DE3920629C2

DE3920629C2 - Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines elektrischen Ni-Cd-Akkumulators und zur Ladung desselben

Info

Publication number: DE3920629C2
Application number: DE3920629A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Kraus; Martin Dipl Ing Woehrle
Original assignee: KRAUS MANFRED DIPL ING FH
Current assignee: WOEHRLE, MARTIN, 8000 MUENCHEN, DE KRAUS, MANFRED,
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1994-05-11
Anticipated expiration: 2009-06-24
Also published as: DE3920629A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines elektrischen Ni-Cd-Akkumulators und zur Ladung desselben nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Bestimmung der tatsächlich eingeladenen Ladungsmenge eines auswechselbaren Akkus, der weder mit einem Verbraucher noch mit einem Ladegerät fest verbunden ist, ist sehr schwierig und zeitaufwendig. Es gibt zwar die Möglichkeit, die Ladungsmenge eines vollgeladenen Akkus durch definiertes Entladen zu bestimmen, jedoch hat dieses Verfahren gleich zwei Nachteile:

Einmal ist der Akku nach der Prüfung leer, zum anderen wird wegen der Kapazitätsbestimmung ein Lebenszyklus des Akkus unnötig geopfert, was aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes nicht vertretbar ist.

Für feste Anordnung von Akku, Ladegerät und Verbraucher ist zur Kapazitätsbestimmung eine Bilanzierungsmethode bekannt, die in der europäischen Patentschrift 2 48 461 beschrieben ist.

Ferner gibt es ein Verfahren zum Laden und gleichzeitigen Überwachen der eingeladenen Gesamtkapazität eines Nickel-Cadmium- Akkus, das in der Patentschrift DE 32 27 522 C2 angegeben ist. Bei diesem Verfahren wird der Akku zwar nicht entladen, sondern geladen, aber die Aussage (Gut/Schlecht) kann frühestens nach 75 Minuten erfolgen. Außerdem gibt es nur eine sehr grobe Gut/Schlecht-Aussage, die Gut nur dann anzeigt, wenn mehr als 90% der Nennkapazität eingeladen werden konnte. Unterhalb dieser Grenze erfolgt nur eine Schlecht-Anzeige.

Ein Verfahren zur Feststellung des Erhaltungs- und Ladezustands von Blei-Akkumulatoren ist aus der DE-AS 26 10 536 bekannt. Dabei wird in vier aufeinanderfolgenden Zeitschritten der dynamische Spannungsverlauf des Akkumulators unter einer Hochstrombelastung abgetastet. Die Meßwerte werden mit Referenzspannungen verglichen. Hierzu ist einerseits der dynamische Spannungsverlauf ausreichend genau im voraus zu kennen, andererseits erlaubt diese Methode wiederum nur eine Gut- bzw. Schlechtanzeige des Ladezustands dieses Akkumulators.

Bei einer Ladeschaltung nach der DE-OS 30 40 852 wird der Ladevorgang mittels Spannungsmessungen überwacht. Dabei wird die Tatsache genutzt, daß in einem Überladungsbereich, nach Überschreiten der huntertprozentigen Akkumulatorkapazität die Zellenspannung ein Maximum annimmt und danach abfällt. Dieses Maximum wird detektiert und nach dessen Erreichen der Ladevorgang abgebrochen. Ein hierzu verwendbarer Sensor zur Erkennung eines derartigen rückläufigen Spannungsverlaufs ist in dem DE-GM 89 00 155 beschrieben. Mit derartigen Anordnungen läßt sich ein Akkumulator jedoch niemals nur teilweise, sondern stets nur voll bzw. bis in den Überladebereich hinein aufladen.

Die nach Beendigung des Ladevorgangs gespeicherte Akkumulatorkapazität ist mit dieser Methode nur ungenau voraussagbar, da sie Alterungsprozessen des Akkumulators und Temperaturschwankungen unterworfen ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beheben und ein Verfahren anzugeben, das innerhalb weniger Minuten eine genauere Bestimmung der Kapazität eines Akkumulators beispielsweise in 10%-Stufen der Nennkapazität erlaubt. Ferner soll es mit dem Verfahren möglich sein, einen alterungsbedingten Kapazitätsverlust eines Akkus zu erkennen, sowie den Ladevorgang hinsichtlich Akkuschonung und Wirtschaftlichkeit optimal durchzuführen.

