AT510877A1

AT510877A1 - Verfahren zur bestimmung der momentan verfügbaren maximalen ladekapazität

Info

Publication number: AT510877A1
Application number: ATA2163/2010A
Authority: AT
Original assignee: Oesterreichisches Forschungs Und Pruefzentrum Arsenal Ges M B H
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2012-07-15
Also published as: AT510877B1; WO2012088555A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität (Cmax) eines Akkumulators (1) basierend auf den folgenden Kalibrierdaten (K): Messfrequenzen (f1...f3), Kalibrierdatensätzen (K1...K4) umfassend einen Ladungswert, eine Anzahl von Ladezuständen sowie eine Kalibriertabelle (Tk), mit Impedanzen für Messfrequenzen und Ladungszustände. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Ladezustand (SOC) des Akkumulators (1) ermittelt wird und für jede der Messfrequenzen (f1...f3), wobei die Impedanz (Z) des Akkumulators (1) als Quotient zwischen der am Akkumulator (1) auftretenden Wechselspannung (U~) und dem den Akkumulator (1) durchfließenden Strom (l~) ermittelt wird, wobei für jede Messfrequenz (f) jeweils eine Impedanz (Z) in einer Messtabelle (Tm) abgespeichert wird. Die Werte der Messtabelle (Tm) werden mit den Werten jeder der in denKalibrierdatensätzen (K1...K4) abgespeicherten Kalibriertabellen (Tk) verglichen. Es wird derjenige in einem Kalibrierdatensatz (T) abgespeicherte Ladungswert(Cmax,1....Cmax,n) ausgewählt, für den oder für die der jeweilige Übereinstimmungswert (M) für die Übereinstimmung am größten ist.

Description

15843/6/BS

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

Unter der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität wird diejenige Ladungsmenge verstanden, mit der ein Akkumulator zu einem bestimmten Zeitpunkt während seines Alterungsprozesses aufgeladen werden kann bzw. diejenige Ladungsmenge, die dem Akkumulator nach erfolgter voller Aufladung maximal entnommen werden kann. Die momentan verfügbare maximale Ladekapazität stellt einen Indikator für die Alterung des jeweiligen Akkumulators dar. Mit zunehmender Alterung sinkt die momentan verfügbare maximale Ladekapazität des Akkumulators ab.

Unter einem Akkumulator wird sowohl eine einzelne Akkumulatorzelle, wie etwa eine Lithium-Polymer Batterie aber auch ein Netzwerk mit einer Vielzahl von Akkumulatorzellen verstanden. Insbesondere sind auch Reihenschaltungen und Parallelschaltungen von Akkumulatorzellen als Akkumulator zu verstehen.

Erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtungen werden insbesondere im Bereich der automatisierten Ermittlung des Alterungszustands von Akkumulatoren, etwa im Automobilbereich bei Elektrofahrzeugen, eingesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, das bzw. die eine einfache und kostengünstige wie auch zuverlässige Ermittlung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität ermöglicht. Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1. Ferner löst die Erfindung diese Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 10.

Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren zur Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität eines Akkumulators eines vorgegebenen Bautyps, basierend auf den folgenden Kalibrierdaten, die durch Messung eines Referenzakkumulator desselben Bautyps aufgenommen worden sind; a) eine vorgegebene Anzahl von Messfrequenzen und b) einer Anzahl von Kalibrierdatensätzen umfassend jeweils - einen Ladungswert, der einer verfügbaren maximalen Ladekapazität des Referenzakkumulators entspricht, - eine Anzahl von Ladezuständen, beschrieben durch die dem Referenzakkumulator im jeweiligen Ladezustand entnehmbare Ladung sowie - eine Kalibriertabelle, die für jede der Messfrequenzen und jeden der Ladezustände sowie für die momentan verfügbare maximale Ladekapazität jeweils eine Impedanz Z umfasst, vorgesehen, dass a) der Ladezustand des Akkumulators ermittelt wird und für jede der Messfrequenzen - eine Spannung an den Akkumulator angelegt wird, die einen Gleichspannungsanteil umfasst oder dem Akkumulator ein Gleichstrom eingeprägt wird, - wobei dem Akkumulator ein Wechselstrom mit der jeweiligen Messfrequenz eingeprägt oder eine Wechselspannung mit der jeweiligen Messfrequenz aufgeprägt wird, - wobei die Impedanz des Akkumulators als Quotient zwischen der auf den Akkumulator aufgeprägten oder der am Akkumulator auftretenden Wechselspannung und dem den Akkumulator durchfließenden oder dem den Akkumulator eingeprägten Strom ermittelt wird, und - wobei für jede Messfrequenz jeweils eine Impedanz in einer Messtabelle abgespeichert wird, b) die Werte der Messtabelle mit den Werten jeder der in den Kalibrierdatensätzen abgespeicherten Kalibriertabellen verglichen werden, wobei ein Übereinstimmungswert für die Übereinstimmung zwischen den jeweiligen Werten der Messtabelle und der jeweiligen Kalibriertabelle ermittelt wird, c) derjenige in einem Kalibrierdatensatz abgespeicherte Ladungswert oder diejenigen in einzelnen Kalibrierdatensätzen abgespeicherten Ladungswerte ausgewählt werden, für den oder für die der jeweilige Übereinstimmungswert für die Übereinstimmung am größten ist, und d) die momentan verfügbare maximale Ladekapazität des Akkumulators als derjenige in einem Kalibrierdatensatz abgespeicherte Ladungswert oder durch Interpolation oder Mittelung der ausgewählten Ladungswerte ermittelt wird.

Vorteilhaft ergibt sich, dass durch eine einzige Kalibrierung an einem Referenzakkumulator desselben Bautyps Messwerte aufgenommen werden können, die für sämtliche Akkumulatoren desselben Bautyps verwendet werden können. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Vielzahl unterschiedlicher Bautypen von Akkumulatoren einfach überprüft und der Alterungszustand der jeweiligen Akkumulatoren überprüft werden. Die Messergebnisse können in sehr kurzer Zeit ermittelt werden und weisen eine hohe Genauigkeit auf.

Weiters kann vorgesehen sein, dass die Kalibrierdatensätze aufgenommen werden, indem bei unterschiedlichen Alterungszuständen des Referenzakkumulators jeweils a) die gesamte momentan im Referenzakkumulator verfügbare maximale Ladekapazität gemessen und als Ladungswert im jeweiligen Kalibrierdatensatz abgespeichert wird, b) der Referenzakkumulator im jeweiligen Alterungszustand durch Aufladen und/oder Entladen in unterschiedliche Ladezustände gebracht wird, wobei c) in jedem Ladezustand jeweils für eine Anzahl von vorgegebenen Frequenzen - eine Spannung an den Referenzakkumulator angelegt wird, wobei die Spannung einen Gleichanteil und einen Wechselanteil umfasst oder ein Strom dem Referenzakkumulator aufgeprägt wird, - der Wechselanteil der am Referenzakkumulator anliegenden Spannung bei der jeweiligen vorgegebenen Frequenz eingestellt oder gemessen wird, - der Wechselanteil des durch den Referenzakkumulator fließenden Stroms bei der jeweiligen vorgegebenen Frequenz eingestellt oder gemessen wird, und - eine Impedanz als Quotient zwischen dem Wechselanteil der an dem Referenzakkumulator anliegenden Spannung und dem Wechselanteil des den Referenzakkumulator durchfließenden Stroms ermittelt wird, d) wobei für jede ermittelte Kombination eines Ladezustands, einer momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität und vorgegebene Frequenz jeweils eine Impedanz in einer der Kalibriertabellen abgespeichert und e) die Kalibriertabelle in einem der Kalibrierdatensätze gemeinsam mit der im Referenzakkumulator momentan maximal verfügbaren Ladekapazität abgespeichert wird. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Kalibrierung und Ermittlung der beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Kalibrierdaten anhand eines Referenzakkumulators.

