用于确定电气性质的测量设备及方法与流程

1.本发明涉及测量设备，被配置为连接到诸如电池单元的电气设备的第一端子和第二端子并且确定该电气设备的至少一个电气性质。特别地，本发明涉及测量电气设备的复阻抗。本发明还涉及用于确定电气设备的至少一个电气性质的方法。


背景技术：

2.人们对在各种应用中使用由多个电池单元(battery cell)组成的电池组越来越感兴趣，诸如用于给电动车或混合动力车供电或者用作固定电源。目前，特别聚焦于锂离子型电池单元。
3.典型地，电池组中的各个电池单元例如由于生产变动而具有略微不同的容量，并且可能处于不同等级的荷电状态(soc)等。大多数电池组被设置有电池管理系统(bms)或至少某些形式的平衡电路，以例如防止个别电池单元的过度充电以及增加功率输出和延长电池组寿命。如果个别电池单元的性质彼此相差尽可能小，则这通常是一种优势，这是因为它使得电池管理和平衡更为容易并且改善了电池组的功能。此外，电池组的充电容量通常受限于最弱/最差电池单元的容量。
4.schnell和reinhart已经解决了在生产高能电池期间降低质量波动的期望，他们提出一种改进的质量管理概念，即在生产过程期间采取不同的措施(针对电池生产的质量管理：质量门概念，precedia cirp 57(2016)568-573)。然而，没有具体说明究竟应该进行哪些测量或者应该检测哪些偏差。
5.us2014/0212730公开了一种生产电池组的方法，其中电池单元基于特别是在施加压力后的内电阻的变化的测量进行分类，借此选择具备相似性质的电池单元并将其分组成相应的电池组，从而形成不同质量的电池组。这是个用于形成电池组的有趣的概念，组成电池组的电池单元具备更加一致的性能。然而，没有描述应该如何执行压力测试，并且此概念对于压力对内电阻没有任何特定或一致作用的电池单元而言不太有用，并且在其中电池单元的“质量”除了施加压力后的内电阻以外具有更广泛或其他含义的情况下也不太有用。
6.us2013/0317639a1涉及“电池对象”(单元、套管、模块或组)的自动检查、验证和后处理，并且提出例如使用(独立的或生产线中的)机器人，其持有能够对电池对象执行各种测试的测试工具。这些测试包括开路端电压、负载端电压、端电流、内电阻(或阻抗)、极性、隔离性、连续性、短路的测量以及充电/放电测量。基于测量结果，电池对象然后可以被分级和分类等，并且所有数据可以以各种方式报告和存储。
7.虽然us2013/0317639a1提到了术语“阻抗(impedance)”，但是不清楚该术语是用作电阻的一般性术语，还是用于表示幅度和相位两者均会随着所施加的时变电流的频率而变化的复阻抗。无论如何，us2013/0317639a1没有提供有关如何执行电池对象的阻抗测量的信息。特别地，没有提供有关如何执行以下阻抗测量的信息，该阻抗测量可生成有用且可靠的数据并同时足够快到适用于例如用于进行测量的时间有限的生产线中。
8.众所周知，电池单元的内阻抗的彻底测量可能是有用的，因为它提供了有关电池
内部的信息。然而，这样的彻底测量涉及在大的频带内扫描正弦电流，这需要很长时间才能完成(如果期望可靠结果的话)，所以这种类型的方法主要用于实验室的研究目的。已经提出了一些更快的即时阻抗测试方法，例如基于诸如伪随机二进制序列(prbs)的信号，但是这些方法通常与更大的测量误差相关联。
9.因此，仍然期望能够快速提供有关电池单元或其他类似电气设备的内部质量的可靠信息的测量系统和方法，特别是用于在电池单元(组)生产线及诸如此类中使用，而且也用于例如测试在某些应用中已经安装的电池单元或者对使用过的电池单元进行分类。


技术实现要素：

10.本发明涉及一种测量设备，该测量设备被配置为：连接到诸如电池单元的电气设备的第一端子和第二端子，并且确定该电气设备的至少一个电气性质。
11.测量设备包括阻抗测量布置，该阻抗测量布置被配置为：当电气设备连接到第一端子和第二端子时，将电气设备连接到测量电路，其中，该阻抗测量布置还被配置为：通过测量电路提供时变测试电流(i
test
)；在提供时变测试电流(i
test
)的同时，测量电气设备上的电压(u
cell
)；以及确定所测量的电压(u
cell
)与测量电路中的时变测试电流(i
test
)之间的相移和幅度比，其中，时变测试电流(i
test
)包括多个叠加的离散频率，其中所述离散频率被分布在频率范围内且彼此分离，以便避免由于相邻频率间的扩展频谱所致的频率重叠。
12.电压与电流之间的相移和幅度比形成用于计算电池单元的内部阻抗的基础。虽然阻抗的最终计算在许多应用中很有用，但是没有必要进行最终计算，这是因为“原始数据(raw data)”(即，电压-电流相移和幅度比)已经反映出电池单元的内部阻抗。
13.有关电池单元的内部阻抗的信息是有用的，因为它反映了电池单元的内部质量。例如，模糊或轻微的电极缺陷可以通过将所确定的内部阻抗(或所确定的“原始数据”)与同类电池单元的参考值进行比较来识别。这种信息难以通过其他方式获得；例如，它不能通过仅测量电池单元的电压或电阻来获得。当在所用的电池单元中选择时，表现出充分偏离的阻抗的电池单元可以例如从生产线中挑选出来或者从进一步使用中排除出去。这样做的特定优势在于具有轻微缺陷(诸如，这些缺陷在首次使用电池单元期间可能不会被立刻察觉到，但是可能增加例如电池单元的老化率或者在运送到装配地点期间变得明显)的电池单元也可以在早期阶段被识别出并从生产线中去除。在电池单元生产地点，这种电池单元可以早已在生产时就被去除，并且在电池组装配地点，可以避免在电池组中包括有偏差或有缺陷的电池单元。基于阻抗特性，电池单元也可以被分类成各种类别并进行挑选，使得在稍后阶段人们可以使用属于相同类别的电池单元来装配电池组，减少电池组内的电池单元变化，从而提高电池组的质量。
