DE69927058T2

DE69927058T2 - Gerät und verfahren zur erfassung von kennzeichnenden parametern von ladungsspeichern

Info

Publication number: DE69927058T2
Application number: DE69927058T
Authority: DE
Inventors: Oh Chul Yousung-ku YOON; Yevgen Yousung-ku BARSUKOV; Hyun Jong Kangbuk-ku KIM
Original assignee: Korea Kumho Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Kumho Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1998-11-19
Filing date: 1999-06-28
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2019-06-29
Also published as: DE69927058D1; KR100395516B1; ATE303601T1; JP3190313B2; US6160382A; WO2000031557A1; EP1153311B1; AU4532099A; KR20000033041A; JP2000156248A; EP1153311A1; TW444128B

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen charakteristischer Parameter einer Ladungsspeichervorrichtung, basierend auf einem weiten Frequenzbereich von Impedanzmessung und einem nicht-linearen Äquivalenzschaltungsmodell, durch welches die Parameter des nicht-linearen Äquivalenzschaltungsmodells, die für die Charakteristik der verschiedenen Ladungsspeichervorrichtungen wie etwa Binärbatterie, Sekundärbatterie, Kondensator, Superkondensator und Brennstoffzelle Indikativ sind, bestimmt werden.
Stand der Technik
Im allgemeinen werden Ladungsspeichervorrichtungen aller Arten wie etwa einer Primärbatterie, einer Sekundärbatterie, eines Kondensator, eines Superkondensator und einer Brennstoffzelle gemäß verschiedener Produktstandards, basierend auf Material, Größe und Art hergestellt.
Aufladbare Sekundärbatterien werden weiter anhand ihrer Chemie und ihres Materials als Blei-Säure-, Nickelkadmium-, Nickelmetallhydrid-, Lithiumionen- und Lithiumpolymerbatterie klassifiziert.
Diese sekundären Batterien unterscheiden sich in verschiedenen Aspekten, wie durchschnittliche Entladungsspannung, Entladungsspannungsprofil, Innenwiderstand, limitierender Entladestrom, Temperaturcharakteristika, Ladungsgrenzspannung und dergleichen.
Um eine für die Anforderungen einer bestimmten Anwendung geeignete Batterie aus verschiedenen Batterieprodukten auszusuchen, müssen viele Arten von Faktoren wie etwa Batteriekapazität, Größe, Preis des Produktes oder dergleichen einschließlich der Charakteristika der Batterie, wie oben beschrieben, erwogen werden. Als Referenz für die Auswahl der Batterie für eine geeignete Anwendung ist es erforderlich, ein Verfahren zum quantitativen Repräsentieren der Leistung einer Batterie zu verwenden.
Beispielsweise muss eine zum Antreiben eines Gleichstrommotors verwendete Batterie eine Antriebsspannung größer als die minimale Betriebsspannung des Gleichstrommotors aufweisen. Ein vom Innenwiderstand der Batterie während des Betriebs verursachter Spannungsabfall hat einen sehr signifikanten Effekt auf die Betriebszeit des Gleichstrommotors, abhängig von der Größe des Antriebsstroms.
Für eine als portable Stromquelle für Mobiltelefone vom GSM- oder CDMA-Typ verwendete Batterie wird eine präzise Analyse der Eigenschaften der Batterie in Verbindung mit der Entladung von periodischen Hochstrompulsen benötigt. Eine wiederaufladbare Batterie für elektrische Fahrzeuge, die eine sofortige Hochleistung erfordern, muss ebenfalls präzise, insbesondere bezüglich der transienten Stromreaktion analysiert werden.
Als Verfahren zum präzisen Analysieren der Betriebscharakteristika der Batterie ist es möglich, die internen Parameter, die sich auf den Mechanismus einer Batterie wie auch die allgemeinen Charakteristika wie etwa Batteriekapazität, durchschnittliche Entladungsspannung, Entladungsspannungsprofil, Innenwiderstand, Temperaturcharakteristik und Ladungsgrenzspannung beziehen, zu untersuchen und zu analysieren.
Diese internen Parameter einer Batterie können durch Messung der Impedanzcharakteristik der Batterie über einen weiten Frequenzbereich bestimmt werden.
Die hieisigen Erfinder haben ein Patent für ein effektives Verfahren zum Messen und Vorhersagen von Batteriekapazität mit den Ergebnissen dieser Studie angemeldet (Referenz auf die koreanische Patentanmeldungen Nr. 22540 (1998) und 24134 (1998)).
Das effektivste Verfahren zum Auswählen einer Batterie für den geeigneten Zweck ist die Repräsentation einer Anwendungsvorrichtung einschließlich einer spezifizierten Batterie als einer Äquivalenzschaltung und dann Simulieren derselben in numerischer Weise.
Dieses Verfahren kann die Effizienz und die Stabilität der Vorrichtung durch eine virtuelle Kombination einer ausgewählten Batterie und einer elektrischen oder elektronischen Vorrichtung als einen Elektronikschaltkreis unter Verwendung eines Computers evaluieren.
Solch eine numerische Simulation elektrischer und elektronischer Vorrichtungen ist als ein allgemeines Computerprogramm, wie etwa SPICE an der California Berkely Universität in Amerika entwickelt worden und in vielen Forschungsinstituten und Herstellerunternehmen eingesetzt worden.
Eine konventionelle Äquivalenzschaltung einer Batterie ist jedoch in der Konstruktion übersimplizifiert und ist eher für die Simulation von Vorrichtungen als der Batterie selbst verwendet worden.
Die konventionelle Äquivalenzschaltung einer Batterie besteht aus einer Konstanzspannungsquelle und Reihenwiderständen ohne Erwägung der Variation der Entladungsspannung über die Zeit.
Somit arbeitet das Modell nur über einen kurzen Entladungszeitraum unter einem Gleichspannungsstrom effektiv.
Ein im US-Patent Nr. 4 952 862 offenbartes, den Peukert-Parameter verwendendes Verfahren ist nicht geeignet, die Entladungscharakteristika einer Batterie präzise zu beschreiben, da es ein phänomenlogisches Modell verwendet, welches das Entladungsprofil einfach linear am Ausgangsstadium der Entladung und exponentiell im späteren Stadium der Entladung approximiert.
Ein Verfahren zum Simulieren einer thermischen Batterie wird in US-Patent Nr.5 428 560 beschrieben, welches Entladungsspannung und Innenwiderstand der Batterie abdeckt, in einem Fall einer Langzeitgleichstromentladung gültig ist, aber nicht hinreichend die Charakteristika der Batterie unter transienten Entladungsbedingungen beschreiben kann.
JP 09-232005 offenbart ein Bewertungsverfahren zum simultanen Auffinden der internen Impedanz und mittleren Entladungsspannung und Bewerten des Degradierungsstadiums einer versiegelten Blei-Säurebatterie auf Basis der Werte.
Das Verfahren umfasst Pulsentladen durch eine Entladungsschaltung auf einem konstanten Zyklus durch eine Ein/Aus-Steuerung eines Schaltelementes durch eine Entladungssteuereinheit eines Mikroprozessors. Ein Fourierumgewandelter Wert der Entladungsstromwellenform und der Spannungsreaktionswellenform wird durch eine Fourierabdeckende Einheit des Mikroprozessors gefunden und die Innenimpedanz wird aus dem umgewandelten Wert durch eine Impedanzwertberechnungseinheit des Mikroprozessors berechnet. Simultan wird eine Stromspannungskomponente aus der Batteriespannung beim Entladen entfernt und die mittlere Entladungsspannung wird durch eine Mittelwertspannungsberechnungseinheit des Mikroprozessors gefunden. Die abschätzende Entladungsdauer wird durch eine Verschleißbewertungseinheit des Mikroprozessors unter Verwendung der erhaltenen Innenimpedanz und der Mittelwertentladungsspannung berechnet und die Bewertung des Verschleißzustands einer versiegelten Blei-Säurebatterie wird vorgenommen.
JP 10-020002 offenbart ein Verfahren zum Bewerten des Verschleißes einer Speicherbatterie durch Durchführen einer Kontrolle des Überlagerns eines Reaktivstroms auf den Eingangswechselstrom eines Hochleistungsfaktor-Gleichrichters, Erzeugen eines Mischstroms im Ladungsstrom der Speicherbatterie und Messen der Impedanz der Speicherbatterie aus dem Verhältnis dieses Mischstroms zur vom Mischstrom erzeugten Mischspannung.
Die Ausgabe eines reaktiven stromerzeugenden Mittels wird einer Ausgabe eines Referenzwellengeneratormittels überlagert und der Eingangswechselstrom eines Hochleistungsfaktorgleichrichters wird durch ein Eingangsstromsteuermittel gesteuert, um einen Mischstrom einer Hochleistungsfaktor-Gleichrichterausgabe zu überlagern. Die Leistung wird zwischen der Eingangsseite und der Gleichstromseite des Hochleistungsfaktorgleichrichters angeliefert, um den Mischstrom auch bei keiner Last zu erzeugen. Eine Steuerung des Überlagerns eines Reaktivstroms auf den Eingangswechselstrom einer von drei Phasen eines Hochleistungsfaktorgleichrichters wird durchgeführt, um den Reaktivstrom jeder Phase der drei Phasen uneben zu machen, wodurch der Mischstrom erzeugt wird. Es werden nämlich nur die Eingangswechselströme von zwei Phasen der drei Phasen gesteuert und der durch die Eingangswechselströme der anderen Phasen bestimmte Eingangswechselstrom wird auf der verbleibenden einen Phase geführt.