Es kann zudem vorgesehen sein, dass zwischen den Aufnahmen der einzelnen Kalibrierdatensätze der Ladungswert für die gesamte verfügbare maximale Ladekapazität gemessen wird, indem der Referenzakkumulator vollständig aufgeladen und anschließend vollständig entleert wird, wobei während des Entleerungsvorgangs der Stromverlauf des Entleerungsstroms über die Zeit gemessen wird und dieser Stromverlauf über die Zeit integriert und das Stromintegral über die Zeit der gesamten verfügbaren maximalen Ladekapazität gleichgesetzt wird. Dies ermöglicht eine genauere Bestimmung der maximal verfügbaren Ladekapazität während der Kalibrierung.

Ein weiterer bevorzugter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass für jeden der Kalibrierdatensätze eine Anzahl von unterschiedlichen, vorzugsweise von 3 bis 10, Ladezuständen herangezogen wird, die zwischen einem oberen und einem unteren Ladungsgrenzwert, insbesondere zwischen 10% und 90% der momentan gesamt verfügbaren Ladung, liegen. Dies ermöglicht eine einfache Bestimmung der Kalibrierdatensätze sowie eine einfache Durchführung des Kalibrierverfahrens.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die vorgegebenen Frequenzen im Bereich zwischen 5mHz und 5kHz gewählt werden. Mit Messwerten der angegebenen Frequenzen kann der Alterungszustand sowie die momentan verfügbaren maximale Ladekapazität vorteilhaft ermittelt werden.

Weiters kann vorgesehen sein, dass der Scheitelwert der Wechselanteils der auf den Akkumulator oder den Referenzakkumulator aufgeprägten Spannung und/oder der Scheitelwert des dem Akkumulator aufgeprägten Wechselstroms so festgelegt wird, das der Scheitelwert des durch den Akkumulator oder den Referenzakkumulator fließenden Wechselstroms im Bereich von 0,02 bis 0,1 der Nennkapazität des Akkumulators oder des Referenzakkumulators pro Stunde und/oder dass der Scheitelwert des Wechselteils gemäß l=CN/T festgelegt wird, wobei CN der Neukapazität des Akkumulators entspricht und T eine Zeitspanne zwischen 1h und 100h, insbesondere mit einem Wert von 20h, ist. Durch diese Maßnahme wird eine Beeinflussung der Impedanzmessung durch die Entladung des Akkumulators oder des Referenzakkumulators verhindert.

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit sowie zur Beschleunigung der Messung des Alterungszustands kann vorgesehen sein, dass die Messfrequenzen bestimmt werden, indem a) für jeden Ladezustand und jede Frequenz die Abhängigkeit der ermittelten Impedanz vom Alterungszustand sowie von der dem Alterungszustand entsprechenden, gesamt verfügbaren maximalen Ladekapazität ermittelt wird und b) diejenigen der vorgegebenen Frequenzen als Messfrequenzen herangezogen werden, bei denen eine starke Abhängigkeit und/oder eine eindeutige Zuordenbarkeit zwischen der ermittelten Impedanz des Referenzakkumulators und dem Alterungszustand möglich ist.

Um eine genauere Bestimmung des Alterungszustands zu erhalten, kann dabei weiters vorgesehen sein, dass a) für jeden Ladezustand und jede Frequenz separat die Abhängigkeit der ermittelten Impedanz vom Alterungszustand sowie von der dem Alterungszustand entsprechenden, gesamt verfügbaren maximalen Ladekapazität ermittelt wird, indem eine lineare oder quadratische Interpolation der Impedanzwerte in Abhängigkeit von der gesamt verfügbaren maximalen Ladekapazität ermittelt wird, und b) diejenigen Frequenzen als Messfrequenzen herangezogen werden, bei denen eine besonders hohe lineare oder quadratische Abhängigkeit der ermittelten Impedanz vom Alterungszustand sowie von der gesamt verfügbaren maximalen Ladekapazität besteht und/oder dass eine Anzahl der Messfrequenzen zwischen zwei und fünf, insbesondere auf drei, festgelegt wird.

