird. Ein errechneter Soll-Entladestrom wird von dem Steuermodul 80 über die Pulsweitenmodulation eingestellt. Der tatsächliche Entladestrom jeder Batteriezelle 20 kann davon etwas abweichen und kann währenddessen sehr präzise über einen Messwiderstand R2 der Balancer- Schaltung 91 mitgemessen werden. Der Messwiderstand R2 ist üblicherweise sehr klein. Er ist mit einem Operationsverstärker 93 mit einem mit Level-Shifter an einem Eingang des ADC 61 angeschlossen, so dass eine entsprechend kleine Messspannung verarbeitet werden kann.
Ein solcher Entlade-Kanal aus Balancer-Schaltungen 91 kann ebenso wie eine Zellspannungsmessung in Serie geschaltet werden, sodass die Batteriezellen 20 gleichzeitig mit unterschiedlichen Strömen entladen oder balanciert werden können. Dabei wird zumindest eine Batteriezelle 20, sobald diese einen unteren Schwellwert oder oberen Schwellwert eines Ladezustands erreicht hat, nicht weiter entladen oder aufgeladen.
Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Messschaltung des Messmoduls 60a, 60b, 60c zur Erfassung eines Gesamtstroms während eines ersten Abschnitts des Ladevorgangs oder Entladevorgangs. Hierzu ist ein Messwiderstand RM zur Gesamtstrommessung vorgesehen, der über einen programmierbaren Verstärker (PGA) 64 an den ADC 61 angeschlossen ist. Der Messwiderstand RM und der programmierbare Verstärker (PGA) 64 sind entsprechend der vorbestimmten Anzahl n bzw. einer resultierenden Nennspannung der in Serie geschalteten Batteriezellen 20 in dem Zyklusmodul 10a, 10b, 10c konfiguriert bzw. konfigurierbar. Der Messwiderstand RM ist vorzugsweise sehr genau in Bezug auf Temperaturstabilität ausgewählt, da aus diesem eine Ladungseffizienz der Batteriezellen 20 berechnet werden kann. Der PGA 64 ist mit einem bipolaren Spannungskanal eines ADC 61 verbunden.
Der ADC 61 des Messwiderstand RM ist nicht notwendiger Weise derselbe wie der ADC 61 für die Balancer-Schaltungen 91 ist. Allerdings sind zumindest Kanäle des ADC 61 für die Balancer-Schaltungen 91 und vorzugsweise auch diejenigen für den Messwiderstand RM mit demselben Referenzpotenzial verbunden, um die Fehlereinflüsse vor allem durch Temperaturschwankungen zu minimieren.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Prüfvorrichtung 100 ferner ein nicht näher dargestelltes Automatisierungsmodul umfassen, um eine Zuordnung von erfassten Werten zu den überprüften Batteriezellen mittels Kennzeichnung oder räumlicher Zuordnung bzw. Klassifizierung zu realisieren. Hierzu kann beispielsweise ein Roboter mit Greifwerkzeug am Ende einer Fertigungslinie vorgesehen sein, der die Batteriezellen 20 in die Prüfvorrichtung 100 einlegt, entnimmt, bestimmten Gruppen zuordnet oder durch geeignete Mittel kennzeichnet.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Messmodul 60a, 60b, 60c eine zusätzliche, nicht weiter dargestellte Funktion zur Erfassung einer Temperatur oder eines Innenwiderstands jeder Batteriezelle 20 aufweisen. Eine Temperatur kann mittels Temperatursensoren für jede Batteriezelle 20 gemessen werden. Für die Bestimmung der Innenwiderstandswerte werden die Batteriezellen 20 auf einen definierten Ladezustand (SOC) gebracht. Nach einer Ruhephase wird ein Stromimpuls mittels eines Signalmittels des Lademodul 40 bzw. Entlademodul 50 gemeinsam auf die Batteriezellen 20 aufgeprägt und die resultierenden Spannungswerte als Antwortsignal durch Empfangsmittel des Zyklusmoduls 10a, 10b, 10c gemessen. Aus dem Strom und der Differenz von Gleichspannung und überlagertem Spannung- Impuls während des Strompulses können die Innenwiderstandswerte bzw. eine Impedanz für bestimmte Zeitpunkte errechnet werden. Bei der Bestimmung der Innenwiderstandswerte kommen Messfehler der Strom- und Spannungsmessung zusammen. Die Messfehler der Strommessung sind aufgrund der Verwendung der gemeinsamen Serienschaltung jedoch wiederum für alle zu charakterisierenden Batteriezellen 20 gleich, wonach nur mehr der Messfehler der Spannungsmessung verbleibt.
Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlas- sen. Bezugszeichenliste
10a Zyklusmodul
10b Zyklusmodul
10c Zyklusmodul
20 Batteriezelle
30 Verbindungsmodul
40 Lademodul
50 Entlademodul
60a Messmodul
60b Messmodul
60c Messmodul
61 Analog-zu-Digital-Wandler (ADC)
62 Operationsverstärker
63 galvanisch getrennte Signalverbindung
64 programmierbarer Verstärker (PGA)
70 Vergleichsmodul
80 Steuermodul
90 Ausgleichsmodul
91 Balancer-Schaltung
92 PWM gesteuerter Schalter
100 Prüfvorrichtung
Ri Belastungswiderstand
F?2 Messwiderstand für einen Ausgleichsstrom
RM Messwiderstand für den Gesamtstrom
Umax Maximale Ladespannung einer Batteriezelle
Qout=in Entladungsmenge mit selben Betrag wie Aufladungsmenge n vorbestimmte Anzahl von Batteriezellen

Claims

Patentansprüche
1. Prüfvorrichtung (100) zur zeitgleichen Überprüfung einer Mehrzahl von separaten Batteriezellen (20) in Bezug auf eine Eigenschaft eines Ladeverhaltens jeder Batteriezelle (20), aufweisend: ein Verbindungsmodul (30) mit wenigstens einem Verbindungsmittel zum elektrischen Verbinden von Batteriezellen (20) mit der Prüfvorrichtung (100); ein Lademodul (40), das eine elektrische Leistungszufuhr zum Aufladen der Batteriezellen (20) bereitstellt; ein Entlademodul (50), das eine elektrische Verbraucherlast zum Entladen der Batteriezellen (20) bereitstellt; ein Messmodul (60a, 60b, 60c) mit Spannungs-Erfassungsmitteln zum Erfassen einer Spannung jeder Batteriezelle (20) und mit Strom-Erfassungsmitteln zum Erfassen wenigstens eines zugeführten und abgeführten Stroms aus der Mehrzahl von separaten Batteriezellen; ein Vergleichsmodul (70) mit Vergleichsmitteln für einen Vergleich von Werten, die von dem Messmodul (60a, 60b, 60c) erfasst werden, mit wenigstens einem hinterlegten Referenzwert und/oder mit zeitgleich erfassten Werten der Batteriezellen (20) untereinander; ein Steuermodul (80) mit Steuerungsmitteln für eine Steuerung von einem o- der mehreren parallel ablaufenden Auf- und Entladezyklen mittels dem Lademodul (40) und dem Entlademodul (50); wobei die Prüfvorrichtung (100) ferner wenigstens ein Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) aufweist, das einen gemeinsamen Auf- und Entladezyklus für eine vorbestimmte Anzahl (n) aus der Mehrzahl von separaten Batteriezellen (20) über das Steuermodul (80) bereitstellt, wobei die für das Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) vorbestimmte Anzahl (n) von separaten Batteriezellen (20) mittels des Verbindungsmodul (30) in Serie geschaltet sind, und das Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) Zyklusmittel aufweist, um die vor- bestimmte Anzahl (n) von separaten Batteriezellen (20) zumindest zeitweise mit einem gemeinsamen Aufladestrom und/oder einem gemeinsamen Entladestrom des Zyklusmoduls (10a, 10b, 10c) elektrisch zu beaufschlagen. Prüfvorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei jedem Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) ein Ausgleichsmodul (90a, 90b, 90c) zugeordnet ist, das Ausgleichsmittel zum Durchführen von Ladungsausgleichungen basierend auf Differenzen zwischen Spannungen der in Serie geschalteten separaten Batteriezellen (20) aufweist. Prüfvorrichtung (100) nach Anspruch 2, wobei das Ausgleichsmodul (90a, 90b, 90c) ferner Ausgleichs-Erfassungsmittel zum Erfassen von Werten von Ladungsausgleichungen zwischen den in Serie geschalteten separaten Batteriezellen (20) aufweist. Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messmodul (60a, 60b, 60c) einen Analog-zu-Digital-Wandler (61 ) zum Erfassen von Werten einer Spannung in jedem Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) aufweist, der über eine galvanische Trennung in einer Signalverbindung (63) mit dem Steuermodul (80) zur Übertragung von Messwerten steht. Prüfvorrichtung (100) nach Anspruch 4, wobei das Messmodul (60a, 60b, 60c) zu jeder Batteriezelle (20) jeweils einen parallel geschalteten Messwiderstand (R2) aufweist. Prüfvorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei das Messmodul (60a, 60b, 60c) zwischen jedem Messwiderstand (R2) und dem Analog-zu-Digital-Wandler (61 ) einen Operationsverstärker (62) aufweist. Prüfvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei das Ausgleichmodul (90a, 90b, 90c) zu jeder Batteriezelle (20) jeweils eine parallel geschaltete Balancer-Schaltung (91 ) mit einem Belastungswiderstand (R1 ) und einem mittels Pulsweitenmodulation angesteuerten Schalter (92) aufweist. Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spannungs-Erfassungsmittel des Messmoduls (60a, 60b, 60c) und/oder die Ausgleichsmittel des Ausgleichsmoduls (90a, 90b, 90c) mittels der Zyklusmit- tel des wenigstens einen Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) in Serie schaltbar sind. Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strom-Erfassungsmittel des Messmoduls (60a, 60b, 60c) in jedem Zyklusmo- dul (10a, 10b, 10c) einen Messwiderstand (RM) aufweisen, der von dem gemeinsamen Aufladestrom und/oder dem gemeinsamen Entladestrom der in Serie geschalteten vorbestimmten Anzahl (n) von separaten Batteriezellen (20) durchflossen wird. Prüfvorrichtung (100) nach Anspruch 9, wobei die Strom-Erfassungsmittel des Messmoduls (60a, 60b, 60c) ferner einen programmierbaren Verstärker (64) aufweisen, über den der Messwiderstand (RM) mit dem Analog-zu-Digital- Wandler (61 ) verbunden ist. Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein Automatisierungsmodul mit Automatisierungsmitteln zum automatisierten Zuordnen jeder separaten Batteriezelle (20) zu einem Wert einer überprüften Eigenschaft des Ladeverhaltens. Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsmodul (30) für jedes Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) eine Fixierungsund Kontaktierungsstruktur aufweist, in der die für das Zyklusmodul (10a, 10b, 10c) vorbestimmte Anzahl (n) von separaten Batteriezellen (20) in einer benachbarten Anordnung nebeneinander aufnehmbar und in Serie geschaltet kontaktierbar sind. Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens eine Ladeeffizienz jeder separaten Batteriezelle (20) in Bezug zu einer in einem Auf- und Entladezyklus zugeführten Ladung und einer abgeführten Ladung jeder Batteriezelle (20) ist. Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens eine maximale Ladekapazität jeder Batteriezelle (20) ist. Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens eine Lade- und/oder Entladegeschwindigkeit jeder Batteriezelle (20) ist. 22 Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Lademodul (40) und das Entlademodul (50) ferner Signalmittel zum Aufprägen eines Wechselstromsignals an jeder Batteriezelle (20) und die Zyklusmittel (10a, 10b, 10c) Empfangsmittel zum Empfangen eines Antwortsignals an jeder Batteriezelle (20) aufweist, und eine überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens ein Innenwiderstand jeder Batteriezelle (20) ist. Prüfvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messmodul (60a, 60b, 60c) für jede Batteriezelle (20) jeweils einen Temperatursensor aufweist, und eine überprüfte Eigenschaft des Ladeverhaltens eine Temperatur und/oder ein Temperaturverlauf jeder Batteriezelle (20) ist. Verfahren zum zeitgleichen Überprüfen einer Mehrzahl von separaten Batteriezellen (20) in Bezug auf eine Eigenschaft eines Ladeverhaltens jeder Batteriezelle (20) mit den Schritten:
Verbinden von Batteriezellen (20) mit einer Prüfvorrichtung (100), nach einem der vorhergehenden Ansprüche;
Aufladen der Batteriezellen (20) durch eine elektrische Leistungszufuhr;
Entladen der Batteriezellen (20) durch eine elektrische Verbraucherlast;
Erfassen einer Spannung jeder Batteriezelle (20) und Erfassen wenigstens eines zugeführten und abgeführten Stroms zu und/oder aus der Mehrzahl von separaten Batteriezellen (20) aufweist;
Vergleichen von erfassten Werten mit einem hinterlegten Referenzwert und/oder mit zeitgleich erfassten Werten von Batteriezellen (20) untereinander;
Steuern von einem oder mehreren parallel ablaufenden Auf- und Entladezyklen; wobei das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweist: in Serie schalten einer vorbestimmte Anzahl (n) von separaten Batteriezellen (20); 23 zumindest zeitweises Verbinden der in Serie geschalteten Batteriezellen (20) mit einem gemeinsamen Aufladestrom und/oder einem gemeinsamen Entladestrom. Verfahren nach Anspruch 18, ferner aufweisend die Schritte:
Durchführen von Ladungsausgleichungen basierend auf Differenzen zwischen Spannungen der in Serie geschalteten separaten Batteriezellen (20); und
Erfassen von Werten der Ladungsausgleichungen. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 und 19, wobei ein Zuführen des gemeinsamen Aufladestroms beendet wird, sobald eine der in Serie geschalteten Batteriezellen (20) eine Spannung (Umax) erreicht, die einen vorbestimmten oberen Spannungsschwellwert überschreitet. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei ein Abführen des gemeinsamen Entladestroms beendet wird, sobald an einer der in Serie geschalteten Batteriezellen (20) eine abgeführte Ladungsmenge (Qout=in) erreicht ist, die der zuvor zugeführten Ladungsmenge an derselben Batteriezelle (20) entspricht.
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