JP 10-056744 stellt eine mit abgedichteten Blei-Säurebatterien ausgerüstete Stromversorgung bereit, welche es ermöglicht, die Impedanz innerhalb der abgedichteten Blei- Säurebatterien präzise ohne Bereitstellung eines exklusiven Wechselstrom-leitenden Teiles zu messen.
Als eine Ladeausrüstung zum Laden abgedichteter Blei-Säurebatterien durch die Pufferung wird ein Lager verwendet, bei dem eine Ausgangsspannung über einer üblich eingestellten Spannung oder eine Spannung niedriger als die erstere mit einer Konstantfrequenz verändert wird. Wenn die Ausgangsspannung der Ladeausrüstung niedrig ist, wird ein Entladungsstrom veranlasst, von den abgedichteten Blei-Säurebatterien über eine Last und einen Shuntwiderstand zu fließen. Aus der Wellenform der von den abgedichteten Blei-Säurebatterien zu diesem Zeitpunkt ausgegebenen Entladungsstrom und der Wellenform ihrer Spannungsreaktion werden die Fourier-Transformationswerte mit der Konstanzfrequenz oberhalb einer Basisfrequenz durch erste und zweite Fourier-Transformationsmittel, die einen Mikroprozessor umfassen, erhalten. Aus diesen Umwandlungswerten wird die Innenimpedanz durch ein von einem Mikroprozessor gebildetes Impedanzberechnungsmittel erhalten. Dann zeigt ein Anzeigeteil das Ergebnis der Bewertung des degradierten Stadiums der abgedichteten Blei-Säurebatterie basierend auf dieser Innenimpedanz an.
Das nicht-lineare Schaltungsmodell einer Batterie, die in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, ist dafür ausgelegt, die Spannungsreaktion einer Batterie in Bezug auf eine vorgegebene elektrische Last wie etwa Gleichstrom, Wechselstrom, Puls oder Impedanz zu berechnen, welcher eine präzise und effektive Simulation der Betriebscharakteristika von einer elektrischen Schaltung einschließlich einer Batterie implementiert.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Charakterisieren interner Parameter einer Ladungsspeichervorrichtung basierend auf einem breiten Frequenzbereich von Impedanzmessung und einem nicht-linearen Äquivalenzschaltungsmodell, das für die Qualitätskontrolle von Betriebsprodukten und das Testen von Batterien durch Analysieren oder Vorhersagen der Betriebseigenschaften von Ladungsspeichervorrichtungen wie etwa Primärbatterie, Sekundärbatterie, Kondensator, Superkondensator und Brennstoffzelle oder Kondensator unter Verwendung eines Computers verwendet werden kann, oder verwendet werden kann, um die Parameter des nicht-linearen Äquivalenzschaltungsmodells der Ladungsspeichervorrichtung zu bestimmen, um eine elektrische/elektronische Vorrichtung und Batterien, die für diese Vorrichtung geeignet sind, durch digitale Simulation einer elektrischen Schaltung zu entwerfen.
Um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen, werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Charakterisieren interner Parameter einer Ladungsspeichervorrichtung, basierend auf einem breiten Frequenzbereich von Impedanzmessung und einem nicht-linearen Schaltungsmodell bereitgestellt, welches experimentell interne Parameter der Ladungsspeichervorrichtung, wie etwa einer Primärbatterie, Sekundärbatterie, eines Kondensator, eines Superkondensators und einer Brennstoffzelle charakterisieren soll, wobei das Verfahren die Schritte enthält: (1) Messen von Spannung und Stromcharakteristika durch Anlegen einer Spannung/eines Stroms mit einer vorgegebenen Entladungsrate an dem zu ladenden/zu entladenden Kondensator; (2) Messen eines Charakteristik-Impedanzspektrums in einem vorgegebenen Frequenzbereich aus dem Strom und der Spannung, die an beiden Anschlüssen des Kondensators anliegen, oder einer direkt verbundenen Impedanzlast in einer Mehrzahl von Ladungszuständen innerhalb des gesamten Lade/Entladeintervalls; und (3) Charakterisieren der Parameter des nicht-linearen Äquivalenzschaltungsmodells der Ladungsspeichervorrichtungen aus der im Schritt (1) gemessenen Spannungscharakteristik und den Impedanzspektren im vorgegebenen, im Schritt (2) gemessenen, Frequenzbereich. Die vorliegende Erfindung schlägt das numerische Modell und die Äquivalenzschaltung einer Batterie für eine akkurate Vorhersage und Beschreibung der Betriebsleistung der Batterie unter wohl definierten Batterielade/Entladebedingungen innerhalb einer 100 %-Entladungstiefe vor, wie etwa eine Gleichstromentladung von zumindest C/0,5 Entladungsrate, Wechselstromentladung im MHz bis 20 kHz-Frequenzbereich, Stromdichte entsprechend zumindest C/0,5 Rate, Pulsentladung im selben Frequenzbereich oder Entladung einer festen oder variablen Impedanzlast. Die vorliegende Erfindung implementiert Verfahren der experimentellen Messung, numerischen Analyse und nicht-linearen Äquivalenzschaltung und eine Vorrichtung für die Messung und Analyse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Äquivalenzschaltungsdiagramm, basierend auf dem Übertragungsleitungsmodell einer Batterie;
2 ist eine Grafik, in der ein in einer voll geladenen Lithiumionenbatterie (von Sony hergestellt) gemessenes Impedanzspektrum mit einem von Parametern abgeleiteten Impedanzspektrum verglichen wird, die durch Anpassen an ein statisches Äquivalent-Schaltungsmodell erhalten werden;
3 ist ein dynamisches Modell einer Äquivalenzschaltung, welche das nicht-lineare Verhalten von Modellparametern in jedem Ladungszustand einer Batterie berücksichtigt;
4 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau einer Vorrichtung zum Charakterisieren von Parametern einer Ladungsspeichervorrichtung in der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein Signalflussdiagramm, welches ein Parameterisierungsverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt;
6A ist eine Grafik, die experimentelle und Simulationsergebnisse über Entladungscharakteristika bei verschiedenen Entladungsraten für eine von Sony hergestellte Lithiumionenbatterie zeigt;
6B ist eine Grafik, die experimentelle und Simulationsergebnisse von Entladungscharakteristika bei verschiedenen Entladungsraten für eine von Matsushita hergestellte Lithiumionenbatterie zeigt;
6C ist eine Grafik, die experimentelle und Simulationsergebnisse von Entladungscharakteristika bei verschiedenen Entladungsraten für eine von Sanyo hergestellte Lithiumionenbatterie zeigt;
6D ist eine Grafik, die experimentelle und Simulationsergebnisse von Entladungscharakteristika bei verschiedenen Entladungsraten für eine von Hitachi hergestellten Nickel-Wasserstoffzelle zeigt;
7 ist eine Grafik, die experimentelle und Vorhersageergebnisse von transienten Entladungscharakteristika bei Pulsströmen zeigt, die an eine von Sony hergestellte Lithiumionenbatterie angelegt werden;
8 ist ein Äquivalenzschaltungsdiagramm, das verwendet wird, um den Betrieb eines durch eine Batterie angetriebenen Gleichstrommotors vorherzusagen;
9A ist eine Grafik, die experimentelle und Vorhersageergebnisse der Rotationsgeschwindigkeit eines mit einer Batterie in Reihe verbundenen Gleichstrommotors zeigt;
9B ist eine Grafik, die experimentelle und Vorhersageergebnisse der Entladungsspannung einer in Reihe mit einem Gleichspannungsmotor verbundenen Batterie zeigt; und
10 ist eine Grafik, die experimentelle und Vorhersageergebnisse der Entladungscharakteristika eines Batteriepacks zeigt, der vier serielle und parallele Lithiumionenzellen umfasst, die von Matsushita hergestellt worden sind.
Bester Modus zum Ausführen der Erfindung
Nachfolgend wird ein Verfahren mit einer Vorrichtung zum Charakterisieren interner Eigenschaften einer Ladungsspeichervorrichtung, basierend auf einem Weitfrequenzbereich von Impedanzmessung und einem nichtlinearen Äquivalenzschaltungsmodell gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Das Äquivalentschaltungsmodell einer in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Batterie ist ein Schaltungsmodell, bei dem der mit aktiven Schichten von Anode und Kathode, welche die Batterie bilden, assoziierte elektrochemische Mechanismus mit einem Übertragungsleitungsmodell, wie in 1 gezeigt, beschrieben wird.
1 ist ein Äquivalentschaltungsdiagramm für ein Übertragungsleitungsmodell, das aus einem makroskopischen Widerstand p der aktiven Elektrodenschichten, einer Impedanz Z_F von dünnen Elektrodenschichten, die in Vertikalrichtung zu einem Stromkollektor unendlich geschnitten sind und einem Reihenwiderstand R_ser, der für den Verbindungswiderstand durch die Elektrode, die Stromkollektoren und die Drähte relevant ist, besteht.
In 1 wird die Impedanz Z_S von Elektrodenschichten durch eine Äquivalentschaltung ausgedrückt, die aus einem Festkörper (Halbleiter)-Diffusionskoeffizienten D innerhalb der Elektroden-bildenden Partikel, einer Ladungsspeicherkapazität C_S entsprechend der mit der Energiespeicherung verbundenen chemischen Reaktion, Doppelschichtkondensator C_dl und Ladungsübertragungswiderstand R_CT besteht.
