專利名稱：電化學(xué)元件的電子測(cè)量與測(cè)試配置的故障跟蹤方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于大量電化學(xué)元件的自動(dòng)操作電子測(cè)量與測(cè)試配置中的故障跟蹤方法，以及具體適用于執(zhí)行該方法的裝置。
背景技術(shù)：
可充電電化學(xué)元件，特別是鋰電池，其在許多情況下包含一個(gè)包括兩個(gè)或更多單個(gè)元件的電池組。組成電池組的單個(gè)電池或單個(gè)元件是一個(gè)疊層，其由輸出導(dǎo)體、活性電極薄膜和一個(gè)隔板組成。這種疊層由穩(wěn)固連接的稱為雙電池的單獨(dú)部件組成，該雙電池具有以下可能的順序負(fù)極/隔板/正極/隔板/負(fù)極，或正極/隔板/負(fù)極/隔板/正極。
制作這種可充電鋰離子電池的方法描述在美國(guó)專利5460904中。兩個(gè)或多個(gè)雙電池層狀放置以構(gòu)成電池組，將之插入一個(gè)例如由熱成型的鋁復(fù)合片組成的容器后，充填電解液，用蓋密封，成形并最后封閉，這樣就制成一個(gè)完整的電池。
在電池工業(yè)中，將高度自動(dòng)的測(cè)量裝置應(yīng)用于電池的電子測(cè)試。在可充電電池領(lǐng)域，這些系統(tǒng)通過(guò)執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)充/放電周期也可以制作可充電電池。為了實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率，這些系統(tǒng)通常是完全自動(dòng)的。
大量電化學(xué)元件的成形需要復(fù)雜的裝置，在成形過(guò)程中，用電池的輸出導(dǎo)體形成電接觸，其中的電池是被固定的。通常，大量扁平電池被彼此并排地插入到支架(在此稱為成型架)的凹槽中，這些凹槽與電池的橫截面相匹配。在這種情況下，扁平電池的輸出導(dǎo)體接線片指向一個(gè)方向并且被夾在片狀的位于固定裝置上的接觸彈簧之間。但是，也可以通過(guò)將插針?lè)湃胼敵鰧?dǎo)體接線片而構(gòu)成接觸。
在電池特性的測(cè)試中，電池是被連續(xù)測(cè)試的，也就是說(shuō)一個(gè)接一個(gè)地測(cè)試，測(cè)試的持續(xù)時(shí)間通常小于1秒。但是對(duì)于并行的，即同一時(shí)間兩個(gè)或更多電池的測(cè)試，可執(zhí)行更長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試或操作。為了達(dá)到該目的，將這些電池放入特定的容器中并自動(dòng)地或手動(dòng)地提供給適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)。這些系統(tǒng)通常是計(jì)算機(jī)控制的。用恒定電流或電流脈沖和/或恒定電壓執(zhí)行該測(cè)試或操作。已知的這種裝置描述在DE10213685.8A1中。
接觸裝置具有相當(dāng)于電池?cái)?shù)量的連接電纜，每個(gè)電池具有四個(gè)接頭。在電池成形系統(tǒng)中通常可同時(shí)處理幾千或幾萬(wàn)個(gè)電池。每個(gè)單個(gè)的電池被連接到控制、測(cè)量和調(diào)整電路的一個(gè)通道。在安裝和操作過(guò)程中大量的電纜和控制電路通道可能會(huì)產(chǎn)生故障。
系統(tǒng)構(gòu)造過(guò)程中用手工測(cè)試連接是非常復(fù)雜的，在困難的條件下需要很長(zhǎng)的時(shí)間和大量的工作。而在這種操作過(guò)程中通常檢測(cè)不到故障，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果和錯(cuò)誤的動(dòng)作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種方法和特別用于執(zhí)行該方法的適當(dāng)?shù)难b置，其可以簡(jiǎn)單、快速并以完全自動(dòng)的方式執(zhí)行故障跟蹤，并可預(yù)防識(shí)別的問(wèn)題。