14.取决于待分析的电池单元(或另一电气设备)的类型对哪些频率感兴趣，时变测试电流可以包括各种离散频率。不同的电池化学性质和材料性质对特定频率作出响应，并且如果对某些具体性质感兴趣，则可以将测试电流的能量集中于对应频率。术语“时变(time-varying)”意味着测试电流以某个频率或某些频率振荡，这与常规dc形成鲜明对比。
15.为了确定例如电路的内部阻抗而使用若干频率或者较宽的频率范围有时被称为阻抗谱法(impedance spectroscopy)，并以此广为人知。传统的阻抗谱法典型地用于理解电路或部件的功能或探讨老化效应等的研究。一般情况下，每次应用具有单一频率的信号，
并且如果要覆盖许多频率，则分析会相对耗时。阻抗谱法通常感兴趣的频率范围典型地在10mhz至100khz的范围内，但是在研究中测试了更宽的范围，尽管更小的范围甚至子范围可以给出关于电池单元质量的更多信息。
16.在本发明中，时变测试电流(i
test
)包括多个叠加的离散频率，其中所述离散频率被分布在频率范围中且彼此分离，以便避免由于相邻频率间的扩展频谱所致的频率重叠。因此，时变测试电流包含若干个频率，也许是几百个或几千个，这些频率彼此分离并且由于叠加而同时存在。分离具有以下作用，即可以分析来自离散频率(优选地，选择这些离散频率以将尽可能多的有用信息提供给特定应用)的响应，而不干扰来自离感兴趣频率太近的其他频率的扩展频谱效应。
17.叠加具有以下作用，即所有频率可以在单次测试中进行测试(而不是利用不同频率执行一系列测试)。因此，组合的作用在于可以快速执行阻抗分析但仍然产生可靠的结果。
18.因此，与传统的阻抗谱法相比，同等可靠的结果可以在更短的测量时间段期间获得。
19.其他较短的刺激信号(诸如，带限白噪声、prbs和方波脉冲)并不包含分离的离散频率的选择，而是由连续频率或者叠加到特殊信号中的至少大量未分离的频率组成。这种信号使得在每个单独频率处更难以提取振幅和相位效应，即使利用复杂且更先进的解码方法也是如此。
20.至少在理论上，在测量电路中生成的时变测试电流不一定是必须要被测量的，但是可以根据关于施加到测量电路的信号的信息来确定。例如，如果生成测试电流所涉及的所有电子部件都在理论上完美工作，或者仅以完全可预测的方式改变信号，则测量电路中的电流将与期望的(且已知的)控制信号(诸如，时变测试刺激信号)完全相同或者形成其已知的函数。然而，晶体管、放大器和其他部件很可能以未知的方式至少稍微地改变信号，所以为了可靠地确定相移和幅度比，适合的是彻底测量该测量电路中的实际测试电流。对测试电流的测量还减少了对测试设备的精度和性能的要求，这允许使用较便宜的硬件。
21.电压和电流以同步的方式确定/测量，以允许相位与幅度之间的比较。
22.在现有技术的电池单元生产线或电池组装配线中，由于较高的电池单元生产量，没有太多时间对单个电池单元进行测量。为了仍然允许在这种生产线中进行阻抗测量，在本公开中提出了使用包含了在所提供的测试电流中彼此叠加的若干频率的信号。
23.作为示例实施例，还提出了将这种信号与集成在装配线机器/机器人中的测量设备相结合，例如，用于在生产线中抓紧、提起和移动电池单元的装配线机器人(例如，从电池单元生产线进入到运输容器或从运输容器出来进入到用于装配电池组的生产线处的电池组)。阻抗测量可以在电池单元的提起和移动过程期间执行的这种方式将不会干扰电池单元或电池组的制造。此时，大概20秒的时间段是可用的，但是取决于应用中的具体需要，该时间窗口可能会被选择得更长或更短。测试电流的频率也可以通过省去太低而无法给出有意义的测量的频率(即，频率可能具有太长的周期而无法给出有意义的测量)来适应给定的最大时间窗口。
24.本公开所用的术语“生产线站(production line station)”不但是指生产线或装配线机器/机器人，而且是指例如阻抗测量站，其可以与生产线或多或少地集成，并且其中
电池单元的处理和测量可以或多或少是自动化的。在一些变型中，电池单元可以手动地或借助于某种抓紧机器人被转移到位于生产线旁边的阻抗测量站。此外，生产线站可以被布置为同时测量若干电池单元，例如通过具有多个测量设备或者为测量设备提供具有相应电池单元端子连接的多个阻抗测量布置。
25.然而，测量设备并不一定必须被集成在生产线站中，而是可以用作可在各种应用中手动操作的单独测量工具。
26.在实施例中，阻抗测量布置被配置为：基于所确定的相移和幅度比而计算电气设备的内部阻抗。
27.在实施例中，阻抗测量布置被配置为：测量该测量电路中的测试电流。
28.在实施例中，通过测量电路提供的时变测试电流至少包括：第一分量和第二分量，该第一分量形成将电流通过测量电路集中在特定电流幅度处的直流分量，该第二分量是时变测试刺激信号并且当与第一分量组合时生成时变测试电流的时变性。
29.在实施例中，时变测试电流的第一分量从电气设备提取。因此，不需要外部电源，因为没有必要将电流驱动到电气设备中。这典型地适用于其中电气设备是(充电的)电池单元的情况。
30.在实施例中，阻抗测量布置包括电流刺激电路系统，其被配置为生成时变测试刺激信号。
31.在实施例中，阻抗测量布置包括晶体管，其被配置为接收时变测试刺激信号并控制时变测试电流的第一分量。
32.在实施例中，阻抗测量布置包括电流感测电路系统，其被配置为生成表示测量电路中的测试电流的信号。
33.在实施例中，阻抗测量布置包括电压感测电路系统，其被配置为测量第一端子和第二端子之间的电压。
