DE10236958B4 - Verfahren zur Ermittlung der entnehmbaren Ladungsmenge einer Speicherbatterie und Überwachungseinrichtung für eine Speicherbatterie - Google Patents

Verfahren zur Ermittlung der entnehmbaren Ladungsmenge einer Speicherbatterie und Überwachungseinrichtung für eine Speicherbatterie Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der entnehmbaren Ladungsmenge (QR) einer Speicherbatterie, mit den Schritten:
– Anregen der Speicherbatterie mit einer Stromanregung oder einer Spannungsanregung,
– Ermitteln eines Antwortsignalverlaufs als Spannungsantwort auf die Stromanregung oder als Stromantwort auf die Spannungsanregung;
gekennzeichnet durch
– Darstellen des Antwortsignalverlaufs über eine Wurzelfunktion der Zeit in einem Zeitintervall, das frühestens mit der Anregung beginnt und spätestens mit dem Abklingen des Antwortsignalverlaufs oder dem Ende der Anregung endet;.
– Bestimmen der Steigung (S) des so dargestellten Antwortsignalverlaufs;
– Bestimmen der entnehmbaren Ladungsmenge (QR) in Abhängigkeit von der Steigung (S).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der entnehmbaren Ladungsmenge einer Speicherbatterie mit den Schritten:
    • – Anregen der Speicherbatterie mit einer Stromanregung oder einer Spannungsanregung;
    • – Ermitteln eines Antwortsignalverlaufes als Spannungsantwort auf die Stromanregung oder als Stromantwort auf die Spannungsanregung.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin eine Überwachungseinrichtung für eine Speicherbatterie mit Messmitteln zur Messung von Batteriespannung und/oder Batterieströmen und mit Auswertemitteln.
  • Es besteht ein Bedarf, die entnehmbare Ladungsmenge einer Speicherbatterie während des Betriebs abzuschätzen.
  • Durch den Gebrauch von wiederaufladbaren Speicherbatterien, insbesondere beim Entlade- und Ladebetrieb, tritt ein Verschleiß ein. Daneben gibt es auch andere, den Verschleiß von elektrochemischen Energiespeicher beschleunigende Betriebsbedingungen. Dazu gehört z.B. beim Bleiakkumulator die gesamte Betriebsdauer, d.h. die gesamte seit der Inbetriebnahme verstrichene Zeit einschließlich der Perioden, in denen den Akkumulator nicht elektrisch beaufschlagt wurde. Dieser Verschleiß wird noch verstärkt durch erhöhte Temperaturen. Er höhte Temperaturen können aber nicht nur den Verschleiß der Perioden ohne elektrischer Beaufschlagung beschleunigen, sondern durch zyklischen Entlade- und Ladebetrieb hervorgerufenen Verschleiß verstärken.
  • Bei einer Speicherbatterie drückt sich der Verschleiß u.a. in einer Minderung der Speicherfähigkeit für elektrische Ladung aus, so dass sich die entnehmbare Ladungsmenge ausgehend von dem Vollladezustand nicht einfach bestimmen lässt.
  • Die entnehmbare Ladungsmenge QR der Speicherbatterie ist hierbei die Ladungsmenge, die ausgehend vom aktuellen Zustand der Speicherbatterie unter Nennbedingungen noch entnommen werden kann. Im Neuzustand der Speicherbatterie ist die Summe aus entnehmbarer Ladungsmenge und entladener Ladungsmenge die Speicherfähigkeit im Neuzustand.
  • Die Speicherfähigkeit im Neuzustand ist die tatsächliche Speicherfähigkeit eines neuwertigen, ungebrauchten Energiespeichers.
  • Die entladene Ladungsmenge ist die Ladungsmenge, die ausgehend vom vollgeladenen Zustand einer Speicherbatterie unter Nennbedingungen entnommen werden muss, um den aktuellen Ladezustand zu erreichen.
  • Als aktuelle Speicherfähigkeit ist die Ladungsmenge ausgedrückt in Ah definiert, die einem nach Vorschrift vollgeladenen Energiespeicher unter Nennbedingungen entnommen werden kann. Diese Größe ändert sich mit der Gebrauchsdauer im allgemeinen mit fallender Tendenz.
  • Als Nenn-Speicherfähigkeit ist der Nominalwert der Speicherfähigkeit definiert, den der Hersteller der Speicherbatterie angibt. Als Minderung der Speicherfähigkeit wird die Differenz zwischen aktueller Speicherfähigkeit und Speicherfähigkeit im Neuzustand verstanden.