Gelöst wird diese Aufgabe der Erfindung durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, durch ein kombiniertes Kapazitätsbestimmungs- und Ladeverfahren für NiCd-Akkuzellen, derartige Akkus optimal zu nutzen und zu warten. Infolge einer präzisen Kapazitätsbestimmung während eines Ladevorgangs, der zu bestimmten Zeitpunkten zum Zwecke der Bestimmung der jeweils eingelagerten Ladungsmenge unterbrochen wird, kann ein Akku bis zum Erreichen seiner Akkumulierfähigkeitsgrenze aufgeladen und dann sofort abgeschaltet oder der Ladevorgang auch bei Erreichen eines vorgebbaren Wertes beendet werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines kombinierten Prüf- und Ladegerätes, das nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung betreibbar ist,

Fig. 2 ein Funktionsdiagramm für die Darstellung dreier Betriebsarten,

Fig. 3 ein Kurvendiagramm zur Darstellung der Belastungsempfindlichkeit einer NiCd-Akkuzelle und

Fig. 4 ein Kurvendiagramm, das die Zellenspannung eines Akkus in Abhängigkeit seiner in ihm gespeicherten Ladungsmenge zeigt.

Das in Fig. 1 dargestellte kombinierte Prüf-Ladegerät für Akkumulatoren, vorzugsweise NiCd-Akkumulatoren gestattet an den Akkumulatoren sowohl eine Kapazitätsmessung als auch eine schonende und ökonomische Aufladung vorzunehmen. Dieses Gerät besteht aus einzelnen Funktionsmodulen (2 bis 5 und 15), die über Verbindungsleitungen und -elemente (6 bis 14, 16) zusammengeschaltet sind. Der Prüfling (1), vorzugsweise ein NiCd-Akkumulator, der an das Gerät angeschlossen werden kann, ist mit einer Spannungsmeßeinrichtung (2) und einem Steuerwerk (4) direkt und mit einer Ladeschaltung (5) über einen Schalter (6) und mit einer Entladeschaltung (3) über einen Schalter (7) verbunden.

Das Steuerwerk (4), vorzugsweise ein Mikroprozessor oder Mikrorechner ist über Datenleitungen (10) mit der Spannungsmeßeinrichtung (2), mit Datenleitungen (11) mit dem Prüfling und mit Datenleitungen (14) mit dem Eingabeteil der Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) verbunden. Vom Steuerwerk (4) gehen auch Steuerleitungen aus, und zwar Steuerleitungen (8) zur Einstellung der Entladeschaltung (3), Steuerleitungen (9) zur Steuerung der Ladeschaltung (5), eine Steuerleitung (12) zur Steuerung des Schalters (6) und eine Steuerleitung (13) zur Steuerung des Schalters (7) sowie Steuerleitungen (14) zur Steuerung des Anzeigeteils der Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) und eine Steuerleitung (16) zur Steuerung der Spannungsmeßeinrichtung (2).

Durch die Kombination von Prüf- und Ladegerät sind mehrere Betriebsarten möglich, die über den Eingabeteil der Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) eingestellt werden können. Diese Betriebsarten sind beispielsweise in Fig. 2 dargestellt.

Da ist einmal der reine Meßbetrieb (a), in welchem die Kapazität des angeschlosseenen Prüflings gemessen und anschließend angezeigt wird.

In dieser Betriebsart wird die Ladeschaltung (5) und der Schalter (6) nicht benötigt. Wird ein Prüfling (1) eingesteckt und von dem Steuerwerk (4) über eine Datenleitung (11), die entweder den Temperaturfühler, die Akkuspannung oder beides feststellt, erkannt, dann beginnt eine Spannungsmessung durch die Spannungsmeßeinrichtung (2). Die Meßwerte werden laufend an das Steuerwerk (4) übergeben. Sind diese Meßwerte bereits digitalisiert, dann können sie vom Steuerwerk (4) direkt verarbeitet werden. Erreichen sie das Steuerwerk (4) in analoger Form, dann müssen sie im Steuerwerk selbst oder einem vorgeschalteten Analog-Digitalwandler noch digitalisiert werden. Entsprechend dem gemessenen Spannungsverlauf, Spannung steigend, fallend oder gleichbleibend, ermittelt der Mikrorechner im Steuerwerk, mit welchem Belastungsstrom (hoher/kleiner Ladestrom) der Prüfling (1) entladen werden soll. Die Entscheidungskriterien über die Höhe des Laststromes werden im Zusammenhang mit der Erläuterung des Steuerwerks (4) noch näher beschrieben. Durch die mittels der Entladeschaltung (3) über den Schalter (7) an dem Prüfling (1) angelegte Belastung (Belastungs- oder Entladestrom) ergibt sich ein der Kapazität des Akkus entsprechender Spannungsverlauf mit negativem Spannungsgradienten. Die Bewertung der Gradienten erfolgt nach einer bestimmten Vorschrift, die ebenfalls im Zusammenhang mit der Erläuterung des Steuerwerkes (4) näher beschrieben wird.

