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WO2023173154A1 - Prüfanordnung für einen elektrochemischen zellstapel - Google Patents

Prüfanordnung für einen elektrochemischen zellstapel Download PDF

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Publication number
WO2023173154A1
WO2023173154A1 PCT/AT2023/060075 AT2023060075W WO2023173154A1 WO 2023173154 A1 WO2023173154 A1 WO 2023173154A1 AT 2023060075 W AT2023060075 W AT 2023060075W WO 2023173154 A1 WO2023173154 A1 WO 2023173154A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
test
current
voltage
unit
iac
Prior art date
Application number
PCT/AT2023/060075
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan POFAHL
Ernst Fuchs
Original Assignee
Avl List Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Avl List Gmbh filed Critical Avl List Gmbh
Publication of WO2023173154A1 publication Critical patent/WO2023173154A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/389—Measuring internal impedance, internal conductance or related variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3842—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC combining voltage and current measurements

Definitions

  • the present invention shows a test arrangement for checking a test object, wherein a loading unit is provided in the test arrangement, which is connected to an automation unit and designed to specify an operating point specified by the automation unit on a current-voltage characteristic curve of the test object by means of a direct current. Furthermore, the present invention shows a method for checking the test object.
  • An analysis of electrochemical components such as batteries, accumulators, fuel cells, and others is essential, for example, to determine the performance, degradation and service life of these electrochemical components. This is particularly important if such components are in operation for a longer period of time.
  • a highly reproducible and easily applicable analysis method is the impedance measurement of electrochemical components. This makes it possible - in contrast to classic DC measurements - to determine parts of the resistance of the electrode, cathode and electrolyte. This is particularly important in the aging process.
  • an analysis of the cathode can be particularly important because it represents the rate-determining step in the reaction of a fuel cell.
  • Degradation at the cathode leads to a loss of performance in the fuel cells. It may also be necessary to determine the resistance of the electrolyte.
  • a loss of electrolyte resistance can, for example, mean the failure of an entire cell.
  • electrochemical components are connected in series to form so-called cell stacks in order to generate a nominally high voltage.
  • cell stacks are fuel cell stacks, but other stacks such as redox flow battery stacks are also in use.
  • a large number of electrochemical cells (often hundreds in number) are connected to form a cell stack, which results in a stack voltage of several hundred to approximately! 000 volts can result.
  • the real voltage based on the current-voltage characteristic is smaller than the nominal cell voltage.
  • the reasons for this lie in the kinetic inhibition of the charge passage, in the ohmic resistance of the electrolyte and in transport limitations, which usually occur at high currents.
  • the cell voltage of a single polymer electrolyte fuel cell is approximately 1 V when idle and drops to below 0.3 V when under load.
  • the current-voltage characteristic curve depends on various parameters, for example on the geometry, the media supply, the aging of the cell stack, etc. and can therefore look different for each cell and of course also for a cell stack. For the classic test of a test object, such as a cell stack, an operating point on the current-voltage characteristic is controlled.
  • An impedance measurement can be carried out at this stationary point.
  • An alternating current component (AC) is added (impressed) to a direct current component (DC) as a test current, which then allows a precise analysis of the individual components of the cells.
  • the test current can, for example, be sinusoidal, but other signal forms are also possible, such as pseudo-uniformly distributed binary signals (pseudo-random binary signal - PRBS).
  • the test current can have a single or a plurality of frequencies, or even an entire spectrum of frequencies.
  • a test arrangement is provided (e.g. on a test bench) for testing a test object, e.g. a battery or fuel cell.
  • a test object e.g. a battery or fuel cell.
  • the test object consisting of a number of electrochemical components can be given an operating point by a load unit and the test object can be loaded with a positive current, which essentially corresponds to discharging the test object.
  • the test object can also be charged with a negative current by the loading unit, which essentially corresponds to charging the test object.
  • the loading unit can therefore also be designed as a combined loading/loading unit.
  • the current-voltage characteristic also depends on the polarity of the operating point and can be designed differently. For example, when discharging at an electrode, transport phenomena can play a minor or no role at all, while when charging at the same electrode, transport phenomena significantly influence the current-voltage characteristic. Of course, not only can a current be impressed, it is of course also possible for a voltage to be impressed.
  • measured variables - current or voltage - arise on the test object, which are determined and evaluated, for example with a unit on the test bench.
  • this only occurs at the stationary operating point, i.e. for example at a constant load current.
  • a change in the operating point during the measurement naturally has an impact on the testing process.
  • the duration of the measurement for example over an entire spectrum from the megahertz (MHz) to the millihertz (mHz) range - the measured spectra can be distorted during the test process. It can also happen that if the operating point changes too quickly, it is no longer possible to evaluate the test process, for example using classic equivalent circuit diagrams, such as with resistor-capacitor elements (RC elements).
  • RC elements resistor-capacitor elements
  • a regular, uninterrupted testing process is important in order to detect losses in performance and degradation promptly and to be able to switch off the test object or stack if necessary.
  • a Coupling capacitor used, which makes it possible to separate the DC component of the operating point from the AC component of the impedance. If the operating point changes quickly, the voltage at the coupling capacitor also needs to change. But it can also happen that the polarity on the capacitor changes. Since capacitors with high capacity in the millifarad (mF) range must be used for very high DC voltages in order to prevent flashover, practically only electrolytic capacitors are used as coupling capacitors. A spontaneous change in polarity on an electrolytic capacitor can, in the worst case scenario, lead to its destruction.
  • mF millifarad
  • the test arrangement has at least: the automation unit, which is designed to determine a virtual potential from the current-voltage characteristic via a first voltage measuring unit and a first current measuring unit and via a second voltage measuring unit and a second current measuring unit to measure the test current and a resulting test voltage; a test signal source, which is connected to the automation unit and is designed to impress the test current on the test object; and a reference voltage source, which is connected to the automation unit and designed to specify the virtual potential to the test signal source.
  • the signal changes caused by the loading unit can be faster than the signal changes from the test signal source. This makes it possible for the frequency ranges of the load unit and the test signals to overlap.
  • the DC limit frequency can therefore be greater than the limit frequency. This enables continuous, uninterrupted signal impression and measurement.
  • the automation unit is designed to specify a load current to the load unit.
  • the automation unit can therefore introduce a very precise direct current into the test object, and also implemented desired changes very quickly. This may be necessary, for example, if a test object is used in a vehicle, such as an electric vehicle, and different loads are required within a relatively short period of time.
  • the test signal source is designed to impress the test current into the test object with at least one impression frequency.
  • an alternating current can be impressed with a frequency that is characteristic, for example, to detect a degradation phenomenon.
  • the test signal source is designed to impress the test current into the test object as a frequency spectrum with a plurality of frequencies.
  • a frequency spectrum - also often annotated as an impedance spectrum - can be advantageous for viewing various phenomena in a test object using one measurement. For example, electrolyte resistances, kinetic inhibitions on the electrodes, chemical capacitances, stray capacitances and the like can be determined in one measurement.
  • the automation unit is an integral part of a test bench, or a control unit of a vehicle, or a battery management system of a battery, or a fuel cell control unit.
  • the automation unit can therefore be used in a variety of applications.
  • the automation unit can therefore operate both charging processes and/or discharging processes on a test object and/or cell stack.
  • the loading unit is dependent on the operating mode of the test object, wherein the loading unit is a voltage-controlled power source or a consumer.
  • the loading unit can be designed differently, depending on whether charging processes and/or discharging processes take place on a test object and/or cell stack.
  • the object is also achieved via a method for checking a test object using a test current, with an automation unit carrying out the following steps: recording a current-voltage characteristic curve by specifying a direct current of a load unit via a first voltage measuring unit and a first current measuring unit; Calculating a virtual potential based on the recorded current-voltage characteristic and an operating point and specifying the virtual potential via a reference voltage source to a test signal source; Specifying the test current via the test signal source in order to impress the test current on the test object and measuring the test current and a resulting test voltage via a second voltage measuring unit and a second current measuring unit and varying the operating point and adjusting the virtual potential based on the current operating point via the reference voltage source at the test signal source.
  • the first voltage measuring unit measures a total voltage in parallel to the test object in a measuring circuit, as the sum of a direct voltage and a test voltage
  • the first current measuring unit measures a total current in series with the measuring circuit, as the sum of the direct current and the test current.
  • the total voltage and the total current are then transmitted to the automation unit. This means that both the total voltage and the total current as well as the direct voltage and direct current in the measuring circuit can be determined. Derived measured variables such as power or charging and/or discharging status can also be determined from this.
  • the second voltage measuring unit measures the test voltage in parallel to the test signal source in a test circuit
  • the second current measuring unit measures the test current in series with the test circuit.
  • the test voltage and test current are then transmitted to the automation unit.
  • the test signal can therefore be determined decoupled from the load current or independently of the load voltage.
  • the test signal can be recorded immediately by the automation unit and subsequently evaluated.
  • characteristic values of the test object are determined by an evaluation unit in the automation unit. This means that a wide variety of effects, such as degradation, signal quality and quality of the test object, can be determined.
  • a harmonic distortion factor can be used to determine a relationship between a fundamental wave and a harmonic wave, for example of the test signal or the test object.
  • FIGS. 1 to 4b show advantageous embodiments of the invention by way of example, schematically and non-restrictively. This shows
  • Fig. 2a shows a separate frequency range of direct current and test current
  • Fig. 4a shows a test run with the test unit according to the invention
  • Fig. 4b shows a current-voltage characteristic curve associated with the test run in Fig. 4a.
  • a test object 1 is used, which can be a cell stack, for example.
