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DE102015208464A1 - Akkumulatoranordnung mit einer verbesserten Zustandsüberwachung - Google Patents

Akkumulatoranordnung mit einer verbesserten Zustandsüberwachung Download PDF

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DE102015208464A1
DE102015208464A1 DE102015208464.7A DE102015208464A DE102015208464A1 DE 102015208464 A1 DE102015208464 A1 DE 102015208464A1 DE 102015208464 A DE102015208464 A DE 102015208464A DE 102015208464 A1 DE102015208464 A1 DE 102015208464A1
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DE
Germany
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cell
accumulator
network node
signal
test signal
Prior art date
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DE102015208464.7A
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English (en)
Inventor
Helmut Kellermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
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Priority to CN201680010658.8A priority patent/CN107258032B/zh
Priority to PCT/EP2016/057590 priority patent/WO2016177529A1/de
Publication of DE102015208464A1 publication Critical patent/DE102015208464A1/de
Priority to US15/804,098 priority patent/US10651513B2/en
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Abstract

Die Erfindung offenbart eine Akkumulatoranordnung, mit
– einer Mehrzahl in Serie geschalteter Akkumulatorzellen;
– einem zentralen Netzwerkknoten, der dazu ausgebildet ist, Daten durch die Akkumulatorzellen zu übertragen, und der an der Serienschaltung von Akkumulatorzellen angeschlossen ist;
– einer Mehrzahl Zellnetzwerkknoten, die dazu ausgebildet sind, Daten durch die Akkumulatorzellen zu übertragen, wobei jeder Zellnetzwerkknoten einer Akkumulatorzelle parallel geschaltet ist;
– einer Steuerungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, zumindest einen ersten Zellnetzwerkknoten anzuweisen, ein Prüfsignal mit zumindest einer vorbestimmten Frequenz an eine erste Akkumulatorzelle anzulegen, an die der erste Zellnetzwerkknoten angeschlossen ist, und einen zweiten Zellnetzwerkknoten, der an eine zweite Akkumulatorzelle angeschlossen ist, anzuweisen, basierend auf der Signalantwort der zweiten Akkumulatorzelle auf das Prüfsignal zumindest einen Zustand der zweiten Akkumulatorzelle zu ermitteln.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Akkumulatoranordnung, die besser überwacht werden kann, insbesondere eine Akkumulatoranordnung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug.
  • Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, beispielsweise einem rein elektrischen Antrieb oder einem so genannten Hybrid-Antrieb, der sowohl einen Verbrennungsmotor als auch einen Elektromotor umfasst, werden Akkumulatoranordnungen verwendet, die eine Mehrzahl in Serie und/oder parallel geschalteter Zellen aufweisen. Die Zellen können zu Modulen kombiniert werden. Ferner ist es möglich, zwei Akkumulatoranordnungen zu verwenden, die je eine Mehrzahl in Serie geschalteter Zellen aufweisen. Die Akkumulatorzellen können so genannte Lithium-Ionen-Batterien sein.
  • Während des Betriebes, d. h. während des Ladens oder Entladens, muss der Zustand der Akkumulatorzellen überwacht werden. Beispielsweise muss der Ladezustand der Zellen permanent überwacht werden. Dazu ist für jede Zelle eine separate elektronische Überwachungseinrichtung vorgesehen. Jede elektronische Überwachungseinrichtung ist mit einer zentralen Batterieüberwachungseinrichtung verbunden, beispielsweise mittels eines CAN-Bus. Eine technische Herausforderung ist hierbei der hohe Spannungsunterschied von mehreren 100 V von der ersten zur letzten Akkumulatorzelle. Folglich muss am CAN-Bus und an der zentralen Batterieüberwachungseinrichtung eine aufwändige Isolation vorgesehen sein.
  • Die DE 11 2002 002 265 T5 offenbart eine Impedanzanalyse im Zusammenhang mit einer Festkörpersekundärbatterie.
  • Die WO 2009/024355 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung von Impedanzspektren zu einer ortsselektiven Darstellung der Kapazitätsverteilung, Widerstandsverteilung und Energiedichteverteilung in einem Akkumulator.
  • Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine verbesserte Akkumulatoranordnung und ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln des Zustandes einer Akkumulatorzelle zu schaffen, das keine aufwändige Isolation erfordert.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Akkumulatoranordnung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen Weiterbildungen.