Während des Kapazitätstests, der wenige Minuten benötigt, wird der Benutzer hierüber vom Steuerwerk (4) mittels einer Meldung informiert, die über den Anzeigeteil der Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15), beispielsweise als "Messung läuft", ausgegeben wird. Die Meldung kann sowohl statisch als auch dynamisch (blinken) mit z. B. stetig sich ändernder Blinkfrequenz entsprechend dem Fortgang der Messung dargestellt werden.

Nach Beendigung des Kapazitätstests wird als Ergebnis der Messung die im Prüfling vorhandene Ladungsmenge über den Anzeigeteil der Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) ausgegeben. Fig. 2a zeigt, daß nach der Kapazitätsbestimmung (KAP-B) nun noch die Anzeige (ANZ) der verfügbaren Ladungsmenge folgt. Damit ist die Funktion "Meßbetrieb" abgeschlossen.

Der Ladebetrieb besteht, wie Fig. 2b zeigt, ausschließlich aus der Lade- (LAD) und Anzeigefunktion (ANZ). Im reinen Ladebetrieb wird nur die Ladeschaltung (5), das Steuerwerk (4), der Schalter (6) und die Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) benötigt. Der Ladebetrieb kann hierbei je nach Zellentyp des Akkumulators (A) oder vorhandenem Temperaturfühler (T) unterteilt werden in Schnelladen, beispielsweise eine Stunde, beschleunigtes Laden, beispielsweise drei Stunden und Erhaltungsladen ohne zeitliche Begrenzung. Der Ladebetrieb ist an sich in vielen Variationen bekannt, so daß hier auf diese Betriebsart nicht näher eingegangen werden muß. Ergänzend kann der Ladebetrieb gemäß der kennzeichnenden Verfahrensschritte des Anspruches 3 durch zwischenzeitliche Meß- und Kapazitätsanzeigevorgänge unterbrochen sein.

Der Meß- und Ladebetrieb läßt wie Fig. 2 zeigt, zwei Varianten (c1 und c2) zu, wobei in der ersten Variante (c1) eine Ladung durchgeführt wird, die zu bestimmten Zeiten zum Zwecke einer Kapazitätsbestimmung (KAP-B) und Speicherung des Meßwertes unterbrochen und beendet wird, wenn keine Zunahme der gespeicherten Ladungsmenge mehr feststellbar ist. Mit dieser Betriebsart wird der Prüfling bis zu seiner effektiven Maximalkapazität aufgeladen, die dann angezeigt wird.

Diese Maximalkapazität wird nur bei einem neuen oder unbeschädigten Akkumulator seiner Nennkapazität entsprechen. Ansonsten hängt die Maximalkapazität des Prüflings von seiner "Lebensgeschichte" ab.

In der Betriebsartenvariante (c2) wird über den Eingabeteil der Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) eine gewünschte Ladungsmenge eingegeben (KAP-E) und der Ladevorgang (LAD) gestartet, der ebenfalls zu bestimmten Zeiten jeweils zur Kapazitätsbestimmung (KAP-B) unterbrochen wird, wobei jeweils ein Vergleich dieses Wertes mit dem voreingestellten Wert der Ladungsmenge durchgeführt wird. Wenn beide Werte übereinstimmen, dann wird der Ladungsvorgang beendet.

Diese Betriebsartenvariante (c2), die für den eiligen Anwender gedacht ist, erlaubt die teilweise Ladung auf einen voreinstellbaren Wert, beispielsweise auf 50% der Nennkapazität. Das Steuerwerk (4) führt hierbei eine Bestimmung der im Akku vorhandenen Ladungsmenge durch. Aus der Differenz der eingegebenen zur vorhandenen Ladungsmenge kann ferner die voraussichtliche Ladezeit errechnet und auf dem Anzeigeteil der Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) dargestellt werden (ANZ).