  • a cell stack consists of a plurality (up to several hundred) of electrochemical components connected in series, such as fuel cells or battery cells or accumulators. However, it is also possible to measure individual electrochemical components with the present invention.
  • an operating point WP is established on a current-voltage characteristic curve 2.
  • the current-voltage characteristic curve 2 in FIG. 1 can contain several characteristic areas.
  • the kinetic inhibition 2.1 can be decisive, while in the medium current range the electrolyte resistance 2.2 can dominate and at high currents transport phenomena 2.3 can be decisive, which can be caused, for example, by diffusion limitations.
  • the current-voltage characteristic curve 2 can of course depend on the electrochemical component. The basic principles are known to those skilled in the art and are therefore not discussed in detail here.
  • a test object 1 has a high potential pole and a low potential pole.
  • the pole with high potential is annotated as positive pole + and is used to determine a virtual potential VM, as will be explained below.
  • the dimensioning of the test object 1 can of course also have an influence on the absolute values of the current-voltage characteristic curve 2.
  • the current-voltage characteristic curve 2 is only shown in the first quadrant of the Cartesian coordinate system, although depending on the polarity and the load on the test object 1, the part of the current-voltage characteristic curve 2 in the third quadrant can also be decisive.
  • the voltage U(V) is given on the ordinate and the current l(A) is given on the abscissa.
  • the cell voltage Uz corresponds approximately to the ideal cell voltage Uo when idle (i.e. with a cell current lz of zero).
  • the cell voltage Uz can be 1.2 V in a classic fuel cell with redox educts hydrogen and oxygen.
  • lithium-ion batteries have a cell voltage Uo of approximately 3.6 V.
  • the cell voltage U(V) decreases depending on the current I (A).
  • the course (slope and length) of the current-voltage characteristics 2 can be dependent on various parameters, e.g. on the geometry, the media supply, the aging of the electrochemical components in the test object 1, etc. Such current-voltage characteristics 2 can in principle be recorded by each individual electrochemical component or by the entire test object 1.
  • the test object 1 is loaded with a direct current l D c.
  • a stationary operating point WP to be set on the current-voltage characteristic curve 2, as shown in FIG. 1.
  • the loading in the method according to the invention is not stationary, but rather For example, it is designed as a ramp, sine function or in defined steps. This means that the working point WP can be varied in a targeted manner.
  • the testing process i.e. the signal imprinting, is carried out according to the invention by means of a test current IAC - i.e. an alternating current - which is impressed into the test object 1.
  • the frequency range of the test current IAC is referred to as the “AG range” and can contain one or more defined impression frequencies f. It is also possible for an entire frequency spectrum to be recorded.
  • the impression frequency f of a test current IAC can be changed from a high frequency, for example in the megahertz (MHz) range, to a limit frequency f u in the millihertz (mHz) range.
  • the frequency range is usually determined by a person skilled in the art before a test procedure and can contain a range corresponding to the electrochemical component for the at least one impression frequency f.
  • the operating point WP can also change during a measurement. For example, degradation or discharge can lead to a change in the current-voltage characteristic curve 2 or a discharge curve (not shown) and thus unintentionally change the operating point WP.
  • a working point WP can also be changed intentionally, for example by an automation unit 6. This may be necessary, for example, when operating a fuel cell in the vehicle in order to be able to react to alternating power requirements.
  • the test object 1 is, on the one hand, loaded by a direct current l D c, which is specified by an automation unit 6 as the target current IDC.SOII, and, on the other hand, a test current IAC is impressed into the test object 1.
  • the frequency range of the test current IAC can start at a limit frequency f u . But it is also possible, for example, for the test current IAC to start at a high impression frequency f, for example in the MHz range.
  • the frequency range of a change in the direct current l D c, ie the operating point WP ranges from 0 Hz and up to a DC limit frequency f 0 .
  • the DC cut-off frequency f 0 and the cut-off frequency f u may be as far apart as possible (DC cut-off frequency f 0 « cut-off frequency f u ), preferably by at least a factor of 10, ie by a frequency decade.
  • Fig. 2a a good separation of the frequency ranges of the change of the direct current l D c and the test current IAC is shown.
  • the abscissa shows the logarithmic frequency and the ordinate shows the current. This can prevent the measurement technology from being overcontrolled and the above-mentioned restrictions from occurring. In practice, however, these two areas overlap, which can be illustrated by a short calculation example and is shown schematically in Fig. 2b.
  • the voltages and currents are shown as a function of time t in the calculation example for purely illustrative purposes.
  • test current llAc(t) applied to a test object 1, shown here as a function of time t, and the test current l AC (t) impressed into the test object 1
  • Z impedance
  • w 2*TT*f denotes the circular frequency
  • Ü the peak voltage
  • I the peak current of the impressed test current
  • test current l A c with a peak current I of 2 A is impressed into a test object 1 with an impedance Z of 0.1 ohm, this results in a test voltage UAC with a peak voltage Ü of 0.2 V.
  • the test circuit is discussed in detail below. Thus, overlapping the frequencies as shown in Fig. 2b will not be a problem for the evaluation of the test signal.
  • a test circuit 1 shows a test circuit according to the invention for a test object 1.
  • a measuring circuit 12 there are at least provided: a load unit 3, a first voltage measuring unit 5 and the test object 1, for example as a cell stack.
  • the test object 1 is, for example, a stack of electrochemical components, ie electrolysers, primary cells (batteries), accumulators (secondary cells), fuel cells etc. are provided.
  • the test arrangement 1 is controlled by an automation unit 6.
  • the automation unit 6 can be an integral part of a test bench, or a control unit of a vehicle, or a battery management system of a battery, or a fuel cell control unit.
  • the test arrangement 1 can therefore be used in a variety of applications that are familiar to those skilled in the art.
  • the load unit 3 is connected to the automation unit 6, with the automation unit 6 specifying a load current IDC.SOII to the load unit 3.
  • the load unit 3 then provides a direct current l D c in the test object 1.
  • a load voltage UDc.soii is specified by the automation unit 6.
  • the loading unit 3 is usually designed to introduce a high direct current l D c into the test object 1, since, for example, charging a battery requires several 100 amperes of current.
  • the automation unit 6 can also be designed to control the supply of gas streams (for example hydrogen and oxygen) when operating a fuel cell as a test object 1 and can thus set the operating point WP on the test object 1.
  • the load unit 3 may also be possible for the load unit 3 to be a consumer. This is advantageous if the test object 1 is, for example, a battery or an accumulator, and the load unit 3 is operated as a consumer via the battery and the accumulator. Then it may not be necessary for a direct current IDC to be specified on test object 1. It is also conceivable that the role of the load unit 3, i.e. voltage-controlled power source or consumer, changes depending on the operating mode of the test object 1. Such a change can be the case, for example, with charging and discharging cycles for batteries and accumulators.
  • the loading unit 3 is demonstrated using the example of a direct current IDC, but is not limited to this application.
  • the load caused by the direct current IDC can take place and be defined both in the form of a negative direct current IDC (e.g. in an electrolyzer or a battery as test object 1), as well as in the form of a positive direct current IDC (e.g. in a fuel cell as test object 1). the operating point WP in the current-voltage characteristic curve 2.
  • a direct voltage UDC is established on the test object 1 based on the current-voltage characteristic curve 2.
  • a regulated current sink for example, can be provided as the load unit 3.
  • a current-voltage characteristic curve 2 is recorded by the automation unit 6.
  • the direct current l D c can be changed from a first value ,set to a second value l 2 ,set and during this time the total voltage U ge s via the first voltage measuring unit 5 (without applying a test signal l A c identical to the direct voltage UDC ) can be measured.
  • This measurement can be carried out, for example, with scanning speeds of 5 A/s to 500 A/s, preferably from 50 A/s to 100 A/s.
  • the current-voltage characteristic curve 2 may also be recorded within a defined period of time, for example in 1 minute.
  • the scanning speed can therefore be different.
  • the recording of the current-voltage characteristic curve 2 can also depend on the number of points to be recorded on the current-voltage characteristic curve 2.
  • the current-voltage characteristic curve 2 is remeasured during operation, for example only at least one value (current-voltage value pair, for example only the first value, set) can be measured on the current-voltage characteristic curve 2.
  • current-voltage value pair for example only the first value, set
  • degradation of the test object 1 during operation can be traced.
  • the first value .set and the second value l 2 , Se t are shown as examples.
  • the values are above the short-circuit current (Ice) and below the open-circuit voltage Uz during operation.
  • a further range of the current-voltage characteristic curve 2 can also be sampled, for example from a negative current range to a positive current range.
  • the first voltage measuring device 5 is connected in parallel to the test object 1 to determine the total voltage Uces and measures the voltage drop between the + pole and ground GND.
  • the total voltage U total UAC + UDC can thus be measured on the first voltage measuring device 5 and passed on to the automation unit 6.
  • the total voltage U tot consists of a direct voltage UDC of the load unit 3 and a test voltage UAC of a test signal. If there is no test signal, the total voltage U total corresponds to the direct voltage UDC.
  • the total current l tot is measured at a first current measuring unit 4, which is connected in series with the test object 1 in the measuring circuit 12, and passed on to the automation unit 6.
  • the total current l tot consists of a direct current l D c of the load unit 3 and a test current l A c of a test signal. As long as no test signal is used, only the direct voltage UDC and the direct current l D c are present on the test object 1.
  • the first voltage measuring device 5 When the current-voltage characteristic curve 2 is first recorded by the automation unit 6, no test signal is yet impressed into the test object 1.
  • the first voltage measuring device 5 therefore only measures the direct voltage UDC and the first current measuring unit 4 only measures the direct current l D c.
  • UDC f (IDC) of the test object 1.
