DE102017201417B4

DE102017201417B4 - Verfahren zum bestimmen einer selbstentladungsstromcharakteristik einer speicherzelle

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Publication number: DE102017201417B4
Application number: DE102017201417.2A
Authority: DE
Inventors: Bryan D. Boswell; Robert Zollo; Marko Vulovic; Edward Brorein
Original assignee: Keysight Technologies Inc
Current assignee: Keysight Technologies Inc
Priority date: 2016-12-11
Filing date: 2017-01-30
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2037-01-31
Also published as: US20180164363A1; US10330715B2; JP6943572B2; DE102017201417A1; KR20180067384A; CN108226786A; CN108226786B; JP2018096960A; KR102659467B1

Abstract

Gemäß einem darstellten Ausführungsbeispiel umfasst ein System zum Bestimmen einer Selbstentladungsstromcharakteristik einer Speicherzelle (oder einer Bank von Speicherzellen) eine Spannungsquelle, eine erste und zweite Spannungsmessschaltung, eine Strommessschaltung und einen Prozessor. Die Spannungsquelle stellt der Speicherzelle, die mit dem System gekoppelt ist, eine Potentiostatspannung bereit. Die erste Spannungsmessschaltung stellt eine erste Spannungsauflösung bereit zum Messen einer Leerlaufspannung über einem Paar von Klemmen der Speicherzelle. Die zweite Spannungsmessschaltung stellt eine zweite Spannungsauflösung bereit, die wesentlich höher ist als die erste Spannungsauflösung zum Messen einer Klemmenspannung an einer des Paars von Klemmen der Speicherzelle. Der Prozessor führt eine Testprozedur aus durch Verwenden der Spannungsquelle, der ersten und zweiten Spannungsmessschaltung und der Strommessschaltung, um die Selbstentladungsleckstromcharakteristik der Speicherzelle zu bestimmen.

Description

Eine Speicherzelle, wie zum Beispiel eine Nickel-Cadmium(NiCad)-Zelle oder eine Lithium-lonen-Zelle verliert typischerweise ihre Ladung über einen Zeitraum, hauptsächlich als Folge eines Selbstentladungsstroms, der in Speicherzelle auftritt. Leider ist es im aktuellen Stand der Technik praktisch unmöglich, den Selbstentladungsstrom in diesen Speicherzellen vollständig zu eliminieren. Obwohl es ein begrenztes Maß an Erfolg beim Testen einzelner Speicherzellen in einer Laborumgebung gab, stellt sich ferner heraus, dass es ziemlich komplex und unpraktisch ist, die Selbstentladungsstromcharakteristika von jeder einer Charge von Speicherzellen in einer Herstellungsumgebung zu messen.
Genauer gesagt, es stellt sich heraus, dass das Messen der Selbstentladungsstromparameter von jeder einer Charge von Lithium-Ionen-Zellen während der Herstellung aus einer Vielzahl von Gründen unpraktisch ist. Einige dieser Gründe umfassen Mängel im Zusammenhang mit existierenden Lithium-Speicherzellen-Technologien, während andere Mängel im Zusammenhang mit handelsüblichen Potentiostatsystemen stehen, die zum Ausführen dieser Art von Messungen verwendet werden. Die Mängel im Zusammenhang mit handelsüblichen Potentiostatsystemen, insbesondere denjenigen, die zum Charakterisieren von Lithium-Ionen-Zellen verwendet werden, die größer als Knopfzellen sind, können Komplexität, unzureichende Genauigkeit und unerwünscht hohe Kosten umfassen.
Folglich, anstatt Lithium-Ionen-Zellen in der Fertigungsumgebung einer Chargenprüfung zu unterziehen, sind einige Testentitäten dazu übergegangen, einen alternativen Lösungsansatz zu verwenden, bei dem eine Leerlaufspannung von jeder einer Charge von Lithium-Ionen-Zellen vor dem Lagern der Charge von Lithium-Ionen-Zellen in einer kontrollierten Temperatureinrichtung gemessen wird. In vielen Fällen kann sich der Lagerzeitraum auf einige Wochen oder länger ausdehnen. Auf den Abschluss des Lagerungszeitraums hin wird die Leerlaufspannung jeder Lithium-Ionen-Zelle erneut gemessen, um die Selbstentladungsstromcharakteristika jeder Lithium-Ionen-Zelle auf der Basis eines Abfalls der Leerlaufspannung als eine Folge der Lagerung auszuwerten. Es ist klar, dass solch eine Prozedur nicht nur lediglich eine Näherung der Selbstentladungsstromcharakteristik jeder Lithium-Ionen-Zelle bereitstellt, sondern auch an zahlreichen anderen Mängeln leidet, wie zum Beispiel, dass sich die Testperiode über einige Wochen oder länger erstrecken muss, Lagerungsanforderungen (einschließlich kontrollierte Umgebungsbedingungen) und potenzielle Gefahren (Feuergefahr, Austritt von Chemikalien, toxische Emissionen, usw.) während der Lagerung.
Die EP 2 179 297 B1 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen eines Leckstroms einer Batterie mit einem Spannungsverteilungsknoten, der an einer ersten Leitung installiert ist, die beide Anschlüsse einer Batterie verbindet. Die Vorrichtung umfasst ferner erste und zweite Schalter, die zwischen dem Spannungsverteilungsknoten und den Anschlüssen der Batterie installiert sind, sowie einen Isolationswiderstand und einen Stromerfassungswiderstand, die an einer zweiten leitfähigen Leitung installiert ist, die den Spannungsverteilungsknoten mit einer Masse verbindet. Ferner ist eine Gleichspannungsbeaufschlagungseinheit zum Anlegen einer Gleichspannung an ein erdungsseitiges Ende des Stromerfassungswiderstands vorgesehen, um eine Potentialdifferenz zwischen dem Spannungsverteilungsknoten und dem Gleichspannungsbeaufschlagungsknoten hervorzurufen. Eine Leckstrombestimmungseinheit erfasst die Größe des elektrischen Stroms, der durch den Stromerfassungswiderstand fließt, gemäß der Potentialdifferenz im Einschaltzustand der Schalter, und bestimmt den Leckstroms.
Die DE 10 2014 209 454 A1 beschreibt eine Messeinrichtung zum Messen eines Selbstentladungsstroms einer oder mehrerer zusammengeschalteter Batteriezellen umfassend eine Stromquelle, die zur Lieferung von Ladestrom an die Batteriezelle(n) über eine elektrische Verbindung mit der oder den Batteriezelle(n) parallelgeschaltet ist, wobei in der Verbindung eine Strommesseinrichtung angeordnet ist, mit der der Ladestrom messbar ist, so dass aus dem gemessenen Ladestrom der Selbstentladungsstrom ableitbar ist.