Solch ein Schaltungsmodell ist erwiesenermaßen effektiv für die Beschreibung des Entladungsmechanismus von aktiven Materialien wie etwa Lithiuminterkalationsverbindungen.
Im Fall, dass die Kathode und Anode der Batterie durch dasselbe Modell beschrieben werden können, kann das Äquivalenzschaltungsmodell mit den Elektroden in Serie von derselben Form sein.
Die Äquivalenzschaltung einer, eine Kathode und Anode umfassenden Einzelbatterie kann in Erwägung der Impedanz von Elektrolyt als Reihenwiderstand R_S konstruiert werden.
Die Validität des statistischen Äquivalenzschaltungsmodells, das lineare Elemente wie etwa einen Widerstand und einen Kondensator umfasst, in einen gegebenen Ladungszustand der Batterie, kann verifiziert werden, wie in 2 gezeigt, durch Messen des Impedanzspektrums der Batterie und dann durch Anpassen des Spektrums an die Äquivalenzschaltung durch Verwenden komplexer, nicht-linearer kleinster Quadratemethoden. Aus dem Ergebnis werden die Charakteristikfaktoren bestimmt.
Das statische Äquivalentschaltungsmodell ist nur gültig, wenn der Batterieladungszustand klein ist. Falls die Entladungszeit lang ist oder der Entladestrom hoch, muss jedoch die nicht-lineare Variation der Parameter für den Ladungszustand der Batterie berücksichtigt werden.
Das Impedanzspektrum für verschiedene Ladungszustände der Batterie wird im gesamten Entladungsintervall der Batterie gemessen und analysiert, so dass die Parameter für die statische Äquivalenzschaltung als Funktion des Ladungszustands bestimmt werden.
Andererseits hat die Ladungsspeicherkapazität CS normalerweise einen großen Wert und es ist schwierig, sie innerhalb eines geeigneten Zeitraums durch die Impedanzmethode zu messen.
Dementsprechend wird eine Entladungsspannungskurve für das gesamte Entladungsintervall der Batterie erhalten und die Ladungsspeicherkapazität CS wird aus der Steigung des Entladungsspannungsprofils bestimmt.
Das in Erwägung der nicht-linearen Variation von Parameter, abhängig vom Ladungszustand der Batterie entworfene nichtlineare Äquivalenzschaltungsmodell, wie in 3 gezeigt, umfasst die finite Anzahl von leiterartigen Zweipolnetzwerken an Stelle der Übertragungsleitung und nicht-lineare Widerstände und nicht-lineare Kondensatoren, deren Werte von der durch die Ladungsspeicherkapazität CS beeinflussten Spannung abhängen.
Ein Verfahren der numerischen Simulation der Betriebsspannung oder des Betriebsstroms einer Batterie, das von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird, kann durch direktes Lösen des entsprechenden Systems nicht-linearer erster Ordnungsdifferentialgleichungen oder durch Verwenden des in einem elektronischen Simulator wie etwa SPICE verwendeten finiten Differenzverfahrens erzielt werden.
Die gewünschte Präzision der Lösung kann durch Steuern der Anzahl von die Übertragungsleitung repräsentierenden leiterartigen Zweipolennetzwerken erhalten werden.
Die Ergebnisse der Simulation, basierend auf dem nichtlinearen Äquivalenzschaltungsmodell einer Batterie, entsprechen den experimentellen Messergebnissen für die Entladungscharakteristika einer Batterie mit Genauigkeit, was später unter Bezugnahme auf die Ausführungsformen im Detail beschrieben wird.
Ein Verfahren zum Erhalten von Parametern in einem nichtlinearen Schaltungsmodell einer Batterie, das in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen wird, wird nunmehr beschrieben.
Eine Testbatterie wird durch das folgende vordefinierte Prozedere voll geladen und das Impedanzspektrum wird in einem gewissen Frequenzbereich gemessen, nachdem die offene Schaltungsspannung der Batterie ihr Gleichgewicht erreicht.
Vorausgesetzt, dass die Gesamtzahl von Impedanzmessungen bei verschiedenen Ladungszuständen N ist, wird die Batterie durch die Menge an Ladung Q/(N-1) bei einem Konstantstrom I entladen, wo Q die Entladungskapazität der Batterie ist. Nachdem die offene Schaltungsspannung der Batterie den Gleichgewichtszustand wieder erreicht, wird die nächste Impedanzspektrumsmessung durchgeführt. Solch eine Prozedur von Entladung und Impedanzmessung wird wiederholt, bis die Batterie das vordefinierte Entladungsende erreicht.
Bei dieser Prozedur kann die Entladungsrate der Batterie innerhalb eines Bereiches selektiert werden, bei dem das dE/dq der Entladungsspannung E gemäß der Änderung im Betrag der Entladung Q der Batterie sich nicht als Entladungsrate ändert, wie weiter abgesenkt. Normalerweise kann eine C/10-Rate angewendet werden.
Einer der Parameter, die Ladungsspeicherkapazität C_S, wird durch Multiplizieren von dE/dt der Entladungsspannung E über die Zeit t durch den Strom I berechnet.
Der Frequenzbereich bei der Impedanzmessung muss breit genug sein, um Informationen über die mit der elektrochemischen Reaktion der Batterie assoziierten Zeitkonstanten bereitzustellen.
Der Hochfrequenzbereich ist normalerweise auf etwa 60 kHz aufgrund der Linearität des elektrochemischen Systems beschränkt, aber tatsächlich ist er für eine Batterie auf 10 kHz limitiert, entsprechend einem Puls von 0,1 ms Intervall für eine Batterie.
Das untere Frequenzlimit wird aus der Spezifikation eines Messinstrumentes und der für die Messung erforderlichen Zeit bestimmt. Die niedrigste Frequenz ist wichtig, um genau die Änderung von Parametern zu beschreiben, die mit der Reaktionscharakteristik der Batterie über das gesamte Entladungsintervall assoziiert ist. Die niedrigere Frequenz ist üblicherweise nahe 1 mHz.
Ein Frequenzreaktionsanalysator (FRA) ist typischerweise für ein Verfahren zum Messen eines Impedanzspektrums verwendet worden, bei welchem die Frequenz sequentiell abgetastet wird, um die Impedanz von Eingangs- und Ausgangssignalen zu erhalten.
Der FRA hat jedoch den Nachteil, dass zuviel Zeit für die Messung erforderlich ist, weil die Frequenzabtastung nacheinander von einer Minimalfrequenz bis zum Maximum durchgeführt wird.
Ein anderes Verfahren zum Messen von Impedanzspektren ist ein Fourier-Transformationsverfahren, bei dem ein Störstromsignal an beide Anschlüsse einer Batterie unter galvanostatischer Bedingung angelegt wird und ein in der Zeitdomäne aufgezeichnetes Spannungsreaktionssignal auf die Frequenzdomäne Fourier-gewandelt wird, um das Impedanzspektrum zu berechnen.
Das Störstromsignal, das als Eingangssignal verwendet wird, kann durch Überlagerung von mehreren Sinuswellen bei ausgewählten Frequenzen erhalten werden.
Falls die Minimalfrequenz der Messung beispielsweise f_min ist, hat das Störstromsignal ein ungerades Mehrfaches der Minimalfrequenz f_min wie etwa 3f_min, 5f_min, fmin und dergleichen. Dieses Fourier-Transformationsverfahren unter Verwendung nicht-überlappender Mehrfachfrequenzen unterscheidet sich von einem anderen Fourier-Transformationsverfahren, das einen Puls verwendet (US-Patent Nr. 5 633 801).
Das Prinzip der Messung wird im Detail von G.S. Propkirov und R. N. Schindler, Rev. Sci. Instrum. 63, 5366 (1992) beschrieben.
Die durch das Fourier-Transformationsverfahren unter Verwendung nicht-überlappender multipler Frequenzen messbare Maximalfrequenz ist abhängig von der Abtastzeit eines Signaldetektors beschränkt. Die für die Messung erforderliche Zeit entspricht dem Zweifachen des Inversen der niedrigsten Messfrequenz, aufgrund der Wartezeit, die zum Ausschließen transienter Effekte notwendig ist.
Im Vergleich zum FRA ist das Fourier-Transformationsverfahren dahingehend vorteilhaft, dass die zum Messen der Impedanz erforderliche Zeit um die Hälfte oder mehr vermindert wird.
Die Linearität des gemessenen Systems wird erhalten, falls die Amplituden der ausgewählten Frequenzen zumindest drei Größenordnungen größer sind als die von zusätzlichen Frequenzen, die während der Fourier-Transformationsimpedanzmessung erhalten wurden.
Die Linearität eines gemessenen Systems bei gegebenem Strom, der an der Batterie im Falle einer Fourier-Transformationsimpedanzmessung anliegt, kann durch Vergleichen der Amplitude von Komplexspannungen für eine ausgewählte Frequenz und zusätzliche Frequenzen überprüft werden.
Ein anderes Verfahren zum Messen von Impedanzspektren ist es, eine einfache Stromwellenform an Stelle von mehrfach überlagerten Störstromsignalen zu verwenden.
Beispielsweise wird ein Konstantstrom I(t) = I0 an beide Anschlüsse einer Batterie angelegt und es wird eine lineare oder nicht-lineare kleinste Quadratregression basierend auf der Laplace-Transformation des Reduktionsspannungssignals und des in der Zeitdomäne gemessenen Eingangsstrom durchgeführt, um das Impedanzspektrum zu berechnen.