  • the test object 1 can also be operated in the measuring circuit 12 with the load unit 3. This can be used, for example, to charge an accumulator. However, it is also possible to operate a fuel cell by supplying gas (not shown). When operating a fuel cell, for example, the total voltage U total and the total current l total are only measured and are not specified by the load unit 3. However, it is still possible to carry out a test signal injection according to the invention during operation without loading from the loading unit 3.
  • the test circuit 12.1 contains a test signal source 7, a reference voltage source 9, a second voltage measuring unit 10 and a second current measuring unit 11.
  • the test signal source 7 is designed to impress a test current l AC into the test object 1 as a test signal.
  • the test signal source 7 is connected to the automation unit 6 and is designed to impress a test current l AC into the test object 1 in accordance with a target test current l AC specified by the automation unit 6.
  • the test current l AC can be introduced, for example, via a voltage-controlled current source 7 (U->l). However, it is also conceivable that a test voltage U A c is introduced. For this purpose, it may then be necessary to also adapt the test signal source 7.
  • test current l AC When a test current l AC is specified, a test voltage U A c is established on the test object 1. This is superimposed on the direct voltage UDC of the load unit 3 and measured via the total voltage Uces on the first voltage measuring unit 5. For example, individual frequencies can be impressed. The test current l AC therefore has at least one impression frequency f. However, an entire frequency spectrum can also be impressed and recorded. The frequency is continuously changed and the resulting test voltage U A c is recorded.
  • the various forms of generating a test signal are known in the prior art and are familiar to those skilled in the art.
  • the reference voltage source 9 is designed as a voltage-controlled voltage source (U->U), the reference voltage source 9 providing a virtual potential VM.
  • U->U voltage-controlled voltage source
  • the reference voltage source 9 provides a virtual potential VM.
  • a test signal source 7 can be used, which does not require any special dielectric strength because only a small test voltage UAC is generated.
  • the virtual potential M is determined via the recorded current-voltage characteristic curve 2, which was recorded in the absence of the test signal.
  • the virtual potential VM thus corresponds to the current operating point WP of the test object 1, which, however, can change continuously or suddenly during operation.
  • the second voltage measuring unit 10 measures the test voltage UAC with high precision and passes this on to the automation unit 6.
  • the test voltage UAC is applied, it is applied to the direct voltage UDC during operation and the total voltage Uces changes accordingly.
  • the virtual potential VM corresponds, via the relation in the current-voltage characteristic curve 2, to the direct voltage UDC at the operating point WP as already described above.
  • the total current l tot flowing through the test object 1 and the total voltage U tot applied to the test object 1 are basically composed of the test current l A c and the direct current l D c or of the test voltage UAC and the direct voltage UDC. Due to the present arrangement, the test signal source 7 is always raised to the potential of the direct voltage UDC - which represents the virtual potential VM - via the reference voltage source 9. A test signal can thus be continuously impressed via the test signal source 7, without the limitations of a coupling capacitor. Consequently, it is possible to imprint a test signal not only at a stationary operating point WP, but also in the event of desired and unintentional changes to the operating point WP.
  • the reference voltage source 9 can have a very low internal resistance and therefore has little to no voltage loss.
  • the test current l AC is measured via the second current measuring unit 11 and fed to the automation unit 6.
  • the second current measuring unit 11 can in principle measure the test current l AC with a high degree of accuracy, for example in the nano-ampere nA to pico-ampere pA range.
  • the operating point WP can therefore be varied based on the recorded current-voltage characteristic curve 2.
  • An exemplary ramp with a shift in the operating point WP over the total current l tot is shown in FIG. 4b.
  • the automation unit 6 can have an evaluation unit 60, which is designed to process and also display the direct voltage UDC, the test voltage U A c and the test current l AC as well as the direct current l D c via the load current IDC.SOII in order to carry out a test process.
  • the load current IDC.SOII is specified by the automation unit 6 and changes the value of the direct current l D c from a first value ,set to a second value l 2 ,setab. 4a shows an example of a desired shift of the operating point WP in the form of a ramp from a first value ,set to a second value l 2 ,set.
  • Other functions are also conceivable, depending on time, such as circular functions (sine, cosine) or gradual increases in the direct current l D c.
  • the test current l AC is impressed via the test signal source 7, for example with a single impression frequency f, as shown in FIG. 4a.
  • Fig. 4b shows the current-voltage characteristic curve 2 with the direct voltage UDC and the superimposed test voltage U A c.
  • the first quadrant of the current-voltage characteristic curve 2 has been completely scanned, for example with the ramp from FIG. 4a from an operating point WP with low direct current l D c, i.e. , se t, to an operating point with high direct current l D c , so l 2 , se t.
  • the test voltage U A c is out of phase with the test current l AC .
  • inductive and/or capacitive components in a test object 1 lead to a phase shift by an angle (p.
  • a spectroscopic analysis - i.e. with different frequencies - it is therefore possible to measure different capacitive, inductive and ohmic components. This is advantageous because it allows various effects, such as electrolyte or electrode degradation, to be measured.
  • Signal changes can thus be measured by the loading unit 3, which can be faster than the test signals from the test signal source 7.
  • the frequency ranges of the loading unit 3 and the at least one test signal can overlap, as shown in FIG. 2b, but continuous, uninterrupted signal impression or measurement is still possible.
  • the automation unit 6 can be an integral part of a test bench or can be designed as an external unit.
  • the automation unit 6 can be integrated in a control unit of a vehicle (control unit or CU for short), in a battery management system (BMS), in a fuel cell control unit (FCCU), etc.
  • the automation unit 6 can now process the test voltage UAC, preferably in the evaluation unit 60, in order to obtain characteristic values of the test object 1, such as frequency-dependent impedances, harmonics, harmonic distortion, etc., at the respective operating point WP (ie at the respective direct voltage UDC and the respective direct current l D c). determine.

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Abstract

Die gegenständliche Erfindung zeigt eine Testanordnung für eine Überprüfung eines Testobjekts (1), wobei in der Testanordnung eine Belastungseinheit (3) vorgesehen ist, welche mit einer Äutomatisierungseinheit (6) verbunden und ausgestaltet ist, einen von der Äutomatisierungseinheit (6) vorgegebenen Ärbeitspunkt (WP) auf einer Strom-Spannungs-Kennlinie (2) des Testobjekts (1) mittels eines Gleichstroms (IDC) vorzugeben, dadurch gekennzeichnet dass die Testanordnung zumindest aufweist: die Äutomatisierungseinheit (6), welche ausgestaltet ist, über eine erste Spannungsmesseinheit (5) und über eine erste Strommesseinheit (4) aus der Strom-Spannungs-Kennlinie (2) ein virtuelles Potential (VM) zu bestimmen und über eine zweite Spannungsmesseinheit (10) und eine zweite Strommesseinheit (11) einen Prüfstrom (lAC) und eine sich einstellende Prüfspannung (UAC) zu messen; eine Prüfsignalquelle (7), welche mit der Äutomatisierungseinheit (6) verbunden ist und ausgestaltet ist, dem Testobjekt (1) den Prüfstrom (lAC) einzuprägen; und eine Referenzspannungsquelle (9), welche mit der Äutomatisierungseinheit (6) verbunden und ausgestaltet ist, der Prüfsignalquelle (7) das virtuelle Potential (VM) vorzugeben.

Description

Prüfanordnung für einen elektrochemischen Zellstapel
Die gegenständliche Erfindung zeigt eine Testanordnung für eine Überprüfung eines Testobjekts, wobei in der Testanordnung eine Belastungseinheit vorgesehen ist, welche mit einer Automatisierungseinheit verbunden und ausgestaltet ist, einen von der Automatisierungseinheit vorgegebenen Arbeitspunkt auf einer Strom-Spannungs-Kennlinie des Testobjekts mittels eines Gleichstroms vorzugeben. Weiters zeigt die gegenständliche Erfindung ein Verfahren zur Überprüfung des Testobjekts.
Eine Analyse von elektrochemischen Bauteilen, wie Batterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen, und weitere, ist essentiell, um beispielsweise die Leistung, Degradation und Lebenszeit dieser elektrochemischen Bauteile zu bestimmen. Das ist vor allem wichtig, wenn solche Bauteile länger im Betrieb sind. Eine hoch reproduzierbare und gut anwendbare Analysemethode stellt die Impedanzmessung von elektrochemischen Bauteilen dar. Damit ist es möglich - im Gegensatz zu klassischen DC-Messungen - Anteile des Widerstands von der Elektrode, Kathode und des Elektrolyten zu bestimmen. Das ist vor allem bei Alterungsprozessen wichtig.
Am Beispiel von Brennstoffzellen kann gerade eine Analyse der Kathode wichtig sein, da diese den ratenbestimmenden Schritt der Reaktion einer Brennstoffzelle darstellt. Die Degradation an der Kathode führt beispielsweise zu Leistungsverlust der Brennstoffzellen. Weiters kann es auch nötig sein, den Widerstand des Elektrolyten zu bestimmen. Ein Verlust des Elektrolytwiderstands kann beispielweise den Ausfall einer ganzen Zelle bedeuten.
Im Regelfall sind elektrochemische Bauteile in Serie zu sogenannten Zellstacks zusammengeschaltet, um eine nominell hohe Spannung zu erzeugen. Beispiele für Zellstacks sind Brennstoffzellenstacks, aber es sind auch andere Stacks wie beispielsweise Redox-Flow-Batterie Stacks in Verwendung. Eine Mehrzahl von elektrochemischen Zellen (oftmals hunderte an der Zahl), werden dazu zu einem Zellstack zusammengeschlossen, womit sich am Zellstack eine Stackspannung in Höhe von mehreren 100 bis zu ungefähr! 000 Volt ergeben kann.