Die DE 10 2014 215 298 A1 beschreibt eine Selbstentladungscharakterisiereinrichtung für eine oder mehrere zusammengeschaltete zu charakterisierende Batteriezelle(n), wobei die Selbstentladungscharakterisiereinrichtung eine Spannungsmesseinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, zur Charakterisierung einer Selbstentladung und/oder eines Batteriezustands der Batteriezelle(n) eine oder mehrere Batteriespannung(en) oder/und einen zeitlichen Gradienten der Batteriespannung(en) wiederholt zu erfassen und daraus eine Selbstentladung der Batteriezelle(n) (10) und/oder einen Zustand der Batteriezellen abzuleiten, wobei Versorgungsenergie für die Selbstentladungscharakterisiereinrichtung zur korrekten Charakterisierung aus einer anderen Energiequelle als der oder einer der zu charakterisierenden Batteriezelle(n) bereitstellbar ist und/oder mittels einer Energieverbrauchkompensiereinrichtung kompensierbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Bestimmte Ausführungsbeispiele der Offenbarung können einen technischen Effekt und/oder eine Lösung bereitstellen, um eine Selbstentladungsstromcharakteristik einer oder mehrerer wiederaufladbarer Speicherzellen innerhalb eines kurzen Zeitraums (beispielsweise einige Stunden) zu bestimmen und durch Verwenden von Testelementen und Techniken, die im Vergleich zu herkömmlichen Messsystemen ein sehr attraktives Kosten-Genauigkeit-Verhältnis bereitstellen.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Offenbarung kann ein Verfahren folgende Schritte umfassen: Messen einer Leerlaufspannung über einem Paar von Klemmen einer Speicherzelle (oder einer Bank von Speicherzellen) durch Verwenden einer ersten Spannungsmessschaltung, die eine erste Spannungsauflösung bereitstellt; Bereitstellen einer ersten Potentiostatspannung an entweder die Speicherzelle oder die Bank von Speicherzellen, die zumindest teilweise bestimmt wird durch Verwenden der Leerlaufspannung, die unter Verwendung der ersten Spannungsmessschaltung gemessen wird; Messen einer Klemmenspannung an einer des Paars von Klemmen der Speicherzelle (oder der Bank von Speicherzellen) durch Verwenden einer zweiten Spannungsmessschaltung, die ausgebildet ist, um eine zweite Spannungsauflösung bereitzustellen, die höher ist als die erste Spannungsauflösung; Bereitstellen einer zweiten Potentiostatspannung an die Speicherzelle (oder die Bank von Speicherzellen), die zumindest teilweise auf der Klemmenspannung basiert, die unter Verwendung der zweiten Spannungsmessschaltung gemessen wird; Ausführen einer oder mehrerer Selbstentladungsleckstrommessungen an der Speicherzelle (oder der Bank von Speicherzellen) über einen Zeitraum nach dem Bereitstellen der zweiten Potentiostatspannung an die Speicherzelle (oder die Bank von Speicherzellen); und Verwenden der einen oder der mehreren Selbstentladungsleckstrommessungen, um eine Selbstentladungsleckstromcharakteristik der Speicherzelle (oder der Bank von Speicherzellen) zu bestimmen.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der Offenbarung kann ein Verfahren folgende Schritte umfassen: Ausführen einer Charakterisierungsprozedur eines Temperaturkoeffizienten der Spannung (TCV; TCV = temperature coefficient of voltage) an einer Speicherzelle (oder einer Bank von Speicherzellen) zum Bestimmen einer TCV-Charakteristik der Speicherzelle (oder der Bank von Speicherzellen) und Verwenden der TCV-Charakteristik, um einen anfänglichen Ladezustand(SOC; SOC = state-of-charge)-Pegel der Speicherzelle (oder der Bank von Speicherzellen) einzustellen vor dem Ausführen einer Testprozedur zum Bestimmen einer Selbstentladungsleckstromcharakteristik der Speicherzelle (oder der Bank von Speicherzellen). Die Testprozedur kann folgende Schritte umfassen: Bereitstellen von zwei oder mehr Spannungsmessschaltungen; Verwenden einer ersten der zwei oder mehr Spannungsmessschaltungen, um eine Leerlaufspannung über einem Paar von Klemmen der Speicherzelle (oder der Bank von Speicherzellen) zu messen, wobei die erste Spannungsmessschaltung eine erste Spannungsauflösung bereitstellt; Bereitstellen einer ersten Potentiostatspannung an die Speicherzelle (oder die Bank von Speicherzellen), die zumindest teilweise bestimmt wird durch Verwenden der Leerlaufspannung, die unter Verwendung der ersten Spannungsmessschaltung gemessen wird; Ausführen einer oder mehrerer Selbstentladungsleckstrommessungen an der Speicherzelle (oder der Bank von Speicherzellen) über einen Zeitraum nach dem Bereitstellen der ersten Potentiostatspannung an die Speicherzelle (oder die Bank von Speicherzellen); und Verwenden der Selbstentladungsleckstrommessungen, um die Selbstentladungsleckstromcharakteristika der Speicherzelle (oder der Bank von Speicherzellen) zu bestimmen.
Andere Ausführungsbeispiele und Aspekte der Offenbarung werden von der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Ansprüchen offensichtlich.
Viele Aspekte der Erfindung werden besser verständlich durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Ansprüchen und Figuren. Gleiche Bezugszeichen zeigen gleiche strukturelle Elemente und Merkmale in den verschiedenen Figuren an. Der Deutlichkeit halber kann es sein, dass nicht jedes Element in jeder Figur mit Bezugszeichen versehen ist. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet, stattdessen wurde der Schwerpunkt auf das Darstellen der Prinzipien der Erfindung gelegt. Die Zeichnungen sollten nicht so gesehen werden, dass dieselben den Schutzbereich der Erfindung auf die hierin gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiele begrenzen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen idealisierten Aufbau zum Messen eines Selbstentladungsstroms in einer Speicherzelle;
2 ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Selbstentladungsstrommesssystems, das zum Bestimmen einer Selbstentladungsstromcharakteristik einer Speicherzelle gemäß der Offenbarung verwendet werden kann;
3 einige beispielhafte Komponenten, die verwendet werden können, um das in 2 gezeigte Selbstentladungsstrommesssystem zu implementieren;
4 eine graphische Darstellung eines Temperaturkoeffizienten der Spannung (TCV) gegenüber Ladezustandspegeln einer beispielhaften Speicherzelle gemäß der Offenbarung; und
5 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Bestimmen eines Selbstentladungsleckstroms einer Speicherzelle gemäß der Offenbarung.

Im Verlauf dieser Beschreibung werden Ausführungsbeispiele und Variationen zum Zweck des Darstellens der Nutzungen und Implementierungen der erfindungsgemäßen Konzepte beschrieben. Die darstellende Beschreibung sollte so gesehen werden, dass dieselbe Beispiele von erfindungsgemäßen Konzepten darstellt und nicht den Schutzbereich der Konzepte, wie sie hierin offenbart sind, begrenzt. Zu diesem Zweck werden bestimmte Wörter und Begriffe hierin lediglich der Zweckmäßigkeit halber verwendet und solche Wörter und Begriffe sollten breit verstanden werden, so dass dieselben verschiedene Aufgaben und Schritte umfassen, die allgemein in verschiedenen Formen und Äquivalenten von Fachleuten auf diesem Gebiet verstanden werden. Beispielsweise können Wörter wie zum Beispiel „Speicherzelle“, „Ladung“, „Spannung“, „Prozessor“, „Computer“, „Verstärker“, „Genauigkeit“, „Auflösung“, „Genauigkeit“, „Gewinn“, „Bank“, „Satz“, oder „Anzahl“ verschiedene Interpretationen aufweisen und können auf verschiedene Weisen implementiert werden, ohne die Wesensart der Offenbarung zu beeinträchtigen. Genauer gesagt, der Begriff „Speicherzelle“, wie er hierin verwendet wird, ist nicht notwendigerweise auf eine einzige Speicherzelle beschränkt, sondern kann gleichermaßen auf eine Bank/einen Satz/eine Anzahl von Speicherzellen angewendet werden, und der Begriff „Testprozedur“ kann alternativ auch so interpretiert werden, dass derselbe eine „Messprozedur“ anzeigt, wenn Messungen ausgeführt werden. Es sollte außerdem angemerkt werden, dass das Wort „Beispiel“, wie es hierin verwendet wird, von der Art her nicht ausschließend und nicht beschränkend sein soll. Genauer gesagt, das Wort „beispielhaft“, wie es hierin verwendet wird, zeigt eines von mehreren Beispielen an und es sollte klar sein, dass durch die Verwendung dieses Wortes keine spezielle Betonung, Ausschließlichkeit oder ein bestimmter Vorzug zugeordnet oder impliziert wird.
Allgemein kann gemäß den hierin offenbarten verschiedenen darstellenden Ausführungsbeispielen ein System zum Bestimmen einer Selbstentladungsstromcharakteristik einer Speicherzelle (oder einer Bank von Speicherzellen) eine erste Messschaltung, eine zweite Spannungsmessschaltung, eine Spannungsquelle, eine Strommessschaltung und einen Prozessor umfassen. Die erste Spannungsmessschaltung stellt eine erste Spannungsauflösung bereit zum Messen einer Leerlaufspannung über einem Paar von Klemmen der Speicherzelle, die mit dem System gekoppelt ist. Die zweite Spannungsmessschaltung stellt eine zweite Spannungsauflösung bereit, die wesentlich höher ist als die erste Spannungsauflösung und verwendet werden kann zum Messen einer Klemmenspannung an einer des Paars von Klemmen der Speicherzelle nachdem eine erste Spannungsmessung unter Verwendung der ersten Spannungsmessschaltung erhalten wurde. Die Spannungsquelle stellt Potentiostatspannungen basierend auf verschiedenen Spannungsmessungen bereit, die an der Speicherzelle durch sowohl die erste Spannungsmessschaltung als auch die zweite Spannungsmessschaltung ausgeführt wurden. Die Strommessschaltung ermöglicht Selbstentladungsleckstrommessungen der Speicherzelle zu verschiedenen Zeiten. Der Prozessor kann die erste Spannungsmessschaltung, die zweite Spannungsmessschaltung, die Spannungsquelle und die Strommessschaltung verwenden, um eine Testprozedur auszuführen, um eine Selbstentladungsleckstromcharakteristik der Speicherzelle zu bestimmen. Ein solches System stellt im Vergleich zu herkömmlichen Selbstentladungsleckstrommesssystemen ein vorteilhaftes Kosten/Genauigkeitsverhältnis bereit. Bei einigen beispielhaften Implementierungen können die hierin offenbarten Systeme und Verfahren verwendet werden, um eine oder mehrere Speicherzellen (beispielsweise in einer Charge von Speicherzellen) zu identifizieren, die einen Selbstentladungsstrom aufweisen, der höher als normal ist, was ein Indikator für latente Defekte und/oder Verunreinigungen ist.
