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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von Messverfahren zur Ermittlung des Ladezustands
von Akkumulatoren, insbesondere von Li-Ionen-Zellen. Hierbei wird die
Zellspannung des Akkus gemessen, um daraus den Ladezustand (state
of charge, SOC) zu ermitteln. Zusammenhang zwischen Ladezustand
und Zellspannung ergibt sich aus der Nernstschen Gleichung, sowie
aus weiteren Effekten.
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Mit
zunehmender Alterung, d. h. mit steigender Anzahl an Lade-/Entladezyklen,
kommt es in dem Akkumulator zu einem irreversiblen Kapazitätsverlust,
so dass die maximal zur Verfügung stehende Kapazität
und somit die maximal zu speichernde Leistung mit der Zeit und mit
der Benutzung abnimmt. Da sich der Ladezustand als Verhältnis
der momentan gespeicherten Ladung zu der maximal zu speichernden
Ladung definiert und die maximal zu speichernde Ladung von der Alterung
abhängt, sind sowohl Ladezustand als auch maximal zur Verfügung stehende
Kapazität durch das oben genannte Verfahren nicht zu bestimmen.
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In
der Druckschrift
US
2002/0012830 A1 werden verschiedene Lithium-Ionen-Akkumulatoren vorgeschlagen,
die einen geringen Kapazitätsanteil haben, der zur Speicherung
und Abgabe von elektrischer Energie nicht zur Verfügung
steht. Ferner weisen diese Akkumulatoren einen schwächeren
Alterungsprozess auf, wobei verschiedene Strukturen und Zusammensetzungen
vorgeschlagen werden.
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Insbesondere
lässt sich bei der Erfassung bei der Zellspannung, nur
der SOC bestimmen, nicht aber die entnehmbare Ladung bzw. Energie,
da die absolute Kapazität nicht bekannt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung erlaubt eine Einschätzung der wirksamen Kapazität
einer Akkumulatorvorrichtung mittels kostengünstig durchzuführender
Spannungsmessungen. Erfindungsgemäß ist die Ruhespannung,
d. h. die Spannung des Akkumulators ohne Belastung im Leerlauffall,
als Funktion der entnommenen Ladung diejenige physikalische Größe,
aus der sich die wirksame Kapazität, d. h. die maximal
zur Speicherung elektrischer Energie zur Verfügung stehende
Kapazität, ermitteln lässt.
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Hierzu
wird zunächst ein erster Ruhespannungswert gemessen, wobei
danach die Akkumulatorvorrichtung geladen oder entladen wird, um
mit der so geänderten Ladung einen zweiten Ruhespannungswert
die Akkumulatorvorrichtung bei geänderter Ladung zu ermitteln.
Es wurde erkannt, dass sich die wirksame Kapazität aus
der Spannungsänderung zwischen den zwei gemessenen Ruhespannungen bezogen
auf die Ladungsänderung ergibt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Zusammenhang
zwischen Spannungsänderung (d. h. Änderung der
Leerlaufspannung), Ladungsänderung und Kapazität,
wonach bei geringen Kapazitäten (beispielsweise ein gealterter
Akkumulator) eine geringe Ladungsänderung eine hohe Spannungsänderung
hervorruft, und sich bei hohen Kapazitäten (beispielsweise
ein neuer Akkumulator) auch bei starken Ladungsänderungen
nur eine geringe Spannungsänderung ergibt. Mit anderen
Worten beeinflusst die Änderung der Ladung, beispielsweise durch
Entladen, die Spannung (bei Leerlauf) eines neuen, nicht gealterten
Akkumulators mit hoher Kapazität weniger, als einen gealterten
Akkumulator, der eine dementsprechend geringere Kapazität
aufweist.
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Erfindungsgemäß wird
die Ladungsänderung absolut erfasst, indem diese aktiv
durch einen gesteuerten Stromfluss herbeigeführt wird,
oder indem ein Lade-/Entladevorgang, wie er durch einen angeschlossenen
Verbraucher hervorgerufen wird, genau erfasst wird, um zu ermitteln,
um welchen Ladungsbetrag die Ladung in dem Akkumulator verändert
wurde.