  • Eine erfindungsgemäße Akkumulatoranordnung umfasst eine Mehrzahl in Serie und/oder parallel geschalteter Akkumulatorzellen, einen zentralen Netzwerkknoten, eine Mehrzahl Zellnetzwerkknoten und eine Steuerungseinrichtung. Der zentrale Netzwerkknoten ist dazu ausgebildet, Daten durch die Akkumulatorzellen zu übertragen. Der zentrale Netzwerkknoten ist an die Serienschaltung von Akkumulatorzellen angeschlossen, beispielsweise bezugspotenzialfrei mittels zumindest einen Koppelkondensators. Jeder der Mehrzahl Zellnetzwerkknoten ist dazu ausgebildet, Daten durch die Akkumulatorzellen zu übertragen. Jeder Zellnetzwerkknoten ist einer Akkumulatorzelle parallel geschaltet. Die Steuerungseinrichtung ist dazu ausgebildet, zumindest einen Zellnetzwerkknoten anzuweisen, ein Prüfsignal mit zumindest einer vorbestimmten Frequenz an eine erste Akkumulatorzelle anzulegen, an die der erste Zellnetzwerkknoten angeschlossen ist, und einen zweiten Zellnetzwerkknoten, der an eine zweite Akkumulatorzelle angeschlossen ist, anzuweisen, basierend auf der Signalantwort der zweiten Akkumulatorzelle auf das Prüfsignal zumindest einen Zustand der zweiten Akkumulatorzelle zu ermitteln.
  • Der zentrale Netzwerkknoten und die Mehrzahl Zellnetzwerkknoten bilden ein Netzwerk, das Daten durch eine Energieversorgungsleitung und eine Mehrzahl Akkumulatorzellen überträgt. Eine derartige Datenübertragung über das Stromnetz wird in der Energietechnik als Power Line Communication (PLC) bezeichnet.
  • Das Prüfsignal kann eine vorbestimmte Frequenz aufweisen. Dadurch können die Widerstände und Kapazitäten in der Akkumulatorzelle bestimmt werden. Beispielsweise dehnt sich eine Akkumulatorzelle beim Laden aus, wodurch sich der Frequenzgang verändert, Die vorbestimmte Frequenz kann in einem Bereich von etwa 1 MHz bis etwa 30 MHz liegen.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Datenübertragung durch die Akkumulatorzellen und die die Akkumulatorzellen verbindenden Leitungen ein zusätzlicher Bus und eine Isolation des Busses entfallen können. Dadurch können die Aufwände zum Herstellen der Akkumulatoranordnung sowie deren Wartung reduziert werden.
  • Das Prüfsignal kann ein Signal einer Impedanzanalyse und/oder ein Signal einer Frequenzganganalyse sein. Die Impedanzanalyse und/oder die Frequenzganganalyse können die Trägerfrequenzen eines Übertragungsverfahrens verwenden, das eine Mehrzahl unterschiedlichen Trägerfrequenzen verwendet. Das Übertragungsverfahren kann ein OFDM-Verfahren (Orthogonal Frequency Divisional Modulation) sein.
  • Der Zellnetzwerkknoten kann als Prüfsignal ein Signal verwenden, das dazu eingesetzt wird, die Bandbreite eines Übertragungskanals bei einer Mehrzahl von potentiellen Trägerfrequenzen zu bestimmen. Dies hat den Vorteil, dass bereits vorhandene Mittel und Algorithmen zum Bestimmen des Zustandes einer Akkumulatorzelle mitverwendet werden können, obwohl diese Mittel ursprünglich dazu vorgesehen waren, die Bandbreite eines Übertragungskanals zu prüfen. Ein derartiges Verfahren wird im Bereich von PLC als ”Channel Sounding” bezeichnet.
  • Der Zellnetzwerkknoten und/oder die Steuerungseinrichtung können dazu ausgebildet sein, mittels des Prüfsignals zumindest den Ladezustand der Akkumulatorzelle, die Alterung der Akkumulatorzelle, den Innenwiderstand der Akkumulatorzelle, die Temperatur der Akkumulatorzelle und/oder die mechanische Spannung, die auf die Akkumulatorzelle wirkt, zu ermitteln. Der Ladezustand, die Alterung, der Innenwiderstand, die Temperatur und die auf die Akkumulatorzelle wirkende mechanische Spannung verändern den Frequenzgang. Somit können diese Zustände mittels eines Prüfsignals ermittelt werden, das vorzugsweise mehrere vorbestimmte Frequenzen aufweist. Der Zellnetzwerkknoten kann dazu ausgebildet sein, die Dämpfung des Prüfsignals und den Signal-Rausch-Abstand bei vorbestimmten Frequenzen zu prüfen, wenn das Prüfsignal an die Akkumulatorzelle angelegt wird.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit der zuvor beschriebenen Akkumulatoranordnung.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ermitteln des Zustandes einer Akkumulatorzelle einer Akkumulatoranordnung mit einer Serienschaltung und/oder einer Parallelschaltung einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen, wobei den Akkumulatorzellen je ein Zellnetzwerkknoten parallel geschaltet ist. Das Verfahren überträgt ein Anweisungssignal durch zumindest eine erste Akkumulatorzelle, der ein erster Netzwerkknoten parallel geschaltet ist, von einem zentralen Netzwerkknoten zu einem zweiten Netzwerkknoten, der einer zweiten Akkumulatorzelle parallel geschaltet ist. Ein Prüfsignal mit zumindest einer vorbestimmten Frequenz wird durch den ersten Zellnetzwerkknoten an die erste Akkumulatorzelle angelegt, wenn das Anweisungssignal empfangen wird.