Falls die Abtastzeit t_samp ist und die zur Messung erforderliche Zeit t_mes ist, ist der gültige Frequenzbereich 1/2 t_mes bis 1/2 t_samp. Unter der Annahme, dass die Abtastgeschwindigkeit 1 kHz ist und die Zeit zur Messung beispielsweise 500 s beträgt, ist der Frequenzbereich 1 mHz bis 500 Hz.
Dies demonstriert, dass die für die Messung erforderliche Zeit kürzer ist als die im Fourier-Transformationsverfahren, 2000 s, weil keine Wartezeit nötig ist, um transiente Effekte zu entfernen.
Falls I(s) die Laplace-transformierte Funktion von I(t) ist, ist die Impedanzfunktion in einem Laplace-Raum Z(s) = V(s)/I(s).
Das Laplace-transformierte Impedanzspektrometer ist dahingehend vorteilhaft, dass ein gewünschtes Spektrum durch numerische Analyse schneller als mit FRA oder Fourier-Transformationsverfahren erhalten werden kann.
Die Parameter außer der Ladungsspeicherkapazität Cs werden durch Anpassen des im unterschiedlichen Ladungszustand einer Batterie gemessenen Impedanzspektrums an das statische Modell bestimmt. Der zum Anpassen verwendete Algorithmus kann aus einer komplexen nicht-linearen kleinster Quadrateanpassung gemacht sein, die in J. R. Macdonald, J. Schoonman und A. O. Lehnen, Solid State Ionics V5. 137 (1981) beschrieben ist, oder einer nicht-linearen Anpassung unter Verwendung eines neuralen Netzwerkes oder anderer geeigneter Anpassungsverfahren.
Die Anfangsbedingungen, die in der Anpassung verwendet werden, können beliebig gewählt werden und falls das Ergebnis der vorherigen Anpassung als Anfangsbedingungen für die nachfolgende Anpassung verwendet wird, können Leistung und Qualität der Anpassung verbessert werden.
4 ist ein Blockdiagramm, welches die Konstruktion einer Batterieparameterisierungs-Systemvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
In der Figur bezeichnet Bezugszeichen 10 Steuermittel zum Bestimmen von Parametern einer Ladespeichervorrichtung 20 mit einem Computer oder dergleichen und Simulieren verschiedener Betriebscharakteristika einer eine Batterie beinhaltenden Elektronikschaltung.
Das Steuermittel 10 weist eine E/A-Schnittstelleneinheit 11 für die Schnittstelle zur Ladungsspeichervorrichtung 20, eine Zentraleinheit (CPU) 13 zum Steuern der Messung von Spannung, Strom und Impedanz für die Ladungsspeichervorrichtung 20, ein Spannungs/Strommessmittel 15 zum Messen der Spannung und Stromcharakteristika der Ladungsspeichervorrichtung 20 unter Steuerung der Zentraleinheit 13, ein Charakteristikimpedanzmessmittel zum Messen der Impedanz der Ladungsspeichervorrichtung 20 unter der Steuerung der Zentraleinheit 13 und ein Parameterisierungsmittel 19 zum Erhalten der Parameter des nicht-linearen Äquivalenzschaltungsmodells der Ladungsspeichervorrichtung 20 mit dem Spannungs- und Stromcharakteristika der Ladungsspeichervorrichtung 20, gemessen durch das Spannungs/Stromcharakteristikmessmittel 15 und der Charakteristikimpedanz der Ladungsspeichervorrichtung 20, gemessen durch das Charakteristik-Impedanzmessmittel 17.
Das Bezugszeichen 30 bezeichnet einen Digital-Analog (D/A)-Wandler zum Umwandeln von Spannung und Stromdatenausgabe aus dem Steuermittel 10 über die Schnittstelleneinheit 11 in Analogsignale, Bezugszeichen 40 einen Verstärker zum Verstärken des Ausgangssignals des Digital-Analog-Wandlers 30, Bezugszeichen 50 einen Galvanostaten zum Zuführen des Ausgangssignals des Verstärkers 40 in den Kondensator 20, um die Spannung und den Strom des Kondensators 20 auszugeben.
Der Galvanostat 50 hat einen Inversionsverstärker 51 zum Inversionsverstärken des Ausgangssignals aus dem Verstärker 40 und seinem Anlegen an die Ladungsspannungsvorrichtung 20, Puffer 53 und 55 zum Erzeugen von Spannung an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung 20 und einem stromdetektierenden Widerstand 57, der in Reihe mit der Ladungsspeichervorrichtung 20 geschaltet ist, um den Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20 zu detektieren.
Die Bezugszeichen 60 und 70 bezeichnen erste und zweite Filter/Verstärker zum Filtern und Verstärken der Spannung der von den Puffern 53 und 55 des Galvanostaten 50 ausgegebenen Ladungsspeichervorrichtung 20 bzw. der Spannung basierend auf dem Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20, der vom stromdetektierenden Widerstand 57 detektiert worden ist. Das Bezugszeichen 80 repräsentiert einen Analog-Digital(A/D)-Wandler zum Umwandeln der Ausgangssignale der ersten und zweiten Filter/Verstärker 60 und 70 in Digitalsignale und ihr Anlegen an die E/A-Schnittstelleneinheit 11 des Steuermittels 10.
Das Bezugszeichen 90 bezeichnet einen Batterieschaltungssimulator zum Simulieren verschiedener Betriebscharakteristika gemäß den Werten der durch die Parameterisierungseinheit 19 der Steuereinheit 10 erhaltenen Parameter für eine spezifische Batterieschaltung, die dieselbe Batterie wie die Ladungsspeichervorrichtung 20 enthält.
Falls die Spannungs- und Stromcharakteristika zuerst im Batterieparameterisierungssystem der vorliegenden Erfindung mit solch einer Konstruktion gemessen werden, weist das Steuermittel 10 das Spannungs/Stromcharakteristikmessmittel 15, das Spannung- und Strom-Digitaldaten eines vorgegebenen Pegels über die E/A-Schnittstelleneinheit 11 unter der Steuerung der Zentraleinheit 13 ausgibt.
Die Digitalspannungs- und Stromdaten werden am Digital-Analog-Wandler 30 in Analogsignale umgewandelt, durch den Verstärker 40 verstärkt, über den Inversionsverstärker 51 des Galvanostaten 50 inversionsverstärkt und dann an die Ladungsspeichervorrichtung 20 angelegt. Somit werden basierend auf den digitalen Ausgangsdaten auf dem Spannungscharakteristikmessmittel 15 basierende Spannung und Strom in der Ladungsspeichervorrichtung 20 hergestellt.
Nachdem ein vorgegebener Zeitraum unter den oben beschriebenen Bedingungen vergangen ist, legt das Steuermittel 10 die Spannung und den Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20 an den Galvanostaten 50, die ersten und zweiten Filter/Verstärker 60 und 70 und den Analog-Digital-Wandler 80 an.
Die Spannungen an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung 20 werden in den ersten Filter/Verstärker 60 über Puffer 53 und 54 des Galvanostaten 50 eingegeben, während der Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20 durch den Stromdetektorwiderstand 57 in solcher Weise fließt, dass ein Spannungsabfall im Stromdetektorwiderstand 57 auftritt. Die Spannungen an beiden Anschlüssen des Widerstands 57, basierend auf dem Stromfluss durch den Stromdetektorwiderstand 57, werden dem zweiten Filter/Verstärker 70 eingegeben.
Dann filtern der erste und zweite Filter/Verstärker 60 und 70 die Spannungen an beiden Anschlüssen des Kondensators 20 und die detektierte Spannung basierend auf dem Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20, um Rauschen zu entfernen, bzw. zur Verstärkung. Die Ausgangssignale der ersten und zweiten Filter/Verstärker 60 und 70 werden am Analog-Digital-Wandler 80 in Digitaldaten gewandelt und an die E/A-Schnittstelleneinheit 11 angelegt. Das Spannungs/Stromcharaktermessmittel 15 ist für die Digitaldaten von den Spannungen an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung 20 und die detektierte Spannung, basierend auf dem Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20, empfänglich, welche Spannungen an der E/A-Schnittstelleneinheit 11 angelegt werden, und misst dann die Spannung und die Stromcharakteristika der Ladungsspeichervorrichtung 20.
Das Steuermittel 10 kann einen getrennten Spannungs/Stromgenerator (nicht gezeigt) verwenden, ohne Spannung und Stromdigitaldaten zu erzeugen, um die Ladungsspeichervorrichtung 20 direkt zu laden, so dass der Spannungs/Stromgenerator vorgegebene Spannung und Strom ausgibt, was die Ladungsspeichervorrichtung 20 unter der Steuerung des Steuermittels 10 lädt.
Das Charakterstik-Impedanzmessmittel 17 misst die charakteristische Impedanz der Ladungsspeichervorrichtung 20 unter der Steuerung der Zentraleinheit 13.
Die Messung der charakteristischen Impedanz beinhaltet FRA, Fourier-Transformation und Laplace-Transformationsverfahren, von denen eines oder mehrere alleine oder in Kombination bei der Messung der charakteristischen Impedanz verwendet werden kann.