Bei Belastung der elektrochemischen Bauteile ist die reale Spannung auf Basis der Strom- Spannungs-Kennlinie kleiner als die nominelle Zellspannung. Die Gründe dafür liegen in kinetischer Hemmung des Ladungsdurchtritts, im ohmschen Widerstand des Elektrolyten und in Transportlimitationen, welche im Regelfall bei hohen Strömen auftreten. So beträgt beispielsweise die Zellspannung einer einzelnen Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle im Leerlauf ca. 1 V und sinkt bei Belastung auf unter 0,3 V ab. Weiters ist die Strom- Spannungs-Kennlinie von diversen Parametern abhängig, beispielsweise von der Geometrie, der Medienversorgung, der Alterung des Zellstacks, usw. und kann somit für jede Zelle und natürlich auch für einen Zellstack anders aussehen. Für die klassische Prüfung eines Testobjekts, wie eines Zellstacks, wird ein Arbeitspunkt an der Strom-Spannungs-Kennlinie angesteuert. An diesem stationären Punkt kann eine Impedanzmessung erfolgen. Dabei wird einem Gleichstrom-Anteil (DC) ein Wechselstrom- Anteil (AC) als Prüfstrom aufgeschlagen (eingeprägt), welcher dann eine genaue Analyse der einzelnen Bestandteile der Zellen erlaubt. Der Prüfstrom kann beispielsweise sinusförmig sein, es sind aber auch andere Signalformen möglich, wie etwa Pseudo-Gleichverteilte- Binärsignale (Pseudo-Random-Binary-Signal - PRBS). Der Prüfstrom kann dabei eine einzelne oder eine Mehrzahl an Frequenzen, oder auch ein gesamtes Spektrum an Frequenzen aufweisen.
Zum Prüfen eines Testobjekts, z.B. einer Batterie oder Brennstoffzelle, ist (z.B. an einem Prüfstand) eine Prüfanordnung vorgesehen. Dabei kann dem Testobjekt bestehend aus einer Anzahl an elektrochemischen Bauteilen durch eine Belastungseinheit ein Arbeitspunkt vorgegeben werden und das Testobjekt mit einem positiven Strom belastet werden, was im Wesentlichen einem Entladen des Testobjekts entspricht. Das Testobjekt kann aber von der Belastungseinheit auch mit einem negativen Strom beladen werden, was im Wesentlichen einem Aufladen des Testobjekts entspricht. Insbesondere für reversibel arbeitende Testobjekte (z.B. bei Vorhandensein einer Sekundärbatterie, also eines Akkumulators) kann die Belastungseinheit daher auch als eine kombinierte Belastungs-/Beladungseinheit ausgeführt sein. Natürlich ist auch die Strom-Spannungs-Kennlinie abhängig von der Polarität des Arbeitspunkts und kann unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise können bei Entladung an einer Elektrode, Transportphänomene eine untergeordnete oder gar keine Rolle spielen, während beim Laden an derselben Elektrode Transportphänomene die Strom-Spannungs-Kennlinie signifikant beeinflussen. Natürlich kann nicht nur ein Strom eingeprägt werden, es ist natürlich auch möglich, dass eine Spannung eingeprägt wird.
Während eines Prüfvorgangs stellen sich am Testobjekt Messgrößen - Strom oder Spannung - ein, welche, z.B. mit einer Einheit des Prüfstands, ermittelt und ausgewertet werden. Dies erfolgt jedoch praktisch, wie oben erwähnt, nur im stationären Arbeitspunkt, d.h. beispielsweise bei konstantem Belastungsstrom. Eine Änderung des Arbeitspunktes, während der Messung hat natürlich Auswirkungen auf den Prüfvorgang. Abhängig von der Dauer der Messung - beispielsweise bei einem gesamten Spektrum vom Megahertz (MHz) bis zum Millihertz (mHz) Bereich - kann es zu einer Verzerrung der gemessenen Spektren im Prüfvorgang kommen. Es kann auch passieren, dass durch eine zu schnelle Änderung des Arbeitspunkts eine Auswertung des Prüfvorgangs nicht mehr möglich ist, beispielsweise über klassische Ersatzschaltbilder, wie mit Widerstands-Kondensator Glieder (RC-Glied).
Eine regelmäßiger, unterbrechungsfreier Prüfvorgang ist wichtig, um Verluste in Leistung und Degradation zeitnah zu erkennen und das Testobjekt bzw. Stack gegebenenfalls abschalten zu können. Zur Messung der Impedanz (AC-Anteil) wird üblicherweise ein Koppelkondensator verwendet, der es ermöglicht, den DC-Anteil des Arbeitspunktes vom AC-Anteil der Impedanz aufzutrennen. Bei schnellen Änderungen des Arbeitspunktes ist es erforderlich, dass sich auch die Spannung am Koppelkondensator ändert. Es kann aber auch passieren, dass die Polarität am Kondensator sich ändert. Da für sehr hohe DC- Spannungen, aber Kondensatoren mit hoher Kapazität im Millifarad (mF) Bereich verwendet werden müssen, um einen Überschlag zu verhindern, kommen praktisch nur Elektrolytkondensatoren als Koppelkondensatoren zu Anwendung. Eine spontane Änderung der Polarität an einem Elektrolytkondensator kann im schlechtesten Fall zu dessen Zerstörung führen.
Um dieses Problem mit einzelnen Koppelkondensatoren zu beheben, wurde entsprechend der AT 517 714 B1 eine Schaltung entwickelt, welche zwei antiseriell geschaltete Koppelkondensatoren verwendet, welche mit beispielsweise Schottky-Dioden geschützt werden. Koppelkondensatoren haben allerdings den Nachteil, dass bei Änderung des Arbeitspunkts der Prüfvorgang solange unterbrochen werden muss, bis die Koppelkondensatoren ent- bzw. geladen wurden. Folglich sind Koppelkondensatoren nicht für Messungen geeignet, bei denen regelmäßige Änderungen des Arbeitspunkts auftreten.
Es ist Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, eine Testanordnung und ein Verfahren zum Testen eines Testobjekts anzugeben, wobei ein unterbrechungsfreies Einbringen von Prüfsignalen in das Testobjekt ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Testanordnung zumindest aufweist: die Automatisierungseinheit, welche ausgestaltet ist, über eine erste Spannungsmesseinheit und über eine erste Strommesseinheit aus der Strom-Spannungs-Kennlinie ein virtuelles Potential zu bestimmen und über eine zweite Spannungsmesseinheit und eine zweite Strommesseinheit einen Prüfstrom und eine sich einstellende Prüfspannung zu messen; eine Prüfsignalquelle, welche mit der Automatisierungseinheit verbunden ist und ausgestaltet ist, dem Testobjekt den Prüfstrom einzuprägen; und eine Referenzspannungsquelle, welche mit der Automatisierungseinheit verbunden und ausgestaltet ist, der Prüfsignalquelle das virtuelle Potential vorzugeben.
Das ist vorteilhaft, weil die Signaländerungen durch die Belastungseinheit schneller als die Signaländerungen der Prüfsignalquelle sein können. Damit ist es möglich, dass sich die Frequenzbereiche der Belastungseinheit und der Prüfsignale überlappen. Es kann also die DC-Grenzfrequenz größer als die Grenzfrequenz sein. Damit sind eine durchgehende unterbrechungsfreie Signaleinprägung und Messung möglich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Automatisierungseinheit ausgebildet, der Belastungseinheit einen Belastungsstrom vorzugeben. Somit kann die Automatisierungseinheit einen sehr genauen Gleichstrom in das Testobjekt einbringen, und ebenfalls gewollte Änderungen sehr schnell umsetzten. Das kann beispielsweise nötig sein, wenn ein Testobjekt in einem Fahrzeug, wie einem Elektrofahrzeug eingesetzt wird, und unterschiedliche Belastungen innerhalb einer relativ kurzen Zeitdauer benötigt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Prüfsignalquelle ausgebildet, den Prüfstrom mit zumindest einer Einprägefrequenz in das Testobjekt einzuprägen. Somit kann ein Wechselstrom mit einer Frequenz, welche charakteristisch ist, um beispielsweise ein Degradationsphänomen zu erkennen, eingeprägt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Prüfsignalquelle ausgebildet, den Prüfstrom als Frequenzspektrum mit einer Mehrzahl an Frequenzen in das Testobjekt einzuprägen. Ein Frequenzspektrum - auch oftmals als Impedanzspektrum annotiert - kann vorteilhaft sein, um verschiedene Phänomene in einem Testobjekt mittels einer Messung zu betrachten. Beispielsweise können Elektrolytwiderstände, kinetische Hemmungen an den Elektroden, chemische Kapazitäten, Streukapazitäten und Ähnliches in einer Messung bestimmt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Automatisierungseinheit integraler Bestandteil eines Prüfstandes, oder eines Steuergeräts eines Fahrzeugs, oder eines Batteriemanagementsystems einer Batterie, oder einer Brennstoffzellensteuereinheit. Die Automatisierungseinheit kann damit in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. Somit kann die Automatisierungseinheit sowohl Ladeprozesse und/oder Entladeprozesse an einem Testobjekt und/oder Zellstack betreiben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Belastungseinheit abhängig vom Betriebsmodus des Testobjekts, wobei die Belastungseinheit eine spannungsgesteuerte Stromquelle oder ein Verbraucher ist. Die Belastungseinheit kann unterschiedlich ausgestaltet sein, je nachdem ob Ladeprozesse und/oder Entladeprozesse an einem Testobjekt und/oder Zellstack stattfinden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch über ein Verfahren zur Überprüfung eines Testobjekts mittels eines Prüfstroms gelöst, wobei eine Automatisierungseinheit folgende Schritte ausführt: Aufnahme einer Strom-Spannungs-Kennlinie unter Vorgabe eines Gleichstroms einer Belastungseinheit über eine erste Spannungsmesseinheit und einer ersten Strommesseinheit; Errechnen eines virtuellen Potentials auf Basis der aufgenommenen Strom-Spannungs-Kennlinie und eines Arbeitspunkts und Vorgabe des virtuellen Potentials über eine Referenzspannungsquelle an eine Prüfsignalquelle; Vorgabe des Prüfstroms über die Prüfsignalquelle, um dem Testobjekt den Prüfstrom einzuprägen und Messen des Prüfstrom und einer sich einstellende Prüfspannung über eine zweite Spannungsmesseinheit und eine zweite Strommesseinheit und Variieren des Arbeitspunkts und Anpassen des virtuellen Potentials auf Basis des aktuellen Arbeitspunkts über die Referenzspannungsquelle an der Prüfsignalquelle.