34.在实施例中，阻抗测量布置包括连接到电流刺激电路系统、电流感测电路系统和电压感测电路系统的数据采集系统，其中该数据采集系统包括被配置为基于测试电流和电压计算电气设备的内部阻抗的计算电路系统。
35.在实施例中，阻抗测量布置包括反馈回路，其被配置为：测量表示测量电路中的测试电流的信号；将此信号与时变测试刺激信号进行比较；以及调节晶体管的输入电压，以便改进该测量电路中的两个信号之间的一致性。这种反馈布置补偿了晶体管固有的非线性特性，并且确保了测试电流将跟随测试刺激。
36.在实施例中，时变测试电流包含在10mhz至100khz区间内的至少一个离散频率。优选地，时变测试电流包含在10mhz至100khz区间内的多个叠加的频率。
37.当设计时变测试电流(i
test
)或时变测试刺激信号时，应该考虑到以下两个限制变量：i)采样频率fs；和ii)用于提供时变测试电流(i
test
)的总时间t(即刺激的总持续时间)。这些变量设置了可测量频率范围的极限，在于fs设置了最高可达频率，也就是奈奎斯特(nyquist)频率fs/2，而t设置了最低频率f
l
＝1/t的极限(在下文中也被称为基本频率(fundamental frequency))。在这些极限内可以选择在测量中要使用的最低频率f
l
和最高频率fh，以及连同在该区间内所选的多个频率，这些是在测量中用于确定阻抗的频率。因此，该频率区间受限于fh＜fs/2和f
l
＞f
l
。
38.采样频率fs被选择为感兴趣的最高频率的两倍以上，并且可以典型地在50khz至1mhz范围内选择。这是个成本问题，因为采样频率较高的设备通常比采样频率较低的设备更昂贵。
39.测量时间t取决于应用，但是典型地可以在1-100s的范围内。然而，更短或更长的时间也是有可能的，这取决于可用于执行测试的时间、测量的目的以及感兴趣的频率。在生产线中可用的典型时间可能是几秒钟，大概是3-20s。
40.其他信号设计变量是要设置相邻离散频率间的间隔fd的最小值，以避免由于扩展频谱所致的(显著的)干扰(即频率重叠)。因此，频率应该被分开，使得相邻频率之差为f
d,min
或更大，即较高频率应该比离散频率的相邻对中的前一较低频率至少要高f
d,min
hz。
41.频率间隔fd的最小值f
d,min
可以与f
l
＝1/t假定的最低频率相关，推荐间隔是要具有大于8*f
l
的fd。间隔fd的最小值可以被设置为4*f
l
。10*f
l
或更大的fd在大多数情况下就足够了。因此，f
d,min
≥4*f
l
＝4/t，优选地f
d,min
≥8*f
l
＝8/t，更优选地f
d,min
≥10*f
l
＝10/t。
42.如果相邻频率确实干扰显著，则它会导致根据电流和电压所计算的阻抗误差更大。如果由于某种原因在时变测试电流(i
test
)中存在一些干扰频率，则这些频率可以在计算中忽略。
43.优选地，离散测试频率之间(即在频率间隔范围fd内)的频率的信号能量是零或接近零。这导致高信噪比和更可靠的信号解码。取决于应用，离散频率之间的一些信号能量可以是可接受的。离散测试频率与上邻或下邻离散测试频率之间的振幅/信号能量应该是所述两个相邻离散频率之一的振幅/信号能量的＜10％，优选地＜1％，或者更优选地＜0.1％。
44.其他信号设计措施——微调步骤——是要平衡不同的频率区域。如果某个频率区域对于待分析的特定电气设备或电池单元更加重要，则有可能为该区域中的离散频率分配更高的振幅/信号能量以提高信噪比。
45.待使用的频率和测试时间t优选地在测量之前选择并预设置。要选择的值取决于例如电气设备/电池单元的性质和可用时间，并且因此应该适应于特定应用的需要。
46.作为示例，如果期望测量覆盖1hz-100khz的范围，则我们可以得到f
l
＝1hz(＝基频)且fh＝100khz。然后，可以选择fs＝1mhz的采样频率和t＝3s的测量时间，以便满足上述条件(fh＜fs/2和f
l
》f
l
，其中f
l
＝1/t＝1/3＝0.333...hz)。由于f
l
＝1hz和t＝3s，这种情况现在对应于序列中的三次谐波，这意味着第一频率分量(基频)将是f
l
＝3*f
l
。现在可以选择例如10倍基本频率的最小频率间隔f
d,min
(即，在从基频开始的离散频率之间添加10倍1/3hz＝3.333hz的频率间隙)以避免扩展频谱效应。总而言之，由此得出f
l
＝f1＝3*f
l
，f2＝13*f
l
，f3＝23*f
l
，f4＝33*f
l
等导致30000个同步离散测试频率直到fh＝100khz。
47.由于上述参数选择，一些测试频率将是其他较低频率的泛频(overtone)，例如f4＝11*f1，这可能对测量结果造成负面影响。当设置频率间隔fd时，这种干扰泛频可以通过使用质数序列来避免。例如，使用上述示例中的最低频率(基频)f1＝3*f
l
，“3”是第一个质数。通过使用上述最小频率间隔因子10，给出比前一频率至少要高10个数字的频率的下一个待选质数为13，下一个为23，依此类推。在这里给出的示例中，当使用质数来确定离散频率时，获得以下序列：f1＝3*f
l
(1hz)，f2＝13*f
l
(13/3hz)，f3＝23*f
l
(23/3hz)，f4＝37*f
l
(37/3hz)，f5＝47*f
l
(47/3hz)等等。利用这样的频率间隔和频率序列，不会出现干扰扩展
频谱效应，也将不会产生重叠和干扰泛频。在该示例中，这将给出具有16078(f
1-f
16078
)个离散测试频率的测试信号。所有其他频率的信号能量优选地被设置为零。