  • Hierzu ist in dem US-Patent 5,761,072 ein Verfahren zur Bestimmung der Kapazität einer Speicherbatterie beschrieben, bei dem durch ein Filter ein schneller Strom und durch Mittelwertbildung mittels Integration ein langsamer Strom ermittelt wird. Die Werte für den schnellen und langsamen Strom werden in eine sogenannte Peukert-Beziehung eingesetzt, um eine Kapazität für einen schnellen Strom und für einen langsamen Strom zu ermitteln. Diese Kapazitäten werden gewichtet und hieraus eine Gesamtkapazität berechnet.
  • In der DE 93 21 638 wird ein elektronischer Batterietester zum Testen einer elektrochemischen Zelle oder Batterie beschrieben, die einen dynamischen Parameter, wie z.B. einen Leitwert oder einen Widerstand, aufweist. Der Batterietester hat eine Einrichtung zum Messen dieses dynamischen Parameters, zur Messung der Leerlaufspannung und zur Korrektur des gemessenen dynamischen Parameterwertes in bezug auf den Ladungszustand durch Anpassung an die Leerlaufspannung.
  • In dem US-Patent 5,680,050 ist ein Verfahren zur Batteriezustandserkennung offenbart, bei dem ein Korrekturwert basierend auf einem durchschnittlichen Entladestrom für einen Zeitraum bestimmt wird, der größer als der Zeitraum ist, der die Entladepolarisation in einen stationären Zustand bringt. Die Kapazität der Batterie im vollgeladenen Zustand wird mit diesem Korrekturwert multipliziert und der Energieverbrauch der Batterie wird von der verfügbaren Entladekapazität zur Bestimmung einer verfügbaren Reservekapazität subtrahiert.
  • Die vorgenannten Verfahren und Vorrichtungen ermitteln aktuelle elektrische Kenngrößen einer Speicherbatterie hinsichtlich eines Leitwertes bzw. Innenwiderstands oder bestimmen die entnehmbare Entladekapazität einer Speicherbatterie in Abhängigkeit von dem Entladestrom, wobei nachteilig die Kapazität der vollgeladenen Speicherbatterie bekannt sein muss.
  • In der DE 691 31 276 T2 ist ein elektronischer Tester zur Bewertung der prozentualen Energiekapazität einer Speicherbatterie oder eine Batteriezelle offenbart.
  • In diesem Verfahren wird der dynamische Leitwert bestimmt und zu einem Referenzleitwert ins Verhältnis gesetzt, der dem dynamischen Leitwert einer Batterie oder Batteriezelle mit 100 % Kapazität entspricht. Mit diesem Tester kann jedoch nicht die Gesamtkapazität einer vollgeladenen Speicherbatterie bestimmt und unterschieden werden, ob eine Änderung der Kapazität durch Alterung oder durch normale Entladung erfolgt ist. Es können noch nicht aus dem zeitlichen Gang der Meßwerte über einen längeren Zeitraum Informationen auf den Verschleißzustand der Speicherbatterie gewonnen werden. Als Maß für einen Batterieverschleiß ist der dynamische Leitwert zudem nur begrenzt aussagekräftig.
  • In der EP 0 516 336 B1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der entnehmbaren Ladungsmenge bzw. Restkapazität einer Speicherbatterie beschrieben, bei dem im Impedanzspektrenraum der Imaginärteil eines Antwortsignalverlaufs als Funktion der Wurzel einer sinusförmigen Anregungsfrequenz betrachtet wird. Es erfolgt eine Extrapolation auf den Schnittpunkt des Antwortsignalverlaufs im Impedanzspektrenraum mit der Imaginärachse. Aus dem sich hieraus ergebenen Extrapolationswert wird auf die Restkapazität geschlossen. Dabei wird der Hochfrequenzschnittpunkt einer Warburg-Geraden gesucht und als Maß für die entnehmbare Ladungsmenge herangezogen.
  • In der JP 05-006782 A ist ein Verfahren zur Ermittlung des Verschleißzustands eines Bleiakkumulators beschrieben, bei der die Spannungsantwort auf eine Folge von Rechteck-Stromimpulsen ausgewertet wird. Es wird eine an den Spannungsverlauf angepasste Approximationsfunktion ermittelt und die Konstante, die die Krümmung der Funktion beschreibt, als zum Verschleißzustand korrelierender Parameter ausgewertet.