Nachfolgend wird auf 1 Bezug genommen, die einen idealisierten Aufbau 100 zum Messen eines Selbstentladungsstroms in einer Speicherzelle 115 zeigt. Der idealisierte Aufbau 100 umfasst eine Gleichstrom-Leistungsquelle 105, ein Strommessgerät 110, einen Schalter 120, ein Spannungsmessgerät 125 und eine Speicherzelle 115. Die Gleichstrom-Leistungsquelle 105, die auch als Potentiostat bezeichnet werden kann, stellt eine Potentiostatspannung bereit, die auf Masse bezogen ist und variiert werden kann, um mit einer Leerlaufspannung der Speicherzelle 115 übereinzustimmen. Die Speicherzelle 115 kann jeder von verschiedenen Typen von Zellen sein, die durch die Gleichstrom-Leistungsquelle 105 geladen werden können. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die Speicherzelle 115 eine wiederaufladbare Lithium-Ionen-Zelle, die auch auf Masse bezogen ist und symbolisch dargestellt ist durch eine ideale Zelle 117, einen ersten Widerstand 116 und einen zweiten Widerstand 118. Der erste Widerstand 116 stellt einen effektiven Reihenwiderstand (ESR) der Speicherzelle 115 dar und der zweite Widerstand 118 stellt einen Leckwiderstand dar, der zu einem Leckstrom beiträgt, der sich durch die Speicherzelle 115 ausbreitet. Der Leckstrom kann in dieser Offenbarung alternativ auch als Selbstentladungsstrom bezeichnet werden.
Eine Messprozedur zum Messen von Selbstentladungsstrom in der Speicherzelle 115 kann ausgeführt werden, indem der Schalter 120 zuerst in einen offenen Zustand versetzt wird, wodurch die Gleichstrom-Leistungsquelle 105 von der Speicherzelle 115 getrennt wird. Eine Leerlaufspannung der Speicherzelle 115 wird zwischen dem Knoten 119 und dem Knoten 121 durch Verwenden des Spannungsmessgeräts 125 gemessen. Die Gleichstrom-Leistungsquelle 105 ist eingestellt, um eine Potentiostatspannung bereitzustellen, die mit der Leerlaufspannung übereinstimmt. Der Schalter 120 wird dann geschlossen, um die Gleichstrom-Leistungsquelle 105 mit der Speicherzelle 115 zu verbinden. Idealerweise gibt es zu diesem Zeitpunkt keinen Stromfluss durch das Strommessgerät 110, da die Potentiostatspannung perfekt mit der gemessenen Leerlaufspannung der Speicherzelle 115 übereinstimmt.
Nach einem Zeitraum, wie zum Beispiel einigen Tagen, beginnt jedoch die Spannung der Zelle abzufallen als Folge eines Leckstromflusses in der Speicherzelle 115. Dem Spannungsabfall wird durch die Potentiostatspannung entgegengewirkt, die durch die Gleichstrom-Leistungsquelle 105 bereitgestellt wird, die die Speicherzelle 115 tendenziell bei der gemessenen Leerlaufspannung hält. In einem Gleichgewichtszustand stellt die Gleichstromspannungsquelle 105 die gesamte Menge an Leckstrom bereit, der durch die Speicherzelle 115 fließt und dieser Leckstrom kann durch das Strommessgerät 110 gemessen werden. Die Strommessungen können zu verschiedenen Zeitpunkten über einen gewünschten Zeitraum durchgeführt werden, um die Selbstentladungsstromcharakteristika der Speicherzelle 115 zu bestimmen.
Leider ist der oben beschriebene idealisierte Aufbau 100 im realen Leben nicht zufriedenstellend, da es mehrere Faktoren gibt, die eine Rolle spielen und die Messergebnisse nachteilig beeinträchtigen. Zuerst kann der Prozess des Einrichtens der Gleichstrom-Leistungsquelle, um eine genaue Potentiostatspannung bereitzustellen, die eng mit der Leerlaufspannung der Speicherzelle 115 übereinstimmt (beispielsweise bis hinunter auf Mikrovoltpegel) eine komplizierte Prozedur sein, die die Nutzung einer Hochgenauigkeits/Hochauflösungsmessschaltungsanordnung erfordert. Zweitens, selbst wenn anfangs ein akzeptabler Pegel der Spannungsübereinstimmung erreicht wird, kann sich die Leerlaufspannung der Speicherzelle 115 und/oder die Spannung, die durch die Gleichstrom-Leistungsquelle 105 bereitgestellt wird, im Lauf der Zeit verändern aufgrund von anderen Faktoren als dem Selbstentladungsstrom (beispielsweise Temperaturschwankungen und - trift), und es kann sehr schwierig sein, solche Faktoren nachzuverfolgen und zu kompensieren.
Außerdem, jedes Mal wenn eine Nichtübereinstimmung zwischen der Potentiostatspannung und der Leerlaufspannung der Speicherzelle 115 aufgrund irgendeinem dieser verschiedenen Faktoren auftritt, führt der extrem niedrige Widerstand, der in dem Stromflussweg vorliegt (hauptsächlich aufgrund des Widerstands 116) dazu, dass eine beträchtliche Menge an Strom durch die Speicherzelle 115 von der Gleichstrom-Leistungsquelle 105 gezogen wird. Dieser Strom kann im Vergleich zu dem Leckstrom der Speicherzelle 115 sehr groß sein und somit die Möglichkeit ausschließen, dass genaue Messungen des Leckstroms durchgeführt werden können.
2 zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Selbstentladungsstrommesssystems 200, das zum Bestimmen einer Selbstentladungsstromcharakteristik einer Speicherzelle 230 gemäß der Offenbarung verwendet werden kann. Genauer gesagt, das Selbstentladungsstrommesssystem 200 kann verwendet werden, um zumindest einige der Herausforderungen, die durch den beispielhaften Aufbau 100 präsentiert werden, zu adressieren und im Gegensatz zu verschiedenen herkömmlichen Systemen, die nur an kleinen Speicherzellen (wie zum Beispiel Knopfzellen) verwendet werden können, kann das Selbstentladungsstrommesssystem 200 entweder an einer einzigen großen Speicherzelle oder einer Bank von großen Speicherzellen verwendet werden. Die Kostenvorteile sowie die Leistungsvorteile, die durch das Selbstentladungsstrommesssystem 200 bereitgestellt werden, können auch gleichzeitig verwendet werden, um eine Charge von Speicherzellen unter paralleler Verwendung einer Anzahl solcher Systeme zu testen. Im Gegensatz dazu können viele herkömmliche Selbstentladungsstrommesssysteme, von denen einige sehr teuer sein können, das Testen einer Charge von Speicherzellen auf sequenzielle Weise notwendig machen, was die Dauer des Gesamttestens nicht nur verlängert, sondern auch anderweitig die Kosten erhöht (Lagerungseinrichtungen, kontrollierte Temperaturanforderungen, usw.).
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Bank von Speicherzellen in einer Reihenkonfiguration bereitgestellt werden, wodurch eine effektive Leerlaufspannung von beispielsweise einem Satz von sechs 4V-Speicherzellen gleich 24 Volt ist. Bei einigen anderen Ausführungsbeispielen kann die Bank von Speicherzellen in einer Parallelkonfiguration bereitgestellt werden, wobei eine effektive Leerlaufspannung eines Satzes von sechs 4V-Speicherzellen beispielsweise gleich 4 Volt ist. Bei der Parallelkonfiguration kann jedoch eine Amplitude des Selbstentladungsstroms, der von dem Selbstentladungsstrommesssystem 200 gezogen wird, grob gleich sechs Mal der Amplitude des Stroms sein, der durch eine einzige Speicherzelle gezogen wird.
Das Selbstentladungsstrommesssystem 200 umfasst verschiedene Funktionselemente, wie zum Beispiel eine Spannungsquelle 210, eine erste Spannungsmessschaltung 215, eine zweite Spannungsmessschaltung 220, eine Strommessschaltung 225 und eine Verarbeitungseinheit 205. Die Verarbeitungseinheit 205 kann in der Form eines Computers implementiert sein, der verschiedene Komponenten umfasst, wie zum Beispiel einen Prozessor, Eingabe/Ausgabeschnittstellen und Speicherungsvorrichtungen (beispielsweise Speichervorrichtungen). Genauer gesagt, die Speicherungsvorrichtungen können ein nicht-flüchtiges Computerspeichermedium zum Speichern eines Betriebssystems und ein oder mehrere Anwendungsprogramme umfassen, die durch den Prozessor ausgeführt werden können zum Implementieren der hierin offenbarten beispielhaften Verfahren, Merkmale und Aspekte.
Die Spannungsquelle 210 kann ein oder mehrere Spannungserzeugungselemente umfassen, die durch die Verarbeitungseinheit 205 konfigurierbar sind zum Bereitstellen einer Potentiostatspannung, die auf Masse bezogen ist und in die Speicherzelle 230 gekoppelt ist über eine Ausgangsklemme 211 des Selbstentladungsstrommesssystems 200.