48.在上述示例中，如果使用所有可用频率，则将有可能包括fs/2*3＝1500000个测试频率。然而，这将会导致扩展频谱干扰和重叠泛频，进而将会对阻抗解码造成负面影响。
49.上述类型的序列理论上可以仅包含两个频率，但是实际上典型地包含数百个或数千个频率。
50.时变测试电流没有必要包含上述类型序列中的所有频率。例如，在上述序列中，针对f2的信号能量可以出于某种原因而被设置为零，使得最低频率将是f1、f3、f4等。
51.原则上，频率序列中的最低频率f1(基频)可以分别在最低可能频率和最高可能频率f
l
与fs/2之间的区间内的任何地方，除了非常接近最高频率以外，这因为不存在额外频率的空间。然而，实际上，频率序列中的最低频率f1(基频)被设置为相对接近最低可能频率f
l
。
52.时变测试电流(i
test
)的实施例，即除了它包括多个叠加的离散频率以外，其中所述离散频率被分布在频率范围内且彼此分离，以便避免由于相邻频率间的扩展频谱所致的频率重叠，还包括：
[0053]-所述相邻频率由最小频率间隔f
d,min
分隔开，其中f
d,min
≥4*f
l
＝4/t，优选地f
d,min
≥8*f
l
＝8/t，更优选地f
d,min
≥10*f
l
＝10/t，其中f
l
＝1/t并且其中t是在提供所述时变测试电流期间的总时间；
[0054]-所述多个频率形成包括最低频率f1以及至少一个较高频率f2、f3
……fh
的频率序列，其中频率f2-fh中的任何一个除以频率f1都不会产生整数；
[0055]-其中频率f1-fh中的任何一个除以基本频率f
l
会产生质数；
[0056]-f1与提供时变测试电流的总时间t相关，使得f1＝n*1/t，其中n＞2；
[0057]-其中n是质数；
[0058]-其中所述多个叠加的离散频率包括至少10个离散频率，优选地至少100个，
[0059]
更优选至少1000个离散频率。
[0060]-其中用于提供时变测试电流的总时间t为100s或更少；
[0061]-其中离散频率与上邻或下邻离散频率之间的信号能量是所述两个相邻离散频率之一的信号能量的＜10％，优选地＜1％，或者更优选地＜0.1％；
[0062]-其中离散频率与上邻或下邻离散频率之间的信号能量是零或接近零。
[0063]
当已经确定在测量中要使用的频率和频率间隔等，下一步是时候生成测试信号。确保信号的振幅变得有限以允许利用硬件设备生成信号是有利的。这可以通过根据随机数序列将所选测试频率的相位在0和180度之间翻转来完成。具有其频率和相位的信号是该信号在频域中的定义描述。
[0064]
现在，可以使用离散时间傅里叶逆变换来变换频率含量，其定义了测试信号在时域中的形状(i
tim
)。还有一件事是要确定当测试电池单元(或另一电气设备)时要使用的电流的幅度。较小的电池单元通常应该利用较小的电流进行测试。例如，可能期望特定振幅i
ampl
＝1a，则测试电流根据i
test
＝i
ampl
*i
tim
/max(i
tim
)获得，其中max(i
tim
)表示i
tim
的最大值。现在可以生成具有期望振幅和期望频率的信号。
[0065]
在实施例中，测量设备被集成到生产线或装配线机器/机器人中。优选地，生产线
或装配线机器/机器人被配置为抓紧和/或提起电气设备/电池单元。
[0066]
在实施例中，第一端子和第二端子分别形成电池单元的正极和负极，该电池单元可以是锂离子型的。
[0067]
本发明还涉及一种通过将测量设备连接到电气设备的第一端子和第二端子而确定诸如电池单元的电气设备的至少一个电气性质的方法。
[0068]
该方法的特征在于其包括以下步骤：
[0069]-将电气设备连接到被布置在测量设备中的阻抗测量布置的测量电路；
[0070]-通过测量电路提供时变测试电流；
[0071]-在提供时变测试电流的同时，测量电池单元上的电压；以及
[0072]-确定所测量的电压与测量电路中的时变测试电流之间的相移和幅值比，
[0073]
其中，时变测试电流(i
test
)包括多个叠加的离散频率，其中所述离散频率被分布在频率范围内且彼此分离，以便避免由于相邻频率间的扩展频谱所致的频率重叠。
[0074]
该方法的实施例可以包括以下步骤中的一项或多项：
[0075]-基于所确定的相移和幅度比而计算电气设备的内部阻抗；
[0076]-测量该测量电路中的测试电流；
[0077]-通过以下方式，通过测量电路提供时变测试电流：至少提供第一分量，该第一分量形成将电流通过测量电路集中于特定电流幅度处的直流分量；提供第二分量，该第二分量是时变测试刺激信号并且生成时变测试电流的时
[0078]
变性；以及组合第一分量和第二分量；
[0079]-从电气设备提取时变测试电流的第一分量；
[0080]-借助于电流刺激电路系统，生成时变测试刺激信号；
[0081]-在被布置在阻抗测量布置中的晶体管处接收时变测试刺激信号；
[0082]-借助于晶体管控制时变测试电流的第一分量；
[0083]-借助于被布置在阻抗测量布置中的电流感测电路系统，生成表示测量电路中的测试电流的信号；和/或
[0084]-借助于测量设备被集成到其中的生产线或装配线机器/机器人，抓紧和/或提起电气设备，同时施加测试电流并且测量电气设备上的电压。
[0085]
在该方法的实施例中，时变测试电流可以具备如上文已经提到的性质。
附图说明
[0086]
在下文给出的本发明的描述中，参照以下附图，在附图中：
[0087]
图1以示意图示出了用于生产电池单元的生产线的示例和用于装配包含多个电池单元的电池组的生产线的示例。
[0088]
图2以示意图示出了适用于在例如图1所示的生产线中使用的测量设备的阻抗测量布置的第一实施例。
[0089]