根據(jù)本發(fā)明，用具有方案1所述特征的方法和具有方案5所述特征的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)選的改進(jìn)包括在其他的方案中，并在下文中更詳細(xì)地描述。權(quán)利要求書中的用語(yǔ)通過(guò)明確的參考標(biāo)記被包括在說(shuō)明書內(nèi)容中。
根據(jù)本發(fā)明，電池模擬器被插入用于電化學(xué)元件的支架或成型架中。這些電池模擬器的包括電連接的外部形狀和尺寸近似地模擬或模仿電化學(xué)元件，并且該電池模擬器包括測(cè)試電路，其具有反向極性的特性在很大程度上不同于其具有基于應(yīng)用的極性的特性。激活一個(gè)電池模擬器，并在其上施加測(cè)試電流，然后測(cè)量該電池模擬器上的電壓和/或電壓響應(yīng)并與這種電池模擬器預(yù)定的額定電壓值或額定電壓響應(yīng)相比較。例如，可在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)執(zhí)行該比較。
電池模擬器包括測(cè)試電路，該測(cè)試電路可至少包括一個(gè)電阻和一個(gè)并聯(lián)的二極管。兩個(gè)或多個(gè)電池模擬器彼此并排放置或相鄰放置。在這種情況下，它們可以相互稍有不同，例如它們可具有不同的電壓響應(yīng)特性。這可以用例如不同阻抗的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而可易于分辨單個(gè)的電池模擬器。
根據(jù)權(quán)利要求書、說(shuō)明書和附圖可明顯得到本發(fā)明的這些和其他的特征，其中這些單個(gè)的特征可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)或與本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例和其他領(lǐng)域的子組合形式的兩個(gè)或多個(gè)特征組合實(shí)現(xiàn)，這些特征可代表本身有專利性的優(yōu)選實(shí)施例，其保護(hù)范圍在權(quán)利要求書描述的范圍內(nèi)。將本申請(qǐng)細(xì)分為各部分和中間標(biāo)題不會(huì)限制以下綜述的普遍性。


在下文中將參考以下的附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的主題，其中圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)電池模擬器；圖2所示為該裝置的電連接；圖3所示為根據(jù)本發(fā)明方法識(shí)別的各種故障的電路簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是電池模擬器9的設(shè)計(jì)示意圖，該裝置包括一個(gè)具有測(cè)試電路的印制電路板3，該測(cè)試電路包括并聯(lián)的至少一個(gè)電阻7和一個(gè)二極管6。該電池模擬器9也包括正輸出導(dǎo)體1和負(fù)輸出導(dǎo)體2。這些輸出導(dǎo)體經(jīng)四個(gè)插針5組成接線4，被連接到電源并連接到測(cè)試裝置。如果不用插針，也可以用輸出導(dǎo)體通過(guò)固定在兩端的接觸彈簧構(gòu)成連接。例如，這兩個(gè)輸出導(dǎo)體可以由厚度為100μm，寬度為5mm的鎳條組成，用焊接的方法連接到印制電路板上測(cè)試電路的導(dǎo)體槽。電池模擬器的外部形狀和大小的尺寸相當(dāng)于將要被測(cè)試或被成形的電化學(xué)元件。
圖2所示為用于相互并排放置的大量扁平電池或電池模擬器9的支架的所謂的成型架11。單個(gè)的扁平電池放置在該支架的凹槽中，這些凹槽與電池的橫截面相匹配。
接觸單元10包括用于與電池或電池模擬器9建立連接的插針5和接觸彈簧。插針5和接觸彈簧被連接到組合起來(lái)構(gòu)成電纜束8的接線4上。
