CN111164436A - 用于确定导电器件的阻抗的方法、设备和计算机程序 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定导电器件(11)诸如电池或焊接的金属接合部的阻抗的方法，该方法包括以下步骤：‑向导电器件(11)施加时变电流(301)，其中，电流(301)至少在第一水平(31、311)至第二水平(33、331)之间改变，其中，电流(301)在时间间隔(302)内在第一水平(31、311)至第二水平(33、331)之间变化，其中，所述时间间隔(302)较短以使得导电器件(11)的电压响应(39)表现出被衰减(364)紧随的第一局部电压极值(36、361)，其中，当第一局部电压极值(36、361)已经衰减时，电压响应(39)采用欧姆电阻电压(342)；‑至少部分地获取电压响应(39)，根据所获取的电压响应(39)确定导电器件(11)的阻抗。

Description

用于确定导电器件的阻抗的方法、设备和计算机程序

说明书

本发明涉及根据权利要求1所述的用于确定导电器件的阻抗的方法，根据权利要求14所述的计算机程序，以及根据权利要求15所述的用于执行上述方法的设备。

从研究到重复利用，都需要反复分析电池的阻抗，以检查功能、功率容量、安全状态和剩余值。然而，不仅对于电池需要精确确定阻抗，而且对于许多其他技术部件和子部件诸如焊接的连接部，都需要精确确定阻抗。已知用于确定导电器件阻抗的四种方法：

直流(DC)电阻法

在执行该方法时，将恒定电流施加到被测导电器件的端子，并测量端子处对应的电压响应。在施加恒定电流后，在限定的时间通常十秒处确定期望的DC电阻。端子电压从该端子电压的初始值到限定的时刻处的值的变化除以所施加的电流，以计算出DC电阻。

使用该方法分析电池时，仍不清楚如何解读直流电阻值以及该值包含什么信息。此外，直流电阻法取决于许多因素，因此该直流电阻法再现性很差。

电流脉冲方法

该方法的原理类似于用于确定直流电阻的规程。区别在于，电流脉冲方法不仅使用一个时刻而且使用整个恒定电流相位和对应的端子电压响应来分析导电器件的阻抗。通常拟合等效电路(EEC)模型以获得更详细的阻抗值。

尽管可以取得关于阻抗的更详细的信息，但是结果在数学上并不是唯一的，并且DC方法固有的问题对于电流脉冲方法也存在。此外，电流脉冲方法和直流电阻的测量这两种方法都没有考虑快速动态阻抗诸如电感，原因在于现有技术的设备的采样率太低。

电阻抗波谱(EIS)

该方法在频域中有效。因此，通常为正弦电流的交流信号被感应到导电器件，并且该器件以通常为端子电压的交流端子信号响应。针对每个所施加的频率计算复阻抗，并且可以用奈奎斯特或波特图描绘该结果。

整个测量至少进行若干秒钟，并且仅在导电器件类似于线性时不变(LTI)系统运转时才起作用。结果的解读尚未明确限定，并且主要取决于操作员的技能。

交流(AC)电阻：

原则上，交流电阻方法是在一个单频通常为1kHz进行的EIS。AC电阻值只是断定的复阻抗的实部。

信息价值非常低，因为解读仍然未限定，并且存在许多从属性。然而，与EIS相比，AC方法与以上呈现的其他分析方法相比，易于操作且较快速。

用于确定导电器件的阻抗的大多数方法根据以上列出的原理操作。例如，EP1634088 A2、EP 1068540 A1和EP 1548452 A1公开了通过使用电流脉冲序列并分析电池的电压响应以用于测量电池容量的方法。

尽管在EP 1634088 A2中观察到电压响应中的感应过冲(overshoot，过度上冲、过调量、超调量)，但是没有一种方法控制和使用所述感应过冲来从表征电池的感应参数中区分出并分析欧姆。相反，感应过冲被视为如果可能的话必须将其避免的测量异常值或误差。

根据本发明的问题是提供至少部分地克服上述问题的方法。

该目标通过具有权利要求1的特征的方法来实现。

在从属权利要求中描述了有利的实施方式。

根据权利要求1所述的用于确定导电器件诸如电池或焊接的金属接合部的阻抗的方法包括以下步骤：

-特别地将导电器件的端子与特别地可控的电流源电连接，

-施加通过导电器件的电端子时变电流，其中，电流至少在第一水平至第二水平之间改变，其中，电流在一时间间隔内在第一水平至第二水平之间变化，

-其中，所述时间间隔较短以使得在端子处对导电器件的所施加的电流变化的电压响应表现出第一局部电压极值诸如峰值，特别地在所施加的电流到达第二水平的时间点处表现出第一局部电压极值，特别地由于感应过冲引起该第一局部电压极值，在该第一局部电压极值之后跟随有衰减，其中，当第一局部电压极值已经衰减时，电压响应采用欧姆电阻电压即主要由欧姆电阻引起的电压，特别地其中，欧姆电阻电压在第一局部电压极值之后在0.5毫秒内被采用，更特别地在100微秒内，甚至更特别地在10微秒内，甚至更特别地在5微秒内，特别地在所施加的电流仍处于第二水平的同时被采用，