In einer vorteilhaften Ausführungsform misst die erste Spannungsmesseinheit parallel zum Testobjekt in einem Messtromkreis eine Gesamtspannung, als Summe aus einer Gleichspannung und einer Prüfspannung, und die erste Strommesseinheit misst in Serie zum Messstromkreis einen Gesamtstrom, als Summe aus dem Gleichstrom und dem Prüfstrom. Die Gesamtspannung und der Gesamtstrom werden dann an die Automatisierungseinheit übermittelt. Somit kann sowohl die Gesamtspannung und der Gesamtstrom als auch Gleichspannung und Gleichstrom im Messtromkreis ermittelt werden. Es können daraus auch abgeleitete Messgrößen wie Leistung oder Lade- und/oder Entladezustand ermittelt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform misst die zweite Spannungsmesseinheit parallel zur Prüfsignalquelle in einem Prüfstromkreis die Prüfspannung, und die zweite Strommesseinheit misst in Serie zum Prüfstromkreis den Prüfstrom. Die Prüfspannung und der Prüfstrom werden dann an die Automatisierungseinheit übermittelt. Somit kann das Prüfsignal abgekoppelt vom Belastungsstrom bzw. unabhängig von der Belastungsspannung ermittelt werden. Das Prüfsignal kann sofort von der Automatisierungseinheit aufgenommen werden und in weiterer Folge ausgewertet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden von einer Auswerteeinheit in der Automatisierungseinheit Kennwerte des Testobjekts, vorzugsweise frequenzabhängige Impedanzen, Oberwellen, Klirrfaktoren, ermittelt. Somit können verschiedenste Effekte, wie Degradation, Signalqualität und Qualität des Testobjekts, ermittelt werden. Ein Klirrfaktor kann dabei verwendet werden, um ein Verhältnis zwischen einer Grundwelle und einer Oberwelle, beispielsweise des Prüfsignals oder des Testobjekts, zu ermitteln.
Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4b näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Strom-Spannungskurve eines elektrochemischen Bauteils,
Fig. 2a einen getrennten Frequenzbereich von Gleichstrom und Prüfstrom,
Fig. 2b einen überlappenden Frequenzbereich von Gleichstrom und Prüfstrom,
Fig. 3 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Testanordnung,
Fig. 4a ein Testlauf mit der erfindungsgemäße Prüfeinheit, und
Fig. 4b eine zum Testlauf in Fig. 4a zugehörige Strom-Spannungs-Kennlinie. Im Rahmen der gegenständlichen Beschreibung wird ein Testobjekt 1 verwendet, welches beispielsweise ein Zellstack sein kann. Ein Zellstack besteht aus einer Mehrzahl (bis zu mehrere hunderte) in Serie geschalteten elektrochemischen Bauteilen, wie z.B. Brennstoffzellen oder Batteriezellen oder Akkumulatoren. Es ist aber auch möglich, mit der gegenständlichen Erfindung einzelne elektrochemische Bauteile zu vermessen. Abhängig von der Belastung durch Strom oder Spannung am Testobjekt 1 stellt sich ein Arbeitspunkt WP an einer Strom-Spannungs-Kennlinie 2 ein. Die Strom-Spannungs-Kennlinie 2 in Fig. 1 kann mehrere charakteristische Bereiche beinhalten. Nahe vom Wert des Stroms l=0 kann die kinetischer Hemmung 2.1 maßgebend sein, während im mittleren Strombereich der Elektrolytwiderstand 2.2 dominieren kann und bei hohen Strömen Transportphänomene 2.3 maßgebend sein können, die beispielsweise durch Diffusionslimitationen verursacht werden können. Die Strom-Spannungs-Kennlinie 2 kann natürlich abhängig vom elektrochemischen Bauteil sein. Die grundlegenden Prinzipien sind dem Fachmann bekannt und werden daher hier nicht im Detail erörtert.
Ein Testobjekt 1 hat einen Pol mit hohem Potential und einen Pol mit niedrigem Potential. Der Pol mit hohem Potential wird als positiver Pol + annotiert und dient zur Bestimmung eines virtuellen Potentials VM, wie weiter unten noch erläutert wird.
Auch die Dimensionierung des Testobjekts 1 kann natürlich Einfluss auf die Absolutwerte der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 haben. Zur Veranschaulichung ist die Strom-Spannungs- Kennlinie 2 nur im ersten Quadranten des kartesischen Koordinatensystems gezeigt, wobei abhängig von der Polarität und der Belastung des Testobjekts 1 auch der Teil der Strom- Spannungs-Kennlinie 2 im dritten Quadranten ausschlaggebend sein kann. Auf der Ordinate ist die Spannung U(V) gegeben, auf der Abszisse der Strom l(A). Die Zellspannung Uz entspricht im Leerlauf (d.h. bei einem Zellstrom lz von null) annähernd der idealen Zellspannung Uo. Beispielsweise kann die Zellspannung Uz 1 ,2 V bei einer klassischen Brennstoffzelle mit Redoxedukten Wasserstoff und Sauerstoff sein. Beispielsweise haben Lithium-Ionen-Batterien eine Zellspannung Uo von ungefähr 3,6 V. Unter Belastung, d.h. mit steigendem Strom I (A) sinkt die Zellspannung U(V) jedoch abhängig vom Strom I (A). Der Verlauf (Steilheit und Länge) der Strom-Spannungs-Kennlinien 2 kann von verschiedenen Parametern, z.B. von der Geometrie, der Medienversorgung, der Alterung der elektrochemischen Bauteile im Testobjekt 1 etc. abhängig sein. Solche Strom-Spannungs- Kennlinien 2 können prinzipiell von jedem einzelnen elektrochemischen Bauteil aufgenommen werden oder vom gesamten Testobjekt 1.
Um ein Testobjekt 1 einem Prüfvorgang zu unterziehen, wird das Testobjekt 1 mit einem Gleichstrom lDc belastet. Damit kann ein stationärer Arbeitspunkt WP an der Strom- Spannungs-Kennlinie 2 festgelegt werden, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Es ist aber auch möglich, dass die Belastung in erfindungsgemäßen Verfahren nicht stationär erfolgt, sondern beispielsweise als Rampe, Sinusfunktion oder in definierten Stufen ausgestaltet ist. Damit kann der Arbeitspunkt WP also gezielt variiert werden.
Der Prüfvorgang, also die Signaleinprägung, wird erfindungsgemäß mittels eines Prüfstroms IAC - also mittels eines Wechselstroms - durchgeführt, welcher in das Testobjekt 1 eingeprägt wird. Der Frequenzbereich des Prüfstroms IAC wird mit „AG-Bereich“ bezeichnet und kann eine oder mehrere definierte Einprägefrequenzen f beinhalten. Es ist auch möglich, dass ein gesamtes Frequenzspektrum aufgenommen wird. Dabei kann die Einprägefrequenz f eines Prüfstroms IAC von einer hohen Frequenz, beispielsweise im Megahertz (MHz) Bereich bis zu einer Grenzfrequenz fu im Millihertz (mHz) Bereich verändert werden. Der Frequenzbereich wird im Regelfall vom Fachmann vor einem Prüfvorgang bestimmt, und kann einen dem elektrochemischen Bauteil entsprechenden Bereich für die zumindest eine Einprägefrequenz f enthalten.
Der Arbeitspunkt WP kann sich ebenfalls während einer Messung verändern. Beispielsweise können Degradation oder Entladung zu einer Änderung an der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 bzw. einer Entladekurve (nicht gezeigt) führen und damit den Arbeitspunkt WP ungewollt verändern. Es kann aber auch eine Arbeitspunkt WP absichtlich verändert werden, beispielsweise von einer Automatisierungseinheit 6. Das kann beispielsweise beim Betrieb einer Brennstoffzelle im Fahrzeug nötig sein, um auf alternierenden Strombedarf reagieren zu können.
Um ein Testobjekt 1 einem Prüfvorgang zu unterziehen, wird das Testobjekt 1 einerseits durch einen Gleichstrom lDc, welcher von einer Automatisierungseinheit 6 als Sollstrom IDC.SOII vorgegeben wird, belastet und andererseits ein Prüfstrom IAC in das Testobjekt 1 eingeprägt. Der Frequenzbereich des Prüfstroms IAC kann bei einer Grenzfrequenz fu starten. Es ist aber auch beispielsweise möglich, dass der Prüfstroms IAC bei einer hohen Einprägefrequenz f startet, beispielsweise im MHz Bereich. Der Frequenzbereich einer Änderung des Gleichstroms lDc, d.h. des Arbeitspunkts WP reicht von 0 Hz und bis zu einer DC- Grenzfrequenz f0. Es kann prinzipiell wünschenswert sein, dass die DC-Grenzfrequenz f0 und die Grenzfrequenz fu möglichst weit auseinanderliegen (DC-Grenzfrequenz f0 « Grenzfrequenz fu), vorzugsweise mindestens um den Faktor 10, d.h. um eine Frequenz- Dekade.
