DE19936542C2

DE19936542C2 - Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie

Info

Publication number: DE19936542C2
Application number: DE19936542A
Authority: DE
Inventors: Goesta Pfundtner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2003-06-26
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: DE19936542A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie, insbesondere eine Gebrauchs-Batterie mit einer Batteriekapazität größer 45 Ah, wobei die Durchtrittskapazität der Gebrauchs-Batterie gemessen wird und der Alterungszustand auf der Grundlage der gemessenen Durchtrittskapazität bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestim mung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Alterungskennlinie für eine Gebrauchs-Batterie eines bekannten Alterungszustandes.

Ein solches Verfahren wird beispielsweise für Traktionsbatte rien von Elektrofahrzeugen benutzt, da es für den Betreiber eines Elektrofahrzeugs wichtig ist, über den Alterungszustand und damit über die präsumptive Restlebensdauer der Traktions batterie informiert zu sein. Traktionsbatterien von Elektro fahrzeugen werden stark beansprucht und haben nur eine be grenzte Lebensdauer in dem Sinne, daß mit zunehmender Ge brauchsdauer die einspeicherbare Ladungsmenge soweit absinkt, daß die Batterie zum Fahrbetrieb nicht mehr einsetzbar ist. Mit der Kenntnis über den Alterungszustand der Traktionsbatte rie läßt sich die mögliche Fahrzeugreichweite abschätzen, und es kann eine Sollfunktion einer solchen Batterie derart er stellt werden, daß Abweichungen hiervon während des Betriebes auf einen Batteriedefekt hindeuten, der über ein entsprechen des Anzeigegerät dem Fahrer angezeigt werden kann. Auch andere Fahrerinformationen, wie beispielsweise die Aufforderung zu einem Ladungs-Reset, d. h. einer Vollaufladung der Batterie, wie er nach mehreren Teilladungszyklen zur Kalibrierung der Ladezustandsanzeige zweckmäßig ist, können bei Kenntnis des Batteriealterungszustandes mit größerer Genauigkeit bereitge stellt werden.

Die Mechanismen, die zur Alterung von Batterien führen, sind sehr unterschiedlich. Als Haupteffekt sind zu nennen die Be einträchtigung des Ionenaustauschs durch Verschmutzung oder sonstige Inaktivierung der Kontaktflächen der Reagenzien oder des Elektrolyten bzw. Ionentransmitters sowie die Inaktivie rung eines Teils der chemischen Reaktionsmasse durch uner wünschte chemische Nebenreaktionen oder durch den Aufbau iso lierender Zwischenschichten. Welche Effekte dominieren, hängt nicht nur von den verwendeten Chemikalien, sondern auch von der geometrischen Bauart und der Technologie des Batterieher stellers ab, wobei gewisse Haupteinflüsse allen Systemen ge meinsam sind, beispielsweise die Alterungsabhängigkeit von der pro Entladezyklus der Batterie entnommenen Ladungsmenge und der jeweils noch eingespeicherten Restladungsmenge.

Es ist eine große Vielzahl von Verfahren bekannt, den Ladezu stand einer Batterie innerhalb eines Entladezyklus zu bestim men, beispielsweise durch Messung der Batteriespannung unter Last oder Erfassen der bisherigen Entladedauer nach einem La devorgang. Stellvertretend seien hierzu beispielhaft die fol genden Druckschriften genannt: US 4,743,831, US 5,065,084, US 4,017,724, DE 41 12 987 A1 und DE 42 21 513 A1. Abgesehen davon, daß derartige Verfahren relativ zeitaufwendig sind, sind sie auch nicht dazu vorgesehen, eine Aussage über den Alterungszustand der Batterie zu machen.

In Berndt, Dietrich et. al; "Blei-Akkumulatoren", VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1986, 11. Auflage, Seiten 65 bis 69, sind Alterungseffekte von Batterien bzw. Blei-Akkumulatoren be schrieben. Hier ist ausgeführt, daß die in einem Blei- Akkumulator ablaufenden chemischen Reaktionen allmähliche Ver änderungen der Elektrodenmaterialien zur Folge haben. Insbe sondere ist die Veränderung der negativen Einzelspannung, der Alterungseffekt im Zyklenbetrieb und der Alterungseffekt durch Lagerung beschrieben.

In der DE 44 02 716 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie beschrieben, wobei die Impedanz der Gebrauchs-Batterie gemessen wird und der Al terungszustand als Funktion der gemessenen Impedanz bestimmt wird. Hierbei wird die Impedanz bei voll aufgeladener Batterie gemessen, und der derart erhaltene Messwert mit den abgelegten Messwerten, welche für unterschiedliche Alterungszustände der Batterie die Impedanz bei voll aufgeladener Batterie beschrei ben, verglichen. Zur Durchführung dieses Verfahrens ist eine vollständige Entladung mit anschließender Ladung der Batterie zur Bestimmung des Alterungszustandes nicht erforderlich.