Beim die Sinuswellen vorgegebener Frequenz verwendenden FRA-Verfahren werden Digitaldaten bei einer vorgegebenen Frequenz ausgegeben und an die Ladungsspeichervorrichtung 20 über Digital-Analog-Wandler 30, Verstärker 40 und Galvanostat 50 sequentiell angelegt, um die Ladungsspeichervorrichtung 20 zu laden. Spannung und Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20 werden durch den Galvanostaten 50, die ersten und zweiten Filter/Verstärker 60 und 70 und den Analog-Digital-Wandler 80 in das Steuermittel 10 eingegeben und gespeichert.
Nach Abschluss einer solchen Messung bei einer vorgegebenen Frequenz werden die Digitaldaten einer anderen Frequenz in Reihenfolge ausgegeben und nachfolgend werden Spannung und Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20 gemessen und gespeichert.
Beim Fourier-Transformationsverfahren werden Spannung oder Stromdigitaldaten in der spezifizierten Form vorab gespeichert. Die gespeicherten Digitaldaten werden durch Digital-Analog-Wandler 30, den Verstärker 40 und den Galvanostaten 50 in Reihe an die Ladungsspeichervorrichtung 20 angelegt oder es werden Signale basierend auf den Digitaldaten von einem separaten Spannungs/Stromgenerator erzeugt und an die Ladungsspeichervorrichtung 20 angelegt.
Die Spannung und der Strom des Kondensators 20 werden basierend auf den angelegten Signalen über den Galvanostaten 50, die ersten und zweiten Filter/Verstärker 60 und 70 und den Analog-Digital-Wandler 80 in das Steuermittel 10 eingegeben und im Steuermittel gespeichert.
Wenn die Messung der charakteristischen Impedanz der Ladungsspeichervorrichtung 20 abgeschlossen ist, Fouriertransformiert und/oder Lacplace-transformiert, wandelt die Zentraleinheit das gespeicherte Ergebnis der Messung in einen komplexen Impedanzwert als eine Funktion der Frequenz um.
Nach einer vorgegebenen Anzahl wiederholter Messungen der Spannungscharakteristik und der charakteristischen Impedanz werden eine numerische Differenzierung der Entladungskurve und eine komplexe, nicht-lineare kleinste Quadrateanpassung in der Parameterisierungseinheit 19 durchgeführt und die charakteristischen Impedanzwerte der Ladungsspeichervorrichtung, um die Parameter der nichtlinearen Äquivalenzschaltung zu erhalten.
Die erhaltenen Parameter werden verwendet, um verschiedene Betriebseigenschaften der Ladungsspeichervorrichtung im Ladungs- und Entladungsprozess bei beliebiger Last durch Verwendung eines elektronischen Schaltungssimulators 90 zu simulieren.
Die Simulation kann für die Betriebscharakteristika einer Schaltung, die eine Batterie enthält, z.B. Puls, Wechselstrom, Impedanz und transiente Charakteristika wie auch Standardcharakteristika einer Batterie, z.B. Konstantspannung oder Konstantstrom-Ladungs/Entladungscharakteristika durchgeführt werden.
Das Steuermittel 10 besteht beispielsweise aus einem Computersystem oder einer Hardware, die zum Ermitteln von Parametern der Ladungsspeichervorrichtung 20 und zum Simulieren verschiedener Betriebscharakteristika der eine Ladungsspeichervorrichtung beinhaltenden elektronischen Schaltung durch Verwenden der Parameter in der Lage ist.
5 ist ein Signalflussdiagramm, das ein Verfahren zum Erhalten von Parametern der Ladungsspeichervorrichtung 20 mit dem Steuermittel 10 zeigt, das aus einem Computersystem besteht.
Wie in 5 illustriert, macht, wenn der Strom EIN ist, die Hardware eine Diagnose ihrer selbst und wird im Schritt S10 initialisiert. Im Schritt S12 werden Steuervariablen eingegeben.
Die einzugebenden Steuervariablen beinhalten Abtastrate, Messmodus, Spannung, Strom, Speichergröße, Verstärkung und dergleichen.
Ein Messmodus wird im Schritt S14 aktiviert.
Falls im Schritt S14 die Spannung/Strommessung ausgewählt wird, wird eine der Spannung/Strommessung entsprechende Kontrollvariable aus den Eingangskontrollvariablen gesetzt (S16) und es wird die Spannung/der Strom ausgegeben, um die Ladungsspeichervorrichtung 20 zu laden (S18). Die Spannung/der Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20 werden im Schritt S22 eingegeben und gespeichert.
Es wird im Schritt S24 entschieden, ob die Messung abgeschlossen ist oder nicht. Falls die Entscheidung anzeigt, dass die Messung nicht abgeschlossen ist, geht der Prozessfluss zurück zum Schritt S14, in welchem der Messmodus ausgewählt und aktiviert wird.
Falls im Schritt S14 eine Frequenzabtastung ausgewählt wird, wird eine der Frequenzabtastung entsprechende Steuervariable gesetzt (S26) und es wird ein Signal einer Frequenz aus einer Mehrzahl von vorgegebenen Frequenzen ausgegeben, um die Ladungsspeichervorrichtung 20 zu laden (S28). Im Schritt S30 werden dann die Spannung und der Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20 eingegeben.
Es wird im Schritt S32 eine Amplituden/Phasenverschiebung oder ein Fourier-Transformationsverfahren verwendet, um den Wert der Eingangsspannung/des Stroms zu berechnen, und im Schritt S34 wird die Impedanz Z(f) aus dem berechneten Spannungs/Stromwert bestimmt.
Im Schritt S36 wird eine Ladungsspeichervorrichtung abhängig davon gemacht, ob die Messung der vorgegebenen gesamten Frequenzen abgeschlossen ist oder nicht. Falls die Entscheidung anzeigt, dass die Messung nicht abgeschlossen ist, kehrt der Prozessfluss zu Schritt S28 zurück, in dem ein Signal der nächsten vorgegebenen Frequenz ausgegeben wird und die Prozeduren zur Messung der Spannung/des Stroms und dann zum Durchführen einer Berechnung der Impedanz Z(f) wiederholt werden.
Wenn die im Schritt S36 getroffene Entscheidung anzeigt, dass die Messung der vorgegebenen gesamten Frequenzen abgeschlossen worden ist, wird die bestimmte Impedanz Z(f) im Schritt S38 gespeichert.
Falls im Schritt S14 die Fourier-Transformation ausgewählt wird, wird eine der Fourier-Transformation entsprechende Steuervariable gesetzt (S40) und ein Störsignal von mehreren ausgewählten Frequenzen ausgegeben, um die Ladungsspeichervorrichtung 20 zu stören (S42). Die Spannung und der Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20 werden in Schritt S44 eingegeben.
Im Schritt S46 wird eine Fourier-Transformation durchgeführt, um V(t) und I(t) zu berechnen. Das Leistungsspektrum von V(t) und I (t) wird dann bestimmt (S48) und eine Impedanz Z (f) berechnet (S50) und gespeichert (S52).
Falls im Schritt S14 eine Laplace-Transformation ausgewählt wird, werden eine der Laplace-Transformation entsprechende Steuervariable gesetzt (S54) und Strom und Spannungsdaten in einer spezifizierten Form ausgegeben, um die Ladungsspeichervorrichtung 20 zu laden (S57). Die Spannung und der Strom der Ladungsspeichervorrichtung 20 werden im Schritt S58 eingegeben.
Im Schritt S60 wird eine lineare Regression durchgeführt, um V(t) und I(t) zu berechnen. Nach Bestimmung der Impedanz Z(f) im Schritt S62 wird die Fehlerfunktion der Impedanz Z(f) berechnet (S64) und gespeichert (S66).
Wenn die Parameter durch Frequenzabtastung, Fourier-Transformation und/oder Laplace-Transformationsverfahren gemessen werden nach Messung von Spannung/Strom, wird die Parameterisierung durchgeführt (S68) und als Ergebnis als eine Datei oder Grafik ausgedruckt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung für ein Batterieparameterisierungssystem werden nunmehr unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.
Ausführungsform 1
Eine Vorrichtung für sukzessives Messen von konstanter Stromentladung einer Batterie und eines Impedanzspektrums durch ein Fourier-Transformationsverfahren in einer wiederholbaren Weise wird wie folgt entworfen.
Die Vorrichtung ist entworfen, um eine repetitive Prozedur zum Anlegen eines vorgegebenen Stroms (beispielsweise C/10) an eine Batterie durch Verwendung eines Galvanostaten über einen vorgegebenen Zeitraum, Auslesen des an Anschlüssen der Batterie gemessenen Spannungswertes und Messen des Impedanzspektrums der Batterie in diesem Zustand unter Verwendung eines Fourier-Transformations-Impedanzspektrometers durchzuführen.
Das Impedanzspektrometer ist in einer Weise konstruiert, um ein Eingangsstromsignal mit überlappenden Sinuswellen von Frequenzen, die ein Vielfaches der Minimalfrequenz sind, über einen 16 Bit-Digital-Analog-Wandler und einen Galvanostaten an die Batterie anzulegen, den gemessenen Digitalstrom und Spannungssignale an einen Computer mit einem Zweikanal-16 Bit-Analog-Wandler zu übertragen und eine Berechnung der komplexen Impedanz unter Verwendung eines digitalen diskreten Fourier-Transformationsalgorithmus durchzuführen.