-至少部分地获取电压响应，特别地至少部分地记录电压响应，该电压响应特别地包括并分辨第一局部电压极值和欧姆电阻电压，

-根据所获取的电压响应和所施加的电流来确定导电器件的阻抗，特别地根据欧姆电阻电压和所施加的电流来确定导电器件的阻抗。

与现有技术相反，根据本发明的方法允许不仅分析导电器件的慢速动态(slowdynamic，慢动态)阻抗，而且还分析快速动态(fast-dynamic，快动态)阻抗，特别地在时域中进行上述分析。特别地，电物理过程有助于这些具有显著的欧姆特性和感应特性的快速动态阻抗。

导电器件特别地包括欧姆电阻，并且特别地表现出电压响应特性，该电压响应特性表现出感应过冲及其在感应过冲峰值之后的衰减。一旦过冲已经衰减，就可以确定欧姆电阻电压，并因此可以根据导电器件确定欧姆电阻。

当电压响应的较慢速动态发生在较长的时间而其他电压响应部件诸如慢的RC或RL部件遮掩了欧姆电阻电压时，这特别有用。

RC部件特别地是包括以并联电路连接的欧姆电阻(R)和电容性部件(C)的电路。

类似地，RL部件特别地是包括以并联电路连接的欧姆电阻(R)和感应部件(L)的电路。

注意到，欧姆电阻电压是主要由导电器件的欧姆电阻引起的电压。但是，由于器件的其他电子部件诸如电感、RC部件或RL部件可能仍然表现出或可能开始表现出对所施加电流的电压响应，因此欧姆电阻电压可能包括来自这样的其他电子部件的一些贡献。欧姆电阻电压特别地由欧姆电阻引起的至少50％构成。

该方法特别地需要确定第一局部电压极值和随后的衰减，以便识别导电器件的阻抗的欧姆电阻电压。

随后的衰减特别地在微秒的数量级，特别地一微秒。特别地，可以将衰减建模为指数式衰减，其中，衰减时间小于一微秒。当电压的感应过冲下降到其初始幅度的25％以下，更特别地10％以下时，第一局部极值特别地被认为是衰减的。

导电器件的端子是例如电池的电极或焊接的金属接合部的两个测量点。

电流源被配置成向导电器件提供必要的电流。因此，电流源能够提供时变电流，该时变电流从第一水平如此快速且如此准确地变化至第二水平，以致可以通过导电器件引起所需的电压响应。

目前为止，感应过冲即第一局部电压极值仍未被使用的一个原因是生成在微秒或者甚至几分之一微秒的高动态范围内被完全控制的电流或电流脉冲的高复杂性。

电流源可以被包括在器件中，或者通过同时监测和记录所施加的电流的器件被控制。

可以与所获取的电压响应一起同步记录所施加的电流。然而，完全不需要测量所施加的电流，因为该所施加的电流是通过被配置成提供从第一水平到第二水平的特别快速和准确的电流变化的器件提供的。因此，所施加电流是通过设计而已知的。

第一水平和第二电流水平在它们的安培数方面不同。第一电流水平和第二电流水平特别地是被施加到导电器件的电流斜波的端点，即，所施加的电流特别地仅在时间间隔内进行变化并且在该时间间隔之前和之后保持恒定。

斜波可以是线性的。

第一水平和第二水平之间的时间间隔特别地短于现有技术中使用的时间间隔，至少在此程度上，用于获取电压响应的时间分辨率优于根据现有技术的时间分辨率。

因此，与现有技术相比，使用了较高的时间分辨率记录电压响应。该特征允许首先分析电压响应的第一局部极值和欧姆电阻电压。当确定导电器件诸如电池的欧姆电阻或阻抗时，电压响应的这些特征被现有技术的方法所忽略。

因为电压响应的动态对于不同的器件可能是不同的，所以特别地，时间间隔和电流水平对于相应的导电器件可调整，或者对于相应的导电器件调整时间间隔和电流水平。

时间间隔和电流水平也可以根据一系列这样的测量确定，其中，使用不同的时间间隔和/或电流水平执行每个测量，直到最终通过根据本发明的方法检测到电压响应的特性特征为止。

第一局部电压极值特别地被成形为峰值，该峰值足够凸出以与测量噪声或电流源的控制器的瞬态振荡(其表现出多个小极值)相区别，从而可以在电压响应中识别该峰值。

电压响应的获取特别地通过包括电压响应的记录以及特别地存储的测量来促进。

为了根据所获取的电压响应和所施加的电流来确定导电器件的阻抗，特别地可以应用不同的方法。一种方法可以是将模型函数拟合到获取的电压响应，而另一方法可以依赖于确定电压响应的某些特征。