Aus der DE 195 40 827 C2 ist schließlich ein Verfahren zur Be stimmung des Alterungszustandes einer Batterie bekannt, bei welchem ein Kennfeld der Batteriealterung in Abhängigkeit der Entlademenge pro Entladezyklus als Batteriealterungseinfluß größe vorgegeben wird, die jeweiligen Momentanwerte dieser Batteriealterungseinflußgröße bei der überwachten Batterie er fasst werden, der zu diesen jeweiligen Momentanwerten der Ein flußgröße gehörige Alterungsanteil anhand des vorgegebenen Kennfeldes ermittelt wird, und die ermittelten Alterungsantei le zur Bildung eines Batteriealterungswertes als Maß für den Batteriealterungszustand aufsummiert werden.

Die bekannten Verfahren werden als relativ aufwendig angese hen, so daß ein Bedürfnis besteht, einfachere Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Batterie zur Verfügung zu stellen.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren, mit denen unbekannte Alterungszustände von Batterien, oder, im Falle bekannter Alterungszustände, auf derartigen Alterungszu ständen basierende Kennlinien, welche dann bei der Bestimmung von unbekannten Alterungszuständen vergleichend heranziehbar sind, in einfacher Weise bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird erstmals ein Zusammenhang zwischen der Durchtrittskapazität der Batterieelektroden und einem Alte rungszustand der Batterie hergestellt. Zum Begriff der an sich bekannten Durchtrittskapazität sei am Beispiel einer herkömm lichen Blei-Säure-Batterie folgendes angegeben: Damit die Bat terie einen Stromfluß gewährleisten kann, müssen, vereinfacht gesagt, Bleiatome aus dem Elektrodenverband sowohl der positi ven wie auch der negativen Elektrode austreten, um beispiels weise mit Schwefelsäure das schwer lösliche Bleisulfat zu bil den. Dieser Übertritt von Ionen aus der festen Phase in die flüssige Phase stellt einen komplizierten Prozeß dar, dessen elektrisches Pendant einem Durchtrittswiderstand entspricht. Darüber hinaus bildet sich an den Elektrodenoberflächen durch Adsorption eine elektrische Doppelschicht aus, die wie ein Kondensator wirkt (Helmholtzsche Doppelschicht). Der Durch trittswiderstand und die auch als Durchtrittskapazität be zeichnete Doppelschichtkapazität parallel geschaltet bilden ein erstes elektrisches Analogon zur Beschreibung des Durch trittsprozesses. Es wurde hierbei überraschenderweise festge stellt, daß bei Batterien, insbesondere Batterien einer An fangskapazität größer 45 Ah die momentane Batteriekapazität und der Alterungszustand einen linearen Zusammenhang mit der Durchtrittskapazität der Elektroden aufweisen. Da die an sich bekannte Bestimmung der Durchtrittskapazität der Elektroden relativ einfach durchführbar ist, ist insgesamt ein einfaches Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Ge brauchs-Batterie zur Verfügung gestellt. Erfindungsgemäß wird die Durchtrittskapazität bei voll aufgeladener Gebrauchs- Batterie gemessen, und der derart erhaltene Meßwert mit abge legten Meßwerten, welche für unterschiedliche Alterungszustän de der Batterie die Durchtrittskapazität bei voll aufgeladener Batterie beschreiben, verglichen. Zur Ermöglichung einer der artigen Messung ist es lediglich notwendig, die Batterie voll aufzuladen. Eine vollständige Entladung und eine anschließende Aufladung, wie es bisweilen bei herkömmlichen Verfahren not wendig war, kann entfallen. Auf der Grundlage dieser Vorge hensweise ist es ferner möglich, bei bekanntem Alter einer Batterie zu überprüfen, ob ihr Alterungszustand diesem tat sächlichen Alter entspricht.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs gemäßen Verfahrens wird die Gebrauchs-Batterie aufgeladen, wo bei eine erste Durchtrittskapazitätsmessung vor der Aufladung, und weitere Messungen während des Aufladens sowie im vollstän dig aufgeladenen Zustand durchgeführt werden, und die derart erhaltende Durchtrittskapazitäts-Meßreihe mit einem abgelegten Kennfeld, welches für verschiedene Alterungszustände der Ge brauchs-Batterie die Durchtrittskapazität in Abhängigkeit von der Batteriekapazität beschreibt, verglichen wird. Mit einer derartigen Messung sind besonders genaue Meßergebnisse erziel bar, da auch die jeweiligen Steigungen der Meßreihe bzw. der Kennlinien des Kennfeldes miteinander in Beziehung gesetzt werden können.