Im Impedanzspektrum und der Spannungskurve, die durch eine vorgegebene Anzahl (beispielsweise zehn) der seriellen Experimente, wie oben beschrieben, erhalten werden und Parameter des statischen Modells (1) für jedes Spektrum erhalten werden, wird das System der nicht-linearen normalen Differentialgleichung, die dem dynamischen Schaltungsmodell, das in 3 gezeigt ist, entspricht, gelöst, um die Leistung einer Batterie unter verschiedenen Lastbedingungen zu simulieren.
In diesem Stadium ist in 3 N_d = 8 und N_t = 4. Der übliche steife Livermore-Differentialgleichungslöser wird verwendet, um das System von üblichen Differentialgleichungen zu lösen.
Die Berechnung dauert etwa 10 min unter Verwendung eines PCs mit Pentium Prozessor.
Das beschriebene Verfahren wird auf alle vier Sekundärbatterien angewendet, wobei drei Arten von Lithiumionenbatterien die regulierte Kapazität von 1300 mAh (hergestellt von Sony, Sanyo Electric Co., Matsushita Electric Co.) und eine Art von Nickelwasserstoffakkumulator die regulierte Kapazität von 1300 mAh (hergestellt von Hitachi) haben, wobei das Fourier-Transformations-Impedanzspektrometer wie in Ausführungsform 1 beschrieben, verwendet wird, um 10 Impedanzspektren zu erhalten, die in jedem um 130 mAh gesenkten Ladungszustand gemessen werden, bis die Batterien vollständig entladen sind.
Mit der Spannungskurve und den Impedanzspektren in jedem Ladungszustand wird die Differenzierung und die. komplexe nicht-lineare kleinste Quadrateanpassung wie in Ausführungsform 1 beschrieben durchgeführt, um die Parameter für die entsprechenden Ladungszustände zu berechnen.
Tabelle 1 zeigt den Satz von Parametern für jede Batterie im vollen Ladungszustand.
Tabelle 1
Ausführungsform 2
Die Entladungskurve jeder Batterie wird bei Entladungsraten von 10 h, 5 h, 2 h und 1 h mit den Charakteristikfaktoren von vier Batterien, die in Ausführungsform 1 berechnet wurden, und dem in 3 gezeigten Batterieschaltungsmodell durch die vorgeschriebene numerische Simulation erhalten.
Ein, jeder Entladungsrate entsprechender, Konstantstrom wird an jede Batterie angelegt und es wird die Spannung in diesem Moment ausgelesen und ausgegeben, um somit die Entladungscharakteristika der Batterie bei jeder Entladungsrate experimentell zu erhalten. So erhaltene Entladungscharakteristika werden mit den Simulationsergebnissen verglichen, wie in den 6A bis 6D gezeigt.
Wie in den 6A bis 6D gezeigt, sind die Simulationsergebnisse in allen Fällen konsistent mit denjenigen des Experiments.
Ausführungsform 3
Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt daran, dass die transienten Entladungscharakteristika einer Batterie unter Anlegung von Strompulsen vorhergesagt werden können.
Ein Entladungsstrom wird an eine vollgeladene Lithiumionenbatterie mit einer regulierten Kapazität von 1300 mAh (hergestellt von Sony) bei einer Entladungsrate von 2 Stunden angelegt und in einer offenen Schaltung für 900 s platziert, um die Spannung wieder herzustellen.
Ladungs- und Entladungspulsströme mit einer Dauer von 400 s werden an die Batterie bei einer Entladungsrate von 10 h wieder angelegt.
Mit dem virtuellem Anlegen des oben spezifizierten Stroms an das Batteriezellmodell der Sony Lithiumionenbatterie, das in Ausführungsform 1 erhalten ist, wird das System üblicher Differentialgleichungen durch eine numerische Analyse für die Spannungsänderung gelöst.
Während der Messung werden Spannung und Strom ausgelesen und mit den Simulationsergebnissen verglichen, was in 7 gezeigt wird.
Wie in 7 gezeigt, entsprechen die experimentellen Ergebnisse exakt den vorhergesagten.
Ausführungsform 4
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die Spannungsänderung und verschiedene elektrische Charakteristika einer elektrischen Last vorherzusagen, wenn eine Batterie mit irgendeiner elektrischen Last verbunden ist.
Es wird ein Gleichstromsmotor mit einer vollgeladenen Lithiumionenbatterie mit einer regulierten Kapazität von 1300 mAh (hergestellt von Sony) verbunden und es werden Rotationsgeschwindigkeit und Betriebsspannung des Motors gemessen.
Um die Rotationsgeschwindigkeit des Motors zu messen, wird das vordere Ende des Gleichstrommotors mit einem optischen Zerhacker verbunden und die Frequenz eines Lichtsignals wird gemessen.
Die internen Parameter des im Experiment verwendeten Gleichstrommotors werden durch Etablieren einer aus einem Kondensator und einer Spule bestehender Äquivalenzschaltung, wie in 8 illustriert, und durch Messen der Impedanzcharakteristik bestimmt.
Die Spannungsänderung wird als Funktion der Zeit aus dem Batterieschaltungsmodell der in Ausführungsform 1 erhaltenen Sony-Batterie und der Äquivalenzschaltung des Gleichstrommotors simuliert. Die Rotationsgeschwindigkeit des Motors wird aus der Spannungsänderung vorhergesagt und mit den Experimentalwerten verglichen, was in den 9A und 9B gezeigt wird.
Wie in 9A und 9B gezeigt, passen die experimentellen Ergebnisse exakt zu dem Vorhergesagten.
Ausführungsform 5
Unter Verwendung eines Batterieschaltungsmodells einer Einzelbatterie werden die Entladungscharakteristika eines aus einer Mehrzahl von parallelen oder seriellen Batterien bestehenden Batteriepacks vorhergesagt und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen.
Vier Lithiumionenbatterien mit derselben Nominalkapazität von 1300 mAh (hergestellt von Matsushita) werden verwendet. Die Lithiumionenbatterien werden in zwei Gruppen unterteilt, wobei jede Gruppe zwei Lithiumionenbatterien enthält, die miteinander verbunden sind. Die zwei Gruppen werden parallel zueinander geschaltet, um ein Batteriepack zu bilden. Während das Batteriepack einer Entladung bei einer Entladungsrate von 10 h unterworfen wird, wird die Spannung gemessen.
Andererseits wird die Entladungsspannung des Batteriepacks, basierend auf dem in Ausführungsform 1 erhaltenen Schaltungsmodell der Matsushita-Lithiumionenbatterie simuliert. Die vorhergesagten Werte sind in 10 gezeigt.
Wie in 10 gezeigt, entsprechen die Simulationsergebnisse exakt denen des Experiments. Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen spezifizierter Fälle und Verfahren für den Zweck detaillierter Beschreibung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese bevorzugten Ausführungsformen beschränkt und beinhaltet innerhalb des Schutzumfangs der anhängenden Ansprüche alle äquivalenten Verfahren.
Beispielsweise kann ein anderes Messverfahren anstelle des vorbeschriebenen Fourier- oder Laplace-Transformationsverfahrens beim Messen des Impedanzspektrums angewendet werden, eine unabhängige Messung kann durchgeführt werden, um eine Entladungskurve durch experimentelle Mittel zu erhalten. Es ist auch möglich, Parameter durch direkte Anpassung des Zeitdomänenreaktionssignals von Spannung und Strom, die im Experiment zu messen sind, bezüglich Impedanz zum Bestimmen der Parameter an einen anderen Algorithmus zu bestimmen.
Eine andere Art von Ladungsspannungsvorrichtung, wie eine Primärzelle oder ein Kondensator, können basierend auf demselben Schaltungsmodell analysiert werden.
Verschiedene andere Verfahren zur numerischen Analyse können im Prozess des Erhaltens der numerischen Lösung für die Betriebscharakteristika einer Batterieäquivalenzschaltung adaptiert werden. Insbesondere kann in dem das Übertragungsleitungsmodell verwendenden Prozess das System der Differentialgleichung direkt gelöst werden oder es kann ein anderes numerisches Verfahren, welches das Übertragungsleitungsmodell beschreibt, an Stelle der Verwendung eines leiterartigen Vier-Anschlussnetzwerks eingeführt werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Verwendung des numerischen Modells einer Batterie, das in der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen worden ist, ermöglicht eine präzise Diagnose einer spezifischen Batterie und kann für den Zweck der Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Batterien oder Prüfung von Batteriebedingungen in Anwendungsvorrichtungen verwendet werden.
Weiterhin kann beim numerischen Modell der vorliegenden Erfindung für eine Batterie eine Simulation der Spannungsreaktionscharakteristika der Batterie bezüglich einer elektrischen Last, wie etwa Gleichstrom, Wechselstrom, Puls oder Impedanz durchgeführt werden. Eine Kombination des numerischen Modells mit einem üblichen elektrischen Schaltungs-Digitalsimulator wie SPICE ermöglicht eine Simulation der Betriebsleistung der elektrischen Schaltung.
Das verwendete elektrische Schaltungssimulationsverfahren, basierend auf einem numerischen Modell einer Batterie, gemäß der vorliegenden Erfindung ist auf das Design verschiedener elektrischer/elektronischer Vorrichtungen anwendbar, die Batterien verwenden, wie etwa Computervorrichtungen, Kommunikationsvorrichtungen, elektrische Werkzeuge zum Antreiben eines Motors mit Batterien, elektrische Fahrzeuge, und für diese Vorrichtungen geeignete Batterien.