In Fig. 2a wird eine gute Trennung der Frequenzbereiche der Änderung des Gleichstroms lDc und des Prüfstroms IAC gezeigt. Die Abszisse zeigt dabei die logarithmierte Frequenz und die Ordinate den Strom. Damit kann verhindert werden, dass die Messtechnik übersteuert und die oben genannten Einschränkungen auftreten. In der Praxis überlappen sich diese beiden Bereiche jedoch, was in Folge durch ein kurzes Rechenbeispiel dargestellt werden kann und in Fig. 2b schematisch dargestellt wird. Die Spannungen und Ströme sind zur reinen Erläuterung im Rechenbeispiel als Funktion der Zeit t dargestellt.
Der Zusammenhang zwischen einer an einem Testobjekt 1 angelegten Prüfstrom llAc(t), hier als Funktion der Zeit t dargestellt, und dem in das Testobjekt 1 eingeprägten Prüfstrom lAC(t) kann allgemein über die Impedanz Z des Testobjekts 1 beschrieben werden: llAc(t) = lAc(t) * Z. Für harmonische Schwingungen ergibt sich der allgemeine Zusammenhang u(t) = Ü*sin(w*t) = l*Z*sin(w*t). In Bezug auf ein Testobjekt 1 bezeichnet w = 2*TT*f die Kreisfrequenz, Ü die Spitzenspannung und I den Spitzenstrom des eingeprägten Prüfstrom I Ac(t) dar. Die Spitzenspannung Ü und der Spitzenstrom I hängen wiederum über die Impedanz Z des Testobjekts 1 zusammen: Ü = T Z. Über die erste zeitliche Ableitung du(t)/dt = Ü* 2*TT*f *cos(cü*t) ergeben sich die Extremwerte (Maximalwerte und Minimalwerte) der Prüfspannung llAc(t) zu den Zeitpunkten t = 0, TT, 2*TT, USW.
Wird, beispielsweise, in ein Testobjekt 1 mit einer Impedanz Z von 0,1 Ohm ein Prüfstrom lAc mit einem Spitzenstrom I von 2 A eingeprägt, so ergibt sich eine Prüfspannung UAC mit einer Spitzenspannung Ü von 0,2 V. Bei einer Einprägefrequenz f von 1 Hz (Prüfkreisfrequenz w = 2TTf = 2TT) ergibt sich für die Prüfspannung UAC eine maximale Spannungsänderung du(t)/dt = Ü* 2*TT*f *cos(w*t) = 1 ,256 V/s. Dieselbe maximale Spannungsänderung dU(t)/dt ergibt sich für den Prüfstrom lAc mit einem Spitzenstrom I von 0,2 A bei einer Einprägefrequenz f von 10 Hz, oder bei einem Spitzenstrom I von 20 A bei einer Einprägefrequenz f von 0,1 Hz usw.
Wird davon ausgegangen, dass sich für ein Testobjekt 1 eine maximale Änderung der Gleichspannung UDC (d.h. des Arbeitspunkts) von 250 V/s ergibt, so folgt daraus für die Gleichspannung UDC eine Spitzenspannung Ü von 40 V bei einer Frequenz f von 1 Hz, und eine Spitzenspannung Ü von 1 V bei einer Frequenz von 40 Hz etc. Somit ist erkennbar, dass sich die DC-Grenzfrequenz f0 und die Grenzfrequenz fu zwischen 1 Hz und 40 Hz überlappen können, wie auch schematisch in Fig. 2b dargestellt wird.
Durch die erfindungsgemäße Testschaltung mit der Prüfsignalquelle 7 und der in Serie geschalteten spannungsgesteuerten Spannungsquelle 9 wird mit der zweiten Spannungsmesseinheit 10 nur die Frequenzanteile der Prüfspannung UAC erfasst, weil die Frequenzanteile der Belastungseinheit 3 durch die Serienschaltung subtrahiert werden, Uges = M + UAC, oder UAC = Uges- M). Die Testschaltung wird unten im Detail erörtert. Somit kann ein Überlappen der Frequenzen wie in Fig. 2b gezeigt wird unproblematisch für die Auswertung des Prüfsignals sein.
Fig. 3 stellt eine erfindungsgemäße Testschaltung für ein Testobjekt 1 dar. In einem Messstromkreis 12 sind zumindest vorgesehen: eine Belastungseinheit 3, eine erste Spannungsmesseinheit 5 sowie das Testobjekt 1 , beispielsweise als Zellstack. Als Testobjekt 1 ist, wie bereits erwähnt, beispielsweise ein Stapel elektrochemischer Bauteile, d.h. z.B. Elektrolyseure, Primärzellen (Batterien), Akkumulatoren (Sekundärzellen), Brennstoffzellen etc., vorgesehen. Die Testanordnung 1 wird von einer Automatisierungseinheit 6 gesteuert. Die Automatisierungseinheit 6 kann ein integraler Bestandteil eines Prüfstandes, oder eines Steuergeräts eines Fahrzeugs, oder eines Batteriemanagementsystems einer Batterie, oder einer Brennstoffzellensteuereinheit sein. Somit kann die Testanordnung 1 in einer Vielzahl an Anwendungen eingesetzt werden, welche dem Fachmann geläufig sind.
Die Belastungseinheit 3 ist mit der Automatisierungseinheit 6 verbunden, wobei die Automatisierungseinheit 6 der Belastungseinheit 3 einen Belastungsstrom IDC.SOII vorgibt. Die Belastungseinheit 3 gibt dann einen Gleichstrom lDc im Testobjekt 1 vor. Es ist aber auch vorstellbar, dass eine Belastungsspannung UDc.soiivon der Automatisierungseinheit 6 vorgegeben wird. Die Belastungseinheit 3 ist im Regelfall ausgebildet, einen hohen Gleichstrom lDc in das Testobjekt 1 einzubringen, da beispielsweise Laden eines Akkumulators mehrere 100 Ampere Strom benötigt. Die Automatisierungseinheit 6 kann aber auch ausgebildet sein bei Betrieb einer Brennstoffzelle als Testobjekt 1 die Zufuhr von Gasströmen zu steuern (beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff) und kann damit den Arbeitspunkt WP am Testobjekt 1 einstellen.
Es kann aber auch möglich sein, dass die Belastungseinheit 3 ein Verbraucher ist. Das ist dann vorteilhaft, wenn das Testobjekt 1 beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator ist, und die Belastungseinheit 3 als Verbraucher über die Batterie und den Akkumulator betrieben wird. Dann kann es nicht nötig sein, dass ein Gleichstrom IDC am Testobjekt 1 vorgegeben wird. Es ist auch vorstellbar, dass die Rolle der Belastungseinheit 3, also spannungsgesteuerte Stromquelle oder Verbraucher, je nach Betriebsmodus des Testobjekts 1 wechselt. Ein solcher Wechsel kann beispielsweise bei Lade - und Entladezyklen bei Batterien und Akkumulatoren der Fall sein.
Zur Beschreibung der Erfindung wird die Belastungseinheit 3 am Beispiel eines Gleichstroms IDC demonstriert, ist aber nicht auf diese Anwendung beschränkt. Die Belastung durch den Gleichstrom IDC kann in diesem Zusammenhang sowohl in Form eines negativen Gleichstroms IDC (Z. B. bei einem Elektrolyseur oder einer Batterie als Testobjekt 1), als auch in Form eines positiven Gleichstroms IDC (Z. B. bei einer Brennstoffzelle als Testobjekt 1) erfolgen und definiert den Arbeitspunkt WP in der Strom-Spannungs-Kennlinie 2. Dabei stellt sich am Testobjekt 1 eine Gleichspannung UDC auf Basis der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 ein. Als Belastungseinheit 3 kann beispielsweise eine geregelte Stromsenke vorgesehen sein.
Zur Bestimmung eines virtuelle Potentials VM wird eine Strom-Spannungs-Kennlinie 2 von der Automatisierungseinheit 6 aufgenommen. Zur Aufnahme der Strom-Spannungs- Kennlinie 2 kann der Gleichstrom lDc von einem ersten Wert ,set bis zu einem zweiten Wert l2,set geändert werden und währenddessen die Gesamtspannung Uges über die erste Spannungsmesseinheit 5 (ohne Anlegen eines Prüfsignals lAc identisch mit der Gleichspannung UDC) gemessen werden. Diese Messung kann beispielsweise mit Abtastgeschwindigkeiten von 5 A/s zu 500 A/s, bevorzugterweise von 50 A/s bis 100 A/s, erfolgen. Es kann aber auch möglich sein, dass in einer definierten Zeitdauer, beispielsweise in 1 min, die Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 erfolgt. Je nach Vorgabe des ersten Werts ,set und des zweiten Werts l2,set kann die Abtastgeschwindigkeit daher unterschiedlich sein. Die Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 kann auch abhängig von der Anzahl der aufzunehmenden Punkte an der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 sein.
Wenn die Strom-Spannungs-Kennlinie 2 im Betrieb nachgemessen wird, kann beispielsweise nur zumindest ein Wert (Strom-Spannungs-Wertpaar, beispielweise nur den ersten Werts ,set) an der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 gemessen werden. Somit kann beispielsweise eine Degradation des Testobjekts 1 im Betreib nachvollzogen werden.