Falls nun der vorgewählte Ladungsteil über der Akkumulierfähigkeitsgrenze liegt, was erst beim Laden des Akkus erkannt werden kann, wird eine entsprechende Meldung an die Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) ausgegeben. In einem solchen Fall würde die Ladung gemäß der Betriebsartenvariante (c1) beendet werden.

Ladegeräte sind üblicherweise so an die Prüflinge (1) angepaßt, daß ein größeres Ladeangebot zur Verfügung steht, als es der Nennkapazität des Prüflings entsprechen würde. Das Ladungsangebot soll aus Wirtschaftlichkeitsgründen nicht beliebig größer sein, sondern gerade so viel, wie es unter Berücksichtigung des Ladewirkungsgrades erforderlich ist.

Bei zunehmender Alterung des Akkumulators nimmt dessen akkumulierfähig Ladungsmenge ab, d. h. daß das Ladegerät dem angeschlossenen Prüfling im Laufe seiner Alterung immer mehr für die Energiespeicherung unverwertbare Energie zuführt, die zu einer unnötigen Erwärmung des Akkus und letztlich zu einem noch schnelleren Altern des Akkus führt.

Durch die Kapazitätsbestimmung ist das Steuerwerk (4) jedoch in der Lage zu erkennen, ob beim Laden eine Steigerung der eingeladenen Kapazitätsmenge erfolgt. Wie bereits erwähnt wurde, unterbricht das Steuerwerk die definierte Ladung in entsprechenden Zeitabschnitten (festgelegte Ladungsintegralabschnitte) und führt eine Kapazitätsbestimmung durch. Wenn hierdurch festgestellt wird, daß durch die Ladung die Ladungsmenge im Akkumulator nicht mehr ansteigt, dann ist das Ende seiner Akkumulierfähigkeit erreicht. Der Ladevorgang wird dann automatisch beendet. Das Ladungsende sowie die Ladbarkeitsgrenze wird durch die Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) entsprechend angezeigt.

Es sind insbesondere diese beiden zuletzt genannten Betriebsartvarianten (c1/c2) die eine besonders wirtschaftliche und umweltschonende Ladung von NiCd-Akkumulatoren ermöglichen.

Als Prüflinge kommen vorzugsweise alle NiCd-Akkus in Frage, von der Einzelzelle bis zum Zellenverbund mit mehreren Zellen, beispielsweise 10. Eine grundsätzliche Beschränkung der Zellenzahl ist vom vorgeschlagenen Verfahren her nicht gegeben, jedoch werden die Anforderungen an das Auflösungsvermögen und den Meßbereich der Spannungsmeßeinrichtung (2) bei einer größeren Zellenzahl entsprechend höher.

Handelt es sich um schnelladefähige Zellen, dann muß für den Schnelladebetrieb von einer Stunde ein Temperaturfühler eingebaut sein. Da das Verhalten der unterschiedlichen Zelltypen unterschiedlich ist, muß dem Steuerwerk (4), beispielsweise über die Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) mitgeteilt werden, welcher Zellentyp (auch Hersteller) und welche Zellenzahl an das Gerät angeschlossen werden, damit die dem angeschlossenen Prüfling entsprechende Auswertemethode selektiert werden kann.

Wie bereits zuvor angedeutet wurde, ist das Auflösungsvermögen und der Meßbereich der Spannungsmeßeinrichtung (2) von gewisser Bedeutung, wenn es darum geht, Akkupacks zu verwenden, die mehr als 10 Zellen beinhalten. Bei einem Meßbereich der Spannungsmeßeinrichtung von 15 Volt und einer digitalen Codierung der Meßwerte mit 12 Bit, ergibt sich eine Auflösung von 3,7 Millivolt. Der Betrieb der Spannungsmeßeinrichtung (2) wird vom Steuerwerk (4) über eine Steuervorrichtung (16) derart gesteuert, daß sie, wenn sie zur Kapazitätsbestimmung Spannungsmeßdaten benötigt, diese anfordert und über die Datenleitung (10) übernimmt. Spannungen und Spannungsverläufe bei Ladung und Entladung können somit gemessen und beobachtet werden.