Zweckmäßigerweise wird die Durchtrittkapazität auf der Grund lage einer Impedanzmessung der Gebrauchs-Batterie bestimmt. Hierbei wird die Impedanz der Gebrauchs-Batterie für verschie dene Wechselspannungen ermittelt, beispielsweise in einem Be reich von 102 bis 104 Hz. Die Impedanz wird, in an sich be kannter Weise, hierbei in einem imaginären Anteil und einen realen Anteil aufgespalten, wobei der imaginäre Anteil als Funktion des realen Anteils betrachtet wird, und aus den Ex trema dieser Funktion die jeweilige Durchtrittskapazität er mittelt wird. Derartige Verfahren sind an sich bekannt und be dürfen daher an dieser Stelle keiner besonderen Erläuterung.

Zweckmäßigerweise dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Be stimmung des Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schiffes, eines Unterseeboots, eines Flugzeugs, eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Lastkraftwagens, einer Notstromversorgung oder eines inter stellaren Flugkörpers, insbesondere eines Satelliten.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfah ren zur Bestimmung einer Alterungskennlinie für eine Ge brauchs-Batterie eines bekannten Alterungszustandes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4. Ist eine derartige Alterungs kennlinie für eine Batterie eines bekannten Alterungszustandes zur Verfügung gestellt, können Batterien unbekannten Alte rungszustandes mit einer derartigen Kennlinie verglichen wer den.

Zweckmäßigerweise wird dieses Verfahren für verschiedene Alte rungszustände der gleichen Gebrauchs-Batterie durchgeführt, wodurch ein Alterungskennfeld für eine derartige Batterie erhalten wird.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 für verschiedene Alterungszustände einer Batterie den funktionalen Zusammenhang zwischen der Durchtrittskapa zität an den Batterieelektroden und der jeweils entnom menen bzw. entnehmbaren Batteriekapazität, und

Fig. 2 eine Kurve zur Darstellung der jeweils bei maximal auf geladener Batterie auftretenden Durchtrittsspannung als Funktion der Alterung.

Die Messungen der Fig. 1 wurden mit einer Gebrauchs-Batterie einer Gesamtkapazität von 160 Ah durchgeführt.

Die oberste Meßreihe, deren Meßpunkte durch kleine Quadrate dargestellt sind, beschreibt die Durchtrittskapazität C_D an den Elektroden der Batterie in Abhängigkeit von der entnommenen Batteriekapazität im Neuzustand der Batterie. Man erkennt, daß bei einer neuen Batterie tatsächlich bis zu 160 Ah entnommen werden können. Auf der Grundlage der oberen Meßreihe ist eine erste Kennlinie a, welche den Neuzustand der Batterie be schreibt, über geeignete Ausgleichsverfahren angebbar bzw. be rechenbar.

Die Meßwerte einer zweiten Meßreihe sind mittels Dreiecken dar gestellt. Diese Meßreihe beschreibt wiederum die Durchtrittska pazität der gleichen Batterie in Abhängigkeit von der entnomme nen Batteriekapazität, wobei die Batterie hier jedoch einen Al terungszustand entsprechend drei Jahren aufweist. Man erkennt, daß die entnehmbare Batteriekapazität auf etwa 80 Ah zurückge gangen ist. Die für den maximalen Ladezustand festgestellte Durchtrittskapazität beträgt hier 15 mF/m², im Gegensatz zu 35 mF/m² für eine neuwertige Batterie.

Auch durch die Meßwerte der drei Jahre alten Batterie wurde ei ne eine Alterungskennlinie darstellende Ausgleichsgerade ge legt, welche mit b bezeichnet ist.

Mit c ist schließlich eine Kennlinie bezeichnet, welche der Meßreihe einer 4,5 Jahre alten Batterie zugeordnet ist, welche mittels Rauten dargestellt ist. Man erkennt, daß hier die ent nommene bzw. entnehmbare Batteriekapazität auf etwa 40 Ah zu rückgegangen ist, wobei die dem maximalen Ladezustand entspre chende Durchtrittskapazität etwa 4 mF/m² beträgt.

Ein Vergleich der jeweiligen Kennlinien a, b, c ergibt, daß diese im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, d. h. sich um einen konstanten Faktor unterscheiden. Will man nun den Al terungszustand einer Gebrauchs-Batterie unbekannten Alters bzw. Alterungszustandes ermitteln, kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden: Die zu untersuchende Batterie wird zunächst vollständig aufgeladen, ohne daß Messungen der Durchtrittskapa zität durchgeführt werden. Für den voll aufgeladenen Zustand wird anschließend die Durchtrittskapazität an den Batterieelek troden ermittelt. Anhand der bereits erläuterten Kennlinien a, b, c sowie weiterer, nicht im einzelnen dargestellter Kennlini en für zwischenliegende Alterungszustände kann von der gemesse nen Durchtrittskapazität auf den Alterungszustand der Batterie geschlossen werden.