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Vor
der Änderung und nach der Änderung werden ein
erster Ruhespannungswert und ein zweiter Ruhespannungswert ermittelt,
wobei die Differenz zwischen dem ersten Ruhespannungswert und dem zweiten
Ruhespannungswert zu der absoluten Ladungsänderung in Bezug
gesetzt wird. Dieses Verhältnis wird beispielsweise mit
einer Werttabelle verglichen, die ein derartiges Differenzverhältnis
zu Kapazitätswerten in Beziehung setzt. Die Einträge
dieser Tabelle können durch eine vorherige, akkumulatortypspezifische
Messreihe erfasst werden, in der verschiedene, alterungsbedingte
Kapazitätswerte bzw. Änderungen in den Kapazitäten
dem jeweiligen Einfluss der Ladungsänderung auf die Änderung
der Ruhespannung bzw. Leerlaufspannung gegenübergestellt
ist. Alternativ oder in Kombination hierzu kann ein Interpolationsverfahren
verwendet werden, das einen Verhältniswert aus Ladungsänderung
und Ruhespannung, der zwischen zwei Einträgen in der Tabelle
liegt, entsprechend interpoliert und eine zugehörige Kapazität
bestimmt. Ferner ist die Ermittlung der Kapazität durch
eine Näherungsgleichung, beispielsweise eine Reihenentwicklung,
möglich, die das alterungsbedingte Verhalten des Akkumulators nachbildet
und annähert.
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Diese
Berechnungsverfahren können auch kombiniert werden, beispielsweise
durch Mittelung oder Gewichtsermittelung. Vorzugsweise werden zwei
Messpunkte verwendet, d. h. ein erster Ruhespannungswert, der einer
ersten Ladung entspricht und ein zweiter Ruhespannungswert, der
einer zweiten Ladung entspricht, wobei lediglich die Differenz zwischen
den beiden Ladungen gemessen bzw. bekannt ist.
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Alternativ
können auch mehrere Messpunkte genommen werden, beispielsweise
um die Genauigkeit eines Näherungsverfahrens zu erhöhen
oder um durch Mittelung einen genaueren Wert zu erreichen. Falls
drei Messpunkte verwendet werden, so ergeben sich ein erster und
ein zweiter Ruhespannungswert, dessen Differenz zu der entsprechenden
Ladungsänderung zwischen dem ersten und zweiten Ruhespannungswert
in Beziehung gesetzt wird. Ferner ergibt sich eine zweite Spannungsdifferenz
zwischen einem zweiten Ruhespannungswert und einem dritten Ruhespannungswert,
sowie eine zweite Ladungsänderung, die der Ladungsänderung
zwischen dem zweiten Ruhespannungswert und dem dritten Ruhespannungswert
entspricht. Ferner kann auch zur Ermittlung der Unterschied zwischen
dem ersten und dem dritten Ruhespannungswert und die gesamte Ladungsänderung,
die sich zwischen dem ersten und dem dritten Ruhespannungswert ergeben hat,
zur Ermittlung eines Kapazitätswerts herangezogen werden.
Insgesamt werden sich daher drei verschiedene Kapazitätswerte
ermitteln, die miteinander beliebig kombiniert werden können
und die auf verschiedene oder auf die gleiche Weise aus der jeweiligen
Ruhespannungsdifferenz und dem entsprechenden Ladungsdifferenzwert
erzeugt werden können.
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Im
Allgemeinen können N verschiedene Messpunkte genommen werden,
insbesondere wenn sich nicht-lineare Zusammenhänge zwischen
den Messgrößen Ruhespannung und Ladungsdifferenz und
der zu ermittelnden Größe Kapazität ergeben. Ferner
können, neben mehreren Messpunkten, auch gleichzeitig mehrere
Ermittlungsverfahren zur Schätzung der wirksamen Kapazität
herangezogen werden, d. h. eine Messwerttabelle, eine Näherungsgleichung
oder eine Interpolation. Die erhaltenen Messwerte können
kombiniert werden. Ferner können auch die Verfahren miteinander
kombiniert werden. Als Kombination können alle statistischen
Kombinationen der Messwerte herangezogen werden, beispielsweise eine
arithmetische Mittelung, eine gewichtete Mittelung oder eine Mittelung
der Kapazitätsschätzwerte, deren Gewichtung von
Ruhespannungswerten, Ladungsdifferenzwerten und anderen Betriebsgrößen
abhängt.
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Die
Ruhespannungswerte werden durch Messungen der Klemmspannung der
Akkumulatoren im Leerlauf vorgesehen. Als Leerlauf wird ein Lade- bzw.