成形系統(tǒng)上的成形位置被細(xì)分成邏輯塊。例如，192個(gè)邏輯塊上有24576個(gè)成形位置，每個(gè)邏輯塊128個(gè)。每個(gè)邏輯塊相當(dāng)于一個(gè)用于支持成型架的系統(tǒng)艙。每個(gè)系統(tǒng)艙包括一個(gè)用于與成型架上的電池建立連接的接觸單元10。每個(gè)電池到系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)電路有四個(gè)電連接線路4。每個(gè)控制路徑被連接到一個(gè)電池或一個(gè)電池模擬器9。
與上述的電池模擬器相適應(yīng)的成型架用例如齒條控制器的方法被插入到被測(cè)系統(tǒng)艙。然后通過(guò)閉合該接觸單元，將該電池模擬器電連接到該控制器或控制系統(tǒng)中。
對(duì)于本發(fā)明的故障跟蹤處理，相鄰的電池模擬器按順序具有不同的特性是必要的，例如，以用于識(shí)別相鄰路徑或電池之間的交叉線。由于四個(gè)相鄰的路徑的接線可以相互交叉，則需要四個(gè)不同的電池模擬器以規(guī)則的重復(fù)方式進(jìn)行配置，如圖2中所示。
圖3A用示意圖示出組合起來(lái)構(gòu)成電纜束8的接線4以及用于每個(gè)電池或電池模擬器的四個(gè)接觸器5。四個(gè)接線(U+、U-、I+、I-)從控制電路的每個(gè)路徑通向一個(gè)電池，相當(dāng)于一個(gè)四線測(cè)量方法。標(biāo)記K1、K2等，各表示測(cè)量和控制電路、電池或電池模擬器的一個(gè)路徑。
該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是成型架11上的所有電池或電池模擬器可同時(shí)通過(guò)接觸單元10實(shí)現(xiàn)接觸。
圖3B和3C示出了單獨(dú)地測(cè)試每個(gè)路徑和應(yīng)用具有不同特性的電池模擬器的需要。如果測(cè)量接線(U+、U-)和/或一個(gè)路徑的電源線(I+、I-)與另一路徑的測(cè)量接線成對(duì)交叉，則該故障只有在僅一個(gè)路徑是在每種情況下都有效，即有電的，并且相鄰的電池模擬器具有不同特性時(shí)才能被識(shí)別。由于各電池模擬器的配置和順序是已知的，每個(gè)單獨(dú)路徑所期望的測(cè)量值也是已知的。因此可能檢測(cè)出以上所述的故障。
圖3D示出了電池模擬器具有帶反向極性的不同特性。
圖3E和3F所示為用根據(jù)本發(fā)明的方法識(shí)別的其他可能的故障的需要。
各種電池模擬器必須考慮所有元件和測(cè)量的容差以設(shè)計(jì)相互具有很大區(qū)別并且具有反向極性的不同特性。例如，應(yīng)用四個(gè)不同的電池模擬器，當(dāng)電流流過(guò)各電池模擬器時(shí)壓降可以是2.7v、3.3v、3.9v或4.7v，具有反向極性時(shí)壓降為1.0v。
這四個(gè)不同類型的電池模擬器所用電阻的阻值不同，例如，分別為27、33、39和47歐姆。它們?cè)诔尚图苌媳舜瞬⑴欧胖貌⒕哂幸?guī)則的重復(fù)方式。
選擇測(cè)試電流和電阻R的阻值，從而使所得壓降顯著地大于二極管的正向電壓，例如1.0v。但是，同時(shí)，必須保證所得電壓仍然處于控制器或控制系統(tǒng)所允許的測(cè)量和控制范圍內(nèi)。
例如，電阻R27/33/39/47歐姆二極管的正向電壓D1.0v控制器或控制系統(tǒng)的測(cè)量和控制范圍0到5.5v測(cè)試電流100mA應(yīng)用公式U＝R*I得到的壓降為2.7/3.3/3.9/4.7v應(yīng)用確定的電流激活待測(cè)的測(cè)量和控制電路的路徑。不激活所有其他路徑。經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的時(shí)間之后，測(cè)量電流并執(zhí)行測(cè)試以確定該測(cè)量值是否在預(yù)定的容差窗口內(nèi)。如果不符合要求，則測(cè)試路徑和/或相關(guān)的線路不可用，否則，繼續(xù)該測(cè)試，進(jìn)行電池模擬器上所得電壓的測(cè)量。將該測(cè)量值與這種類型電池模擬器的預(yù)定值或容差窗口比較。如果該測(cè)量值在容差窗口之外，則該測(cè)試路徑和/或相關(guān)的線路不可用。該過(guò)程在所有的待測(cè)路徑上重復(fù)執(zhí)行。