In Fig. 1 sind exemplarisch erster Wert .set und zweiter Wert l2,Set gezeigt. Vorteilhafterweise liegen die Werte oberhalb des Kurzschlussstroms (Ice) und unterhalb der Leerlaufspannung Uz im Betrieb. Für Testzwecke kann aber auch ein weiterer Bereich der Strom-Spannungs- Kennlinie 2 abgetastet werden, beispielsweise von einem negativen Strombereich zu einem positivem Strombereich. Dabei kann dann der Punkt der Gleichspannung lDc= 0 durchlaufen werden.
Zur Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 wird sowohl die Gesamtspannung Uces als auch der Gesamtstrom Ices gemessen. Das erste Spannungsmessgerät 5 ist zur Ermittlung der Gesamtspannung Uces parallel zum Testobjekt 1 geschaltet und misst den Spannungsabfall zwischen + Pol und Masse GND. Somit kann am ersten Spannungsmessgerät 5 die Gesamtspannung Uges = UAC + UDC gemessen werden und an die Automatisierungseinheit 6 weitergegebenen werden. Die Gesamtspannung Uges besteht aus einer Gleichspannung UDC der Belastungseinheit 3 und einer Prüfspannung UAC eines Prüfsignals. Wenn kein Prüfsignal anliegt, entspricht die Gesamtspannung Uges der Gleichspannung UDC. Der Gesamtstrom lges wird an einer ersten Strommesseinheit 4, welcher in Serie mit dem Testobjekt 1 im Messstromkreis 12 geschaltet ist, gemessen und an die Automatisierungseinheit 6 weitergegeben. Der Gesamtstrom lges setzt sich aus einem Gleichstrom lDc der Belastungseinheit 3 und einem Prüfstrom lAc eines Prüfsignals. Solange kein Prüfsignal verwendet wird, sind nur die Gleichspannung UDC und der Gleichstrom lDc am Testobjekt 1 anliegend.
Bei einer ersten Aufnahme der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 durch die Automatisierungseinheit 6 wird noch kein Prüfsignal in das Testobjekt 1 eingeprägt. Das erste Spannungsmessgerät 5 misst daher nur die Gleichspannung UDC und die erste Strommesseinheit 4 nur den Gleichstrom lDc. Aus dem Zusammenhang der Werte des Gleichstroms lDc und der Gleichspannung UDC ergibt sich eine Strom-Spannungs-Kennlinie 2 mit UDC = f (IDC) des Testobjekts 1. Diese Werte, und damit die Strom-Spannungs-Kennlinie 2 können beispielsweise als Tabelle abgelegt werden. Anhand der Strom-Spannungs- Kennlinie 2 kann die Gleichspannung UDC für jeden Gleichstrom IDC vorhergesagt werden. Solche Strom-Spannungs-Kennlinien 2 können in regelmäßigen Zeitabständen aufgenommen werden, um Entladung, Degradation und Alterung eines Testobjekts 1 verfolgen zu können.
Mit der Belastungseinheit 3 kann das Testobjekt 1 im Messstromkreis 12 auch betrieben werden. Damit kann beispielsweise ein Akkumulator geladen werden. Es ist aber auch möglich, eine Brennstoffzelle mittels Gaszufuhr (nicht gezeigt) zu betreiben. Bei Betrieb einer Brennstoffzelle wird dann beispielsweise Gesamtspannung Uges und Gesamtstrom lges nur gemessen und nicht von der Belastungseinheit 3 vorgegeben. Es ist aber dennoch möglich, eine erfindungsgemäße Prüfsignaleinprägung während des Betriebs ohne Belastung durch die Belastungseinheit 3 vorzunehmen.
Der Prüfstromkreis 12.1 beinhaltet erfindungsgemäß eine Prüfsignalquelle 7, eine Referenzspannungsquelle 9, eine zweite Spannungsmesseinheit 10 und eine zweite Strommesseinheit 11. Die Prüfsignalquelle 7 ist ausgestaltet, einen Prüfstrom lAC als Prüfsignal in das Testobjekt 1 einzuprägen. Die Prüfsignalquelle 7 ist mit der Automatisierungseinheit 6 verbunden und ausgestaltet, einen Prüfstrom lAC entsprechend einem, von der Automatisierungseinheit 6 vorgegebenen, Soll-Prüfstrom lAC,soii in das Testobjekt 1 einzuprägen. Der Prüfstrom lAC kann beispielsweise über eine spannungsgesteuerte Stromquelle 7 (U->l) eingebracht werden. Es ist aber auch denkbar, dass eine Prüfspannung UAc eingebracht wird. Dazu kann es dann nötig sein, auch die Prüfsignalquelle 7 anzupassen. Bei Vorgabe eines Prüfstrom lAC stellt sich am Testobjekt 1 eine Prüfspannung UAc ein. Diese wird der Gleichspannung UDC der Belastungseinheit 3 überlagert und über die Gesamtspannung Uces an der ersten Spannungsmesseinheit 5 gemessen. Dabei können beispielsweise einzelne Frequenzen eingeprägt werden. Der Prüfstrom lAC hat also zumindest eine Einprägefrequenz f. Es kann aber auch ein gesamtes Frequenzspektrum eingeprägt und aufgenommen werden. Dabei wird die Frequenz kontinuierlich verändert und die resultierende Prüfspannung UAc aufgenommen. Die verschiedenen Formen der Erzeugung eines Prüfsignals sind im Stand der Technik bekannt und dem Fachmann geläufig.
Eine Messung eines Prüfsignals mittels Prüfstroms lAC bei stationärem Arbeitspunkt WP in der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 ist prinzipiell unproblematisch. Im Stand der Technik wird dazu die Prüfspannung UAc, welche über den Soll-Prüfstrom lAC,soii eingebracht wird, über einen Koppelkondensator aufgetrennt und gemessen (nicht gezeigt). Bei Änderungen des Arbeitspunktes WP kann es zu diversen Nachteilen kommen. Es kann nötig sein, dass ein Koppelkondensator nach einer Arbeitspunktänderung WP neu geladen/entladen wird. Das führt zwangsläufig zu Messpausen, wobei eine Messung bzw. die Erzeugung eines Prüfsignals unterbrochen wird. Diese Nachteile werden erfindungsgemäß vermieden, indem die Prüfsignalquelle 7 auf die momentane Gleichspannung UDC des Testobjekts 1 angehoben wird.
Dazu ist erfindungsgemäß die Referenzspannungsquelle 9 als spannungsgesteuerte Spannungsquelle (U->U) ausgestaltet, wobei die Referenzspannungsquelle 9 ein virtuelles Potential VM bereitstellt. Durch das Mitführen des virtuellen Potentials VM auf Basis der Gleichspannung UDC kann auf die Verwendung eines Koppelkondensators verzichtet werden. Es kann mit einer Prüfsignalquelle 7 gearbeitet werden, die keine besondere Spannungsfestigkeit erfordert, weil nur eine kleine Prüfspannung UAC erzeugt wird. Das virtuelle Potential M wird über die aufgenommene Strom-Spannungs-Kennlinie 2 bestimmt, welche in Abwesenheit des Prüfsignals aufgenommen wurde. Somit entspricht das virtuelle Potential VM dem momentanen Arbeitspunkt WP des Testobjekts 1 , der sich aber im Betrieb kontinuierlich oder sprunghaft verändern kann.
Die zweite Spannungsmesseinheit 10 misst erfindungsgemäß die Prüfspannung UAC hochgenau und gibt diese an die Automatisierungseinheit 6 weiter. Bei Anlegen der Prüfspannung UAC wird diese im Betrieb auf die Gleichspannung UDC aufgebracht und die Gesamtspannung Uces ändert sich dementsprechend. Das virtuelle Potential VM entspricht aber, über die Relation in der Strom-Spannungs-Kennlinie 2, der Gleichspannung UDC am Arbeitspunkt WP wie schon oben beschrieben wurde.
Der durch das Testobjekt 1 fließende Gesamtstrom lges sowie die am Testobjekt 1 anliegende Gesamtspannung Uges setzen sich grundlegend aus dem Prüfstrom lAc und dem Gleichstrom lDc respektive aus der Prüfspannung UAC und der Gleichspannung UDC zusammen. Durch die vorliegende Anordnung wird die Prüfsignalquelle 7 über Referenzspannungsquelle 9 immer auf das Potential der Gleichspannung UDC - welche das virtuelle Potential VM darstellt - gehoben. Somit kann durchgehend ein Prüfsignal über die Prüfsignalquelle 7 eingeprägt werden, ohne die Limitationen eines Koppelkondensators. Folglich ist es damit möglich, nicht nur an einem stationären Arbeitspunkt WP ein Prüfsignal einzuprägen, sondern auch bei gewollten und ungewollten Änderungen des Arbeitspunkts WP. Die Referenzspannungsquelle 9 kann einen sehr geringen Innenwiderstand aufweisen, und weist daher wenig bis keinen Spannungsverlust auf. Somit kann durchgehend unterbrechungsfrei ein Prüfsignal eingeprägt werden, auch bei Überlagerungen der Frequenzbereiche, wie in Fig. 2b dargestellt worden ist. Der Prüfstrom lAC wird über die zweite Strommesseinheit 11 gemessen und der Automatisierungseinheit 6 zugeführt. Die zweite Strommesseinheit 11 kann prinzipiell den Prüfstrom lAC in einer hohen Genauigkeit messen, beispielweise im Nano-Ampere nA bis Pico-Ampere pA Bereich. Somit kann die zweite Strommesseinheit 11 wesentlich genauere Messungen des Prüfsignals liefern als die erste Strommesseinheit 4. Es ist dann möglich, dass mittels Differenzbildung aus dem von der ersten Strommesseinheit 4 gemessenen Gesamtstrom Ices = lAc+ loc und dem mit der zweiten Strommesseinheit 11 gemessenen Prüfstrom lAC auch der Gleichstrom lDc in der Automatisierungseinheit 6 ermittelt wird.