Entladestrom angesehen, der kleiner als ein Schwellwert ist, ab
dem die Messung deutlich verfälscht wird. Der Schwellwert
hängt vorzugsweise proportional von der Nenn-Kapazität
des Akkumulators ab. Beispielsweise kann ein Leerlaufstrom bei der
Messung einer Ruhespannung noch toleriert werden, der geringer als
10 mA ist, wenn Akkumulator eine Kapazität von über
10 Ah aufweist. Hingegen muss ein geringerer Schwellwert verwendet
werden, wenn Akkumulatoren mit geringen Kapazitäten, beispielsweise
800 mAh, verwendet werden. Vorzugsweise liegt der Schwellwert des
noch zulässigen Stroms im Leerlauf, d. h. des noch zulässigen
Ruhestroms zwischen ca. 1/2000–1/50 oder vorzugsweise zwischen,
1/1000 und 1/200 des Nennwerts der Kapazität in Ah. Diese
noch zulässigen Restströme können beispielsweise
in Bordnetzen von Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen zur Unterhaltung
einiger weniger Komponenten verwendet werden, beispielsweise Alarmanlage
und Uhr. Ferner kann die Beeinflussung durch der Ruhestrom durch
vollständiges Trennen und Anschließen einiger
oder eines Verbrauchers mit geringem Strombedarf erfasst werden, wobei
jeweils die Akkumulatorspannung gemessen wird, um den sich ergebenden
Fehler zu kompensieren und zu berücksichtigen, oder um
die Messgenauigkeit zu erfassen.
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Vorzugsweise
wird jedoch der Akkumulator zur erfindungsgemäßen
Ermittlung der wirksamen Kapazität vollständig
von Verbrauchern oder Stromerzeugern abgetrennt, um einen Spannungsabfall am
Innenwiderstand und andere Effekte innerhalb des Akkumulators zu
unterdrücken. Wurde der Akkumulator, beispielsweise durch
Entladen, belastet, so relaxiert die Klemmspannung nur langsam gegen
die Ruhespannung, im Wesentlichen mit einem zeitlichen Verlauf,
der einer negativ-exponentiellen Entwicklung entspricht. Daher wird
vorzugsweise das Verfahren nicht direkt nach Beenden eines Lade- bzw.
Entladevorgangs des Akkumulators durchgeführt, sondern
nach einer vorbestimmten Zeitdauer, die gewährleistet,
dass die Relaxationsprozesse innerhalb des Akkumulators im Wesentlichen
abgeschlossen sind und somit die durch die Relaxation auftretenden
Fehler vernachlässigbar sind. Anstatt jedoch das Ende oder
das Abklingen des Relaxationsprozesses nach Betreiben des Akkumulators
abzuwarten, kann auch der zeitliche Verlauf der Klemmspannung zur
Approximation eines einzelnen (d. h. ersten, zweiten oder weiteren)
Ruhespannungswerts herangezogen werden. Dadurch beschleunigt sich das
Messverfahren. Soll beispielsweise ein einzelner Ruhespannungswert
erfasst werden, so können innerhalb einer bestimmten Zeitdauer
zwei Klemmspannungswerte erfasst werden, die die Ermittlung des Ruhespannungswerts
erlauben, auf die sich die Klemmspannung hinentwickelt. Beispielsweise
kann angenommen werden, dass es sich bei der zeitlichen Entwicklung
der Klemmspannung um ein im Wesentlichen negativ-exponentiellen
Verlauf handelt, so dass durch zwei einzelne Messpunkte, die zeitlich voneinander
beabstandet sind, die Zeitkonstante τ ermittelt werden
kann, durch die der Verlauf der negativ-exponentiellen Funktion
definiert ist. Die Ermittlung eines einzelnen Ruhespannungswerts
umfasst somit die Erfassung von mindestens zwei Klemmspannungswerten,
die zeitlich voneinander beabstandet sind und beispielsweise aufeinander
folgen, und der Extrapolation des Verlaufs anhand dieser Messwerte
der Klemmspannung, um zu dem zu erwartenden Ruhespannungswert zu
kommen.
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Statt
einer negativ-exponentiellen Näherung zur Errechnung des
Ruhespannungswerts aus Messpunkten der Klemmspannung kann auch ein
anderer angenäherter Verlauf, beispielsweise mittels einer Reihennäherung,
verwendet werden, oder eine Tabelle, aus der sich die endgültige
Ruhespannung aus zwei Messwerten der Klemmspannung und dem zeitlichen
Verhältnis der Messungen zueinander ergibt. Die Tabelle
kann auch die Grundlage einer Extrapolationsberechnung sein und
kann ferner weitere Betriebsparameter wie Akkumulatortyp, Betriebstemperatur
und ähnliches berücksichtigen. Ferner können, wie
auch bei der Berechnung der Kapazitätswerte, Interpolationen
mehrerer Messungen bzw. Messreihen durchgeführt werden,
um einen Ruhespannungswert zu ermitteln. Diese Maßnahmen
zur Ermittlung eines Ruhespannungswerts können auch kombiniert
werden, beispielsweise durch gewichtete oder ungewichtete Mittelung.