Die erste Spannungsmessschaltung 215, die über die Ausgangsklemme 211 sowie eine andere Ausgangsklemme 212 des Selbstentladungsstrommesssystems 200 mit der Speicherzelle 230 gekoppelt ist, stellt eine erste Spannungsauflösung zum Messen einer Leerlaufspannung bereit, die über den positiven und negativen Klemmen der Speicherzelle 230 vorliegt. Die erste Spannungsauflösung ermöglicht es der Verarbeitungseinheit 205, eine Messung einer Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 beispielsweise mit Millivoltpegelgenauigkeit durchzuführen. Somit kann die Verarbeitungseinheit 205 die erste Spannungsmessschaltung 215 verwenden, um die Speicherzelle 230 als eine 4V-Speicherzelle mit einer Leerlaufspannung von beispielsweise 4,305 V zu identifizieren. Die Verarbeitungseinheit 205 verwendet dann die gemessene Leerlaufspannung, um anfangs die Potentiostatspannung der Spannungsquelle 210 bei einer Spannungsamplitude einzustellen, die mit der gemessenen Leerlaufspannung übereinstimmt. Bei diesem Beispiel stellt die Verarbeitungseinheit 205 die Potentiostatspannung der Spannungsquelle 210 auf 4,305 V ein.
Das Verwenden der ersten Spannungsmessschaltung 215 zum Messen der Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 ermöglicht eine relative enge Übereinstimmung zwischen der Potentiostatspannung und der Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 (bei diesem Beispiel beispielsweise auf einen Millivoltpegel). Die tatsächliche Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 kann jedoch beispielsweise 4,305375 V betragen anstatt 4,305 V, und die 375 Mikrovoltpegelnichtübereinstimmung zwischen der Potentiostatspannung und der Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 können möglicherweise zu einem beträchtlichen Stromfluss durch die Speicherzelle 230 führen, der eine genaue Messung des Selbstentladungsstromflusses verhindert.
Das Spannungsnichtübereinstimmungsproblem wird adressiert durch Verwenden der zweiten Spannungsmessschaltung 220, die mit der Speicherzelle 230 über die Ausgangsklemme 212 gekoppelt ist, und zum Messen einer Klemmenspannung der Speicherzelle 230 mit Bezug auf Masse verwendet werden kann. Bei diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel kann die zweite Spannungsmessschaltung 220 verwendet werden, um eine Spannung an der negativen Klemme der Speicherzelle 230 mit Bezug auf Masse zu messen. Es sollte angemerkt werden, wenn die erste Spannungsmessschaltung 215 oder die zweite Spannungsmessschaltung 220 verwendet werden, um eine der hierin offenbarten Spannungsmessungen auszuführen, es bevorzugt wird, dass der Schalter 213 in einen offenen Zustand versetzt ist, um die Strommessschaltung 225 von der Speicherzelle 230 zu trennen. Trennen der Strommessschaltung 225 von der Speicherzelle 230 verhindert nicht nur einen unerwünschten Stromfluss an dieser Stufe der Messprozedur, sondern verhindert auch alle nachteiligen Effekte, die als Folge dessen auftreten können, dass ein Impedanzpfad durch die Strommessschaltung 225 mit Bezug auf Masse präsentiert wird.
Als Folge der Verwendung der ersten Spannungsmessschaltung 215 zum anfänglichen Einstellen der Potentiostatspannung, die durch die Spannungsquelle 210 bereitgestellt wird, wird die Spannung über den positiven und negativen Klemmen der Speicherzelle 230 mit der Potentiostatspannung (4,305 V) übereinstimmen, die durch die Spannungsquelle 210 mit Bezug auf Masse bereitgestellt wird. Die nicht übereinstimmende Spannung (4,305375 V - 4,305V = 375 µV), die zwischen der negativen Klemme der Speicherzelle 230 und Masse erscheint, wird durch Verwenden der zweiten Spannungsmessschaltung 220 gemessen. Die zweite Spannungsmessschaltung 220 stellt eine zweite Spannungsauflösung bereit, die wesentlich höher ist als die erste Spannungsauflösung und einen höheren Pegel an Messgranularität bietet. Somit ermöglicht es die zweite Spannungsauflösung der Verarbeitungseinheit 205, die zweite Spannungsmessschaltung 220 zu verwenden, um die Speicherzelle 230 als eine Leerlaufspannung von 4,305375 V aufweisend zu identifizieren. Die Verarbeitungseinheit 205 kann dann die Potentiostatspannung, die durch die Spannungsquelle 210 bereitgestellt wird, um mit der Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 übereinzustimmen, bis auf Mikrovoltgenauigkeitspegel ändern.
Der gesamte Prozess des Verwendens der ersten Spannungsmessschaltung 215 und der zweiten Spannungsmessschaltung 220 zum genauen Einstellen der Potentiostatspannung, die durch die Spannungsquelle 210 der Speicherzelle 230 bereitgestellt wird, kann über einen sehr kurzen Zeitraum ausgeführt werden, beispielsweise in etwa einer Minute.
Bei einigen Implementierungen kann eine Strominitialisierungsprozedur ausgeführt werden, nachdem die Potentiostatspannung der Speicherzelle 230 zum ersten Mal bereitgestellt wird. Die Strominitialisierungsprozedur, die nachfolgend näher beschrieben wird, ermöglicht eine Verwendung der Spannungsquelle 210 zum Bereitstellen einer oder mehrerer Potentiostatspannungen, die schnell einen Anfangsstromfluss in die Speicherzelle 230 auf einen gewünschten Wert einstellen vor dem Bestimmen einer Selbstentladungsstromcharakteristik der Speicherzelle 230. Bei einer Implementierung kann beispielsweise der Wert des Anfangsstroms eingestellt werden, um mit einem typischen Selbstentladungsstrom der Speicherzelle 230 übereinzustimmen. Der typischer Selbstentladungsstrom der Speicherzelle 230 kann im Vorfeld bestimmt werden basierend auf Parametern, wie zum Beispiel vergangene Historie, vorherige Testauswertungen, Datenblätter, empirische Daten und/oder theoretische Daten. Einstellen des Anfangsstroms in der Speicherzelle 230 auf einen gewünschten Wert (in etwa beispielsweise einer Minute) ermöglicht eine signifikante Reduktion der Gesamtdauer eines Tests, insbesondere im Vergleich zu mehreren traditionellen Testprozeduren.
Nach dem Einstellen der Potentiostatspannung (mit oder ohne enthaltener Strominitialisierungsprozedur) wird eine Warteperiode (beispielsweise eine Stunde) bereitgestellt, um es der Speicherzelle 230 zu ermöglichen, einen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Wenn der Gleichgewichtszustand erreicht ist, verwendet die Verarbeitungseinheit 205 die Strommessschaltung 225 zum Messen einer Amplitude eines Selbstentladungsstroms, der durch die Speicherzelle 230 fließt. Die Selbstentladungsleckstrommessprozedur kann nachfolgend mehrere Male wiederholt werden (über einen Zeitraum), um die Selbstentladungsleckstromcharakteristika der Speicherzelle 230 zu bestimmen.
Die Schaltungselemente, die zum Implementieren von sowohl der ersten Spannungsmessschaltung 215 als auch der zweiten Spannungsmessschaltung 220 verwendet werden zum Ausführen der oben beschriebenen zweistufigen Spannungsmessprozedur können relativ kostengünstige Elemente sein, wodurch Kosteneinsparung bereitgestellt wird im Vergleich zu dem Selbstentladungsstrommesssystem, das beispielsweise eine einzige Hochauflösungsspannungsmessschaltung verwendet zum Ausführen einer Ein-Durchlauf-Spannungsmessung bis auf Mikrovoltpegel.
3 zeigt einige beispielhafte Komponenten, die verwendet werden können, um das Selbstentladungsstrommesssystem 200 gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Offenbarung zu implementieren. Die Spannungsquelle 210 umfasst ein Referenzspannungselement (Vref) 305, einen Digital-Analog-Wandler DAC 310 und einen Pufferverstärker 315. Das Referenzspannungselement 305, das typischerweise eine ofengesteuerte Spannungsquelle ist und eine oder mehrere Zener-Dioden umfassen kann, stellt eine Referenzspannung bereit, die über einen Bereich von Betriebstemperaturen sehr stabil ist. Diese Referenzspannung wird dem DAC 310 bereitgestellt zum Erzeugen einer analogen Spannung unter der Steuerung eines digitalen Steuerworts, das durch die Verarbeitungseinheit 205 dem DAC 310 über eine Binärschnittstelle 306 bereitgestellt wird. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können der DAC 310 sowie die anderen Elemente der Spannungsquelle 210 unter Verwendung von Standardkomponenten implementiert werden oder in der Form von kundenspezifisch gebauten Schaltungen und können Potentiostatspannungen bei einem Mikrovoltgenauigkeitspegel (oder besser) bereitstellen. Dieser Genauigkeitspegel ist wünschenswert, insbesondere hinsichtlich der Mikrovoltpegelmessgenauigkeit (oder besser), die durch die zweite Spannungsmessschaltung 220 bereitgestellt wird.