  • Ein Zustand der zweiten Akkumulatorzelle wird basierend auf der Signalantwort der zweiten Akkumulatorzelle auf das Prüfsignal ermittelt, wenn das Anweisungssignal empfangen wird.
  • Das Verfahren kann so weitergebildet sein, wie zuvor hinsichtlich der Akkumulatoranordnung beschrieben wurde. Ferner kann das Verfahren die Zustände der Akkumulatorzelle prüfen, die zuvor unter Bezugnahme auf die Akkumulatoranordnung beschrieben wurden.
  • Das Prüfsignal kann ein Signal einer Impedanzanalyse, ein Signal einer Frequenzganganalyse, ein Signal, das den Trägerfrequenzen eines Übertragungsverfahrens mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Trägerfrequenzen entspricht, und/oder ein Signal sein, das den Trägerfrequenzen eines OFDM-Verfahrens entspricht.
  • Das Verfahren kann die Dämpfung des Prüfsignals bei einer vorbestimmten Frequenz bestimmen. Das Verfahren kann alternativ hierzu oder zusätzlich den Signal-Rausch-Abstand bei einer vorbestimmten Frequenz ermitteln.
  • Die Erfindung offenbart auch ein Computerprogrammprodukt, das, wenn es in den Speicher eines Computers mit einem Prozessor geladen ist, das zuvor beschriebene Verfahren ausführt.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten und nicht beschränkenden Figuren detaillierter beschrieben, wobei
  • 1 ein Ersatzschaltbild einer Akkumulator Zelle zeigt;
  • 2a den Frequenzgang und 2b den Phasengang einer Akkumulatorzelle zeigt; und
  • 3 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Akkumulatoranordnung zeigt. Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Ersatzschaltung einer Lithium-Ionen-Batteriezelle beschrieben, das der Veröffentlichung „Aufbau- und Parametrierung von Batteriemodellen", Peter Keil, Andreas Jossen, Technische Universität München, Arcisstr. 21, 80333 München, Lehrstuhl für elektrische Energiespeichertechnik, entnommen ist. Die Spannungsquelle wird mit Uocv modelliert. Ri entspricht dem Innenwiderstand der Akkumulatorzelle 100. Das erste RC-Glied RC1 bildet das bogenförmige Impedanzspektrum einer Lithium-Ionen-Zelle bei einer niedrigen Frequenz nach. Das zweite RC-Glied RC2 ist eine sogenannte Warburg-Impedanz, die ein ideales Reservoir nachbildet und auch das bogenförmige Impedanzspektrum bei einer niedrigen Frequenz nachbildet. Das dritte RC-Glied RC3 ist ebenfalls eine Warburg-Impedanz, die das Impedanzspektrum bei höheren Frequenzen nachbildet. Die Werte der Elemente der Ersatzschaltung verändern sich in Abhängigkeit der Temperatur, des Ladezustandes und der Stromstärke, wobei die Zusammenhänge grundsätzlich nicht-linear sind. Hinsichtlich weiterer Details wird nochmals auf diee Veröffentlichung „Aufbau- und Parametrierung von Batteriemodellen, Peter Keil, Andreas Jossen, Technische Universität München, Arcisstr. 21, 80333 München, Lehrstuhl für elektrische Energiespeichertechnik verwiesen, deren Inhalt hiermit per Bezugnahme aufgenommen wird.
  • 2a zeigt den Frequenzgang einer Lithium-Ionen-Zelle den Bereich von 10 MHz bis 30 MHz und 2b zeigt den Phasengang einer Lithium-Ionen-Zelle bei einer Frequenz von 10 MHz bis 30 MHz.