图3以示意图示出了适用于在例如图1所示的生产线中使用的测量设备的阻抗测量布置的第二实施例。
[0090]
图4示出了可用于生成时变测试电流的时变测试刺激信号的示例；其中上绘图示出了信号的频率含量，并且高亮了不同的能量可以在不同的频率范围内使用；下绘图示出
了包含上绘图的频率谱的结果信号。
[0091]
图5示出了用于第一和第二电池单元阻抗测量的奈奎斯特(nyquist)图阻抗谱的示例；每个频谱同时显示复阻抗的相位和幅度；每个点表示针对单个频率的复值阻抗，并且通过其在复平面中的位置而限定幅度和相位。
[0092]
图6示出了可用于生成时变测试电流的时变测试刺激信号的另一个示例的能量含量。
[0093]
图7示出了对应于图6的信号。
[0094]
图8示出了放大后的图6的一部分，频率范围高达10hz，以便示出在该示例性信号中实际使用了哪些离散频率。
[0095]
图9示出了图7所示的信号的第一毫秒的放大。
[0096]
图10以示意图示出了适用于在例如图1所示的生产线中使用的测量设备的阻抗测量布置的第三实施例。
具体实施方式
[0097]
图1示出了以下示例实施例，其中根据本公开的测量设备已经被集成到生产线上的生产线机器人中，并且其中该测量设备被布置为执行对电池单元的测量。
[0098]
图1示出了用于生产电池单元10的第一生产线1(在图2和图3中表示为“c”)以及用于装配包含多个电池单元10的电池组100的第二生产线2。在该示例中，每条生产线1、2包括测量设备5、6，该测量设备5、6被配置为：连接到相应的生产线1、2中的电池单元10的第一端子和第二端子11、12并且借助于阻抗测量布置20、21(参见图2-3)来确定电池单元10的阻抗。测量设备5、6被设置有适应于分别连接到第一和第二电池单元端子11、12的第一和第二连接构件(未示出)。
[0099]
如图1所示，电池单元10从第一生产线1向第二生产线2的运送由一些车辆/船舶3指示。因此，图1指示出两条生产线1、2位于不同的地点。然而，电池单元的生产和电池组的装配可以或多或少地彼此集成在同一地点，在那里可能不需要两条分开的生产线1、2之间的特定运送。图1旨在说明本发明当被应用于与电池单元相关的生产线时可适用于制造电池单元和装配电池组的生产线两者，以及这些生产线可能位于也可能不位于彼此相距甚远的地方。
[0100]
图1还示出了每条生产线1、2包括以第一和第二生产线机器人7、8形式的生产线站，这些机器人用于抓紧/握持、提起和移动电池单元，特别是用于在电池单元生产线1处将电池单元10(在这种情况下，逐个)放入到运输容器9a中，以及用于在电池组装配线2处将单个电池单元10从运输容器9b中提起并放入到电池组100中。在两条生产线1、2被集成的情况下，不需要将电池单元10放入到运输容器9a、9b中(但是或许会放入到某种存储容器中)，并且仅使用一个生产线机器人7、8就足够了。任何特定的生产线抓紧装置(诸如图1所示的机器人7、8)对于本实施例并不是必需的，但是提供了这种合适的实施例，其中测量设备5、6被集成到生产线装置7、8中。
[0101]
图1还示出了测量设备5、6被布置到每个机器人7、8上或被集成在其中，与机器人7、8用于抓紧电池单元10的抓紧工具相结合。这意味着在抓紧、提起和移动电池单元10期间，测量设备5、6将靠近电池单元10定位。这允许测量设备5、6在机器人7、8抓紧电池单元10
时连接到端子11、12，并且在电池单元10的提起和移动期间保持连接，直到电池单元10被释放在运输容器9a或电池组100中为止。在提起和移动电池单元10所花费的时间段期间，在这里感兴趣的典型生产线中的大约10-20s，测量设备5、6可以执行对电池单元10的测量，并且因此可以在不拖延生产过程甚至一点也不影响生产过程的情况下执行这些测量。通过将测量设备5、6适当地定位和固定到相应机器人/生产线装置7、8，并且确保抓紧工具在提起和移动期间保持电池单元10稳定，测量设备5、6将不会在提起/移动期间相对于电池单元10移动。这简化了在电池单元端子11、12与测量设备5、6之间的电气连接的固定。连接构件可以与机器人7、8的抓紧工具集成在一起。
[0102]
如将相对于图2和图3进一步描述的，阻抗测量布置20、21被配置为：当连接到第一端子和第二端子11、12时，使电池单元10、c连接到测量电路30、31。阻抗测量布置20、21还被配置为：通过测量电路30、31施加时变测试电流。在所示的示例中，这通过从经受测量的电池单元10、c提取dc电流(即，在这些示例中不需要外部电源)并且将时变刺激信号i
in
施加到测量电路30、31中的所提取的电流来执行。因此，时变测试电流由两个分量组成；从电池单元10、c提取的电流形成了第一分量，并且时变刺激信号i
in
形成了第二分量。
[0103]
阻抗测量布置20、21还被配置为：在施加时变测试电流(并且因此也施加刺激信号i
in
)的同时，测量电池单元10、c上的电压u
cell
和测量电路30、31中的测试电流i
test
。因为各种电子电路部件的非线性或温度效应等，测试电流i
test
很可能至少稍微不同于刺激信号i
in
的振荡模式(在这种情况下已知)。因此，测量了测量电路30、31中的测试电流i
test
。
[0104]
阻抗测量布置20、21还被配置为：确定所测量的电压u
cell
与测试电流i
test
之间的相移和幅度比。这些数据可以用于计算电池单元10、c的内部阻抗。如何计算阻抗对于本领域技术人员而言是公知的。
[0105]
应该注意，当在除图1说明的另一个实施例中使用测量设备5、6时，关于阻抗测量布置20、21的描述通常也是优选的。