Das digitale Wort wird durch die Verarbeitungseinheit 205 eingestellt gemäß einer Zwei-Durchlauf-Spannungsmessprozedur, die durch die erste Spannungsmessschaltung 215 und die zweite Spannungsmessschaltung 220 durchgeführt wird. Die analoge Spannung, die durch den DAC 310 erzeugt wird, die durch den Pufferverstärker 315 in die Leitung 301 ausgetrieben wird, bildet eine Potentiostatspannung, die auf Masse bezogen ist und an die Speicherzelle 230 angelegt wird.
Die erste Spannungsmessschaltung 215 umfasst einen Eins-Verstärkung-Verstärker 325 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 320. Der Eins-Verstärkung-Verstärker 325 stellt eine 1:1 Messung einer Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 bereit. Die Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 ist in den ADC 320 gekoppelt. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Eins-Verstärkung-Verstärker 325 durch einen Verstärker mit niedriger Verstärkung ersetzt werden. Der Verstärker mit niedriger Verstärkung kann auf der Basis einer Vielzahl von Faktoren ausgewählt werden, wie zum Beispiel eines verfügbaren Betriebsspannungsbereichs und/oder Systemkompromissen zwischen Kosten und Genauigkeit. Der ADC 320, der ein relative kostengünstiges Element sein kann, wie zum Beispiel ein 12-Bit-ADC, wandelt die Spannungsausgabe des Eins-Verstärkung-Verstärkers 325 in ein digitales Wort um, das über eine Binärschnittstelle 307 in die Verarbeitungseinheit 205 gekoppelt wird. Die Kombination aus Eins-Verstärkung-Verstärker 325 und ADC 320 stellt eine erste Spannungsauflösung bereit wenn die Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 gemessen wird. Bei einer beispielhaften Implementierung stellen die Kombination aus Eins-Verstärkung-Verstärker 325 und ADC 320 einen Millivoltpegel der Spannungsauflösung bereit.
Es kann sachdienlich sein, darauf hinzuweisen, dass im Gegensatz zu dem in 2 gezeigten Selbstentladungsstrommesssystem 200, wo die zweite Spannungsmessschaltung 220 und die Strommessschaltung 225 als getrennte Funktionsblöcke gezeigt sind, das in 3 gezeigte Selbstentladungsstrommesssystem 200 eine Dualfunktionsschaltung in der Form der gemultiplexen V-I(Spannung-Strom)-Schaltung 355 umfasst. Die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 führt eine oder mehrere Funktionen der zweiten Spannungsmessschaltung 220 und der Strommessschaltung 225 auf einer zeitgemultiplexten Basis aus. Die gemultiplexte V-I-Schaltung 355, die realisierbar ist, da die zweite Spannungsmessung der Speicherzelle 230 und die Selbstentladungsstrommessung der Speicherzelle 230 typischerweise zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt werden, kann Kosteneinsparungen bei der Hardware bereitstellen, die verwendet wird, um das Selbstentladungsstrommesssystem 200 zu implementieren.
Die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 umfasst einen Verstärker mit hoher Verstärkung 335, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 330, einen Stromerfassungswiderstand 350, einen ersten Schalter 340 und einen zweiten Schalter 345. Typischerweise überschreitet die Verstärkung des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 10, und bei einer beispielhaften Implementierung kann die Verstärkung, die durch den Verstärker mit hoher Verstärkung 335 bereitgestellt wird, irgendwo zwischen 100 bis 1000 liegen. Der ADC 330, der ein relativ kostengünstiges Element sein kann, wie zum Beispiel ein 12-Bit-ADC, wandelt die Spannungsausgabe des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 in ein digitales Wort um, das über eine Binärschnittstelle 308 in die Verarbeitungseinheit 205 gekoppelt wird,. Die Kombination des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 und des ADC 330 stellt eine zweite Spannungsauflösung bereit, wenn die Klemmenspannung der Speicherzelle 230 gemessen wird. Bei einer beispielhaften Implementierung stellt die Kombination des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 und des ADC 330 einen Mikrovoltpegel der Spannungsauflösung bereit.
Wenn die Messung der Klemmenspannung ausgeführt wird, ist die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 ausgebildet, um in einem Spannungsmessmodus zu arbeiten durch Platzieren sowohl des Schalters 340 als auch des Schalters 345 in eine Schalterposition 1 unter der Steuerung der Verarbeitungseinheit 205. Bei dieser Ausbildung ist die negative Klemme der Speicherzelle 230 in eine positive Eingangsklemme des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 gekoppelt und der Stromerfassungswiderstand 350 bleibt in einem offenen Zustand (getrennt von dem Verstärker mit hoher Verstärkung 335).
Die Verarbeitungseinheit 205 empfängt das digitale Wort, das die Klemmenspannung der Speicherzelle 230 darstellt, und verwendet die Klemmenspannungsmessung, um ein digitales Wort zu berechnen und dasselbe dem DAC 310 über die Binärschnittstelle 306 bereitzustellen. Der DAC 310 antwortet auf das digitale Wort durch Erzeugen einer neuen Potentiostatspannung, die über den Pufferverstärker 315 und die Leitung 301 in die Speicherzelle 230 gekoppelt ist. Bei einigen Implementierungen kann die neue Potentiostatspannung durch die Verarbeitungseinheit 205 eingestellt werden basierend auf einer iterativen und/oder rekursiven Prozedur unter Verwendung der Spannungsquelle 210, der ersten Spannungsmessschaltung 215 und der gemultiplexten V-I-Schaltung 355.
Die Speicherzelle 230 kann dann für eine gewisse Zeit ruhen, um eine Ladungsumverteilung innerhalb der Speicherzelle 230 (oder der Bank von Zellen) zu ermöglichen, bevor die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 verwendet wird, um Selbstentladungsstrommessungen auszuführen. Die Ruhezeit, die sich in einigen Fällen auf mehrere Tage ausdehnen kann, ermöglicht es der Speicherzelle 230, vor der Ausführung der Selbstentladungsstrommessungen einen gewünschten Gleichgewichtszustand zu erreichen.
Wenn die Selbstentladungsstrommessungen durchgeführt werden, ist die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 ausgebildet, um in einem Strommessmodus zu arbeiten durch Platzieren sowohl des Schalters 340 als auch des Schalters 345 in die Schalterposition 2 unter der Steuerung der Verarbeitungseinheit 205. Bei dieser Konfiguration ist die negative Klemme der Speicherzelle 230 in die positive Eingangsklemme des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 gekoppelt und der Stromerfassungswiderstand 350 ist auch mit der positiven Eingangsklemme des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 verbunden. Der Selbstentladungsstrom, der durch die Speicherzelle 230 fließt, verläuft durch den Stromerfassungswiderstand 350 zu Masse und der Verstärker mit hoher Verstärkung 335 verstärkt den resultierenden Spannungsabfall über dem Stromerfassungswiderstand 350. Die Ausgangsspannung des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 ist somit direkt proportional zu einer Amplitude des Selbstentladungsstroms, der durch die Speicherzelle 230 und den Stromerfassungswiderstand 350 fließt.
Das Auswählen eines Widerstandswerts des Stromerfassungswiderstands 350 ist ein Kompromiss zwischen Messempfindlichkeit und Messzeit aufgrund eines zeitkonstanten Faktors, der dem Stromerfassungswiderstand 350 zugeschrieben werden kann, der in Verbindung mit einer sehr großen Kapazität der Speicherzelle 230 arbeitet. Es ist klar, dass ein niedrigerer Widerstandswert des Stromerfassungswiderstands 350 eine schnellere Messzeit auf Kosten der Messempfindlichkeit bedeutet und umgekehrt. Bei einer beispielhaften Implementierung ist der Stromerfassungswiderstand 350 ausgewählt, um etwa 1 Ohm zu betragen, was einen optimalen Kompromiss zwischen Messempfindlichkeit und Messzeit bereitstellen kann. Genauer gesagt, die Messempfindlichkeit kann darauf gerichtet sein, unerwünschte Einflüsse wie zum Beispiel Temperatur- und Drift-induzierte Effekte zu adressieren.
Es sollte angemerkt werden, dass bei dem in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsbeispiel die Klemmenspannung der Speicherzelle 230 durch die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 gemessen wird an der negativen Klemme der Speicherzelle 230 mit Bezug auf Masse. Bei einem anderen beispielhaften Ausführungsbeispiel kann jedoch die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 angeordnet sein, um die Klemmenspannung der Speicherzelle an der positiven Klemme der Speicherzelle 230 (mit Bezug auf Masse) zu messen, wenn die Speicherzelle 230 umgedreht wird und die Spannungsquelle 210 eine Potentiostatspannung einer negativen Polarität bereitstellt.