  • In der JP 08-055642 A ist ein Verfahren zur Verschleißermittlung und Restkapazitätermittlung eines Bleiakkumulators beschrieben, bei der nach einer kurzen Stromanregung das erste relative Minima des Antwortspannungsverlaufs bestimmt wird. Der Verschleiß wird in Abhängigkeit von der Wurzel der Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des ersten relativen Spannungsminimas und dem Wiedererreichen desselben Spannungsniveaus sowie der Zeit bis zum Erreichen einer vorgegebenen Endspannung ermittelt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der einer Speicherbatterie noch entnehmbaren Ladungsmenge zu schaffen, wenn diese Speicherbatterie nicht mehr im Neuzustand ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch:
    • – Darstellen des Antwortsignalverlaufes über eine Wurzelfunktion der Zeit in einem Zeitintervall, das frühestens mit der Anregung beginnt und spätestens mit dem Abklingen des Antwortsignalverlaufes oder dem Ende der Anregung endet;
    • – Bestimmen der Steigung des so dargestellten Antwortsignalverlaufes;
    • – Bestimmen der entnehmbaren Ladungsmenge in Abhängigkeit vor der Steigung.
  • Es wurde erkannt, dass sich die entnehmbare Ladungsmenge aus einem Antwortsignal auf eine Anregung der Speicherbatterie ermittelt werden kann, wenn der Antwortsignalverlauf linearisiert wird, indem der Antwortsignalverlauf über eine Wurzelfunktion der Zeit in einem Zeitintervall dargestellt wird. Dabei wurde überraschend gefunden, dass die Steigung eines solchen linearisierten Antwort signalverlaufes unmittelbar als Maß für die entnehmbare Ladungsmenge eingesetzt werden kann.
  • Eine solche Anregung kann beispielsweise durch Aufprägen von Strom- und/oder Spannungspulsen erfolgen. Gleichermaßen können Antwortsignalverläufe auf Anregungen zur Ermittlung der entnehmbaren Ladungsmenge herangezogen werden, die sich im Betrieb durch geeignete Belastung der Speicherbatterie ergeben.
  • Mit dem Verfahren ist es nunmehr auf einfache Weise möglich, eine Speicherbatterie zu überwachen und die entnehmbare Ladungsmenge zu ermitteln, da lediglich Antwortsignalverläufe aufgezeichnet und rechnerisch ausgewertet werden müssen.
  • Der Antwortsignalverlauf ist beispielsweise eine Spannungsantwort auf eine pulsförmige Stromanregung der Speicherbatterie, kann jedoch auch eine Stromantwort auf eine pulsförmige Spannungserregung sein.
  • Aus der Steigung ergibt sich die entnehmbare Ladungsmenge vorzugsweise umgekehrt proportional zur Steigung der Ausgleichsgeraden, wobei zusätzlich ein Proportionalitätsfaktor berücksichtigt werden kann, der beispielsweise die Energiespeicherfähigkeit Kneu der Speicherbatterie im Neuzustand ist.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, die Meßgenauigkeit durch Beaufschlagen der Speicherbatterie mit einer Folge von Strom- oder Spannungspulsen zur Anregung zu erhöhen, wobei die Steigung der Antwortsignalverläufe der einzelnen Strom- oder Spannungspulse und die entnehmbare Ladungsmenge in Abhängigkeit der gemittelten Änderungssignale bestimmt wird.
  • Nicht immer stehen Strompulse mit gleicher Amplitude zur Verfügung. Wenn natürliche Strompulse genutzt werden sollen, die z. B. in Ruhephasen eines Kraftfahrzeuges auftreten und die nicht immer gleich hoch sind, wird die Steigung vorzugsweise auf die Höhe des Stromsprungs der Stromanregung bezogen. Umgekehrt empfiehlt es sich auch bei Beaufschlagung der Speicherbatterie mit einem Spannungspuls, die Steigung auf die Höhe des Spannungssprunges zu beziehen.
  • Bei Mehrfach-Pulsen ist eine Auswertung möglich, wenn die Steigung auf die Stromdifferenz beim Wechsel der Stromwerte von Strompulsen bzw. auf die Spannungsdifferenz beim Wechsel der Spannungswerte von Spannungspulsen bezogen wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, die Steigung der linearisierten Antwortsignalverläufe während der Gebrauchsdauer der Speicherbatterie wiederholt zu bestimmen und aus der relativen Veränderung der Steigung die relative Veränderung der entnehmbaren Ladungsmenge zu bestimmen. Die relative Veränderung der entnehmbaren Ladungsmenge kann dann ein Maß für den Verschleiß der Speicherbatterie sein.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, die Steigung auf einen für die Speicherbatterie im Neuzustand charakteristischen Steigungskennwert zu beziehen und aus dem Quotienten die entnehmbare Ladungsmenge zu bestimmen. Dabei kann die entnehmbare Ladungsmenge als Funktion der aktuellen Energiespeicherfähigkeit bestimmt werden, die proportional zum Verhältnis des charakteristischen Steigungskennwertes im Neuzustand der Speicherbatterie zu einer ermittelten Steigung eines linearisierten Antwortsignalverlaufes ist. Der charakteristische Steigungskennwert kann bei einer neuwertigen Speicherbatterie in einem definierten Betriebszeitraum oder Zeitraum nach Inbetriebnahme angelernt werden, indem die Steigungen in dieser definierten Zeit nach dem oben genannten Verfahren wiederholt bestimmt werden.