Ferner kann, ausgehend von zwei aufeinander folgenden Messwerten der
Klemmspannung, die zu einem gemeinsamen Ruhespannungswert gehören,
und zwei weiteren Messungen, die zu einem zweiten Ruhespannungswert
gehören, unter Berücksichtigung eines Ladungsdifferenzwerts,
der die Differenz zwischen den beiden Ruhespannungswerten entspricht,
direkt die wirksame Kapazität ermittelt werden, ohne einen
ersten Ruhespannungswert und einen zweiten Ruhespannungswert als
Zwischengröße zu ermitteln.
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Die
Erstellung entsprechender Messwert-Kennfelder kann auf Messungen
am verwendeten Akkumulatortyp, numerischen Näherungen oder einer
Kombination hiervon, beispielsweise eine Interpolation, beruhen.
Ferner kann, anstatt oder in Kombination mit den wirksamen Kapazitäten
auch ein Kapazitätsnennwert und ein irreversibler Kapazitätsverlust
verwendet werden, wobei der irreversible Kapazitätsverlust
der alterungsbedingten Verringerung der Kapazität entspricht,
und die wirksame Kapazität die Differenz zwischen der ursprünglichen
oder der Nennkapazität und dem irreversiblen Kapazitätsverlust
entspricht.
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Die Änderung
der Ladung um einen Ladungsdifferenzwert, um von einem ersten Messpunkt zu
einem zweiten Messpunkt zu kommen, kann ausschließlich
gesteuert geschehen, beispielsweise durch die gezielte Entladung über
einen Widerstand oder einen anderen Verbraucher. Ferner kann in
gleicher Weise die Ladung gezielt verändert werden, indem
dem Akkumulator ein bestimmter Ladestrom zugeführt wird,
der über die Zeit überwacht wird. Gegebenenfalls
muss zur Berücksichtigung von Hysthereseeffekten in diesem
Fall eine modifizierte Vergleichstabelle bzw. Näherungsformel
zu Grunde gelegt werden. Vorzugsweise ist der so gesteuerte Ladestrom
bzw. Entladestrom zeitlich konstant. Alternativ können
auch kleinere Schwankungen toleriert werden, die sich beispielsweise
durch die Verringerung der Klemmspannung ergeben. Zur Erfassung
wird der Strom über die Zeitdauer der Änderung
der Ladung überwacht.
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Ist
der Strom konstant, so ergibt sich die Ladung aus dem Produkt des
konstanten geflossenen Stroms und der Zeitdauer, über die
der Strom geflossen ist.
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Bei
Schwankungen des Stroms kann dieser periodisch oder kontinuierlich
erfasst werden und über die Zeit aufsummiert bzw. integriert
werden, um die Ladung zu erfassen. Vorzugsweise wird ferner erfasst,
ob die Stromschwankungen einen bestimmten Schwellwert überschreiten.
Falls dies der Fall ist, werden mehr als zwei ladungs- bzw. spannungsbezogene
Messpunkte erfasst, d. h., dass z. B. ein erster Ruhespannungswert
gemessen wird, woraufhin die Ladung um einen ersten Ladungsdifferenzwert geändert
wird, ein zweiter Ruhespannungswert gemessen wird und die Ladung
ein zweites Mal um einen Ladungsdifferenzwert geändert
wird. Darauf folgt die Ermittlung eines dritten Ruhespannungswerts folgt.
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Insbesondere
bei Nichtlinearitäten bei der Ermittlung der wirksamen
Kapazität kann so die wirksame Kapazität genauer
erfasst werden, indem eine erste wirksame Kapazität ausgehend
von dem ersten und dem zweiten Ruhespannungswert und dem ersten
Ladungsdifferenzwert bestimmt wird, und eine zweite wirksame Kapazität
aus dem zweiten und dem dritten Ruhespannungswert und dem dritten
Ladungsdifferenzwert ermittelt wird. Eine dritte Kapazität
kann aus dem ersten und dem dritten Ruhespannungswert und der Summe
des ersten und des zweiten Ladungsdifferenzwerts ermittelt werden.