Als Nächstes wird auf 4 Bezug genommen, die eine grafische Darstellung des Pegels des Temperaturkoeffizienten der Spannung (TCV) gegenüber dem Pegel des Ladezustands (SOC) einer beispielhaften Speicherzelle gemäß der Offenbarung darstellt. Lithium-lonen-Zellen zeigen typischerweise einen erheblichen TCV-Effekt und es ist wünschenswert, dass der TCV-Effekt adressiert wird bevor Selbstentladungsstrommessungen an Lithium-Ionen-Zellen durchgeführt werden, um eine optimale Messgenauigkeit zu erhalten. Eine Lösung zum Minimieren nachteiliger TCV-Effekte ist es, eine zu testende Lithium-Ionen-Zelle in ein Fluidbad mit konstanter Temperatur oder eine Temperaturkammer einzutauchen. Dieser Lösungsansatz kann jedoch unpraktisch oder unerwünscht sein, wenn Messungen an einer Charge von Lithium-Ionen-Zellen in einer Fertigungslinie einer Herstellungseinrichtung durchgeführt werden.
Ein alternativer Lösungsansatz, der die Notwendigkeit, eine Lithium-Ionen-Zelle in ein Fluidbad mit konstanter Temperatur oder eine Temperaturkammer zu platzieren, wenn Selbstentladungsstrommessungen ausgeführt werden, eliminiert, basiert auf einer Beziehung zwischen den TCV-Charakteristika und dem SOC der Lithium-Ionen-Zelle. Diese Beziehung wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet, um einen anfänglichen SOC einer Lithium-Ionen-Zelle einzustellen, der den TCV der Lithium-Ionen-Zelle auf null setzt und die Notwendigkeit, die Temperatur der Lithium-Ionen-Zelle extern zu regeln, wenn Selbstentladungsstrommessungen ausgeführt werden, eliminiert.
Einstellen des anfänglichen SOC-Pegels der Lithium-Ionen-Zelle (wie zum Beispiel der in 3 gezeigten Speicherzelle 230) kann ausgeführt werden durch Erzeugen und Verwenden der in 4 gezeigten grafischen Darstellung. Der TCV bei dieser beispielhaften Implementierung, gekennzeichnet in Volt/Grad Celsius schwankt in einem Bereich von positiven und negativen TCV-Werten bezüglich des SOC, der in Prozentsätzen gekennzeichnet ist. Die grafische Darstellung wird erhalten durch Ausführen einer TCV-Charakterisierungsprozedur, die das Einstellen des SOC einer Lithium-Ionen-Zelle in inkrementellen Schritten (beispielsweise 5 % Inkremente), die von 0 bis 100 % SOC reichen, und das Messen des entsprechenden TCV-Werts für jeden SOC umfasst. Die inkrementellen Schritte können auf der Basis des Erhaltens eines gewünschten Genauigkeitspegels ausgewählt werden zum Identifizieren von Null-TCV-Werten und/oder niedrigen TCV-Werten vor dem Ausführen von Selbstentladungsstrommessungen.
Zu diesem Zweck wird eine Lithium-Ionen-Zelle zuerst bei etwa 5 % eines maximalen SOC platziert und kann dann ruhen, um eine Ladungsumverteilung innerhalb der Lithium-Ionen-Zelle zu ermöglichen, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Dies wird als Standzeit bezeichnet und dauert typischerweise einige Tage. Nach der Standzeit wird die Lithium-Ionen-Zelle in ein Fluidbad oder eine Temperaturkammer platziert und zwischen zumindest zwei Temperaturpegeln zyklisch bewegt. Bei einer beispielhaften Implementierung werden die zwei Temperaturpegel als Prozentsatzabweichungen von einem Nenntemperaturpegel (+/- 5 % von 25 Grad Celsius, beispielsweise) ausgewählt. Der Nenntemperaturpegel kann einer Betriebstemperatur der Lithium-Ionen-Zelle während der normalen Verwendung zu einem späteren Zeitpunkt entsprechen. Ausreichende Standzeit wird bei jedem der zwei Temperaturpegel bereitgestellt, wonach eine TCV-Messung ausgeführt wird. Entsprechend werden zwei TCV-Messungen, die dem Paar von Temperaturwerten entsprechen, für jeden SOC-Pegel erhalten.
Die Lithium-Ionen-Zelle wird dann bei beispielsweise 10 % SOC-Pegel des maximalen SOC platziert und die Prozedur wiederholt, um weitere zwei TCV-Messungen zu erhalten. Die Prozedur wird ferner für jeden der inkrementellen SOC-Werte wiederholt bis zu dem maximalen SOC-Pegel (100 %), und die TCV-Werte, die für die verschiedenen SOC-Einstellungen erhalten werden, werden verwendet, um die in 4 gezeigte grafische Darstellung zu erzeugen.
Der gestrichelte Kreis 405 zeigt einen TCV-Wert von null bei etwa 37 % SOC an, während des gestrichelte Oval 410 TCV-Werte anzeigt, die relativ nahe zu dem Null-TCV-Wert zwischen etwa 78 % SOC und etwa 90 % SOC liegen. Bei einer beispielhaften Implementierung kann die Speicherzelle 230 (eine Lithium-Ionen-Zelle) auf eine anfängliche Ladung von etwa 37 % einer maximalen Zellenladungskapazität (100 %) eingestellt sein, und bei einer anderen beispielhaften Implementierung kann die Speicherzelle 230 auf eine anfängliche Ladung eingestellt sein, die unter einem vordefinierten Schwellen-TCV-Wert liegt, vor dem Beginn einer Selbstentladungsstrommessung gemäß der Offenbarung. Wenn beispielsweise der vordefinierte Schwellen-TCV-Wert ausgewählt ist, um 0,5E-04 V/Grad C zu entsprechen, kann die Speicherzelle 230 auf eine Anfangsladung eingestellt sein, die einem der TCV-Werte entspricht, die von etwa 78 % bis etwa 90 % der maximalen Zellenladungskapazität entsprechen.
Selbstentladungsstrommessungen gemäß der Offenbarung können nach dem Einstellen der anfänglichen Ladung der Lithium-Ionen-Zelle auf die oben beschriebene Weise ausgeführt werden, um die Notwendigkeit, die Temperatur der Lithium-Ionen-Zelle extern zu regeln, zu minimieren oder zu eliminieren.
5 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Bestimmen eines Selbstentladungsleckstroms einer Speicherzelle gemäß der Offenbarung. Es ist klar, dass alle in 5 gezeigten Verfahrensschritte oder Blöcke Module, Segmente oder Codeabschnitte darstellen können, die eine oder mehrere ausführbare Anweisungen zum Implementieren spezifischer logischer Funktionen oder Schritte in dem Verfahren umfassen können. Bei bestimmten Implementierungen können einer oder mehrere der Schritte manuell durchgeführt werden. Obwohl nachfolgend bestimmte beispielhafte Verfahrensschritte beschrieben werden, ist klar, dass zusätzliche Schritte oder alternative Schritte bei verschiedenen Implementierungen verwendet werden können, ohne von der Wesensart der Offenbarung abzuweichen. Darüber hinaus können Schritte in einer anderen als der gezeigten oder erörterten Reihenfolge ausgeführt werden, einschließlich im Wesentlichen gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge, in Abhängigkeit von verschiedenen alternativen Implementierungen. Code kann auch in einer oder mehreren Vorrichtungen enthalten sein und muss nicht notwendigerweise auf eine bestimmte Art von Vorrichtung begrenzt sein. Obwohl die nachfolgende Erläuterung die Coderesidenz und Funktionalität in bestimmten Vorrichtungen impliziert, geschieht dies lediglich zum Zweck des Erläuterns von Konzepten hinter der Offenbarung und sollte nicht auf begrenzende Weise verstanden werden.
Das in 2 und 3 gezeigte Selbstentladungsstrommesssystem 200 wird nachfolgend zum Zweck des Beschreibens des beispielhaften Verfahrens verwendet. Es ist jedoch klar, dass das Verfahren unter Verwendung vieler anderer Systeme gemäß der Offenbarung implementiert werden kann. Es ist auch klar, dass die in 5 gezeigten Funktionsblöcke durch andere Funktionsblöcke ergänzt oder ersetzt werden können. Beispielsweise können vor dem Implementieren von Block 505 verschiedene Verfahrensschritte ausgeführt werden, um einen anfänglichen Ladezustand der Speicherzelle einzustellen, um den Temperaturkoeffizienten der Spannung der Speicherzelle auf null zu setzen und zum Minimieren/Eliminieren der Notwendigkeit, die Temperatur der Speicherzelle extern zu regeln.
Block 505 bezieht sich auf das Messen einer Leerlaufspannung über einem Paar von Klemmen der Speicherzelle 230 (oder einer Bank von Speicherzellen) durch Verwenden der ersten Spannungsmessschaltung 215, die eine erste Spannungsauflösung bereitstellt. Das Paar von Klemmen entspricht der positiven und negativen Klemme der Speicherzelle 230. Die Kombination aus Eins-Verstärkung-Verstärker 325 und ADC 320 stellt die erste Spannungsauflösung bereit, wenn die der Speicherzelle 230 gemessen wird.