[0106]
所确定的阻抗(或所确定的相移和幅度比)可以与参考数据进行比较，并且用于识别电池单元10、c内部的潜在缺陷(诸如，电极或电解质中的缺陷或者电极与电解质之间的界面中的缺陷)。时变测试电流i
test
的不同频率提供了有关特定类型的电池单元10、c的不同种类的信息，并且对于不同类型的电池单元，特定频率可以比其他频率更加有用。时变测试电流i
test
(在该示例中，或者更确切地说，刺激信号i
in
)可以适应于待分析的电池单元10、c的类型，即测试电流可以包括具有显著更高振幅的一个或多个所选频率范围。还有可能在测试电流中包括非常大量的离散频率，但不必分析所有频率，而是在下一个(或多个)步骤中(即在电压和电流测量中和/或在阻抗的确定/计算中)选择频率。
[0107]
图2示出了根据第一实施例的阻抗测量布置20。电池单元c(对应于图1中的电池单元10)的极点po+11和po-12连接在第一测量电路30中，该第一测量电路30还包括电流控制晶体管t和组合式负载与电流测量电阻器r
l+i
。第二连接点po-连接到公共接地gnd。晶体管t在这里是mosfet-晶体管，但也可以是另一种类型的晶体管，诸如双极晶体管。
[0108]
测量电路30具有仅被加载的功能，即它能够从经受阻抗测量的电池单元c拉出电流。这具有以下优点，即不需要给电池单元c充电的电源，这使得测量设备5、6简易且适用于在例如电池单元和/或电池组生产线中实施。正是具有晶体管t和负载电阻器r
l+i
的布置才限制了操作，使得电流只能在所指示的方向上流动。这种无源设计使得电路只能从电池单
元c拉出能量/电流。
[0109]
负载电阻器r
l+i
的功能是双重的：1)形成了负载电阻器，其耗散从电池单元c提取的功率，以及2)形成了电流测量电阻器，其中电阻器上的电压通过欧姆定律给出关于测量电路30中的测试电流i
test
的信息；生成了信号i
out
，其表示测量电路30中的实际测试电流i
test
。电阻器r
l+i
的尺寸可以例如是1.0ω，如果假定对于电池单元电压为4v和最大功率耗散为16w的电阻器，来自电池单元c的最大电流为i
max
＝4a的话。电阻器的准确度将确定测试电流i
test
的测量精确度。(表示测试电流i
test
的信号实际上是电压信号，但是被表示为i
out
而不是例如u
out
以指示该信号是电流的度量。)
[0110]
晶体管t与运算放大器oa1和电阻器r
l+i
共同组成压控电流刺激源。这种源基于由数据采集系统d中的数模转换器作为输出电压提供的时变刺激信号i
in
而控制测量电路30中的电流的时变性。(时变测试刺激信号i
in
实际上是电压信号，但是被表示为i
in
而不是例如u
in
以指示该信号控制测试电流。)
[0111]
在没有压控电流源及其控制刺激信号i
in
的情况下，测量电路30将形成简易dc电路。测试刺激信号i
in
是时变信号(即，它随着特定频率等而变化)，并且当刺激信号经由晶体管t被施加到从电池单元c提取的电流时，它生成测量电路30中的电流的相应的时变性或振荡。(由于电子部件的影响，测量电路30中相应的时变性不一定准确反映刺激信号i
in
的时变性，参见上文，并且因而在所描述的实施例中测量了实际测试电流i
test
。)因此，已经通过测量电路30施加了时变测试电流。然而，可以用其他方式施加测试电流。
[0112]
时变测试电流i
test
可以被选择为根据在平均值为i
max
/2a(其取决于所选电阻)附近处所施加的频率而变化。因为电池单元c(或其他待测量的电气设备)的阻抗，至少在特定频率或频率范围处，在测量电路30中的测试电流i
test
与电池单元c上的电压u
cell
之间将存在一些相位差。通过同时测量经由信号i
out
的测试电流i
test
和电压u
cell
，可以计算阻抗及其幅度和相位。
[0113]
作为电压跟随器与运算放大器oa1耦合的晶体管t是通过调节晶体管t的栅极处的电压而控制电阻器r
l+i
中的电流的反馈回路。提供反馈回路是为了减少晶体管t和其他部件中的非线性的影响。它产生晶体管栅极信号，其将使得测试电流i
test
跟随期望的测试刺激信号i
in
，以便实现测试电流i
test
的期望频谱，并且电池单元行为可以按照期望在特定频率下进行测试。在有反馈的情况下，测试信号将被控制以便得到期望的频谱。在没有反馈的情况下，存在以下风险，晶体管的非线性将影响信号，从而产生不同于期望测试刺激信号的测试信号，并且因此在不同于期望的频率下测试电池单元。
[0114]
由于反馈回路，i
in
＝3v将给出r
l+i
上的电压3v，并且因此在电阻r
l+i
＝1ω的情况下，i
out
＝3v将对应于电流i
test
＝3a。在该示例中出于说明所使用的电阻r
l+i
＝1ω的情况下，我们在电压与电流之间具有一对一的对应关系，并且电阻r
l+i
的其他值将根据欧姆定律i
test
＝i
out
/r
l+i
给出其他电流与电压关系。
[0115]
测量电路30连接到数据采集系统d，该数据采集系统d具有四个连接：u
cell
、i
in
、i
out
和gnd。
[0116]
gnd是公共接地并且形成了参考电平。gnd连接到电池单元c的负极12和负载电阻r
l+i
。
[0117]
用作测对量电路30中电流的刺激的测试信号i
in
由数字-模拟转换器(未示出)生
成，并且被发送到电流控制放大器oa1。
[0118]
测试电流i
test
借助于负载电阻器r
l+i
以及数据采集系统d中的第一模拟-数字(ad)转换器(未示出)来测量，其被布置为与表示测试电流i
test
的信号i