Claims

Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Parameter einer Ladungsspeichervorrichtung, basierend auf einem breiten Frequenzbereich von Impedanzmessung und einem nicht linearen Äquivalenzschaltungsmodell, welches die Parameter der Ladungsspeichervorrichtung, wie etwa einer Primärbatterie, einer Sekundärbatterie, eines Kondensators, eines Superkondensators und einer Brennstoffzelle erhalten soll, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Messen von Spannungs- und Stromeigenschaften beim Prozess des Ladens/Entladens der Ladungsspeichervorrichtung durch Anlegen von Spannung/Strom bei einer vorgegebenen Entladungsrate (S28, S30; S42; S57); (b) Messen von Impedanzspektren bei einem vorgegebenen Frequenzbereich durch Messen von Strom und Spannung von beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung oder von einer elektrischen Last, die direkt mit der Ladungsspeichervorrichtung verbunden ist, bei einer Mehrzahl von Zuständen innerhalb des gesamten Ladungs/Entladungsintervalls (S34; S46, S48, S50; S60, S62, S64); und (c) Erhalten der Parameter der nicht-linearen Äquivalenzschaltung der Ladungspeichervorrichtung aus den Ladungs- oder Entladungseigenschaften, die in Schritt (a) gemessen wurden, und dem charakteristischen Impedanzspektrum im vorgegebenen Frequenzbereich, das in Schritt (b) gemessen worden ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (a) des Messens der Spannungs- und Stromeigenschaften das Messen von Spannung an beiden Anschlüssen der Spannungsspeichervorrichtung (S20) umfasst, wenn ein Eingangsstrom mit einer vorgegebenen Entladungsrate an die Speichervorrichtung angelegt wird (S18), Berechnen einer sofortigen Änderung der Entladungsspannung und Speichern der Daten bei jedem Ladungszustand.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei in Schritt (a) der Eingangsstrom mit der vorgegebenen Entladungsrate hinreichend niedrig ist, um einen Gleichgewichtszustand für das sofortige Ändern (dE/dq) der Spannung (E) in Bezug auf eine Entladungskapazität (q) zu halten, wenn sie an der Ladungsspeichervorrichtung angelegt wird, wobei der Eingangsstrom in mA minus einem Wert ausgedrückt wird, der durch Teilen einer in mAh ausgedrückten Nominalkapazität durch eine oder mehr Stunden erhalten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in Schritt (b) das charakteristische Impedanzspektrum durch eine Frequenzscan-Verfahren gemessen wird, bei dem eine Reihe von Sinuswellen mit ausgewählten Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich an der Ladungsspeichervorrichtung als ein Eingangssignal (S28, S30) angelegt werden und Strom und Spannungssignale, die an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung gemessen werden, analysiert werden (S34).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in Schritt (b) das charakteristische Impedanzspektrum durch ein Fourier-Transformationsverfahren gemessen wird, bei dem ein Eingangsstrom oder eine Spannung, die zusammengesetzt sind durch Überlagern von mehreren Wellen bei ausgewählten, nicht überlappenden Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich, an beide Anschlüsse der Ladungsspeichervorrichtung angelegt wird (S42) und der so erhaltener Strom und die erhaltene Spannung Fouriertransformiert werden, um das charakteristische Impedanzspektrum zu erhalten (S46, S48, S50).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in Schritt (b) das charakteristische Impedanzspektrum durch ein Laplace-Transformationsverfahren gemessen wird, bei dem, durch Anlegen eines Strom oder einer Spannung mit einer spezifizierten Wellenform in einem vorgegebenen Frequenzbereich an beide Anschlüsse der Ladungsspeichervorrichtung, (S57) oder durch Verbinden einer elektrischen Last an der Ladungsspeichervorrichtung gemessene Spannung und Strom durch eine numerische Analyse Laplace-transformiert wird, um das Impedanzspektrum zu erhalten (S60, S62, S64).
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei in Schritt (b) das charakteristische Impedanzspektrum durch zumindest zwei Verfahren gemessen wird, die ausgewählt sind aus einem Frequenzscanverfahren, bei dem eine Reihe von Sinuswellen mit ausgewählten Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich an der Ladungsspeichervorrichtung als ein Eingangssignal angelegt werden (S28, S30) und an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung gemessene Strom- und Spannungssignale analysiert werden (S34), einem Fourier-Transformationsverfahren, bei dem ein Eingangsstrom oder eine Spannung, die durch Überlagern von mehreren Wellen bei ausgewählten nicht-überlappenden Frequenzen zusammengesetzt sind, an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung angelegt werden (S42) und so erhaltener Strom und Spannung Fourier-transformiert werden (S46), und einem Laplace-Transformationsverfahren, bei dem durch Anlegen eines Stroms oder einer Spannung mit einer spezifizierten Wellenform in einem vorgegebenen Frequenzbereich an beide Anschlüsse der Ladungsspannungsvorrichtung (S57) oder durch Verbinden einer elektrischen Last an der Ladungsspeichervorrichtung gemessenen Spannung und gemessenen Strom durch eine numerische Analyse Laplace-transformiert wird (S60, S62, S64).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 und 4 bis 7, wobei der vorgegebene Frequenzbereich so ausgewählt ist, dass das Verhältnis der Maximalfrequenz zur Minimalfrequenz größer als 100 ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die nicht-lineare Äquivalenzschaltung der Ladungsspeichervorrichtung in Schritt (c) zumindest zwei Elemente beinhaltet, die ausgewählt sind aus einem Widerstand, einem Kondensator, einem Induktor, einer Übertragungsleitung oder einer finiten Zahl von leiterartigen Zweipolen anstelle der Übertragungsleitungen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die nicht-lineare Äquivalenzschaltung der Ladungsspeichervorrichtung in Schritt (c) zumindest zwei Elemente beinhaltet, die ausgewählt sind aus einer Konstantstromquelle, einer Konstantspannungsquelle, einem nicht-linearem Widerstand, einem nicht-linearem Kondensator, einem nicht-linearem Induktor, einer nicht-linearen Übertragungsleitung oder einer finiten Anzahl vom leiterartigen nicht-linearen Zweipolen anstelle der Übertragungsleitungen.
Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei die leiterartigen Zweipole eine vorgegebene Anzahl von Zweipol-Schaltungen im Bereich von 20 μs bis 2.000 s an Zeitkonstante parallel verbunden aufweisen. 12, Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Parameter in Schritt (c) Komponenten sind, welche die nicht-lineare Äquivalenzschaltung der Ladungsspeichervorrichtung bilden und zumindest zwei Elemente beinhalten, die ausgewählt sind aus einem Reihenwiderstand, einem makroskopisch geteiltem Widerstand, einem Ladungsübertragungswiderstand, einem Doppelschichtkondensator, einem Ladungsspeicherkondensator, einem Pseudokondensator, einem Diffusionskoeffizient, einer offener Schaltungsspannung und einer plötzlichen Spannungsänderungsrate.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 12, wobei die Parameter in Schritt (c) bestimmt werden aus einem komplexen Impedanzspektrum durch eine nicht-lineare Passung kleinster Quadrate.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 12, wobei die Parameter in Schritt (c) aus einer Steigung von Spannungseigenschaften gegenüber der Entladungskapazität bestimmt werden.
Verfahren zum Bestimmen charakteristischer Parameter einer Ladungsspannungsvorrichtung, basierend auf einem breiten Frequenzbereich von Impedanzmessung und einem nicht-linearen Äquivalenzschaltungsmodell, welches die Parameter der Ladungsspeichervorrichtung, wie etwa einer Primärbatterie, einer Sekundärbatterie, einem Kondensator, einem Superkondensator und einer Brennstoffzelle in einem gewissen Ladungszustand erhalten soll, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Messen eines Impedanzspektrums in einem vorgegebenen Frequenzbereich aus Spannung und Strom, die an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung im entsprechenden Ladungszustand angelegt sind (S34; S46, S48, S50; S60, S62, S64); und (b) Bestimmen von Parametern der nicht-linearen Äquivalenzschaltung der Ladungsspeichervorrichtung in einem entsprechenden Ladungszustand aus dem gemessenen Impedanzspektrum in einem vorgegebenen Frequenzbereich.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei in Schritt (a) das Impedanzspektrum durch eine Frequenzscan-Verfahren gemessen wird, bei dem eine Reihe von Sinuswellen mit ausgewählten Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich an der Ladungsspeichervorrichtung als ein Eingangssignal (S28, S30) angelegt werden und Strom und Spannungssignale, die an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung gemessen werden, analysiert werden (S34).
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei in Schritt (a) das Impedanzspektrum durch ein Fourier-Transformationsverfahren gemessen wird, bei dem ein Eingangsstrom oder eine Spannung, die zusammengesetzt sind durch Überlagern von mehreren Wellen bei ausgewählten, nicht überlappenden Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich, an beide Anschlüsse der Ladungsspeichervorrichtung angelegt wird (S42) und der so erhaltener Strom und die erhaltene Spannung Fouriertransformiert werden, um das charakteristische Impedanzspektrum zu erhalten (S46, S48, S50).
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei in Schritt (a) das Impedanzspektrum durch ein Laplace- Transformationsverfahren gemessen wird, bei dem, durch Anlegen eines Strom oder einer Spannung mit einer spezifizierten Wellenform in einem vorgegebenen Frequenzbereich an beide Anschlüsse der Ladungsspeichervorrichtung, (S57) oder durch Verbinden einer elektrischen Last an der Ladungsspeichervorrichtung gemessene Spannung und Strom durch eine numerische Analyse Laplace-transformiert wird, um das Impedanzspektrum zu erhalten (560, 562, S64).