  • Die aktuelle Energiespeicherfähigkeit wird vorzugsweise nach der Formel K = Kneu·Sneu/Sbestimmt, wobei Kneu die Speicherfähigkeit der Speicherbatterie im Neuzustand, Sneu der charakteristische Steigungskennwert und S die aktuelle Steigung ist.
  • Es können aber auch kompliziertere Abhängigkeiten der aktuellen Energiespeicherfähigkeit nach der Formel K = Kneu × f(S, Sneu) vorgesehen sein, wobei sich die aktuelle Energiespeicherfähigkeit beispielsweise nach der Formel
    Figure 00090001
    bestimmt wird, wobei a, b, c und d Konstanten sind.
  • Die Steigungen werden zudem vorzugsweise bei vergleichbaren Ladezuständen und Temperaturen der Speicherbatterie bestimmt, so dass diese Randbedingungen für verschiedene aufeinanderfolgende Messungen ähnlich sind.
  • Die entnehmbare Ladungsmenge wird zudem vorzugsweise aus der Steigung mittels einer Funktion oder Wertetabelle bestimmt, wobei zusätzlich eine Abhängigkeit von der Temperatur der Speicherbatterie vorgesehen sein kann. Dabei werden die Steigungen bevorzugt auf eine Nenntemperatur normiert.
  • Die Anregung der Speicherbatterie erfolgt bevorzugt mit einem Betrag der Stromwerte der Stromanregung, der höchstens dem 10-stündigen, vorzugsweise höchstens dem 50-stündigen und besonders vorzugsweise höchstens dem 200-stündigen Strom entspricht.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn eine Stromänderung der Stromanregung mit einer Stromänderungsrate erfolgt, die in ihrem Betrag mindestens in der Größenordnung des Quotienten des 5000-stündigen Stroms pro Sekunde, vorzugsweise mindestens in der Größenordnung des Quotienten des 1000-stündigen Stroms pro Sekunde und besonders vorzugsweise mindestens in der Größenordnung des Quotienten des 200-stündigen Stroms pro Sekunde liegt.
  • Zur Bestimmung der Steigung wird vorteilhafter Weise nur der Abschnitt des Antwortsignalverlaufs herangezogen, der frühestens 1 Sekunde, vorzugsweise 10 Sekunden, und spätestens 1000 Sekunden, vorzugsweise 100 Sekunden nach der Anregung gemessen wurde. Zudem sollten nur solche Werte des Antwortsignalverlaufs zu Linearisierung herangezogen werden, die ein definiertes Bestimmtheitsmaß (R-Faktor) erfüllen und sich damit zur Anpassung an einen linearen Zusammenhang eignen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die ermittelte entnehmbare Ladungsmenge mit einem aktuellen Entladegrad und/oder einem aktuellen Ladezustand verknüpft wird, um die in die Speicherbatterie einladbare Ladungsmenge zu ermitteln. Weiterhin kann die ermittelte entnehmbare Ladungsmenge, die Steigung, die einlad bare Ladungsmenge und/oder die Energiespeicherfähigkeit der Speicherbatterie als Vergleichsgröße mit einem definierten Schwellwert verglichen werden, wobei die Abweichung oder das Verhältnis der Vergleichsgröße mit dem Schwellwert ausgegeben und gegebenenfalls zur weiteren Verarbeitung verwendet oder angezeigt wird. Der Schwellwert ist vorzugsweise temperaturabhängig gewählt.
  • Ein Maß für die Minderung der Speicherfähigkeit kann vorzugsweise ermittelt werden, indem die aktuelle Speicherfähigkeit der Speicherbatterie aus der ermittelten entnehmbaren Ladungsmenge bestimmt und die aktuelle Speicherfähigkeit mit der Speicherfähigkeit der Speicherbatterie im Neuzustand verknüpft wird. Das ermittelte Maß für die Minderung der Speicherfähigkeit wird dann vorzugsweise mit einem definierten Schwellwert verglichen.
  • Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Überwachungseinrichtung gelöst, die zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildete Auswertemittel hat. Diese Auswertemittel können beispielsweise als auf einem Prozessor ausführbares Programm ausgestaltet sein.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 – Diagramm des Spannungsverlaufs einer Speicherbatterie bei Aufprägen eines Strompulses;
  • 2 – Diagramm linearisierter Antwortsignalverläufe für Batterien mit unterschiedlichen Speicherfähigkeiten;
  • 3 – Diagramm eines Spannungsantwortsignalverlaufs auf einen galvanischen Doppelstrompuls.
  • Die 1 lässt ein Diagramm eines Spannungs-Antwortsignalverlaufs als Funktion der Zeit t auf einen rechteckförmigen Strompuls i(t) erkennen, der auf eine Speicherbatterie aufgeprägt wurde. Die Anfangszeit t0 des rechteckförmigen Strompulses i(t) legt das betrachtete Zeitintervall Δt bis zum Abklingen des Antwortsignals U(t) fest.
  • Der Betrag des aufgeprägten Strompulses i(t) sollte relativ klein sein, beispielsweise kleiner als der 10-stündige Strom der Speicherbatterie.
  • Die Messwerte des Antwortsignalverlaufs U(t) in dem betrachteten Zeitintervall Δt werden dann, wie beispielsweise in der 2 skizziert, linearisiert, indem sie gegen die Quadratwurzel aus der Zeitdifferenz Δt = t – t0 aufgetragen werden
    Figure 00120001
    Es ist aber denkbar, andere Linearisierungsverfahren einzusetzen.
  • Durch die Meßwertepaare eines derartig linearisierten Antwortsignalverlaufs wird eine ausgleichende Gerade mit Hilfe bekannter Ausgleichsverfahren gelegt und die Steigung S dieser Geraden bestimmt. Die Steigung S ist ein Kennwert für die Ladungsmenge QR, die der Speicherbatterie aktuell noch entnehmbar ist.
  • Das betrachtete Zeitintervall Δt ist vorzugsweise so gewählt, dass das Zeitintervall Δt = t – t0 größer 1 Sekunde, vorzugsweise 10 Sekunden ist, jedoch nicht länger als 1000 Sekunden, vorzugsweise nicht länger als 200 Sekunden ist.
  • Wenn die Messung der Steigung S im Vollladezustand der Speicherbatterie erfolgt, ist die Steigung S ein Kennwert für die aktuelle Speicherfähigkeit, d.h. der Ladungsmenge in Ah, die einer nach Vorschrift vollgeladenen Speicherbatterie unter Nennbedingungen entnommen werden kann.
  • Die Steigung S verhält sich gegensinnig, beispielsweise umgekehrt proportional zur aktuell entnehmbaren Ladungsmenge QR und steigt somit bei mit der Gebrauchsdauer nachlassender Speicherfähigkeit an. Die Steigung S ist somit auch ein Maß für den Verschleiß der Speicherbatterie bzw. des Verlusts an Speicherfähigkeit.
  • Dieser Zusammenhang ist in der 2 deutlich zu erkennen, die drei linearisierte Antwortsignalverläufe für drei Speicherbatterien mit unterschiedlichem Alterungsgrad zeigen. Der Antwortsignalverlauf Z2 mit der geringsten Steigung wurde bei einer neuwertigen Speicherbatterie mit einer verfügbaren Speicherkapazität von 13,7Ah gemessen. Der Antwortsignalverlauf Z4 wurde bei einer gealterten Speicherbatterie mit einer noch verfügbaren Speicherkapazität von 7,13Ah gemessen und weist eine im Vergleich zum Antwortsignalverlauf einer neuwertigen Speicherbatterie größere Steigung Si auf. Es ist erkennbar, dass der Antwortsignalverlauf Z7 ein noch größere Steilheit als die vorigen beiden Antwortsignalverläufe Z2, Z4 hat. Dieser Antwortsignalverlauf Z7 wurde bei einer geal terten Speicherbatterie mit einer verfügbaren Speicherkapazität von 4,9Ah gemessen.