导电器件的电压响应是导电器件的表现出的电压，特别地在电流被施加到导电器件期间和之后所表现出的电压。

所施加的电流必须在第一水平至第二水平之间如此迅速地变化，以致特别地由于导电器件的至少一个感应元件而引起的电压响应的过冲是可见的，特别地作为第一局部极值可见。

第一局部极值是最大值还是最小值取决于电压响应的符号。如果电压响应主要包括正电压，则第一局部极值是最大值。否则，第一局部极值是最小值。

根据本发明，通过获取电压响应中的第一局部极值，可以基于第一局部极值的特性峰以及特别地根据欧姆电阻电压来确定感应阻抗和欧姆阻抗。

根据本发明的另一实施方式，在第一局部电压极值之后是第二相反局部电压极值，其也可以是电压坪(plateau，稳定水平、平稳时期、平稳段)，其中，欧姆电阻电压是在第二相反局部电压极值处或电压坪处的电压，特别地其中，第二相反局部电压极值与第一局部极值的被间隔开小于0.5毫秒，特别地小于100微秒，更特别地小于10微秒，特别地小于5微秒。

第二相反局部电压极值特别地是通过下述引起的电压响应的电压：感应响应的衰减和电容性元件诸如导电器件的RC元件的电压响应的发端。

在第一局部极值是局部最大值的情况下，第二相反局部极值是局部最小值或坪，而如果第一局部极值是局部最小值，则第二相反局部极值是局部最大值或坪。

根据本发明的另一实施方式，电流在其内从第一电流水平变化至第二电流水平的时间间隔小于0.5毫秒，特别地小于0.1毫秒，更特别地小于50微秒，甚至更特别地小于10微秒，特别地5微秒。

当电流在以上公开的时间间隔内变化时，第一局部电压极值以及特别地第二局部电压极值变得可观察到的可能性增大。如果时间间隔比以上公开的时间慢得多，则根据本发明的方法特别地不可执行，因为特别地电压响应的第二电压极值未示出或叠加了其他电压贡献，因此该电压响应不能用于确定阻抗。

因此，电压响应的获取必须具有足够高的时间分辨率，以便可以分辨出第一极值和/或至少第二极值。

根据本发明的另一实施方式，导电器件是电池、电池包、电池组或电池系统。

术语“电池”是指用于电能的化学存储器件。术语“电池”还包括非可再充电电池以及可再充电电池，诸如锂离子蓄电池、镍镉电池、锂聚合物电池以及铅基蓄电池。

根据本发明的方法特别适于分析电池包或电池组内部的焊接的/电的连接部。

根据本发明的另一实施方式，可以将导电器件的电压响应建模为等效电路(EEC)，该等效电路包括至少一个感应元件诸如电感、至少一个欧姆电阻元件、RC元件和RL元件，其中，上述元件特别地被串联连接。所有这些元件特别地表现出不同的电压响应特性，使得通过所施加的电流的迅速变化，可以分辨每个元件对电压响应的贡献。

根据本发明的另一实施方式，确定器件的阻抗的欧姆电阻R_Ω，其中，欧姆电阻特别地根据R_Ω＝|(U_sum，min-U_sum，0)/(I₂-I₀)|被确定，其中I₀是第一电流水平，I₂是第二电流水平，U_sum,min是电压响应的欧姆电阻电压，并且U_sum,0是当电流处于第一水平时的电压响应的电压。

可以根据欧姆电阻电压，特别地根据第二局部极值，来确定器件的欧姆电阻。即使该器件可能表现出对该器件的阻抗有贡献的多个元件，但是根据本发明的方法特别地由于其所施加的电流的快速变化，仅能够确定欧姆电阻。

根据本发明的另一实施方式，电压响应包括感应电压响应U_sum,1，其中，感应电压响应U_sum,1根据在电流从第一水平开始向第二水平变化的时刻所获取的电压响应来确定，其中，感应电压响应U_sum,1特别地是处于所述时刻的电压响应表现出的初始电压阶跃。

电流从第一水平开始变化的时刻特别地短于1微秒，更特别地短于从电流开始变化所测量的0.5微秒。

根据本发明的另一实施方式，所施加的电流从第一水平起以恒定速率di/dt变化，其中，该速率特别地大于1kA/s，更特别地300k/As。

施加恒定速率对于预测电压响应的形状特别有用，特别是当为器件假设EEC模型时特别有用。

根据本发明的另一实施方式，根据L_e＝|(U_sum，1-U_sum，0)·dt/di|确定导电器件的外电感，其中，U_sum,1是感应电压响应，并且L_e是器件的外电感。

因此，根据本发明的方法也能够确定阻抗的感应部分。这当测试不包括电容性阻抗的器件时特别有用。例如，可以通过该实施方式确定焊接的金属接合部的质量/导电属性，因为焊接的金属接合部的确几乎仅仅表现出电感和欧姆电阻并且几乎没有容抗。

根据该实施方式，也可以针对电池确定外阻抗。

根据本发明的另一实施方式，第一电流水平高于第二电流水平。

在该实施方式中，变化具有负速率。所施加的电流特别地也是负的。

在本发明的替代实施方式中，第一电流水平低于第二水平。

在该实施方式中，变化率是正的。所施加的电流特别地是正的。

根据本发明的另一实施方式，所施加的电流从时间上恒定的第一水平变化到时间上恒定的第二水平。

该实施方式允许明确地将电压响应分配给第一水平至第二水平之间的变化。

此外，该实施方式允许额外确定DC电阻。

根据本发明的另一实施方式，第一水平或第二水平为0安培，并且特别地其中，其他水平、第二水平或第一水平的模量大于0.01安培。

该实施方式还允许对所施加的电流的变化进行电压响应的明确分配。实际上，仅当从第一水平开始变化时才施加电流。

根据本发明的另一实施方式，所施加的电流在第一水平至第二水平之间重复地交替，并且特别地其中，所施加的电流在不同的时间间隔内和/或以可变的速率在第一水平至第二水平之间变化。