Block 510 bezieht sich auf das Bereitstellen einer ersten Potentiostatspannung an die Speicherzelle 230, die zumindest teilweise bestimmt wird durch Verwenden der Leerlaufspannung, die unter Verwendung der ersten Spannungsmessschaltung 215 gemessen wird. Die erste Potentiostatspannung wird durch die Spannungsquelle 210 unter der Steuerung der Verarbeitungseinheit 205 bereitgestellt.
Block 515 bezieht sich auf das Messen einer Klemmenspannung an einer des Paars von Klemmen der Speicherzellen 230 durch Verwenden der zweiten Spannungsmessschaltung 220, die in der gemultiplexten V-I-Schaltung 355 eingebaut ist. Die zweite Spannungsmessschaltung 220 ist ausgebildet, um eine zweite Spannungsauflösung bereitzustellen, die höher ist als die erste Spannungsauflösung, die durch die erste Spannungsmessschaltung 215 bereitgestellt wird. Genauer gesagt, die zweite Spannungsauflösung wird durch die Kombination aus Verstärker mit hoher Verstärkung 335 und ADC 330 bereitgestellt.
Wenn die Messung der Klemmenspannung ausgeführt wird, ist die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 ausgebildet, um in einem Spannungsmessmodus zu arbeiten, indem sowohl der Schalter 340 als auch der Schalter 345 in die Schalterposition 1 versetzt werden. Bei dieser Konfiguration ist die negative Klemme der Speicherzelle 230 in die positive Eingangsklemme des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 gekoppelt und der Stromerfassungswiderstand 350 wird in einem offenen Zustand belassen (getrennt von dem Verstärker mit hoher Verstärkung 335).
Block 520 bezieht sich auf das Bereitstellen einer zweiten Potentiostatspannung an die Speicherzelle 230, die zumindest teilweise auf der Klemmenspannung basiert, die unter Verwendung der zweiten Spannungsmessschaltung 220 gemessen wird. Die zweite Potentiostatspannung, die durch die Spannungsquelle 210 bereitgestellt wird, basiert auf einer Nichtübereinstimmung zwischen der tatsächlichen Leerlaufspannung der Speicherzelle 230 und der ersten Potentiostatspannung, die in die Speicherzelle 230 gekoppelt ist, basierend auf der Spannungsmessung, die durch die erste Spannungsmessschaltung 215 ausgeführt wird. Die nicht übereinstimmende Spannung kann zwischen der negativen Klemme der Speicherzelle 230 und Masse gemessen werden (als Folge dessen, dass die Potentiostatspannung auf Masse bezogen ist), nachdem sowohl der Schalter 340 als auch der Schalter 345 in die Schalterposition 1 versetzt sind.
Die nicht übereinstimmende Spannung kann durch Verwenden alternativer Kennzeichnungen bezeichnet werden, wie zum Beispiel Restspannung, Offset-Spannung oder Differenzspannung. Die Prozedur, die verwendet wird, um die Nichtübereinstimmung zu berichtigen kann auch auf verschiedene alternative Weisen bezeichnet werden, wie zum Beispiel Restspannungskorrektur, Vernier-Spannungseinstellung oder eine Zweiter-Durchlauf-Potentiostatspannungseinstellungsprozedur.
Die zweite Spannungsmessschaltung 220 stellt eine zweite Spannungsauflösung bereit, die wesentlich höher ist als die erste Spannungsauflösung. Somit ermöglicht es die zweite Spannungsauflösung der Verarbeitungseinheit 205, die zweite Spannungsmessschaltung 220 zu verwenden, um die nicht übereinstimmende Spannung mit größerer Genauigkeit zu identifizieren.
Block 525 bezieht sich auf eine Strominitialisierungsprozedur, die optional bei einigen Ausführungsbeispielen durchgeführt werden kann und bei anderen ausgelassen werden kann. Die Prozedur, die ausgeführt werden kann nachdem die Spannungsquelle 210 die zweite Potentiostatspannung der Speicherzelle 230 bereitgestellt hat, bezieht sich auf das schnelle Konfigurieren des Selbstentladungsstrommesssystems 200, um eine potentiostatische Regulierung zu beginnen mit einem vorbestimmten Anfangsstrom, der durch die Speicherzelle 230 fließt. Bei einer Implementierung kann der vorbestimmte Anfangsstrom ein typischer Selbstentladungsstrom der Speicherzelle 230 sein, der bereits bekannt ist basierend auf Informationen wie zum Beispiel vergangener Historie, vorhergehende Testauswertungen, Datenblätter, empirische Daten und/oder theoretische Daten. Bei einer anderen Implementierung kann der vorbestimmte Anfangsstrom ein Strom sein, der durch eine Entität wie zum Beispiel einen Kunden oder eine Testbedienperson spezifiziert wird.
Die Strominitialisierungsprozedur kann ausgeführt werden durch Versetzen sowohl des Schalters 340 als auch des Schalters 345 in die Schalterposition 2 und Verwenden der gemultiplexten V-I-Schaltung 355 zum Messen eines ersten Selbstentladungsstroms in der Speicherzelle 230 als eine Folge dessen, dass die Spannungsquelle 210 der Speicherzelle 230 die zweite Potentiostatspannung bereitstellt. Die Verarbeitungseinheit berechnet eine Differenz zwischen dem ersten Selbstentladungsstrom und dem vorbestimmten Anfangsstrom, um ein erstes digitales Steuerwort zu bestimmen, um dasselbe über die Binärschnittstelle 306 an den DAC 310 anzulegen. Der DAC 310 stellt in Verbindung mit den anderen Komponenten der Spannungsquelle 210 der Speicherzelle 230 eine dritte Potentiostatspannung bereit zum Modifizieren des Selbstentladungsstroms, um mit dem vorbestimmten Anfangsstrom übereinzustimmen.
Bei einigen Implementierungen kann der Genauigkeitspegel, der durch Bereitstellen der dritten Potentiostatspannung an die Speicherzelle 230 erhalten wird, angemessen sein und die Strominitialisierungsprozedur kann an dieser Stufe beendet werden. Bei einigen anderen Implementierungen kann jedoch ein höherer Genauigkeitspegel wünschenswert sein. Folglich können die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 und die Spannungsquelle 210 ferner auf eine iterative und/oder rekursive Weise durch die Verarbeitungseinheit 205 verwendet werden zum Einstellen des vorbestimmen Anfangsstroms.
Einstellen des Anfangsstroms in der Speicherzelle 230 auf den vorbestimmten Wert kann über einen kurzen Zeitraum ausgeführt werden, wie zum Beispiel in etwa einer Minute und führt zu einer wesentlichen Reduktion bei der Gesamtdauer eines Tests zum Bestimmen der Selbstentladungsstromcharakteristik der Speicherzelle 230 insbesondere im Vergleich mit mehreren herkömmlichen Testprozeduren.
Block 530 bezieht sich auf das Ausführen einer oder mehrerer Selbstentladungsleckstrommessungen an der Speicherzelle 230 über einen Zeitraum nach der Ausführung von Block 520 (gefolgt von Block 525, falls gewünscht). Die Selbstentladungsleckstrommessungen werden typischerweise ausgeführt, nachdem es der zweiten Potentiostatspannung ermöglicht wird, in die Speicherzelle 230 gekoppelt zu bleiben für einen Zeitraum, der ausreichend ist, damit die Spannungsquelle 210 und die Speicherzelle 230 ein Gleichgewicht erreichen. Im Gleichgewicht wird der Selbstentladungsstrom vollständig durch die Spannungsquelle 210 bereitgestellt, die mittlerweile den Selbstentladungsstrom übernommen hat, der typischerweise durch die interne Zellenkapazität der Speicherzelle 230 bereitgestellt wird.
Wenn eine Messung des Selbstentladungsstroms, der durch die Speicherzelle 230 fließt, durchgeführt wird, ist die gemultiplexte V-I-Schaltung 355 ausgebildet, um in einem Strommessmodus zu arbeiten durch Versetzen sowohl des ersten Schalters 340 als auch des Schalters 345 in eine Schalterposition 2. Bei dieser Konfiguration ist die negative Klemme der Speicherzelle 230 in die positive Eingangsklemme des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 gekoppelt und der Stromerfassungswiderstand 350 ist auch mit der positiven Eingangsklemme des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 verbunden. Der Selbstentladungsstrom, der durch die Speicherzelle 230 fließt, verläuft durch den Stromerfassungswiderstand 350 zu Masse. Der Verstärker mit hoher Verstärkung 335 verstärkt den resultierenden Spannungsabfall über den Stromerfassungswiderstand 350. Die Ausgangsspannung des Verstärkers mit hoher Verstärkung 335 ist somit direkt proportional zu einer Amplitude des Selbstentladungsstroms, der durch die Speicherzelle 230 und den Stromerfassungswiderstand 350 fließt.