  • Die zu untersuchende Speicherbatterie kann gleichermaßen nicht nur mit einem einzigen aufgeprägten Strompuls i(t), sondern mit einer Folge von rechteckförmigen Strompulsen i(t) mit gleicher oder unterschiedlicher Stromstärke beaufschlagt werden. Wiederum wird die Spannungsantwort U(t) auf die Strompulse i(t) als Funktion der Zeit t für jeden Strompuls i(t) registriert. Die Zeit t beginnend vom Augenblick des jeweiligen Strompulses mit der Anfangszeit t0 wird ebenfalls registriert und die Messwerte der Spannungsantwort auf die Strompulse i(t) als Funktion der Zeit U(t) für jeden Strompuls gegen die Quadratwurzel aus der Zeitdifferenz Δt = t – t0 aufgetragen. Dabei wird, wie oben beschrieben, durch Ausgleichsverfahren jeweils eine Gerade bestimmt und die Steigung Si der Geraden ermittelt. Die Steigung S wird aus den gemittelten Steigungen Si ermittelt und zur Bestimmung der entnehmbaren Ladungsmenge QR bzw. des Verlusts an Speicherfähigkeit eingesetzt. Die Steigung S kann sich hierbei aus dem arithmetischen Mittel der Steigungen Si, dem Medianwert oder ähnlichem berechnen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, mit vielen Messungen im Verlauf der Gebrauchsdauer der Speicherbatterie eine Vielzahl von Steigungen Si zu bestimmen. Aus dem Trend der Steigungen S, d.h. der relativen Veränderung der Steigungen S, kann die relative Änderung der entnehmbaren Ladungsmenge QR bestimmt werden. Aus dieser Veränderung kann auf den Verschleiß der Speicherbatterie, insbesondere auf das Nachlassen der speicherbaren Ladungsmenge geschlossen werden.
  • Hierzu wird vorzugsweise bei einer neuwertigen Speicherbatterie mit dem oben beschriebenen Verfahren ein für diesen Zustand mit neuwertiger Energiespeicherfähigkeit Kneu charakteristischer Steigungen Sneu bestimmt. Nach einer bestimmten Lernphase, deren Ende z.B. durch das Verstreichen einer gewissen An zahl von Betriebsstunden oder einer bestimmten Zeit nach Inbetriebnahme des Energiespeicher gegeben sein kann, wird das Anlernen des für die neuwertige Speicherbatterie charakteristischen Steigungen Sneu beendet. Die später bestimmten Steigungen S werden dann mit dem charakteristischen Steigungskennwertes Sneu verglichen und eine aktuelle Energiespeicherfähigkeit K aus dem Produkt der Energiespeicherfähigkeit Kneu der Speicherbatterie im Neuzustand und einer Funktion der aktuellen Steigung S und dem charakteristischen Steigungskennwert Sneu bestimmt: K = Kneu·f(S/Sneu).
  • Beispielsweise kann die aktuelle Energiespeicherfähigkeit K relativ einfach unmittelbar durch die Gleichung K = Kneu·Sneu/Sbestimmt werden, wobei Kneu die Energiespeicherfähigkeit der Speicherbatterie im Neuzustand, d.h. die Nennspeicherkapazität ist.
  • Anstelle einer Vielzahl einzelner Strompulse i(t) kann auch ein galvanischer Doppelpuls mit Vorzeichenwechsel des Stromflusses zur Ermittlung einer Steigung S eingesetzt werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass der Netto-Ladezustand unverändert bleibt und zur Anregung der Speicherbatterie insgesamt weniger Energie benötigt wird, wenn die in der Entlade-Halbwelle der Speicherbatterie entnommene Energiemenge in der Lade-Halbwelle genutzt wird.
  • Die 3 lässt ein Diagramm eines Spannungs-Antwortsignalverlaufes auf einen galvanostatischen Doppelstromimpuls zur Anregung der Speicherbatterie erkennen.
  • Die skizzierten Antwortsignalverläufe in den beiden Zeitintervallen Δt1 und Δt2 des Doppelstrompulses werden jeweils linearisiert und hieraus die Steigungen Si ermittelt, wobei aus den gemittelten Steigungen die Steigungen Si berechnet werden.
  • Die Anregung der Speicherbatterie erfolgt vorzugsweise gesteuert durch ein Steuergerät durch Aufprägen eines Stromprofils i(t) mit weitgehend rechteckigen Flanken, wie in den 1 und 3 erkennbar ist. Dies geschieht vorzugsweise in Betriebsphasen, während denen sonst keine oder jedenfalls nur eine geringe elektrische Belastung durch andere Komponenten erfolgt. Bei einem Kraftfahrzeug ist dies beispielsweise eine Standphase, in der üblicherweise eine Ruhestrombelastung in Entladerichtung von ca. 10 bis 100 mA vorliegt, die auch bei Fahrzeugruhe betriebene Verbraucher verursacht ist. Das Steuergerät kann das Stromprofil i(t) selbst erzeugen. Es ist aber auch denkbar, dass andere Stromverbraucher oder Stromquellen in solcher Weise angesteuert werden, dass sich für die Speicherbatterie das gewünschte Stromprofil i(t) ergibt. Beispielsweise kann auch ein weiterer Energiespeicher als Stromverbraucher und/oder als Stromquelle gegebenenfalls gekoppelt über einen DC/DC-Wandler zur Anregung der Speicherbatterie eingesetzt werden.