Diese einzeln berechneten wirksamen Kapazitäten können geeignet
miteinander kombiniert werden, beispielsweise durch Mittelung, oder
durch Bezugnahme auf eine weitere Tabelle, die eine Kompensation
von Nichtlinearitäten bei der Änderung der Ladung
vorsieht, die sich auf die Berechnung der wirksamen Kapazität
auswirken.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Ladung
geändert, indem der Akkumulator in seinem üblichen
Betrieb überwacht wird. Wird der Akkumulator beispielsweise
als Energiequelle zur Fortbewegung eines Fahrzeugs verwendet, beispielsweise
mit einem Hybridantrieb oder mit einem Elektroantrieb, dann wird
der an der Klemme des Akkumulators fließende Strom verfolgt
bzw. überwacht, und der fließende Strom wird zeitlich
integriert, um einen Ladungsdifferenzwert zu ermitteln. Ferner kann
ein Ruhespannungswert während des üblichen Betriebs
des Akkumulators verwendet werden, wenn dieser für eine
gewisse Zeitdauer nur geringfügig belastet wird, d. h.,
wenn der an der Akkumulatorklemme fließende Strom unter
einem gewissen Schwellwert liegt. Dies kann beispielsweise der Fall
sein, wenn die Kapazität eines Akkumulators eines Fahrzeugs
betrachtet wird und das Fahrzeug kurzfristig (beispielsweise an
einer Ampel) oder langfristig (beispielsweise über Nacht)
nicht beschleunigt wird. Fehler, die sich durch die urkonstante
Belastung und den veränderlichten Strom ergeben, können durch
eine Vielzahl von Messungen und einer statistischen Kombination
dieser Messungen zumindest teilweise kompensiert werden.
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Wird
eine Akkumulatorgruppe verwendet, die aus mehreren Akkumulatorvorrichtungen
besteht, so werden einzelne, zu überprüfende Akkumulatorvorrichtungen
vorzugsweise vollständig von der Gruppe abgetrennt, bevor
diese dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung
der wirksamen Kapazität unterzogen werden. Die Abtrennung
der jeweiligen Akkumulatorvorrichtung hat zum Zweck, dass der erste
Ruhespannungswert (und weitere Ruhespannungswerte) ohne äußere
Einflüsse ermittelt werden können. Alternativ
zur Betrennung kann durch geeignete Sensorik (z. B. Spannungssensoren und
induktive Stromsensoren) dafür gesorgt werden, dass die
notwendigen Messgeräten individuell für jede Zelle
erfasst werden. Wie bereits bemerkt sind geringfügige Belastungen
zulässig, soweit diese die Messung nicht deutlich verschlechtern
oder wenn der Belastungsstrom im Vergleich zur Kapazität
der Akkumulatorvorrichtung vernachlässigbar ist. Vorzugsweise
ist die zu überprüfende Akkumulatorvorrichtung
auch während der Änderung der Ladung von weiteren
Akkumulatorvorrichtungen getrennt, um eine gegenseitige Beeinflussung
zwischen den Akkumulatoren zu unterbinden und um einen bestimmten, beispielsweise
konstanten Lade- bzw. Entladestrom vorzusehen. Alternativ kann auch
zur Änderung der Ladung die Akkumulatorvorrichtung auch
wieder an das Bordnetz angeschlossen werden, wobei, wie oben beschrieben,
der durch den Betrieb des Akkumulators erzeugte Ent- bzw. Beladestrom
erfasst wird und zeitlich integriert bzw. aufsummiert wird.
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Ferner
können elektrische Schaltelemente zwischen dem Akkumulator
und dem Bordnetz vorgesehen sein, die das Abtrennen bzw. das Wiederanschließen
der Akkumulatorvorrichtung ermöglichen. Derartige Trennelemente
können auch verwendet werden, um trotz schwankender Belastungen
im Bordnetz, die zu betrachtende Akkumulatorvorrichtung durch entsprechende
Regelung mit einem konstanten Strom zu versorgen bzw. einen konstanten Entladestrom
von der Akkumulatorvorrichtung in das Bordnetz hinein vorzusehen.
Jedoch ist zur Vermeidung von Messfehlern oder Ermittlungsfehlern
vorzuziehen, während der Änderung der Ladung der
Akkumulatorvorrichtung den Ladestrom bzw. Entladestrom bzw. Änderungsstrom
zur Akkumulatorvorrichtung hin oder von dieser weg konstant zu halten
oder innerhalb eines schmalen Strombetragintervalls zu halten.
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Nach
der Änderung der Ladung wird die Akkumulatorvorrichtung
vorzugsweise wieder vollständig (oder nahezu vollständig)
von den restlichen Akkumulatoren und von dem Boardnetz getrennt,
um, wie oben beschrieben, einen zweiten Ruhespannungswert zu ermitteln.