  • 3 zeigt eine Akkumulatoranordnung 122 mit einem Akkumulator 120 und einer Steuerungseinrichtung 122 und einem zentralen Netzwerkknoten 114. Der Akkumulator 120 umfasst eine Mehrzahl in Serie geschalteter Akkumulatorzellen 100. Eine Serienschaltung einer Mehrzahl Akkumulatorzellen 100 kann zu einem Modul zusammengefasst werden. Module können in Serie und/oder parallel geschaltet werden.
  • Jeder Akkumulatorzelle 100 ist ein Zellnetzwerkknoten 106 parallel geschaltet. Der Akkumulator umfasst einen negativen Anschluss 108 und einen positiven Anschluss 110. Der zentrale Netzwerkknoten 114 ist über Koppelkondensatoren 112 mit der Serienschaltung aus Akkumulatorzellen 100 gekoppelt. Am zentralen Netzwerkknoten 114 liegt keine Hochspannung an, da der zentrale Netzwerkknoten 114 kapazitiv mit der Serienschaltung aus Akkumulatorzellen 100 gekoppelt ist. Somit ist im Bereich des zentralen Netzwerkknotens 114 und der Steuerungseinrichtung 122 keine anspruchsvolle Isolation vorzusehen. Der zentrale Netzwerkknoten 114 und die Steuerungseinrichtung 122 werden von einer Batterie 116 versorgt, beispielsweise einer herkömmlichen Autobatterie.
  • Der zentrale Netzwerkknoten 114 kann mit den Zellnetzwerkknoten 106 kommunizieren, wobei das Kommunikationssignal durch die Akkumulatorzellen 100 und die Zuleitungen zu den Zellnetzwerkknoten 106 übertragen wird. Als Übertragungsverfahren wird OFMD (Orthogonal Frequency Divisional Multiplex) verwendet. Der zentrale Netzwerkknoten 114 gibt ein Prüfsignal aus, dass die Serienschaltung aller Akkumulatorzellen 100 durchläuft, um geeignete Kanäle für die Kommunikation mit den Zellnetzwerkknoten 106 zu finden. Dieses Verfahren wird im Fachchargon „Channel Sounding” bezeichnet.
  • Nachdem der zentrale Netzwerkknoten 114 geeignete Übertragungskanäle ermittelt hat, kann der zentrale Netzwerkknoten 114 mit den Zellnetzwerkknoten 106 und umgekehrt kommunizieren. Die Steuerungseinrichtung 122 kann über den zentralen Netzwerkknoten 114 einen ersten Zellnetzwerkknoten 106 anweisen, den Zustand einer zweiten Akkumulatorzelle 100 zu prüfen, die einen zweiten Zellnetzwerkknoten 106 parallel geschaltet ist. Dazu verwendet der Zellnetzwerkknoten 106 das Prüfsignal, das auch zum Ermitteln der geeigneten OFDM-Kanäle zwischen dem ersten und zweitem Zellnetzwerkknoten 100 verwendet wird. Das Prüfsignal umfasst ein Spektrum von etwa 1 MHz bis etwa 30 MHz. Innerhalb dieses Spektrums werden die Dämpfung und der Signal-Rausch-Abstand ermittelt. Auf Grundlage des ermittelten Frequenzganges und des ermittelten Signal-Rausch-Abstandes kann der zweite Zellnetzwerknoten 106 oder die Steuerungseinrichtung 122 basierend auf dem unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Ersatzschaltbild einer Akkumulatorzelle 100 die Werte einzelner Netzwerkelemente der Ersatzschaltung ermitteln. Folglich kann der Zellnetzwerkknoten 106 oder die Steuerungseinrichtung 122 den Ladezustand der Akkumulatorzelle, die Alterung der Akkumulatorzelle, den Innenwiderstand der Akkumulatorzelle, die Temperatur der Akkumulatorzelle und/oder die mechanische Spannung, die auf die Akkumulatorzelle wirkt, ermitteln.
  • Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil, dass die Vorrichtungen und die Elemente zum Ermitteln des Zustandes einer Akkumulatoranordnung nicht aufwändig isoliert werden messen. Ferner hat die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass zum Überwachen des Zustandes einer Akkumulatorzelle keine aufwändige Sensorik erforderlich ist und Standardkomponenten verwendet werden können.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 112002002265 T5 [0004]
    • WO 2009/024355 A1 [0005]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „Aufbau- und Parametrierung von Batteriemodellen”, Peter Keil, Andreas Jossen, Technische Universität München, Arcisstr. 21, 80333 München [0025]
    • „Aufbau- und Parametrierung von Batteriemodellen, Peter Keil, Andreas Jossen, Technische Universität München, Arcisstr. 21, 80333 München, [0025]

Claims (10)

  1. Akkumulatoranordnung (124), mit – einer Mehrzahl in Serie und/oder parallel geschalteter Akkumulatorzellen (100); – einem zentralen Netzwerkknoten (114), der dazu ausgebildet ist, Daten durch die Akkumulatorzellen (100) zu übertragen, und der an der Serienschaltung von Akkumulatorzellen (100) angeschlossen ist; – einer Mehrzahl Zellnetzwerkknoten (106), die dazu ausgebildet sind, Daten durch die Akkumulatorzellen (100) zu übertragen, wobei jeder Zellnetzwerkknoten (106) einer Akkumulatorzelle (100) parallel geschaltet ist; – einer Steuerungseinrichtung (122), die dazu ausgebildet ist, zumindest einen ersten Zellnetzwerkknoten (106) anzuweisen, ein Prüfsignal mit zumindest einer vorbestimmten Frequenz an eine erste Akkumulatorzelle (100) anzulegen, an die der erste Zellnetzwerkknoten (106) angeschlossen ist, und einen zweiten Zellnetzwerkknoten (106), der an eine zweite Akkumulatorzelle (100) angeschlossen ist, anzuweisen, basierend auf der Signalantwort der zweiten Akkumulatorzelle (100) auf das Prüfsignal zumindest einen Zustand der zweiten Akkumulatorzelle (100) zu ermitteln.
  2. Akkumulatoranordnung (124) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfsignal ein Signal einer Impedanzanalyse und/oder ein Signal einer Frequenzganganalyse ist.
  3. Akkumulatoranordnung (124) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzanalyse und/oder die Frequenzganganalyse mit Trägerfrequenzen eines Übertragungsverfahrens erfolgt, das eine Mehrzahl Trägerfrequenzen verwendet.
  4. Akkumulatoranordnung (124) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsverfahren ein OFDM-Verfahren ist.
  5. Akkumulatoranordnung (124) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellnetzwerkknoten (106) und/oder die Steuerungseinrichtung (122) dazu ausgebildet sind, mittels des Prüfsignales zumindest einen der folgenden Zustände zu ermitteln: – der Ladezustand der Akkumulatorzelle (100); – die Alterung der Akkumulatorzelle (100); – der Innenwiderstand der Akkumulatorzelle (100); – die Temperatur der Akkumulatorzelle (100); – die mechanische Spannung, die auf die Akkumulatorzelle (100) wirkt.
  6. Akkumulatoranordnung (124) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zellnetzwerkknoten (106) dazu ausgebildet Ist, die Dämpfung des Prüfsignals und den Signal-Rausch-Abstande bei vorbestimmten Frequenzen zu prüfen, wenn das Prüfsignal an die Akkumulatorzelle (100) angelegt wird.
  7. Kraftfahrzeug mit der Akkumulatoranordnung (124) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  8. Verfahren zum Ermitteln des Zustandes einer Akkumulatorzelle einer Akkumulatoranordnung (124) mit einer Serienschaltung und/oder Parallelschaltung einer Mehrzahl von Akkumulatorzellen (100), wobei den Akkumulatorzellen (100) je ein Zellnetzwerkknoten (106) parallel geschaltet ist, aufweisend die folgenden Schritte: – Übertragen eines Anweisungssignals durch zumindest eine erste Akkumulatorzelle (100), der ein erster Zellnetzwerkknoten (106) parallel geschaltet ist, von einem zentralen Netzwerkknoten (114) zu einem zweiten Zellnetzwwerknoten (106), der einer zweiten Akkumulatorzelle (100) parallel geschaltet ist; – Anlegen eines Prüfsignals mit zumindest einer vorbestimmten Frequenz durch den ersten Zellnetzwerkknoten (106) an die erste Akkumulatorzelle (100), wenn das Anweisungssignal empfangen wird; und – Ermitteln zumindest eines Zustandes der zweiten Akkumulatorzelle (100) basierend auf der Signalantwort der zweiten Akkumulatorzelle (100) auf das Prüfsignal, wenn das Anweisungssignal empfangen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfsignal zumindest eines von Folgendem ist: – ein Signal einer Impedanzanalyse; – ein Signal einer Frequenzganganalyse; – ein Signal, das den Trägerfrequenzen eines Übertragungsverfahrens mit mehreren Trägern entspricht; – ein Signal, das den Trägerfrequenzen eines OFDM-Verfahrens entspricht.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch zumindest einen der folgenden Schritte: – Ermitteln der Dämpfung des Prüfsignals bei einer vorbestimmten Frequenz; – Ermitteln des Signal-Rausch-Abstandes bei einer vorbestimmten Frequenz.
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