Ein ermittelter Durchtrittskapazitätsverlauf als Funktion der Alterung ist in Fig. 2 dargestellt. Stellt man also beispiels weise fest, daß die Durchtrittskapazität für den vollständig aufgeladenen Zustand etwa 33 mF/m² beträgt, läßt sich auf einen Alterungszustand von etwa einem Jahr schließen. Ist das Alter einer Batterie bekannt, läßt sich in analoger Weise ermitteln, ob der Alterungszustand dem tatsächlichen Alter entspricht.

Zur Erhöhung der Genauigkeit einer derartigen Messung ist es ferner beispielsweise möglich, während der Aufladung der Batte rie ebenfalls Durchtrittskapazitätsmessungen durchzuführen, und eine sich so ergebende Meßreihe mit den Kennlinien, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, zu vergleichen.

Gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung von Alterungs zuständen ist es erfindungsgemäß nicht mehr notwendig, eine vollständige Entladung und Wiederaufladung der Batterie durch zuführen. Erfindungsgemäß werden sehr gute Ergebnisse unter Be rücksichtigung der Durchtrittskapazität bei voll aufgeladener Batterie erzielt. Aufgrund derartiger Messungen ist es, unter Berücksichtigung der Kennlinien gemäß Fig. 1, in einfacher Wei se möglich, auf eine maximal entnehmbare Batteriekapazität zu schließen.

Es ist ferner möglich, eine Batterie, deren Alter bekannt ist, aufgrund der Kennlinien der Fig. 1 mit ihrem tatsächlichen Al terungszustand zu vergleichen. Erweist sich beispielsweise, daß eine Batterie, deren Alter mit drei Jahren genau bestimmt ist, eine maximale Durchtrittskapazität von 15 mF/m² aufweist, so läßt sich hieraus schließen, daß diese Batterie einen ihrem tatsächlichen Alter entsprechenden Alterungszustand aufweist, d. h. in angemessener Weise behandelt bzw. eingesetzt wurde.

Es sei angemerkt, daß es zweckmäßig ist, die beschriebenen Durchtrittskapazitätsmessungen bei Stillstand bzw. im Ruhezu stand eines Fahrzeugs zu messen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Ge brauchs-Batterie, insbesondere eine Gebrauchsbatterie mit einer Batteriekapazität größer 45 Ah, bei welchem die Durchtrittskapazität der Gebrauchs-Batterie gemessen wird und der Alterungszustand als Funktion der gemessenen Durch trittskapazität bestimmt wird, wobei die Durchtrittskapazi tät bei voll aufgeladener Batterie gemessen wird, und der derart erhaltene Meßwert mit abgelegten Meßwerten, welche für unterschiedliche Alterungszustände der Batterie die Durchtrittskapazität bei voll aufgeladender Batterie be schreiben, verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebrauchs-Batterie aufgeladen wird, wobei eine er ste Durchtrittskapazitätsmessung vor dem Aufladen und wei tere Messungen während des Aufladens sowie im vollständig aufgeladenen Zustand durchgeführt werden, und die derart erhaltende Meßreihe mit einem abgelegten Kennfeld, welches für verschiedene Alterungszustände der Gebrauchs-Batterie die Durchtrittskapazität in Abhängigkeit von der Batterie kapazität beschreiben, verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittskapazität auf der Grundlage einer Impe danzmessung der Gebrauchs-Batterie bestimmt wird.

4. Verfahren zur Bestimmung einer Alterungskennlinie für eine Gebrauchs-Batterie eines bekannten Alterungszustandes, ins besondere einer Gebrauchs-Batterie mit einer Batteriekapa zität größer 45 Ah, mit folgenden Schritten:

a) Messung der Impedanz der Gebrauchs-Batterie als Funkti on einer angelegten Wechselspannung,
b) Bestimmung der Durchtrittskapazität der Batterie auf der Grundlage der gemessenen Impedanzen,
c) Wiederholung der Schritte a), b) für verschiedene Lade zustände der Gebrauchs-Batterie, insbesondere für den Zu stand der vollständigen Ladung,
d) Darstellung der ermittelten Durchtrittskapazitäten in Abhängigkeit der jeweiligen Ladezustände zum Erhalt einer Meßreihe,
e) Erstellen einer Kennlinie auf der Grundlage der Meßrei he.

5. Verfahren zur Bestimmung eines Alterungskennfeldes für eine Gebrauchs-Batterie eines bekannten Alterungszustandes, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach Anspruch 4 für verschiedene Alte rungszustände der Gebrauchs-Batterie durchgeführt wird.