Wie bereits bemerkt kann der Ermittlung der Ruhespannungswerte eine
Zeitspanne vorausgehen, die vorbestimmt ist, und die dazu dient,
das Ende eines Relaxationsvorgangs innerhalb des Akkumulators zu
ermöglichen, ohne signifikante Messfehler zu erzeugen.
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Auch
wenn eine von mehreren Akkumulatorvorrichtungen wie oben beschrieben
hinsichtlich der wirksamen Kapazität überprüft
wird, können nach der Ermittlung des zweiten Ruhespannungswerts
in alternierender Reihefolge weitere Ladungsänderungen und
weitere Ermittlungen eines Ruhespannungswerts erfolgen, um mehrere
Messpunkte vorzusehen, die der Ermittlung der wirksamen Kapazität
dienen. Diese alternierende Vorgehensweise kann im Allgemeinen auch
mit einer einzelnen Akkumulatorvorrichtung ausgeführt werden.
Wenn mehrere Akkumulatorvorrichtungen eine Gruppe bilden, können
die einzelnen Akkumulatorvorrichtungen oder Untergruppen hiervon
wie oben beschrieben abgetrennt und hinsichtlich ihrer Ladung geändert
werden, um einzelne wirksame Kapazitäten der Akkumulatorvorrichtungen
oder der Akkumulatoruntergruppen zu ermitteln.
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Das
oben beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere für
Lithium-Ionen-Akkumulatoren mit hohen Kapazitäten, die
in Kraftfahrzeugen verwendet werden, welche einen Hybridantrieb
oder einen Elektroantrieb aufweisen. Die Lithium-Ionen-Akkumulatoren
werden als Traktionsbatterie und/oder als Bordnetzbatterie verwendet,
die somit den gesamten Betrieb des Kraftfahrzeugs ermöglichen. Statt
Lithium-Ionen-Akkumulatoren können auch Bleiakkumulatoren,
Nickel-Kadmium-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren
oder andere galvanische Zellen, als Seriell- oder Parallel-Gruppe oder
einzeln verwendet werden.
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Im
Allgemeinen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren
zur Ermittlung der wirksamen Kapazität für elektrische
Energiespeicher, die einem Alterungsprozess unterworfen sind, der
die Kapazität mit der Zeit verringert, und dessen Leerlaufspannung vom
Ladezu stand, d. h. vom relativem Füllzustand des Akkumulators
abhängt. Ferner ist das erfindungsgemäße
Verfahren für Akkumulatoren mit Lithium-Ionen-Zellen geeignet,
die in Notebooks, Mobiltelefonen oder im Allgemeinen in der Unterhaltungs- und
Kommunikationstechnik verwendet werden. Ferner ist das erfindungsgemäße
Verfahren auch für Akkumulatoren geeignet, die in Elektrowerkzeugen
verwendet werden. Insbesondere bei der Verwendung in Geräten,
die eine temporäre Nutzungspause aufweisen, kann das erfindungsgemäße
Verfahren verwendet werden, wobei in der Nutzungspause der erste Ruhespannungswert
ermittelt wird, die Ladung geändert wird, und/oder nach
der Ladungsänderung ein zweiter Ruhespannungswert ermittelt
wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand
der Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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1 die
Abhängigkeit des Ruhespannungswerts von der Ladung, die
von der Akkumulatorvorrichtung entnommen wurde und
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2 der
zeitliche Verlauf der Klemmspannung nach dem Ende einer Belastungsperiode.
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Ausführungsformen:
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Der 1 ist
ein Diagramm zu entnehmen, auf dessen x-Achse die von der Akkumulatorvorrichtung
entnommene Ladung dargestellt ist, und auf der y-Achse der dazugehörige
Ruhespannungswert dargestellt ist. Mit dem Bezugszeichen 1 ist
der Verlauf für eine bereits gealterte Akkumulatorvorrichtung dargestellt,
wohingegen der Verlauf 2 die Abhängigkeit zwischen
Ruhespannungswert und entnommener Ladung für eine neuere
Batterie mit geringeren irreversiblen Kapazitätsverlusten
darstellt. Mit den Streckenabschnitten A und C sind schematisch
Abhängigkeiten der Ruhespannungswerte dargestellt, die,
bezogen auf den daran angrenzenden Streckenabschnitt B, zumindest
an dem Übergang zu B nichtlinear von der entnommenen Ladung
abhängen. Die 1 zeigt mit dem Teilstück
B einen linearen Zusammenhang zwischen Ruhespannungswert UL und entnommene Ladung Q, wobei dies jedoch
nur eine Näherung ist und andere Abhängigkeiten
in Form von numerischen Näherungen, Zuordnungstabellen
zwischen Ruhespannung und Ladungsdifferenzwert sowie Interpolationen
verwendet werden können, um allgemeine Verläufe
nachzubilden. Die exakte Form der Verläufe 1 und 2 ergibt
sich durch Simulation, Modellierung oder Messung von jeweiligen
mehr oder minder gealterten Akkumulatorvorrichtungen bei jeweiligen
entnommenen Ladungen.