Die Zeit bis zum Erreichen eines stationären Zustands im Zusammenhang mit dem Selbstentladungsstrom, der durch den Stromerfassungswiderstand 350 fließt, wird bestimmt durch eine Zeitkonstante, die zwischen dem Stromerfassungswiderstand 350 und einer effektiven Kapazität der Speicherzelle 230 gebildet ist. Die Auswirkungen der Zeitkonstante können berücksichtigt werden, wenn die Ausgabe des ADC 330 durch die Verarbeitungseinheit 205 verarbeitet wird, um die Selbstentladungsleckstromcharakteristik der Speicherzelle 230 zu bestimmen. Bei einer beispielhaften Implementierung kann eine kleine Offset-Spannung durch die Spannungsquelle 210 der Speicherzelle 230 bereitgestellt werden, um zumindest einen Teil der Auswirkung auszugleichen, die durch den Stromerfassungswiderstand 350 auf die Messungen hin erzeugt wird. Die Offset-Spannung kann auf der Basis einer erwarteten Amplitude des Selbstentladungsstroms der in der Speicherzelle 230 fließt, oder basierend auf der Ausführung des oben beschriebenen Blocks 525 eingestellt werden. Bei einigen anderen beispielhaften Ausführungsbeispielen kann der Stromerfassungswiderstand 350 in der Form eines steuerbaren resistiven Elements bereitgestellt werden, das durch die Verarbeitungseinheit 205 gesteuert werden kann, beispielsweise um einen Widerstandswert des Stromerfassungswiderstands 350 zu variieren. Bei einer weiteren beispielhaften Implementierung kann das steuerbare resistive Element ein separates Bauelement sein, das in Reihe gekoppelt ist mit dem Stromerfassungswiderstand 350. Bei noch einer weiteren beispielhaften Implementierung kann dem Stromerfassungswiderstand 350 über ein Softwareprogramm, das durch die Verarbeitungseinheit 205 ausgeführt wird, ein virtueller Reihenwiderstand hinzugefügt oder weggenommen werden.
Block 535 bezieht sich auf die Verwendung einer oder mehrerer Selbstentladungsleckstrommessungen, um eine Selbstentladungsleckstromcharakteristik der Speicherzelle 230 zu bestimmen. Die Verarbeitungseinheit 205, die für diesen Zweck verwendet werden kann, kann in eine Messvorrichtung eingebaut werden, die das Selbstentladungsstrommesssystem 200 umfasst. Bei einigen alternativen Ausführungsbeispielen kann die Verarbeitungseinheit 205 in ein Rechensystem eingebaut sein, das kommunikativ mit dem Selbstentladungsstrommesssystem 200 gekoppelt ist.
Zusammenfassend sollte angemerkt werden, dass die Erfindung mit Bezugnahme auf wenige darstellende Ausführungsbeispiele beschrieben wurde für den Zweck des Veranschaulichens der Prinzipien und Konzepte der Erfindung. Für Fachleute auf diesem Gebiet ist klar, dass hinsichtlich der hierin bereitgestellten Beschreibung die Erfindung nicht auf diese darstellenden Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Beispielsweise ist klar, dass obwohl die Speicherzelle 230 an mehreren Stellen als Lithium-Ionen-Zelle bezeichnet wird, das Selbstentladungsstrommesssystem 200 verwendet werden kann, um die Selbstentladungsleckstromcharakteristik vieler anderer Arten von Speicherzellen zu messen. Fachleute auf diesem Gebiet werden verstehen, dass viele solche Variationen an den darstellenden Ausführungsbeispielen durchgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Messen (505) einer Leerlaufspannung über einem Paar von Klemmen (211, 212) von entweder einer Speicherzelle oder einer Bank von Speicherzellen (230) durch Verwenden einer ersten Spannungsmessschaltung (215), die eine erste Spannungsauflösung bereitstellt; Bereitstellen (510) einer ersten Potentiostatspannung an entweder die Speicherzelle oder die Bank von Speicherzellen (230), die zumindest teilweise bestimmt wird durch Verwenden der Leerlaufspannung, die unter Verwendung der ersten Spannungsmessschaltung (215) gemessen wird; Messen (515) einer Klemmenspannung an einer des Paars von Klemmen (211, 212) von entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) durch Verwenden einer zweiten Spannungsmessschaltung (220), die ausgebildet ist, um eine zweite Spannungsauflösung bereitzustellen, die höher ist als die erste Spannungsauflösung; Bereitstellen (520) einer zweiten Potentiostatspannung an entweder die Speicherzelle oder die Bank von Speicherzellen (230), die zumindest teilweise auf der Klemmenspannung basiert, die unter Verwendung der zweiten Spannungsmessschaltung (220) gemessen wird; Ausführen (530) einer oder mehrerer Selbstentladungsleckstrommessungen an entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) über einen Zeitraum nach dem Bereitstellen der zweiten Potentiostatspannung an entweder die Speicherzelle oder die Bank von Speicherzellen (230); und Verwenden (535) der einen oder mehreren Selbstentladungsleckstrommessungen, um eine Selbstentladungsleckstromcharakteristik von entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Spannungsmessschaltung (215) einen Millivoltauflösungspegel bereitstellt und die zweite Spannungsmessschaltung (220) einen Mikrovoltauflösungspegel bereitstellt, und wobei die eine des Paars von Klemmen (211, 212) eine negative Klemme von entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem der Millivoltauflösungspegel zumindest teilweise erhalten wird durch Verwenden entweder eines Verstärkers mit niedriger Verstärkung oder eines Eins-Verstärkung-Verstärkers (325), und der Mikrovoltauflösungspegel zumindest teilweise erhalten wird durch Verwenden eines Verstärkers mit hoher Verstärkung (335),
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner folgenden Schritt aufweist: Ausführen einer Charakterisierungsprozedur eines Temperaturkoeffizienten der Spannung (TCV) an entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) vor dem Messen der Leerlaufspannung über dem Paar von Klemmen (211, 212), wobei die TCV-Charakterisierungsprozedur das Identifizieren zumindest entweder eines Null-TCV-Werts oder eines oder mehrerer TCV-Werte umfasst, die unter einem vordefinierten Schwellenwert liegen.
Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem das Ausführen der TCV-Charakterisierungsprozedur folgende Schritte aufweist: Einstellen entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) auf jeden einer Mehrzahl von Ladezustand(SOC)-Pegeln; zyklisches Bewegen entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) zwischen zumindest zwei Temperaturpegeln, wenn dieselben auf jeden der Mehrzahl von SOC-Pegeln eingestellt sind; Bestimmen einer Mehrzahl von TCV-Werten, die der Mehrzahl von SOC-Pegeln entsprechen, wenn entweder die Speicherzelle oder die Bank von Speicherzellen (230) zyklisch zwischen den zumindest zwei Temperaturpegeln bewegt wird; und Verwenden der Mehrzahl von TCV-Werten zum Identifizieren zumindest entweder des Null-TCV-Werts oder des einen oder der mehreren TCV-Werte, die unter dem vordefinierten Schwellenwert liegen.
Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das Identifizieren zumindest entweder des Null-TCV-Werts oder des einen oder der mehreren TCV-Werte, die unter einem vordefinierten Schwellenwert liegen, ein Verwenden einer grafischen Darstellung der Mehrzahl von TCV-Werten gegenüber der Mehrzahl von SOC-Pegeln aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, das ferner folgenden Schritt aufweist: Verwenden zumindest entweder des Null-TCV-Werts oder des einen oder der mehreren TCV-Werte, die unter dem vordefinierten Schwellenwert liegen, um einen Anfangsladezustand(SOC)-Pegel entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) vor dem Messen der Leerlaufspannung über dem Paar von Klemmen (211, 212) einzustellen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die erste Spannungsmessschaltung (215) einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADC) (320) und entweder einen Verstärker mit niedriger Verstärkung oder einen Eins-Verstärkung-Verstärker (325) aufweist, der die Leerlaufspannung entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) in den ersten ADC (320) koppelt, und die zweite Spannungsmessschaltung (220) einen zweiten ADC (330) und einen Verstärker mit hoher Verstärkung (335) aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem die zweite Spannungsmessschaltung (220) und eine Strommessschaltung (225) als eine Doppelfunktionsschaltung (355) bereitgestellt sind, die eine oder mehrere Funktionen der zweiten Spannungsmessschaltung (220) ausführt und die eine oder die mehreren Selbstentladungsleckstrommessungen ausführt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die erste Spannungsmessschaltung (215) eine Doppelfunktionsschaltung (335) ist, die einen oder mehrere Schalter (340, 345) aufweist, die durch eine Verarbeitungseinheit (205) gesteuert werden zum Messen entweder der Klemmenspannungen an der einen des Paars von Klemmen (211, 212) entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230) oder eines Selbstentladungsleckstroms entweder der Speicherzelle oder der Bank von Speicherzellen (230).