Die Entladeschaltung (3), welche die Entlade- oder Belastungwiderstände an den Prüfling anlegt, ist als eine an sich bekannte geregelte Stromsenke ausgelegt, die entsprechend einem vorgewählten Sollwert des Stromes einen Laststrom einprägt. Die Belastung kann dabei stufenweise so erfolgen, daß Lastströme von 1 C bis 10 C und mehr fließen, die den Prüfling entsprechend schnell entladen (1 C ist dabei der Entladestrom, der bei der Nennkapazität des Akkus diesen in einer Stunde entlädt).

Die jeweils erforderliche Belastung des Prüflings durch die Entladungsschaltung (3) wird vom Steuerwerk (4) über Steuerleitungen (8) eingestellt, wobei bei einer Codierung des Steuersignals mittels 8 Bit eine Auflösung von 256 Stufen erreicht wird. Bei einer Maximalbelastung entsprechend 10 C ergeben sich Belastungsstufen entsprechend etwa 0,04 C.

Um eine Beeinflussung der Spannungsmessung in der Spannungsmeßeinrichtung (2) durch Leckströme oder parasitäre Ströme infolge von Isolationsmängeln zu verhindern, wird die Entladeschaltung über den Schalter (7), gesteuert vom Steuerwerk, über die Steuerleitung (13) von der Spannungsmeßeinrichtung (12) für die Dauer der Messung abgetrennt.

Dem Steuerwerk (4) fallen also wichtige Aufgaben zu, die im folgenden eingehender erläutert werden. Seine Arbeit beginnt damit, daß entsprechend der über die Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) ausgewählten Betriebsart der zeitliche Ablauf von Steuer-, Datenübernahme- und Rechenfolgen festgelegt wird, um zu der gewünschten Kapazitätsbestimmung und/oder dem gewünschten Ladebetrieb zu kommen. Für eine Kapazitätsbestimmung (Bestimmung der eingelagerten Ladungsmenge) wird am Prüfling zunächst zweimal die Leerlaufspannung (U0) gemessen. Wird bei der zweiten Messung festgestellt, daß die Spannung gegenüber der ersten Messung angestiegen ist, so muß daraus geschlossen werden, daß der Akku vorher belastet wurde. In diesem Falle ist es erforderlich, durch weitere Messungen festzustellen, wann sich der Akku beruhigt hat und die Leerlaufspannung (U0) konstant bleibt. Nur bei einer konstanten Leerlaufspannung ist es möglich, zuverlässige Kapazitätsbestimmungen durchzuführen.

Wird dagegen bei der zweiten Messung festgestellt, daß die Leerlaufspannung zurückgegangen ist, so ist daraus zu schließen, daß der Akku vorher geladen wurde. In diesem Fall wird der Akku kurz belastet, wodurch sich die Ladespannung abbaut, und es wird durch anschließende Messung der Leerlaufspannung festgestellt, ob diese sich nicht mehr ändert, also ebenfalls konstant ist.

Sobald dieser Zustand erreicht ist, wird mit der Reaktionsmessung des Prüflings begonnen. Dabei wird er beispielsweise mit etwa 10 C belastet, gegen die etwaige Störgrößen vernachlässigbar klein sind. Ausgewertet wird der Spannungseinbruch pro Zelle, dessen empirischer Zusammensetzung aus Fig. 3 hervorgeht. In dieser Fig. ist längs der y-Achse die Empfindlichkeit einer Zelle bei Belastung dargestellt, die beispielsweise als das Verhältnis ihres Spannungseinbruchs (ΔU) zur Leerlaufspannung (U0) definiert sein kann. Längs der x-Achse ist die Ladungsmenge in Prozenten der Gesamtkapazität aufgetragen.

Es ist zu erkennen, daß leere Zellen, d. h. Zellen mit einer Restkapazität unterhalb von 20% ihrer Gesamtkapazität, bei einer Belastung mit 10 C starke Spannungseinbrüche erfahren. Die Empfindlichkeit gegen Spannungseinbrüche ist auch bei vollen Zellen, d. h. solche Zellen, deren gespeicherte Ladungsmenge deutlich mehr als 70% der Gesamtkapazität beträgt, relativ hoch. Eine brauchbare Auswertung ist daher im Bereich zwischen 20 und 70% der Gesamtkapazität gegeben. Andererseits ist es aber gerade dieser Bereich, in dem sich durch eine reine Spannungsmessung keine praktisch sinnvolle Aussage machen läßt, wie das Spannungs-/Belastungsdiagramm in Fig. 4 deutlich erkennen läßt.