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei in Schritt (a) das Impedanzspektrum durch zumindest zwei Verfahren gemessen wird, die ausgewählt sind aus einem Frequenzscanverfahren, bei dem eine Reihe von Sinuswellen mit ausgewählten Frequenzen in einem vorgegebenen Frequenzbereich an der Ladungsspeichervorrichtung als ein Eingangssignal angelegt werden (S28, S30) und an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung gemessene Strom- und Spannungssignale analysiert werden (S34), einem Fourier-Transformationsverfahren, bei dem ein Eingangsstrom oder eine Spannung, die durch Überlagern von mehreren Wellen bei ausgewählten nicht-überlappenden Frequenzen zusammengesetzt sind, an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung angelegt werden (S42) und so erhaltener Strom und Spannung Fourier-transformiert werden (S46), und einem Laplace-Transformationsverfahren, bei dem durch Anlegen eines Stroms oder einer Spannung mit einer spezifizierten Wellenform in einem vorgegebenen Frequenzbereich an beide Anschlüsse der Ladungsspannungsvorrichtung (S57) oder durch Verbinden einer elektrischen Last an der Ladungsspeichervorrichtung gemessenen Spannung und gemessenen Strom durch eine numerische Analyse Laplacetransformiert wird (S60, S62, S64).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 und 16 bis 19, wobei der vorgegebene Frequenzbereich so ausgewählt ist, dass das Verhältnis der Maximalfrequenz zur Minimalfrequenz größer als 100 ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die nicht-lineare Äquivalenzschaltung der Ladungsspeichervorrichtung in Schritt (b) zumindest zwei Elemente beinhaltet, die ausgewählt sind aus einem Widerstand, einem Kondensator, einem Induktor, einer Übertragungsleitung oder einer finiten Zahl von leiterartigen Zweipolen anstelle der Übertragungsleitungen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die nicht-lineare Äquivalenzschaltung der Ladungsspeichervorrichtung in Schritt (b) zumindest zwei Elemente beinhaltet, die ausgewählt sind aus einer Konstantstromquelle, einer Konstantspannungsquelle, einem nicht-linearem Widerstand, einem nicht-linearem Kondensator, einem nicht-linearem Induktor, einer nicht-linearen Übertragungsleitung oder einer finiten Anzahl vom leiterartigen nicht-linearen Zweipolen anstelle der Übertragungsleitungen.
Verfahren gemäß Anspruch 21 oder 22, wobei die leiterartigen Zweipole eine vorgegebene Anzahl von Zweipol-Schaltungen im Bereich von 20 μs bis 2.000 s an Zeitkonstante parallel verbunden aufweisen.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Parameter in Schritt (b) Komponenten sind, welche die nicht-lineare Äquivalenzschaltung der Ladungsspeichervorrichtung bilden und zumindest zwei Elemente beinhalten, die ausgewählt sind aus einem Reihenwiderstand, einem makroskopisch geteiltem Widerstand, einem Ladungsübertragungswiderstand, einem Doppelschichtkondensator, einem Ladungsspeicherkondensator, einem Pseudokondensator, einem Diffusionskoeffizient, einer offener Schaltungsspannung und einer plötzlichen Spannungsänderungsrate.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 24, wobei die Parameter in Schritt (b) bestimmt werden aus einem komplexen Impedanzspektrum durch eine nicht-lineare Passung kleinster Quadrate.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 24, wobei die Parameter in Schritt (b) aus einer Steigung von Spannungseigenschaften gegenüber der Entladungskapazität bestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Parameter der nicht-linearen Äquivalenzschaltung der Ladungsspeichervorrichtung erhalten werden und eine offene Schaltungsspannung der Ladungsspeichervorrichtung in einem vorgegebenen Ladungszustand auch zur selben Zeit gemessen wird.
Vorrichtung zur Bestimmung von Parametern einer Ladungsspeichervorrichtung (20), basierend auf einem breiten Frequenzspektrum von Impedanzmessung und einem nicht-linearen Äquivalenzschaltungsmodell, umfassend: einen Digital-Analog-Wandler (30) zum Umwandeln von vorgegebenen Spannungs- und Stromdatenausgaben von Steuermitteln (10) zu einem Analogsignal; einen Potentiostaten und/oder Galvanostaten (50) zum Anlegen des Ausgangssignals des Digital-Analog-Wandlers (30) an die Ladungsspeichervorrichtung (20) und zum Zuführen einer/eines sich ergebenden Ausgangsspannung und -Stroms der Ladungsspeichervorrichtung (20), einen Analog-Digital-Wandler (80) zum Umwandeln einer Spannung, basierend auf der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom der Ladungsspeichervorrichtung (20) -Ausgabe vom Potentiostaten und/oder Galvanostaten und Zuführen derselben an die Steuermittel (10); Steuermittel (10), die dafür eingerichtet sind: ein Impedanzspektrum in einem vorgegebenen Frequenzbereich aus der Spannung und dem Strom der Ladungsspeichervorrichtung zu messen; und Parameter der nicht-linearen Äquivalenzschaltung der Ladungsspeichervorrichtung (20) aus dem gemessenen Impedanzspektrum im vorgegebenen Frequenzbereich zu bestimmen; und einen Schaltungssimulator (90) zum Simulieren verschiedener Betriebseigenschaften einer Ladungsspeichervorrichtung (20), basierend auf den von den Steuermitteln (10) für eine vorgegebene Äquivalenzschaltung, die eine Ladungsspeichervorrichtung (20) beinhaltet, erhaltenen Parametern.
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei das Steuermittel (10) umfasst: eine E/A-Schnittstelleneinheit (11) zum Herstellen einer Schnittstelle zwischen Kondensator (20) und vorgegebenen Daten; eine Zentraleinheit (13) zum Steuern eines Betriebs zum Messen von Spannung, Strom und Impedanzspektren der Ladungsspeichervorrichtung (20); Mittel zum Messen der Spannungs-/Stromeigenschaft (15) der Ladungsspeichervorrichtung (20) unter der Steuerung der Zentraleinheit (13); Mittel zum Messen der Impedanzspektren (17) der Ladungsspeichervorrichtung (20) unter der Steuerung der Zentraleinheit (13); und Mittel zum Bestimmen der nicht-linearen Parameter (19) durch Differenzieren der gemessenen Werte aus den Spannungs-/Strommessmitteln und den Impedanzspektren als eine Funktion von Ladungskapazität, und Durchführen einer nicht-linearen Passung kleinster Quadrate aus den differenzierten Werten.
Vorrichtung gemäß Anspruch 29, wobei das Impedanzspektrummessmittel (17) die Impedanzspektren durch Detektieren von Spannung und Strom der Ladungsspeichervorrichtung (20) misst, während es Digitaldaten der Spannung und des Stroms, basierend auf einer Mehrzahl von vorgegebenen Frequenzen, sequenziell ausgibt, und Durchführen einer Berechnung der detektierten Spannung und des Stroms der Ladungsspeichervorrichtung (20).
Vorrichtung gemäß Anspruch 30, wobei die detektierte Spannung und der detektierte Strom der Speichervorrichtung (20) durch Amplituden/Phasenverschiebung oder ein Fourier-Transformationsverfahren berechnet werden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 29, wobei das Impedanzspektrummessmittel (17) die Impedanzspektren durch Messung von Spannung und Strom, während es überlagerte Mehrfachwellensignale, die bei vorgegebenen nicht-überlappenden Frequenzen ausgewählt sind, an die Ladungsspeichervorrichtung (20) anlegt, Durchführen der Fourier-Transformation von gemessener Spannung und Strom und Durchführen einer Berechnung auf einem Leistungsspektrum, misst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 29, wobei das Impedanzspektrum-Messmittel (17) die Impedanzspektren durch Messen von Spannung und Strom misst, während es Spannungs- und Stromdaten mit einer spezifizierten Wellenform ausgibt und sie an die Ladungsspeichervorrichtung (20) anlegt, eine lineare Regression der gemessenen Spannung und des Stroms durchführt, um die Impedanzspektren zu berechnen und eine Berechnung einer Fehlerfunktion der Impedanz durchführt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, weiterhin umfassend einen getrennten Strom/Spannungsgenerator zum Erzeugen von Spannung/Strom, basierend auf der Digitaldatenausgabe von Steuermitteln (10) und Anlegen derselben an die Ladungsspeichervorrichtung (20).
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, wobei der Galvanostat (50) umfasst: einen Inversionsverstärker (51) zum Inversionsverstärken des Ausgangssignals des Digital-Analog-Wandlers (30) und Anlegen desselben an den (-)-Anschluss der Ladungsspeichervorrichtung (20); einen Puffer (53, 55) zum Ausgaben von Spannungen an beiden Anschlüssen der Ladungsspeichervorrichtung (20); und einen Stromdetektorwiderstand (57), der in Reihe mit der Ladungsspeichervorrichtung (20) geschaltet ist, um den Strom der Ladungsspeichervorrichtung (20) zu detektieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 28, weiterhin umfassend erste und zweite Filter/Verstärker (60, 70) zwischen dem Galvanostaten (50) und dem Analog-Digital-Wandler (80) zum Ausfiltern der Spannung und des Stroms der Ladungsspeichervorrichtung (20), die vom Galvanostaten (50) detektiert werden, um Rauschen zu entfernen, und zum Verstärken der Spannung und des Stroms.