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Zunächst
wird der Verlauf 1 betrachtet, der in der 1 als
durchgehende Linie dargestellt ist. Innerhalb des linearen Abschnitts
B wird zunächst ein erster Ruhespannungswert U1 ermittelt.
Daraufhin wird die Ladung geändert, d. h. von der Ladung
Q1 wird auf die Ladung Q2 übergegangen,
indem der Ladungsdifferenzwert ΔQ aus dem Akkumulator entnommen
wird, beispielsweise durch einen konstanten Entladestrom. Nachdem
die Ladung derart geändert wurde, wird ein zweiter Ruhespannungswert
U2 ermittelt. Zunächst sind die
Absolutwerte der Spannungen und der Ladungen von nachgeordneter
Bedeutung, da zunächst der Ruhespannungs-Differenzwert ΔU
zu dem Ladungsdifferenzwert ΔQ in Beziehung gesetzt wird.
In dem Verlauf 1 ist dies eine lineare Abhängigkeit,
so dass kleinere Werte von ΔQ zum gleichen Ergebnis führen
würden. Dies ist jedoch in der Realität nicht
der Fall, weshalb es notwendig sein kann, nicht nur einen einzelnen
Wert als Steigung zu verwenden, um die Kapazität zu ermitteln.
Vielmehr kann es notwendig sein, verschiedene Ladungsdifferenzwerte
und zugehörige Ruhespannungs-Differenzwerte zu verwenden,
um auf die tatsächliche Kapazität schließen
zu können. Ferner sind weitere Messpunkte notwendig, wenn
der Ladungsdifferenzwert ΔQ derart gestaltet wird, dass
Q1 im Abschnitt B liegt und Q2 im
Abschnitt C liegt, wobei aus der 1 direkt
ersichtlich ist, dass sich bei der Annahme einer proportionalen
Beziehung Fehler durch die Nicht-Linearität und den Steigungswechsel ergeben.
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Der
Verlauf 2 entspricht einer Batterie mit geringerer Alterung,
d. h. mit höherer Kapazität, so dass sich durch
den Ladungsdifferenzwert ΔQ auch im Verlauf von 2 ein
Ruhespannungs-Differenzwert ΔU2 bildet,
der jedoch geringer als der Ladungsdifferenzwert ΔU1 ist, der sich für die Akkumulatorvorrichtung mit
geringerer wirksamer Kapazität bei gleichem Ladungsdifferenzwert ΔQ
bildet. Aus der 1 ist zu erkennen, dass der
gleiche Ladungsdifferenzwert ΔQ auf den Verlauf 1 (geringere
Kapazität) einen höheren Einfluss auf den Ruhespannungswert
hat als der Verlauf 2 (hohe Kapazität). Diese
stärkere Beeinflussung des Ruhespannungswerts bei älteren
Akkumulatorvorrichtungen, d. h. mit geringerer wirksamer Kapazität
und höherem irreversiblen Kapazitätsverlust ergibt
sich auch, wenn zur Messung der verschiedenen Akkumulatorvorrichtungen
unterschiedliche Ladungsdifferenzwerte verwendet werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung wird ein genau vorbestimmter Ladungsdifferenzwert ΔQ dem
Akkumulator entnommen. Alternativ kann auch die Differenzladung
gemessen werden, die sich bei einem vorgegebenen Ruhespannungs-Differenzwert gibt.
Beispielsweise kann dies vorgesehen werden, indem der Entladungsvorgang
(im Allgemeinen die Änderung der Ladung) beendet wird,
wenn ein bestimmter Ruhespannungs-Differenzwert erreicht wird. Ferner
können sowohl Ladungsdifferenzwert als auch Ruhespannungs-Differenzwert
gebildet werden, wobei der Schritt des Änderns der Ladung
weder von Differenzladung noch von Differenzstrom abhängt,
sondern von einer vorgegebenen Zeitdauer, die der Schritt des Änderns
der Ladung andauert.
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Die 2 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Klemmspannung UK,
die sich mit der Zeit einem Ruhespannungswert UL annähert.