原則上，控制器或控制系統(tǒng)中只有一個(gè)路徑是有效的。所有其他路徑無(wú)效，也就是說(shuō)其他路徑具有高阻抗。通過(guò)控制器或控制系統(tǒng)將一個(gè)恒定電流，例如100mA施加到各激活路徑上。經(jīng)過(guò)一個(gè)固定的時(shí)間之后(例如17秒)，該控制器或控制系統(tǒng)測(cè)量電池的電壓和電流并檢測(cè)這兩個(gè)值是否都在允許的范圍內(nèi)。為了識(shí)別任何可能的振蕩，在另一個(gè)3或7秒之后重復(fù)該測(cè)量和測(cè)試。
電壓的允許值范圍是從電池模擬器上阻抗的容差、控制器或控制系統(tǒng)的電壓測(cè)量不準(zhǔn)確度以及電流調(diào)整的不準(zhǔn)確度計(jì)算得來(lái)的。電流的允許值范圍受電流調(diào)整的不準(zhǔn)確度的影響。選擇這些值以及電阻的容差使所得允許范圍正常。
對(duì)成型架上所有的電池位置接連地重復(fù)執(zhí)行上述過(guò)程。根據(jù)本發(fā)明，電池模擬器與待測(cè)電池具有相同的形狀和大小，且測(cè)試電路被集成在其上或其內(nèi)。用電池模擬器將成型架裝滿，從而在一個(gè)測(cè)量中可測(cè)試完整的連接。
當(dāng)應(yīng)用具有系統(tǒng)分度的電導(dǎo)的電池模擬器時(shí)，可識(shí)別相鄰位置之間的交叉線路。當(dāng)應(yīng)用包括一個(gè)電阻和一個(gè)并接的二極管的測(cè)試電路時(shí)，可檢測(cè)到互換的極性。由于測(cè)量步驟是計(jì)算機(jī)控制的，故障的報(bào)告可具有一個(gè)詳細(xì)的故障描述。
也可應(yīng)用一個(gè)永久性安裝電池模擬器的容器作為測(cè)試目標(biāo)，將該容器以確定的時(shí)間間隔自動(dòng)穿過(guò)該系統(tǒng)。
應(yīng)用該方法，可在困難的條件下避免復(fù)雜、昂貴的人力作業(yè)，并可得到更好的測(cè)試可靠性。
根據(jù)本發(fā)明的方法以及相關(guān)的裝置可以檢測(cè)一個(gè)或多個(gè)線路的不連續(xù)，此時(shí)任何電流不可能流過(guò)和/或測(cè)量到錯(cuò)誤的電壓。其也可以識(shí)別每個(gè)電池的一個(gè)或多個(gè)線路的極性反向。在反向偏置方向與電池模擬器的電阻并聯(lián)的二極管變成正向偏置，則所測(cè)電壓等于二極管的正向電壓，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所期望的電壓。
由于在同一時(shí)間只有一個(gè)路徑被激活，并且相鄰的電池模擬器具有不同的阻抗，則可以識(shí)別具有一個(gè)或多個(gè)相鄰電池線路的一個(gè)電池中一個(gè)或多個(gè)線路的交叉。
由于這里采用的是四線測(cè)量方法，所以如果接觸電阻沒(méi)有大到控制器或控制系統(tǒng)不再能調(diào)整電壓的情況，那么插塞接頭之間或接觸單元和電池之間的不良電接觸就不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。在這種情況下，控制器或控制系統(tǒng)測(cè)量的值會(huì)在容差范圍之外，該故障就可以由該測(cè)試方法識(shí)別。
如果控制電路的一個(gè)或多個(gè)路徑受損，或如果控制電路的一個(gè)或多個(gè)路徑的測(cè)量和/或調(diào)整精度超出容差，則測(cè)量值就不在允許范圍內(nèi)。
在一個(gè)典型的實(shí)施例中，本發(fā)明包括一種用于大量電化學(xué)元件的自動(dòng)操作電子測(cè)量與測(cè)試配置中的故障跟蹤方法。電池模擬器被插入到用于電化學(xué)元件的支架上。這些電池模擬器的包括電連接的外形和尺寸模擬電化學(xué)元件。該電池模擬器包括測(cè)試電路，其具有反向極性的特性在很大程度上不同于其具有基于應(yīng)用的極性的特性。激活一個(gè)電池模擬器，并在其上施加測(cè)量電流。然后測(cè)量電壓和/或電池模擬器上的電壓響應(yīng)，并與該電池模擬器的預(yù)定額定電壓值相比較。該測(cè)試電路包括至少一個(gè)電阻和一個(gè)并聯(lián)的二極管。