Somit kann der Arbeitspunkt WP anhand der aufgenommenen Strom-Spannungs-Kennlinie 2 variiert werden. Eine beispielhafte Rampe mit Verschiebung des Arbeitspunkts WP über den Gesamtstrom lges ist in Fig. 4b gegeben.
Die Automatisierungseinheit 6 kann eine Auswerteeinheit 60 aufweisen, welche ausgestaltet ist, die Gleichspannung UDC, die Prüfspannung UAc und den Prüfstrom lAC sowie den Gleichstrom lDc über den Belastungsstroms IDC.SOII zur Durchführung eines Prüfvorgangs zu verarbeiten und auch darzustellen.
In Fig. 4a wird der Belastungsstroms IDC.SOII von der Automatisierungseinheit 6 vorgegeben und ändert den Wert des Gleichstroms lDc von einem ersten Wert ,set bis zu einem zweiten Wert l2,setab. In Fig. 4a ist beispielhaft eine gewollte Verschiebung des Arbeitspunkts WP in Form einer Rampe von einem ersten Wert ,set bis zu einem zweiten Wert l2,set gegeben. Es sind aber auch andere Funktionen, abhängig von der Zeit denkbar, wie Kreisfunktionen (Sinus, Cosinus) oder stufenweise Erhöhungen des Gleichstrom lDc. Der Prüfstrom lAC wird über die Prüfsignalquelle 7 beispielsweise mit einer einzigen Einprägefrequenz f eingeprägt, wie in Fig. 4a gezeigt wird.
Fig. 4b zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie 2 mit der Gleichspannung UDC und der überlagerten Prüfspannung UAc. Abhängig von der Veränderung des Arbeitspunkts WP (gewollt oder ungewollt) kann nur ein Teil der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 abgetastet werden (wie in Fig. 4a mit der Rampe durchgeführt wird) oder auch die gesamte Strom- Spannungs-Kennlinie 2. In Fig. 4b ist der erste Quadrant der Strom-Spannungs-Kennlinie 2 vollständig abgetastet worden, beispielsweise mit der Rampe aus Fig. 4a von einem Arbeitspunkt WP mit niedrigem Gleichstrom lDc, also ,set, zu einem Arbeitspunkt mit hohem Gleichstrom lDc, also l2,set. Abhängig von der Impedanz Z des Testobjekts 1 ist die Prüfspannung UAc phasenverschoben zum Prüfstrom lAC. Beispielsweise führen induktive und/oder kapazitive Anteile in einem Testobjekt 1 zu einer Phasenverschiebung um einen Winkel (p. Bei einer spektroskopischen Analyse - also mit unterschiedlichen Frequenzen - ist es daher möglich, unterschiedliche kapazitive, induktive und ohmsche Anteile zu messen. Das ist vorteilhaft da dadurch verschiedene Effekte, wie Elektrolyt- oder Elektrodendegradation gemessen werden können.
Somit können Signaländerungen durch die Belastungseinheit 3, welche schneller als die Prüfsignale der Prüfsignalquelle 7 sein können, gemessen werden. Die Frequenzbereiche der Belastungseinheit 3 und des zumindest einen Prüfsignals können sich überlappen, wie in Fig. 2b dargestellt, aber es ist dennoch eine durchgehende unterbrechungsfreie Signaleinprägung bzw. Messung möglich.
Vorteilhafterweise wird eine solche Messstrategie von der Automatisierungseinheit 6 selbständig durchgeführt. Die Automatisierungseinheit 6 kann integraler Bestandteil eines Prüfstandes sein, oder als externe Einheit ausgeführt sein. So kann die Automatisierungseinheit 6 beispielsweise in einem Steuergerät eines Fahrzeugs (Control Unit oder kurz CU), in einem Batterie-Management-System (BMS), in einer Fuel Cell Control Unit (FCCU) etc. integriert sein.
Die Automatisierungseinheit 6 kann nun die Prüfspannung UAC bevorzugterweise in der Auswerteeinheit 60 verarbeiten, um im jeweiligen Arbeitspunkt WP (d.h. bei der jeweiligen Gleichspannung UDC und dem jeweiligen Gleichstrom lDc Kennwerte des Testobjekts 1 , wie z.B. frequenzabhängige Impedanzen, Oberwellen, Klirrfaktoren etc. zu ermitteln.

Claims

Patentansprüche
1. Testanordnung für eine Überprüfung eines Testobjekts (1), wobei in der Testanordnung eine Belastungseinheit (3) vorgesehen ist, welche mit einer Automatisierungseinheit (6) verbunden und ausgestaltet ist, einen von der Automatisierungseinheit (6) vorgegebenen Arbeitspunkt (WP) auf einer Strom-Spannungs-Kennlinie (2) des Testobjekts (1) mittels eines Gleichstroms (IDC) vorzugeben, dadurch gekennzeichnet dass die Testanordnung zumindest aufweist: die Automatisierungseinheit (6), welche ausgestaltet ist, über eine erste Spannungsmesseinheit (5) und über eine erste Strommesseinheit (4) aus der Strom-Spannungs-Kennlinie (2) ein virtuelles Potential (VM) ZU bestimmen und über eine zweite Spannungsmesseinheit (10) und eine zweite Strommesseinheit (11) einen Prüfstrom (IAC) und eine sich einstellende Prüfspannung (UAC) ZU messen; eine Prüfsignalquelle (7), welche mit der Automatisierungseinheit (6) verbunden ist und ausgestaltet ist, dem Testobjekt (1) den Prüfstrom (IAC) einzuprägen; und eine Referenzspannungsquelle (9), welche mit der Automatisierungseinheit (6) verbunden und ausgestaltet ist, der Prüfsignalquelle (7) das virtuelle Potential (VM) vorzugeben.
2. Testanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Automatisierungseinheit (6) ausgebildet ist, der Belastungseinheit (3) einen Belastungsstrom (IDC.SOII) vorzugeben.
3. Testanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfsignalquelle (7) ausgebildet ist, den Prüfstrom (IAC) mit zumindest einer Einprägefrequenz (f) in das Testobjekt (1) einzuprägen.
4. Testanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfsignalquelle (7) ausgebildet ist, den Prüfstrom (IAC) als Frequenzspektrum mit einer Mehrzahl an Frequenzen in das Testobjekt (1) einzuprägen.
5. Testanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Automatisierungseinheit (6) integraler Bestandteil eines Prüfstandes, oder eines Steuergeräts eines Fahrzeugs, oder eines Batteriemanagementsystems einer Batterie, oder einer Brennstoffzellensteuereinheit ist.
6. Testanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Belastungseinheit (3) abhängig vom Betriebsmodus des Testobjekts (1) ist, wobei die Belastungseinheit (3) eine spannungsgesteuerte Stromquelle oder ein Verbraucher ist. Verfahren zur Überprüfung eines Testobjekts (1) mittels eines Prüfstroms (IAC), wobei eine Automatisierungseinheit (6) folgende Schritte ausführt:
- Aufnahme einer Strom-Spannungs-Kennlinie (2) unter Vorgabe eines Gleichstroms (lDc) einer Belastungseinheit (3) über eine erste Spannungsmesseinheit (5) und einer ersten Strommesseinheit (4); Errechnen eines virtuellen Potentials (VM) auf Basis der aufgenommenen Strom-Spannungs-Kennlinie (2) und eines Arbeitspunkts (WP) und Vorgabe des virtuellen Potentials (VM) über eine Referenzspannungsquelle (9) an eine Prüfsignalquelle (7);
- Vorgabe des Prüfstroms (IAC) über die Prüfsignalquelle (7), um dem Testobjekt (1) den Prüfstrom (IAC) einzuprägen und Messen des Prüfstrom (IAC) und einer sich einstellende Prüfspannung (UAC) über eine zweite Spannungsmesseinheit (10) und eine zweite Strommesseinheit (11);
- Variieren des Arbeitspunkts (WP) und Anpassen des virtuellen Potentials (VM) auf Basis des aktuellen Arbeitspunkts (WP) über die Referenzspannungsquelle (9) an der Prüfsignalquelle (7). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannungsmesseinheit (5) parallel zum Testobjekt (1) in einem Messtromkreis (12) eine Gesamtspannung (Uces), als Summe aus einer Gleichspannung (UDC) und der Prüfspannung (UAC), misst, und die erste Strommesseinheit (4) in Serie zum Messstromkreis (12) einen Gesamtstrom (Ices), als Summe aus dem Gleichstrom (IDC) und dem Prüfstrom (IAC) misst, und die Gesamtspannung (Uces) und der Gesamtstrom (Ices) an die Automatisierungseinheit (6) übermittelt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spannungsmesseinheit (10) parallel zur Prüfsignalquelle (7) in einem Prüfstromkreis (12.1) die Prüfspannung (UAC) misst, und die zweite Strommesseinheit (11) in Serie zum Prüfstromkreis (12.1) den Prüfstrom (IAC) misst, und die Prüfspannung (UAC) und der Prüfstrom (IAC) an die Automatisierungseinheit (6) übermittelt werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfstrom (IAC) mit zumindest einer Einprägefrequenz (f) in das Testobjekt (1) eingeprägt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Auswerteeinheit (60) in der Automatisierungseinheit (6) Kennwerte des Testobjekts (1), vorzugsweise frequenzabhängige Impedanzen, Oberwellen, Klirrfaktoren, ermittelt werden.
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