Es wird deshalb ein anderes Kapazitätsbestimmungsverfahren angewendet, bei dem das Reaktionsverhalten des Prüflings anhand von fünf schnellen aufeinanderfolgenden Belastungen ausgewertet wird. Die Bestimmung der vorläufigen Ladungsmenge (Qi) erfolgt gemäß der nachfolgenden Gleichung (1):

hierin bedeuten:
n die Zellenzahl;
T_T die Temperatur des Prüflings in °K,
T_N eine Nenntemperatur von 298°K,
K4 = 9 · 10^-3 °K^-1,
U0 die Zellen-Leerlaufspannung,
U_t die Zellen- (-Klemmen) Spannung bei der jeweiligen Belastung,
K1 bis K3 systemabhängige Konstanten, z. B. K1 = 32 mAh/V, K2 = 1,1 V², K3 = 32 mAh für einen 110 mAh Akkumulator mit einer Nennspannung von 9,6 V

Diese Gleichung repräsentiert den Kurvenverlauf der Fig. 3 wenigstens im Bereich zwischen 20% und 70% hinreichend genau, wobei Qi den prozentualen Anteil an der jeweiligen Maximalkapazität des Akkumulators dargestellt, welche alterungsbedingt geringer sein kann als seine Nennkapazität.

Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß in Gleichung (1) nur solche Werte eingesetzt werden dürfen, die auch physikalisch sinnvoll sind, beispielsweise kann die Zellenspannung unter Belastung (U) nicht gleich oder größer sein als die Leerlaufspannung (U0).

Zur Bestimmung der endgültigen Kapazität wird über j (vorzugsweise j=5) vorläufige Kapazitätsbestimmungen (Qi) der Mittelwert gebildet:

Dieser Wert sei mit "erste Auswertung (QM(1))" bezeichnet. Anschließend wird der Akkuzelle des Prüflings eine bestimmte Ladungsmenge (Q*) in Prozent der Nennkapazität (QN), beispielsweise entspricht Q* = 1 mAh für QN = 100 mAh einem Prozent, bei 1C entnommen:

QM* = QM-Q* (3)

Aus den zuvor erläuterten Gründen wird die Reaktion des Akkus erst nachdem er sich wieder erholt hat, erneut getestet. Dabei erwartet man einen um die entnommene Ladungsmenge (Q*) geringeren Betrag der Ladungsmenge (QM). Auch dieses Verfahren wird m-mal (vorzugsweise m=5) wiederholt, um die endgültige Kapazität einer Prüflingszelle zu bestimmen:

Mit dieser Methode wird sichergestellt, daß sich aus dem Alterungs- und Erinnerungseffekt ergebende akkuspezifische Fehler ausgeglichen werden. Denn einerseits entspricht die entnommene Ladungsmenge einem bekannten Prozentsatz mQ* der Nennkapazität, andererseits ergibt sie sich durch die Differenz der ersten (QM*(1)) und der letzten (QM*(m)) Messung als ein Prozentsatz (QM*(1) - QM*(m)) der Maximalkapazität des Akkumulators. Der Quotient in Gl. (4) beschreibt also gerade den (altersbedingten) Korrekturfaktor als Verhältnis von Nenn- zu Maximalkapazität, mit dem die Meßwerte zu multiplizieren sind, um die gespeicherte Ladungsmenge Qk als Prozentsatz der bekannten Nennkapazität zu erhalten, z. B. Qk = 50% · QN für einen mit halber Nennkapazität geladenen Akkumulator.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines elektrischen Ni-Cd-Akkumulators, derart, daß ein Meßbetrieb (a), durch den die im Akkumulator (1) gespeicherte Ladungsmenge (Qi) zum Zeitpunkt des Meßvorgangs bestimmbar ist, nach folgenden Verfahrensschritten durchgeführt wird:

d1) es wird geprüft, ob der Akkumulator (1) angeschlossen ist;
d2) ein ggfs. stattfindender Ladevorgang wird unterbrochen;
d3) es wird wiederholt eine Messung der Leerlaufspannung (U0) des Akkumulators (1) zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten durchgeführt;
d4) es wird die Tendenz der Spannungsverläufe (steigend, fallend oder gleichbleibend) anhand der Meßwerte des Schrittes d3) festgestellt;
d5.1) steigt die Leerlaufspannung an, wird nach definierten Wartezeiten die Messung solange wiederholt, bis die Leerlaufspannung konstant bleibt;
d5.2) fällt die Leerlaufspannung ab, wird zu definierten Zeitpunkten der Akkumulator (1) belastet (mit x C), danach die Leerlaufspannung gemessen und dieses so oft wiederholt, bis die Leerlaufspannung konstant bleibt (vorzugsweise x=1);
d6) nun wird eine Messung zur Feststellung des Spannungseinbruchs je Zelle bei hohem Entladestrom (mindestens 10 C) durchgeführt;
d6.1) es wird jeweils die Ladungsmenge (Qi) nach der Beziehung bestimmt, wobei
n die Zellenzahl;
T_T die Temperatur des Akkumulators in °K,
T_N eine Nenntemperatur von 298°K,
U0 die Zellen-Leerlaufspannung und
U_t die Zellen-Belastungsspannung nach Belastungszeit t ist und
K¹ bis K⁴ systemabhängige Konstanten sind, die bei einer bevorzugten Ausführung für einen Akkumulator mit einer Nennkapazität von 110 mAh und einer Nennspannung von 9,6 V folgende Werte annehmen: K1 = 32 mAh/V, K2 = 1,1 V², K3 = 32 mAh und K⁴ = 9 · 10^-3 °K^-1.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Korrektur des Meßergebnisses folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

d6.2) es werden in rascher Folge j Messungen mit Belastung durchgeführt (vorzugsweise j=5);
d6.3) danach wird über die j Lademessungen (Qi) der Mittelwert gebildet:

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Bestimmung einer fehlerkompensierten Ladungsmenge (QK) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

d6.4) es wird eine bestimmte Ladungsmenge (Q*) dem Akkumulator (1) entnommen, so da dieser die Ladung QM* aufweist: QM* = QM-Q* (3)mit vorzugsweise Q* = 1 mAh bei 1 C, bezogen auf einen Akkumulator mit 110 mAh;
d7) nachdem sich die aufgrund der Ladungsmengeentnahme nach d6.4) veränderte Zellenspannung beruhigt hat, wird erneut eine Messung nach den Schritten d6), d6.1) und d6.4), ggfs. zusätzlich nach d6.2) und d6.3) durchgeführt;
d8) Schritt d7) wird m-mal wiederholt, und die ermittelten Werte werden gespeichert (vorzugsweise m=5);
d9) schließlich wird die fehlerkompensierte Ladungsmenge Qk bestimmt mit:

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zur Bestimmung der Kapazität des Akkumulators (1) während eines Aufladevorganges folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

e1) der Ladevorgang wird zu bestimmten Zeitpunkten zur Bestimmung der im Akkumulator (1) gespeicherten Ladungsmenge (Qk) unterbrochen;
e2) sodann wird die Ladungsmenge (Qk) gemäß den Verfahrensschritten d1) bis d9) bestimmt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Akkumulator (1) bis zum Erreichen entweder (Betriebsart c1)) seiner jeweiligen Akkumulierfähigkeitsgrenze oder (Betriebsart C2)) einer vorwählbaren, im Akkumulator (1) zu speichernden Ladungsmenge aufgeladen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zur Durchführung der Betriebsart (c1) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

f1) es werden nacheinander die Verfahrensschritte e1) und e2) durchgeführt;
f2) der jeweils vorletzte Ladungsmengenwert wird gespeichert und mit dem zuletzt bestimmten verglichen;
f3) wenn sich keine Änderung mehr ergibt, wird der Ladevorgang beendet und der Endwert, der der Akkumulierfähigkeitsgrenze des Akkumulators (1) entspricht, angezeigt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem zur Durchführung der Betriebsart (c2) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

g1) es wird ein gewünschter Ladungsmengenwert vorgegeben;
g2) danach wird Verfahrensschritt f1) ausgeführt;
g3) der jeweils zuletzt bestimmte Ladungsmengenwert wird gespeichert und mit dem gewünschten Ladungsmengenwert verglichen;
g4) bei Übereinstimmung beider Werte wird der Ladevorgang beendet und dieses zusammen mit dem erzielten Wert angezeigt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ferner die voraussichtliche Zeitdauer bis zum Erreichen der gewünschten Ladungsmenge im voraus ermittelt wird.