權(quán)利要求
1.一種用于大量電化學(xué)元件的自動(dòng)操作電子測(cè)量與測(cè)試配置中的故障跟蹤方法，其中在測(cè)量和測(cè)試配置中設(shè)有電化學(xué)元件的支架，其中的電池模擬器具有一包括電連接的外部形狀和大小，該形狀和大小近似地模擬待測(cè)電化學(xué)元件，并且該電池模擬器包括測(cè)試電路，其具有反向極性的特性在很大程度上不同于其具有基于應(yīng)用的極性的特性，該方法包括以下步驟--將電池模擬器(9)插入到支架中，--激活一個(gè)電池模擬器(9)，并在其上施加測(cè)試電流，--測(cè)量該電池模擬器(9)上的電壓，并比較該電壓與這種電池模擬器預(yù)定的額定電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測(cè)量該電池模擬器(9)的電壓之前，在預(yù)定的時(shí)間間隔，將測(cè)量電流與預(yù)定的額定值相比較。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，兩個(gè)或多個(gè)電池模擬器(9)彼此相鄰放置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，相鄰的電池模擬器分別都具有不同的特性。
5.一種用于大量電化學(xué)元件的自動(dòng)操作電子測(cè)量與測(cè)試配置中的故障跟蹤裝置，其中該裝置的包括電連接的外部形狀和大小近似地模擬電化學(xué)元件，其中該裝置包括測(cè)試電路(6、7)，其具有反向極性的特性在很大程度上不同于其具有基于應(yīng)用的極性的特性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，該測(cè)試電路具有至少一個(gè)由一個(gè)電阻(7)和一個(gè)二極管(6)構(gòu)成的并聯(lián)電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，該裝置是電池模擬器(9)的形式，該裝置放置在用于保持大量待測(cè)電化學(xué)元件的測(cè)試或成型架(11)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，當(dāng)向相鄰的電池模擬器(9)施加測(cè)量電流時(shí)，其對(duì)于不同的電壓響應(yīng)具有不同的阻抗。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，該裝置設(shè)計(jì)成用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1的方法。
全文摘要
在一種用于大量電化學(xué)元件的自動(dòng)操作電子測(cè)量與測(cè)試配置中的故障跟蹤方法中，將電池模擬器(9)插入用于電化學(xué)元件的支架中。這些電池模擬器(9)的包括電連接的外部形狀和大小模擬電化學(xué)元件，這些裝置包括測(cè)試電路(6、7)，其具有反向極性的特性在很大程度上不同于其具有基于應(yīng)用的極性的特性。然后激活一個(gè)電池模擬器，并在其上施加測(cè)試電流。測(cè)量該電池模擬器上的電壓和/或電壓響應(yīng)，并與這種電池模擬器(9)預(yù)定的額定電壓相比較。該測(cè)試電路包括至少一個(gè)電阻(7)和一個(gè)并聯(lián)的二極管(6)。
文檔編號(hào)H01M10/48GK1532557SQ200310119690
公開日2004年9月29日 申請(qǐng)日期2003年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月20日
發(fā)明者R·哈爾德, P·豪格, D·伊利克, W·瓦爾庫(kù)姆, P·比爾克, R 哈爾德, 餑 申請(qǐng)人:瓦爾達(dá)微電池有限責(zé)任公司