Das obere Diagramm von 2 zeigt den Verlauf der Klemmspannung
mit der Zeit (t) wo hingegen das untere Diagramm mit der gleichen
Zeitachse den Verlauf des Entladestroms der Akkumulatorvorrichtung
darstellt. Demgemäß wird bis zum Zeitpunkt t0 ein bestimmter konstanter Strom entnommen.
Ab dem Zeitpunkt t0, an dem beispielsweise
eine Trennung der Akkumulatorvorrichtung von einem Verbraucher stattfindet,
befinden sich die Klemmen des Akkumulators im Leerlauf. Mit anderen
Worten fließt kein oder nur ein vernachlässigbarer
Lade- bzw. Entladestrom. Typischer Weise haben Akkumulatoren wie
Lithium-Ionen-Akkumulatoren ein Relaxationsverhalten, so dass sich
der endgültige Ruhespannungswert erst nach einer bestimmten
Zeitdauer einstellt.
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In
der 2 ist dies schematisch als negativ-exponentieller
Verlauf in der Form UL – (UDiff·ε–t/τ) dargestellt.
Gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung
wird der Ruhespannungswert erst dann ermittelt, wenn ab dem Zeitpunkt
der letzten Belastung (t0) eine bestimmte
Zeitspanne verstrichen ist, die sicherstellt, dass Relaxationsprozesse
im Wesentlichen abgeschlossen sind. Alternativ kann ein geringfügiger
Fehler in Kauf genommen werden, indem nach bereits einer kurzen
Zeitspanne zum Zeitpunkt t1 der Ruhespannungswert
ermittelt wird, wobei jedoch gewährleistet ist, dass der
Messfehler einen bestimmten Betrag nicht überschreitet.
Zudem können Berechnungsmechanismen vorgesehen werden,
die eine etwas frühzeitige Messung kompensieren und so
den gemessenen Kernentspannungswert auf den zu erwartenden endgültigen
Ruhespannungswert (mit nur geringem Fehler) abbilden. Ferner kann
eine zweite Spannungsmessung vorgenommen werden, d. h., dass für
den Zeitpunkt tτ und tτ'
die Klemmspannung erfasst wird und auf Grund der Spannungsdifferenz
und der Zeitdauer zwischen tτ und
tτ' der endgültige Ruhespannungswert
ermittelt wird. Diese Mittelung kann sich ein negativ-exponentielles
Entlademodell zunutze machen, oder kann auf anderen numerischen
Näherungsverfahren, beispielsweise einer Reihenentwicklung,
basieren. Ferner können die Zeitdifferenz und die zugehörige
Spannungsdifferenz in einer Tabelle zueinander in Beziehung gesetzt
werden, so dass sich aus einem derartigen Wertepaar oder aus einem
Verhältnis der Wertepaare ein zugeordneter endgültiger
Ruhespannungswert ermitteln lässt.
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Im
Allgemeinen kann zu der Zuordnung des endgültigen Ruhespannungswert
zu zwei oder mehreren Messwerten der Klemmspannung ein Mechanismus
verwendet werden, der auch weitere Betriebsparameter wie die Temperatur
oder die vorherige Belastung oder einer erste Schätzung
eines Ladezustands berücksichtigt. Ferner können
adaptive Regelsysteme verwendet werden, wie Fuzzy-Logic oder neuronale
Netze.
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Prinzipiell
können zur Zuordnung eines endgültigen Ruhespannungswerts
zu Messwerten bzw. zu Zeitdauern die gleichen Mechanismen verwendet werden,
wie sie zum Ermitteln der Kapazität aus dem Ladungsdifferenzwert
und dem Ruhespannungs-Differenzwert verwendet werden, und umgekehrt.
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Ferner
kann der mittels Messung der Klemmspannung erfasste Verlauf der
Klemmspannung vor dem Erreichen eines endgültigen Ruhespannungswerts
dazu verwendet werden, die Zeitdauer des Schritts des Änderns
der Ladung oder die Stromstärke zu bestimmen, und/oder
den Ladungsdifferenzwert zu bestimmen, der während des
Schritts des Änderns der Ladung aus der Akkumulatorvorrichtung entnommen
oder dieser hinzugefügt wird. Ergibt sich beispielsweise
eine schnelle Änderung auf den Ruhespannungswert und somit
ein rasches Ende von Relaxationsprozessen, so wird vorzugsweise
ein höherer Ladungsdifferenzwert verwendet, als es bei langsamen
Relaxationsprozessen der Fall ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2002/0012830
A1 [0003]