out
的输入相连接。借助于欧姆定律i
test
＝i
out
/r
l+i
，信号的所测量的电压i
out
被用来计算测试电流i
test
。
[0119]
第四连接u
cell
连接到第二ad转换器(未示出)，该第二ad转换器测量电池单元电压并且登记如何响应于测试电流i
test
，即，如何响应于通过将时变刺激信号i
in
施加到从电池单元c提取的电流所形成的电流。第一和第二ad转换器是同步的，使得测试电流i
test
的表示i
out
与电压u
cell
之间的振幅比和相移可以在不同的频率下检测/测量。
[0120]
代替使用第一和第二模拟-数字转换器来提供电压和电流信号，可以使用被设置有同时触发的附加采样和保持电路的单个模拟-数字转换器，并且使用多路复用器来移位输入，从而提供同步测量的电压和电流信号。
[0121]
图3示出了阻抗测量布置21的第二实施例。它根据与其中电流从电池单元c提取的第一实施例(图2)相同的基本原理工作，并且由晶体管t以时变方式控制。主要区别在于第一实施例(图2)的电阻器r
l+i
被分成两个电阻器：一个负载电阻器r
l
和一个电流测量分流电阻器ri。负载电阻器r
l
占用/耗散从电池单元c中提取的功率，并且其尺寸特别制作成能够受热并将功率耗散为热量。在第二实施例中，分流电阻器ri被选择得很小，使得它将仅消耗少量功率并仅加热到低度。这会减少温度对电流控制和测量的潜在影响，因为分流电阻器ri的电阻可以取决于温度。在这种布置的情况下，会引起r
l
变化的温度变化归因于反馈回路而将不会影响表示测试电流i
test
的信号i
out
的准确度。
[0122]
因为分流电阻器ri很小，所以其上的电压也将很低，并且表示实际测试电流i
test
的电压信号i
out
也将很小。为了提高数据采集系统d处的电流测量/计算的准确度和oa1处的电流控制的准确度，第二放大器oa2被实施为将分流电阻器ri处生成的原始i
out
信号放大。第二放大器oa2的增益利用电阻r1和r2选择。放大后的信号i
out
在第一ad转换器中测量，并且还被馈送到控制了晶体管t的电流反馈控制器。数据采集系统d以与相对于图2中的第一实施例描述的相同方式测量i
out
和u
cell
。
[0123]
负载电阻器r
l
的电阻优选地选择成适应于待测量的电池单元c的容量和电压以及期望从电池单元c提取的电流量。作为示例，如果感兴趣的是利用达到60a的高电流执行测试，则负载电阻器r
l
可以具有0.06ohm的电阻。然而，几乎可能会使用任何电阻。
[0124]
分流电阻器ri的电阻原则上应该尽可能小(不生成太弱的信号)，并且还应该是经校准且热稳定的以便确保正确测量。作为示例，分流电阻器ri可以具有0.1mohm的电阻。然而，几乎可能会使用任何电阻。
[0125]
第三电阻器r1可以具有10ohm的电阻，而第四电阻器r2可以具有10kohm的电阻。然而，可以为这些部件选择其他值。为了实现关于第二运算放大器oa2的期望放大以给出高增益，第四电阻器r2可以具有比第三电阻器r1大得多的电阻。第三电阻器r1可以例如具有1-100ohm的电阻，而第四电阻器r2可以具有1-100kohm的电阻。
[0126]
为了提高电流控制和测量的准确度，在选择部件(例如，a/d、d/a和op)时运用现有技术是有益的。此外，a/d转换器可以耦合进行差分测量以便测量每个部件上的电压，而不是对照公共接地参考进行测量。这将使得信号对公共接地上的噪声不太敏感。通过采用具有四导线测量的系统(即，使用两条导线来测量电流分别使用电路20和21中的r
l+i
或ri生成iout
，以及使用两条导线直接连接到电池单元极11和12来测量电池电压)，可以实现附加改进。在这种情况下，差分测量也是优选的，其中两对导线都耦合到差分a/d输入通道。有可能以其他方式设计测量电路。作为示例，电流感测电阻器ri可以被替换为另一种电流传感器技术(例如，基于霍尔效应的换能器)。另一个提高准确度的措施是要将电池单元电压测量布置成使得以高准确度测量标称电池单元电压附近的变化。
[0127]
为了在短时间区间(例如，如关于图1描述的附接/抓紧、提起、运送、放置和拆卸电池单元10/c的短暂时间窗口)期间进行阻抗测量，需要具有时效性的测量。这通过从数据采集系统d的数字-模拟转换器发送到晶体管t的控制栅极的多频信号i
in
来实现以控制从电池单元10/c提取的电流，这生成了类似的多频测试电流i
test
。多频信号例如可以是多正弦信号，包括与待测量的预定组的离散频率相对应的正弦信号。它也可以是包括待测量的离散频率的另一类型的信号。
[0128]
图4示出了可以如何设计测试刺激信号的示例。它显示出频域(顶部)和时域(底部)中的信号。上图示出了频域中的信号的能量含量。有能量的区域由黑色区域指示，信号能量集中于低频；最低范围0-5khz具有最高能量含量，范围5-10khz具有较低能量，而范围10-50khz没有任何能量并因而为零。针对真实信号的频谱在采样速率(100khz)的一半附近是对称的，这解释了为什么低频区域0-10khz被镜像到100-90khz。此外，单个频率的相位在0至180度之间随机改变，这样执行使得时域信号将具有有限且被平衡的振幅。
[0129]
图4中的下图示出了得到的时变测试信号(即，测试刺激信号i
in
)。时域信号是使用离散傅里叶逆变换从频谱中生成的，并因此包含所选频率含量。频谱的对称性和随机相移给出以下时域信号，该时域信号以振幅0开始并在中心达到最高振幅，而不会增长到太大的振幅。存在许多信号具备相同的频谱性质，但是优选地选择了具有被平衡且有限的振幅的测试信号，如图4的下图中的信号那样，使得可以且易于在d/a转换器和电流控制器中实现它。这样的信号生成对于本领域技术人员而言是众所周知的。