根据该实施方式，电流特别地保持在第二水平和第一水平上如此长，以致电压响应已经表现出第一并且特别地第二极值。通过在第一水平至第二水平之间重复地交替，可以在短时间内获得多个阻抗的确定。可以考虑到单次测量的统计涨落来确定平均阻抗。

根据本发明的另一实施方式，所施加的电流在第一水平至多个电流水平之间变化，特别地重复地变化。

根据该实施方式，可能为单个器件确定多次测量，其中，可以针对每次测量确定阻抗。根据确定的阻抗，可以计算平均阻抗，并且可以给出对阻抗更准确的确定。

根据本发明的另一实施方式，导电器件的阻抗通过被拟合到所获取的电压响应的模型函数来确定，其中，该模型函数包括：计及(account for，对…解释说明、计算、考虑)由至少一个感应元件诸如电感所引起的电压响应的项，以及计及至少一个欧姆电阻元件的项，特别地其中，该模型函数被配置成建模EEC。

该实施方式允许如何确定阻抗的替代的或额外的方式。模型函数特别地考虑了被测器件的物理属性，特别地基于与被测器件相关联的EEC。

根据本发明的另一实施方式，模型函数包括拟合参数，其中，根据所拟合的模型函数来确定拟合参数，并且根据拟合参数确定至少导电器件的欧姆电阻，特别地确定导电器件的阻抗。

拟合参数可以直接与阻抗相关。

根据本发明的另一实施方式，除了第一水平和第二水平之外，还向导电器件施加连续电流，特别地充电电流或交流电模式。

该实施方式允许在对器件充电、监测或操作的同时对该器件进行测试。

此外，通过用于确定导电器件诸如电池或焊接的金属接合部的阻抗的计算机程序来解决根据本发明的问题，该计算机程序包括计算机程序代码，其中，当在计算机上执行该计算机程序时，根据本发明的方法被执行。

术语“计算机”或其系统在本文中用作本领域的普通上下文，诸如可能包括额外的元件诸如存储器或通信端口的通用目的处理器或微处理器、RISC处理器或DSP。可选地或额外地，术语“处理器”或“计算机”或其派生词表示能够进行下述的设备：能够实行所提供的或所合并的程序和/或能够控制和/或访问数据存储设备和/或其他设备诸如输入和输出端口。术语“处理器”或“计算机”还表示所连接的和/或所链接的和/或以其他方式通信的、可能共享一个或多个其他资源诸如存储器的多个处理器或计算机。

如本文所使用的，术语“服务器”或“客户端”或“后端”表示向一个或多个其他计算机化器件或计算机提供数据和/或操作服务的计算机化器件。

术语“软件”、“计算机程序”、“软件规程”或“规程”或“软件代码”或“代码”或“应用程序”或“app”可以根据其上下文可交换地使用，并且表示用于实行通常代表算法和/或其他过程或方法的一系列操作的一个或更多个命令或指令或电路。程序被存储在介质诸如RAM、ROM或磁盘之中或之上，或者被嵌入通过设备诸如处理器或其他电路而可访问和可执行的电路中。

处理器和程序可以至少部分地构成相同的设备，诸如电子门阵列、诸如FPGA或ASIC，被设计成执行经编程的可选地包括或被链接到处理器或其他电路的操作序列。

如本文所使用的，模块代表系统的一部分，诸如与在同一单元上的或在不同单元上的一个或多个其他部分一起操作或相互作用的程序的一部分，或者用于与一个或多个其他部件相互作用的电子部件或组件，但不限于此。

如本文所使用的，过程代表用于实现某些目标或结果的操作的集合，但不限于此。

用于目的或其变型的术语“配置”和/或“适应”意味着至少使用所设计和/或所实施和/或可操作的或操作性软件和/或电子电路和/或辅助设备来实现该目的。

存储和/或包括程序和/或数据的器件构成制品。除非另有说明，否则程序和/或数据被存储在非临时性介质中或非临时性介质上。

在本公开的实施方式的上下文中，通过示例而非限制的方式，术语诸如“操作”或“执行”还分别意味着性能，诸如“可操作”或“可执行”。

此外，通过用于确定导电器件的阻抗的设备，特别地通过执行根据本发明的方法，来解决根据本发明的问题，其中，上述设备包括电流源，并且其中，上述设备被配置成利用下述时间分辨率获取电压响应，该时间分辨率足够高以确定电压响应的第一局部电压极值以及特别地第二局部相反电压极值，并且特别地其中，上述设备被配置成在时间间隔内施加电流变化。