  • Anstelle eines rechteckigen Stromprofiles i(t) kann auch ein anders geformtes Stromprofil beispielsweise mit einem Funktionsgenerator aufgeprägt werden. Ebenso kann anstelle eines Stromprofils i(t) ein Spannungsprofil U(t) beispielsweise mit einem Funktionsgenerator aufgeprägt und die Spannungsantwort ausgewertet werden.
  • Weiterhin ist es möglich, anstelle der beschriebenen Auswertung der Steigung Si des Antwortsignalverlaufs im Zeitraum die Steigung Si des Antwortsignalverlaufs im Impedanzraum zu bestimmen. Hierzu wird die Steigung Si der Warburg-Geraden Z über der Quadratwurzel der Frequenz betrachtet. Im Unterschied zu dem in der EP 0 516 336 B1 beschriebenen Verfahren wird somit die Steigung der Warburg-Geraden und nicht der Hochfrequenzschnittpunkt gesucht und ausgewertet. Die Anregung der Speicherbatterie erfolgt dabei jedoch wie in den in der EP 0 516 336 B1 beschriebenen Verfahren.

Claims (29)

  1. Verfahren zur Ermittlung der entnehmbaren Ladungsmenge (QR) einer Speicherbatterie, mit den Schritten: – Anregen der Speicherbatterie mit einer Stromanregung oder einer Spannungsanregung, – Ermitteln eines Antwortsignalverlaufs als Spannungsantwort auf die Stromanregung oder als Stromantwort auf die Spannungsanregung; gekennzeichnet durch – Darstellen des Antwortsignalverlaufs über eine Wurzelfunktion der Zeit in einem Zeitintervall, das frühestens mit der Anregung beginnt und spätestens mit dem Abklingen des Antwortsignalverlaufs oder dem Ende der Anregung endet;. – Bestimmen der Steigung (S) des so dargestellten Antwortsignalverlaufs; – Bestimmen der entnehmbaren Ladungsmenge (QR) in Abhängigkeit von der Steigung (S).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungs- oder Stromanregung pulsförmig ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die entnehmbare Ladungsmenge (QR) in Abhängigkeit von der auf die Höhe des Spannungssprungs der Spannungserregung (U(t)) oder auf die Höhe des Stromsprungs der Stromanregung (I(t)) bezogenen Steigung (S) bestimmt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bestimmen der entnehmbaren Ladungsmenge (QR) aus der Steigung (S) mittels einer Funktion oder einer Wertetabelle.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die entnehmbare Ladungsmenge (QR) ein zur Steigung (Si) des dargestellten Antwortsignalverlaufs gegensinniges Verhalten, insbesondere umgekehrt proportionales Verhalten hat.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsmenge (QR) aus dem Produkt der Nennkapazität der Speicherbatterie und einer Funktion der Steigung (S) und einem charakteristischen Steigungskennwert (S0) der Speicherbatterie bestimmt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die entnehm bare Ladungsmenge (QR) aus dem Produkt der Nennkapazität der Speicherbatterie und einer Funktion des Quotienten zwischen der Steigung (S) und dem charakteristischen Steigungskennwert (Sneu) der Speicherbatterie bestimmt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die entnehmbare Ladungsmenge (QR) nach der Formel: QR = Nennkapazität·Sneu/Sbestimmt wird, wobei Sneu der charakteristische Steigungskennwert und S die Steigung ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – Anregen der Speicherbatterie mit einer Folge von Strom- oder Spannungspulsen, – Bestimmen der Steigungen (S) jeweils für die Antwortsignalverläufe der einzelnen Strom- oder Spannungspulse, – Bestimmen der entnehmbaren Ladungsmenge (QR) in Abhängigkeit der ermittelten Steigungen (S).
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – wiederholtes Bestimmen der Steigungen (S) der linearisierten Antwortsignalverläufe während der Gebrauchsdauer der Speicherbatterie, – Bestimmen der relativen Veränderung der entnehmbaren Ladungsmenge (QR) in Abhängigkeit von der relativen Veränderung der Steigungen (S), und – Bestimmen eines Maßes für den Verschleiß der Speicherbatterie aus der relativen Veränderung.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bestimmen der entnehmbaren Ladungsmenge (QR) in Abhängigkeit von dem auf einen für die Speicherbatterie im Neuzustand charakteristischen Steigungskennwert (Sneu) bezogenen Steigung (S).