[0130]
在测量电路30、31中经由信号i
out
对电池单元10、c上所测量的电压u
cell
和测试电流i
test
的分析可以使用例如快速傅立叶变换(fft)或用于频率分析的任何其他合适的信号处理方法来执行。
[0131]
测量设备5、6，特别是阻抗测量布置20、21，优选地被设计为能够对所施加到测量电路30、31的测试电流生成期望的离散频率，无论该频率被认为是对关注的电池类型还是其他电气设备感兴趣。(当然，它还应该被设计为能够测量这些频率下的电压和电流并且能够分析所测量的数据。)
[0132]
图5示出了阻抗谱法分析得到的频谱图的示例。在曲线图中，频率响应的振幅和相位在复数值图(被称为奈奎斯特图)中显示，其中x轴对应于实数值，y轴对应于带负号的虚数值(选择这种表示法是为了与出于历史原因使用这种表示法的频谱学团体达成一致)。
[0133]
图5说明了如何使用阻抗测量以识别具有潜在缺陷或偏差的电池单元，并且图5还形成了参考值(组)的示例，这些参考值可以进行比较以识别具有潜在缺陷或偏差的电池单元。第一(上/左)系列的点51示出了新的锂离子电池单元的阻抗谱，而第二(下/右)系列的点52示出了老化后的相同电池单元的阻抗谱。也就是说，第一系列51表示一组(一系列)参考值，而第二系列52表示具有缺陷的类似电池单元。各种方法可应用于自动地(数学地)比较频谱，并且决定表现出特定阻抗频谱的特定电池单元是否应该被分类为有缺陷。
[0134]
如果单个电池单元或其他电气设备的内部阻抗偏离参考值(或偏离一系列参考值)超过一定裕度，则单个电池单元可以从生产线1、2中挑选出，或者从一些其他选择过程中挑选出，或者以不同的方式进行分类等。可替选地或附加地，与电池单元的内部阻抗相关的数据可以存储在数据库中。这种数据例如可以是在离散频率处所确定的内部阻抗，或者可以是在离散频率处由内部阻抗构成的频谱的参数化。例如，当处理在使用中的故障电池组时，该数据随后可用于跟踪差异。
[0135]
图6-9示出了可用于生成时变测试电流的时间测试刺激信号i
in
的另一个示例，其中：图6示出了不同频率范围内的相对信号能量含量；图7示出了作为时间函数的信号振幅；图8示出了放大后的图6的一部分，即，频率范围高达10hz以便示出在示例性信号中在该范围内实际使用了哪些离散频率；以及图9示出了放大后的图7所示信号的第一毫秒。
[0136]
在该示例中，采样频率fs为1mhz且测量的总时间为10秒(即，在通过测量电路30、31提供时变测试电流i
test
期间的总时间段)。这把理论频率范围设置在基本频率0.1hz(＝f
l
＝1/t)与奈奎斯特频率500khz(fs/2)之间。然而，在这里选择0.3hz至100khz的频率范围用于刺激信号(并因此也用于测试电流)。
[0137]
图6示出了已经选择了不同的振幅/信号能量用于不同的频率子范围；最高振幅被用于高达25khz的频率，而最低振幅被用于75-100khz。
[0138]
图7示出了在测量时间t为10秒期间的作为时间函数的信号幅度。在该示例中，信号包括在彼此之上叠加的50611个离散频率，这使得难以看到信号中的细节。连同示出了图7的信号的第一毫秒的图9，可以看出该信号是复连续非脉冲信号(complex continuous non-pulsed signal)，它看起来不像正弦曲线的规则变型，而且具有仅通过观察信号而难以预测的非平凡形状。
[0139]
图8示出了在高达10hz的频率范围内实际使用的前九个离散频率f1-f9：f1＝0.3hz、f2＝1.3hz、f3＝2.3hz、f4＝3.7hz、f5＝4.7hz、f6＝5.9hz、f7＝7.1hz、f8＝8.3hz、f9＝9.7hz。在整个范围0.3hz至100khz内共计有50611个离散频率。最低频率f1 0.3hz与总时间t(以及基本频率f
l
)相关，使得f1＝n*1/t其中n＝3。如图8所示，存在一些扩展频谱效应，频率在底部具有2*f
l
的宽度。在示例中，频率使用10*f
l
的最小频率间隔f
d,min
间隔开。为了避免来自较低频率泛频的干扰，选择从f1＝k*f
l
开始的频率序列，使得k是相隔10或更多个单位的质数(k＝3、13、23、37、47等)。图8还示出了频率f1、f2等之间(即，在频率间隔范围fd上)的信号能量为零。
[0140]
图10示出了根据第三实施例的阻抗测量布置。图10中电路的基本结构和功能与图3中的相同，并且部件可以具备相同的性质。pnp-npn mosfet对允许使用t2将电流传递到电气设备c中，并且使用t1将电流从电气设备c取出。pnp-npn结构使得两者互相排斥，所以t1和t2不能同时导通从而导致短路。尽管图2和图3中的电路仅允许从电气设备抽取出电流，但是图10中的电路允许测试信号使用同样将电流推入到电气设备中的对称电流。这依赖于与oa1相同类型的反馈机制来控制电流以实现电流的高精度跟随。与图3相比，存在一个细微的区别，在于图3中的npn晶体管被替换为pnp晶体管，这使逻辑反相使得oa1也需要被反转。
[0141]
本发明不受限于上述实施例，而是可以在权利要求的范围内以各种方式进行修改。例如，测量设备5、6不必集成到装配机器人或其他生产线装置中，而且不必在生产线中
使用。此外，测试电流或至少其第一分量可以从外部电源供应，而不是从经受测量的电池单元中提取。此外，虽然主要应用是要执行对诸如锂离子电池的电池单元的测量，但是测量设备也可用于分析例如燃料电池或其他相关的电气设备。