为了能够记录电压响应的第一极值和第二极值，设备的时间分辨率应当优于0.1毫秒，更特别地小于50微秒，甚至更特别地小于10微秒，特别地5微秒。

根据本发明的另一实施方式，设备具有至少10微秒的用于记录电压响应的时间分辨率，特别地至少1微秒的用于记录电压响应的时间分辨率。

根据本发明的另一实施方式，设备具有用于接触导电器件的装置。

本发明另外的特征和优点将借助于对示例性非限制性实施方式的详细描述来描述，其中，在示例段落中公开的所有实施方式也可以与所要求保护的主题结合使用。

该方法可以通过五个步骤确定导电器件(也称为被测器件)的阻抗：

a.向被测器件的端子施加限定的电流脉冲(也被称为所施加的电流)，该电流脉冲的值从较低的第一水平I₀变化至较高的第二水平I₂。脉冲内的电流变化快速，优选地其中，上升时间在若干微秒到几分之一毫秒之间。在任何情况下，电流变化都足够快速，以引起被测器件的端子电压的限定的感应过冲，该感应过冲在具有较慢时间常数的其他可能的阻抗对端子电压做出显著地贡献之前衰减。在感应过冲(第一局部电压极值)大大衰减后出现的欧姆电阻电压被称为U_sum,min。根据导电器件的阻抗的元件，U_sum,min对应于在第二局部相反电压极值处的电压。

b.电压响应测量的采样率足够高以检测端子电压中的局部极值U_sum,min。

c.此后，使用端子电压方面的变化来计算唯一限定的称为欧姆电阻R_Ω的阻抗，该变化通过从在第二局部极值U_sum,min处的值中减去在电流I₀处测量的初始值U_sum,0而得出。欧姆电阻R_Ω通过将电压差U_sum，min-U_sum，0除以电流变化I₂-I₀来计算。

d.可选地，从I₀到I₂的电流脉冲以线性斜波使电流变化，因此表现出恒定的电流变化率di/dt。采样速率足够快以检测在端子电压方面的从U_sum,0到U_sum,1的初始阶跃，该初始阶跃由被测器件的外电感L_e引起。

e.可以通过将端子电压中发生的阶跃U_sum，1-U_sum，0除以恒定电流变化率di/dt来计算外电感L_e。

根据本发明的方法以及根据本发明的器件被配置和设计用于分析性估算被测器件的阻抗、可再现的和数学上唯一的结果以及结果的高信息内容。最重要的是，本发明为测试电池并且为确定上述电池的功率容量、通用功能、安全状态等提供了实质性好处。将借助于详细的附图说明和参考附图的示例性实施方式来描述本发明的其他好处和优点。

附图中示出：

图1代表电池的电特性的等效电路(EEC)模型；

图2测量到的锂离子电池随时间变化的端子电压响应u_sum(t)；

图3EEC模型的单个部件的电压；

图4用于执行根据本发明的方法的设备的示意图；以及

图5利用根据现有技术的设备分析的电池的所施加的电流曲线和对应的端子电压u_sum(t)。

使用现有技术的方法来分析导电器件的阻抗要么快速，要么精确，要么容易操作。现有方法都无法同时满足上述三个特质。最重要的是，无法使用已知方法和测量器件准确地确定被测器件11(例如对照图4)的代表欧姆和感应特性的快速动态阻抗。

图5例示了电流脉冲法。在图5中，通过使用锂离子电池单元执行的测试的结果来举例说明电流脉冲法的功能性原理。电流脉冲i(t)5使其值从初始电流I₀＝0.00A51变化至恒定电流I₂＝1.60A53。能够施加这样的电流脉冲i(t)5的设备通常具有不超过(慢于)0.5毫秒的采样率。在示例中记录的单个测量点以加号进行标记，其被描绘在端子电压响应u_sum(t)6的曲线中。使用常规方法，电流变化本身52没有被准确地限定，但是通常显示出由电流控制器所引起的具有一些瞬态振荡的阶跃。这些快速动态控制特性及其对电压响应u_sum(t)的影响通常不会被检测到，因为在电流脉冲开始后的0.5毫秒获得第一测量点62。因此，利用现有技术中已知的常规方法，不可能估算被测器件的快速动态阻抗或确定该器件的欧姆阻抗和感应阻抗。

从工程学角度来看，可以通过如在图1中示出的等效电路(EEC)模型2对电池单元和系统尤其是基于锂离子技术的那些电池单元和系统的电特性进行建模。其中，外电感L_e21由围绕电流导体和流经电池的电流路径的电磁场引起。因此，外电感L_e21提供有关电池的整体完整性以及通过机械冲击所引起的可能的几何变形的信息。RL元件R_Skin||L_i代表由集电器内部的电磁场引起的内电感L_i23和集电器的集肤效应，当电流快速变化时，集电器的集肤效应引起电阻R_skin24增大。欧姆电阻R_Ω22是表征电池或技术部件的最重要的参数之一。在锂离子电池的示例中，它代表了电解质、电极材料、分离器、导体、焊接接合部等的有限电导性。最重要的是，用于分析阻抗的精确方法和设备必须能够至少精确地和分析性地确定被测器件11的欧姆电阻R_Ω22以及优选地同样地确定被测器件的外电感L_e21。现有技术中的方法和设备都不能够确定上述两个非常重要的参数。