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bestimmen der aktuellen Energiespeicherfähigkeit (K) als Maß für die entnehmbare Ladungsmenge (QR), wobei die aktuelle Energiespeicherfähigkeit (K) ein zur Steigung (Sa) der Ausgleichsgeraden gegensinniges Verhalten, insbesondere umgekehrt proportionales Verhalten, hat.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Energiespeicherfähigkeit (K) aus dem Produkt der Speicherfähigkeit der Speicherbatterie im Neuzustand (K0) und einer Funktion der aktuellen Steigung (S) und dem charakteristischen Steigungskennwert (S0) bestimmt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Energiespeicherfähigkeit (K) aus dem Produkt der Speicherfähigkeit der Speicherbatterie im Neuzustand (K0) und einer Funktion des Quotienten zwischen der aktuellen Steigung (S) und dem charakteristischen Steigungskennwert (S0) bestimmt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Energiespeicherfähigkeit (K) nach der Formel: K = Kneu·So/Sbestimmt wird, wobei Kneu die Speicherfähigkeit der Speicherbatterie im Neuzustand, Sneu der charakteristische Steigungskennwert und S die aktuelle Steigung ist.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wiederholtes Bestimmen von Steigungen (S) für eine neuwertige Speicherbatterie über eine definierte Zeit und Anlernen eines charakteristischen Steigungskennwertes (Sneu) aus den bestimmten Steigungen (S).
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bestimmen der Steigungen (S) bei vergleichbaren Ladezuständen und Temperaturen der Speicherbatterie.
  18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bestimmen der entnehmbaren Ladungsmenge (QR) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) der Speicherbatterie.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch Normieren der Steigungen (S) auf eine Nenntemperatur (Tn).
  20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der Stromwerte (I) der Stromanregung (i(t)) höchstens dem 10-stündigen, vorzugsweise höchstens dem 50-stündigen und besonders vorzugsweise dem 200-stündigen Strom entspricht.
  21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stromänderung der Stromanregung (i(t)) mit einer Stromänderungsrate (dl/dt) erfolgt, die in ihrem Betrag mindestens in der Größenordnung des Quotienten des 5000-stündigen Stroms pro Sekunde, vorzugsweise mindestens in der Größenordnung des Quotienten des 1000-stündigen Stroms pro Sekunde und besonders vorzugsweise mindestens in der Größenordnung des Quotienten des 200-stündigen Stroms pro Sekunde liegt.
  22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigungen (S) nur aus dem Abschnitt des Antwortsignalverlaufs bestimmt werden, der frühestens eine Sekunde, vorzugsweise 10 Sekunden und spätestens 1000 Sekunden und vorzugsweise spätestens 100 Sekunden nach der Anregung gemessen wurde.
  23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Aufprägen einer pulsförmigen Stromanregung (i(t)) durch eine elektrische Schalteinheit auf die Speicherbatterie.
  24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verknüpfen der ermittelten entnehmbaren Ladungsmenge (QR) mit anderen Batteriezustandsgrößen, insbesondere mit einem aktuellen Entladegrad (DoD) und/oder einem aktuellen Ladezustand (SoC), zur Ermittlung der in die Speicherbatterie einladbare Ladungsmenge (QL).
  25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vergleich der ermittelten entnehmbaren Ladungsmenge (QR), der Steigung (S), der einladbaren Ladungsmenge (QL) und/oder der Energiespeicherfähigkeit (K) der Speicherbatterie als Vergleichsgröße mit einem definierten Schwellwert und Ausgeben der Abweichung oder des Verhältnisses der Vergleichsgröße mit dem Schwellwert.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert temperaturabhängig ist.
  27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bestimmen der aktuellen Speicherfähigkeit der Speicherbatterie aus der ermittelten entnehmbaren Ladungsmenge (QR) und Verknüpfen der aktuellen Speicherfähigkeit mit der Speicherfähigkeit der Speicherbatterie im Neuzustand zur Ermittlung eines Maß für die Minderung der Speicherfähigkeit.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, gekennzeichnet durch Vergleichen des ermittelten Maßes für die Minderung der Speicherfähigkeit mit einem definierten Schwellwert.
  29. Überwachungseinrichtung für eine Speicherbatterie mit Meßmitteln zur Messung von Batteriespannung (U(t)) und/oder Batterieströmen (I(t) über Zeitintervalle (Δt) und mit Auswertemitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind.
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