电池单元的EEC模型2例如包括一个或多个RC元件，以代表与电荷转移电阻R_RC26并联的双层电容C_RC25。此外，通过EEC模型包括复阻抗Z27和电压源u_eq(C_batt)28来代表取决于电池的剩余容量C_batt的传质现象和平衡电压。

无论将分析哪种被测器件，都必须设法建立测试设备与被测器件之间的连接。对于设备的该示例性实施方式，其中，示意性布局在图4中示出，并且对于分析锂离子电池的当前示例，正极12和负极13用来感应电流脉冲i(t)并测量端子电压u_sum(t)的响应。四端子感测也称为开尔文连接优选地用来连接电池的两个端子。

本发明的目的是提供用于分析电池和其他技术部件的阻抗的工具，该工具满足所有三个特质：快速、精确和简单。

在图2、图3和图4中，呈现了本发明的用于锂离子电池单元的实施方式。该实施例例示了根据本发明的方法的操作原理以及基于该方法的设备的一般功能。

通过图2给出了所公开的发明的功能性原理的概述。所示出的电流脉冲i(t)30通过设备(4)被生成和测量，该设备被配置成执行根据本发明的方法。该电流脉冲i(t)30被施加到锂离子电池单元的端子12、13。随着时间t描绘了所测量的电池单元的端子电压39和从图1中示出的EEC模型2获得的模拟电压响应u_sum(t)34。两个电压曲线——测量到的电压39和模拟电压34——几乎相等，因此验证了所选择的EEC模型2。

在本实施例中，电流i(t)30从恒定电流I₀＝0A31变化成恒定电流I₂＝1.60A33。电流变化32自身使用持续5μs并且具有恒定的变化率di/df＝320kA/s的斜波来实现。作为所公开的发明的基本特性之一，电流变化32足够快以引起电压响应u_sum(t)34、39中的限定的感应过冲36，该感应过冲在可能的具有较慢的时间常数的其他阻抗对总端子电压u_sum(t)34、39做出显著的贡献之前衰减。在感应电压过冲36衰减之后并且在具有较慢的时间常数的阻抗显著地对总端子电压u_sum(t)34、39做出贡献之前，在测量到的端子电压u_sum(t)34、39的响应中出现局部最小值U_sum,min37。

利用足够高以至少检测到局部最小值U_sum,min37的采样率来测量特性电压响应u_sum(t)39。然后，可以通过分析所施加的电流曲线30和测量到的端子电压响应39之间的关系来确定期望的阻抗。通过将在图3中详细描述的方框区域38、381放大来实现脉冲的详细视图。

图3示出了该方法的功能性原理，其中，将电流脉冲i(t)301施加到锂离子电池单元的EEC模型2。电流曲线i(t)301在该实施例中未示出任何噪声或振荡，并且通过在5μs内变化至恒定电流I₂＝1.60A331的初始电流I₀＝0.00A311限定该电流曲线。电流变化本身是利用具有恒定变化率di/df＝320kA/s的线性斜波321实现的。该电流脉冲类似于在图2中示出的测量到的电流脉冲。

EEC模型的端子电压响应u_sum(t)341是单个EEC元件的电压响应之和。在图3中单独示出了单个电压响应，其中，电压u_Ω(t)342是欧姆电阻R_Ω22的贡献，电压u_Le(t)343由外电感L_e21引起，电压u_RL(t)344由与关于集肤效应的电阻R_skin 24并联的内电感L_i23引起，以及电压u_RC(t)345是RC元件25、26的贡献。

欧姆电阻R_Ω22上的电压降u_Ω(t)342与电流曲线成正比和瞬时关系。对于恒定电流相位311、331，在外电感L_e21处的电压u_Le(t)343为0V，并且对于时变电流，该电压的值变化。对于电流斜波321，斜率di/dt恒定，并因此在外电感处的电压u_Le(t)343在上升时间321期间具有恒定水平U_Le363。通过RL元件23、24所引起的电压贡献u_RL(t)344在电流开始变化时为零，在电流上升期间达到最大值，并在随后的恒定电流相位331中消失。如通过RC元件25、26处的电压u_RC(t)345代表的大多数其他过程通常具有慢得多的时间常数，并且在电流曲线i(t)301开端处不会对总端子电压u_sum(t)341做出显著地贡献。

基于这些发现和该认知，得出用于分析性地和唯一地确定欧姆电阻R_Ω22和外电感L_e21的值的方法。该方法可以在施加所描述的电流脉冲i(t)301并且测量总端子电压u_sum(t)341的响应的设备中被实施。

欧姆电阻R_Ω22在通过局部最小值给出的时刻t₃处被确定，该局部最小值即为在电流i(t)301到达该电流的目标值I₂(即第二水平)331并且感应过冲(361)衰减之后端子电压响应u_sum(t)341中的第二局部相反电压极值U_sum,min371。在该时刻t₃处，外电感L_e(21)的过电位u_Le(t)(343)和RL元件(23、24)的u_RL(t)(344)消失，并且较慢的动态过程的电压诸如u_RC(t)(345)还没有对端子电压u_sum(t)(341)显著地做出贡献。利用初始电压U_sum,0351，可以根据电压差U_sum，min-U_sum，0和电流变化I₂-I₀以下述计算出欧姆电阻R_Ω(22)：

R_Ω＝|(U_sum，min-U_sum，0)/(I₂-I₀)|

在时刻t₁处的电流斜波的开端处，端子电压U_sum(t)从U_sum,0351阶跃到U_sum,1362。该阶跃可以被分配到外电感L_e21，因为欧姆电阻R_Ω22的电压贡献u_Ω(t)342，RL元件23、24的电压u_RL(t)344以及在RC元件25、26处的电压u_RC(t)345在电流斜波刚刚开端处不对端子电压u_sum(t)341显著地做出贡献。利用在端子电压响应u_sum(t)341中的该阶跃362以及具有恒定变化率di/df的线性电流斜波321，外电感L_e21可以被计算成：

L_e＝|(U_sum，1-U_sum，0)·dt/di|

当从端子电压响应u_sum(t)341中减去初始端子电压U_sum,0351以及外电感L_e21处的u_Le(t)343和欧姆电阻R_Ω22的电压贡献u_Ω(t)342时，仅剩余RL元件23、24的电压u_RL(t)344，并且可以确定内电感L_i23及其并联电阻R_skin24的值。

在图4中示出了根据本发明的设备的实施方式的示意性概述。设备4包括向用户提供测量结果和估算数据41的用户界面42。在本发明的一个实施方式中，用户能够经由用户界面42进行单独的设置，例如设置电流I₂的目标值。被测器件11被放置在图4中示意性示出的设备4的右侧。被测器件11的端子12、13通过开尔文连接被电连接到设备4。连接到被测器件11的端子12、13的第一对线用来感应通过设备4的脉冲发生器44(即电流源)生成的电流脉冲i(t)。电流传感器46被结合到电流路径中，以允许单独的电流测量45。第二对线允许通过设备4的电压测量单元47来精确测量端子电压u_sum(t)的响应。将测量到的电流i(t)和端子电压响应u_sum(t)放在一起，并通过估算单元43进行估算。该单元还意味着对欧姆电阻R_Ω22和外电感L_e21进行分析性确定。

本发明的主要优点是允许通过简单的解析方程来唯一且易懂地确定欧姆电阻R_Ω22和外电感L_e21。使用常规方法和设备来确定这两个阻抗是不可能的，或者需要复杂的拟合算法。

附图标记

11 被测器件，也称为导电器件

12 被测器件的第一端子

13 被测器件的第二端子

2 电池的EEC模型

21 外电感L_e

22 欧姆电阻R_Ω

23 内电感L_i

24 集肤效应电阻R_skin

25 RC元件的电容器R_RC

26 RC元件的电阻C_RC

27 复阻抗Z

28 平衡电压u_eq(C_batt)

30 设备的功能性模型的被测量电流

301 电流曲线

302 时间间隔

31、311 恒定初始电流I₀，也称为第一水平

32、321 从时刻t₁到时刻t₂的电流斜波

323 u_Ω(t)的线性增大

33、331 恒定电流I₂，也称为第二水平

332 针对I₂331的欧姆电阻R_Ω(22)的电压u_Ω(t)342

34 针对所测量的电流脉冲i(t)30的模拟的端子电压响应u_sum(t)

341 针对电流曲线i(t)301的模拟的端子电压响应u_sum(t)

342 在欧姆电阻R_Ω22处的电压u_Ω(t)

343 在外电感L_e21处的电压u_Le(t)

344 在RL元件R_skin||L_i23、24处的电压u_RL(t)

345 RC元件R_RC||C_RC25、26的电压降u_RC(t)

35、351 针对I₀31、311的初始终端子电压U_sum,0

352 针对I₀311的初始电压水平u_Ω(t)342

36、361 在时刻t₂处的端子电压U_sum,2的过冲

362 在时刻t₁处端子电压中从U_sum,0351到U_sum,1的初始阶跃

363 在电流斜波321期间，外电感L_e21上的恒定电压U_Le

364 衰减

37、371 欧姆电阻电压，端子电压u_sum(t)341的第二局部极值U_sum,min

38、381 针对电流斜波32、321的放大

39 针对所测量的电流脉冲30的经测量的端子电压响应u_sum(t)

4 一种示意性实施方式的设备

41 到用户的信息流

42 用户界面

43 估算单元

44 脉冲发生器

45 电流测量

46 电流传感器

47 电压测量

5 现有技术的电流脉冲i(t)

51 初始恒定电流值I₀

52 电流从I₀51到I₂53的未知变化

53 恒定电流值I₂

6 使用现有技术仪器测量到的端子电压u_sum(t)的响应

61 针对I₀51的初始端子电压U_sum,0

62 端子电压响应u_sum(t)6的第一测量点

Claims (15)

1.一种用于确定导电器件(11)诸如电池或焊接的金属接合部的阻抗的方法，所述方法包括以下步骤：

-向所述导电器件(11)施加时变电流(301)，其中，所述电流(301)至少在第一水平(31、311)至第二水平(33、331)之间改变，

其中，所述电流(301)在时间间隔(302)内在所述第一水平(31、311)至所述第二水平(33、331)之间变化，

其中，所述时间间隔(302)较短以使得所述导电器件(11)的电压响应(39)表现出被衰减(364)紧随的第一局部电压极值(36、361)，其中，当所述第一局部电压极值(36、361)已经衰减时，所述电压响应(39)采用欧姆电阻电压(342)，

-至少部分地获取所述电压响应(39)，

-根据所获取的电压响应(39)和所施加的电流(301)来确定所述导电器件(11)的阻抗，特别地根据所述欧姆电阻电压(342)和所施加的电流来确定所述导电器件的阻抗。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一局部电压极值(36、361)之后跟随有第二相反局部电压极值(37、371)或电压坪，其中，所述欧姆电阻电压(342)是在所述第二相反局部电压极值(37、371)处的电压，特别地其中，所述第二相反局部电压极值(37、371)与所述第一局部极值(36、361)被间隔开小于0.5毫秒，特别地小于100微秒，更特别地小于10微秒，特别地小于5微秒。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述时间间隔(302)小于0.5毫秒，特别地小于0.1毫秒，更特别地小于50微秒，甚至更特别地小于10微秒，特别地5微秒。

4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述导电器件(11)是电池、电池包、电池组或电池系统。

5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述导电器件的电压响应(39)能够被建模为等效电路(2)，所述等效电路包括：至少一个感应元件(21)，诸如电感；至少一个欧姆电阻元件(22)；RC元件(23、24)；以及特别地RL元件(25、26)；其中，所述元件特别地被串联连接。

6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，确定所述导电器件(11)的所述阻抗的欧姆电阻R_Ω，其中，特别地根据R_Ω＝|(U_sum，min-U_sum，0)/(I₂-I₀)|来确定所述欧姆电阻，其中，I₀是所述第一水平(312、311)，I₂是所述第二水平(33、331)，U_sum,min是所述电压响应(39)的所述欧姆电阻电压(342)，并且U_sum,0是所述电压响应(39)在电流处于所述第一水平(31、311)时的电压(351)。

7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述电压响应(39)包括感应电压响应U_sum,1(362)，其中，根据在所施加的电流(301)开始从所述第一水平(31、311)向所述第二水平(33、331)变化的时刻所获取的所述电压响应(39)来确定所述感应电压响应U_sum,1(362)，其中，所述感应电压响应U_sum,1(362)特别地是在所述时刻由所述电压响应(39)表现出的初始电压阶跃。

8.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，使所施加的电流(301)从所述第一水平(31、311)起以恒定速率di/dt(32、321)变化，其中，所述速率特别地高于1kA/s。

9.根据权利要求7和8所述的方法，其中，根据L_e＝|(U_sum，1-U_sum，0)·dt/di|确定所述导电器件(11)的外电感，其中，U_sum,1是所述感应电压响应(362)，并且L_e是所述导电器件(11)的所述外电感。

10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，使所施加的电流(301)从恒定的第一水平(31、311)变化至恒定的第二水平(33、331)。

11.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，所述第一水平(31、311)或所述第二水平(33、331)为0安培，并且特别地其中，另一水平——所述第二水平或所述第一水平——的模量大于0.01安培。

12.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，使所施加的电流(301)在所述第一水平(31、311)至所述第二水平(33、331)之间重复地交替，并且特别地其中，所施加的电流(301)在不同的时间间隔(302)内和/或以可变的速率321)在所述第一水平(31、311)至所述第二水平(33、331)之间变化，其中特别地，所述第二水平(33、331)特别地对于每次重复都是不同的。

13.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其中，通过被拟合至所获取的电压响应(39)的模型函数来确定所述导电器件(11)的阻抗，其中，所述模型函数包括：计及由至少一个感应元件(21)诸如电感所引起的电压响应(363)的项；以及，计及由至少一个欧姆电阻元件(22)引起的电压响应(342)的项，特别地其中，所述模型函数被配置成对等效电路(2)建模，其中特别地，所述模型函数包括拟合参数，其中，根据所拟合的模型函数确定所述拟合参数，并且根据所述拟合参数确定所述导电器件的至少所述欧姆电阻，特别地确定所述导电器件的阻抗。

14.用于确定导电器件(11)诸如电池或焊接的金属接合部的阻抗的计算机程序，所述计算机程序包括计算机程序代码，其中，当在计算机上执行所述计算机程序时，根据前述权利要求中的一项所述的方法被执行。

15.用于执行根据权利要求1至13中的一项所述的方法的设备(4)，其中，所述设备(4)包括电流源(44)，并且其中，所述设备(4)被配置成利用下述时间分辨率来获取所述电压响应(39)：所述时间分辨率足够高，以确定所述电压响应(39)的所述第一局部电压极值(36、361)以及特别地所述第二局部相反电压极值(37、371)，其中，所述设备(4)特别地具有至少10微秒的用于对所述电压响应(39)进行记录的时间分辨率。

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