Alternativ oder zusätzlich kann zur präziseren Bestimmung des Alterungszustands vorgesehen sein, dass der Gleichanteil der Spannung der Leerlaufspannung des Akkumulators für den jeweiligen Alterungszustand und dem jeweiligen Ladezustand entspricht.

Weiters kann zur vorteilhaften Ermittlung der Übereinstimmung der Messwerte und der Kaliberdaten vorgesehen sein, dass zur Bestimmung des Übereinstimmungswerts zwischen der Messtabelle und der Kalibriertabelle - eine Anzahl von ersten Interpolierenden lk(f, SOC) für jeweils eine der Kalibrierdatensätze gebildet wird, - eine zweite Interpolierende IM(f) der Messdaten gebildet wird und - jede der ersten Interpolierenden lk(f, SOC) mit der zweiten Interpolierenden IM(f) verglichen wird, wobei in die ersten Interpolierenden als Ladezustand der aktuelle Ladezustand des Akkumulators eingesetzt wird, und - für jede der ersten Interpolierenden lk(f, SOC) der Übereinstimmungswert zur zweiten Interpolierenden ermittelt wird, wobei - insbesondere der Übereinstimmungswert als Integral über den Betrag der Differenz der jeweiligen ersten interpolierenden lk(f, SOC) und der zweiten Interpolierenden IM(f) gebildet wird.

Erfindungsgemäß ist bei einer Vorrichtung zur Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität eines Akkumulators eines vorgegebenen Bautyps umfassend einen Speicher auf dem folgende Kalibrierdaten, die von einem Referenzakkumulator desselben Bautyps stammen, abgespeichert sind: a) eine Anzahl von Messfrequenzen, b) eine Anzahl von Kalibrierdatensätzen umfassend jeweils - einen Ladungswert, der einer verfügbaren Ladekapazität eines Akkumulators des Bautyps entspricht, - eine Anzahl von Ladezuständen, beschrieben durch die im Akkumulator gespeicherte Ladung sowie - eine Kalibriertabelle, die für jede der Messfrequenzen und jeden der Ladezustände jeweils eine Impedanz umfasst.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass a) eine Gieichspannungsquelle oder Gleichstromquelle zum Anlegen einer Gleichspannung oder zum Aufprägen eines Gleichstroms an oder auf den Akkumulator sowie eine Wechselspannungsquelle oder Wechselstromquelle zur Abgabe einer Wechselspannung oder eines Wechselstroms mit einer vorgegebenen Frequenz, b) eine Strommesseinheit zur Bestimmung des durch den Akkumulator fließenden Wechselstroms oder eine Spannungsmesseinheit zur Messung der am Akkumulator anliegenden Wechselspannung, c) eine Ladestandsregelungseinheit zur Bestimmung der im Akkumulator gespeicherten Ladungsmenge, d) eine Messsteuereinheit zur Steuerung der Strommesseinheit oder der Spannungsmesseinheit und der Wechselspannungsquelle oder der Wechselstromquelle, e) eine Impedanzbestimmungseinheit zur Bestimmung der Impedanz durch Bildung des Quotienten aus den mit der Strommesseinheit gemessenen oder mit der der Wechselstromquelle aufgeprägten Wechselstrom und dem von der Spannungsquelle abgegebenen oder von der Spannungsmesseinheit gemessenen Wechselspannungsanteil, f) einen Messwertspeicher zum Abspeichern der von der Ladestandsregelungseinheit ermittelten, während der Messung im Akkumulator gespeicherten Ladungsmengen sowie einer Messtabelle umfassend Datensätze mit jeweils - der jeweiligen ermittelten Impedanz sowie - der bei der Bestimmung der Impedanz verwendeten Messfrequenz, g) eine Ladungsbestimmungseinheit - zum Vergleich einer aufgenommenen Messtabelle mit den im Speicher abgespeicherten Kalibriertabellen sowie zur Auswahl desjenigen Kalibrierdatensatzes, dessen Kalibriertabelle die höchste Übereinstimmung mit der aufgenommenen Messtabeüe aufweist sowie - zur Bestimmung desjenigen in einem der Kalibrierdatensätze abgespeicherten Ladungswerts oder eines Interpolationswerts mehrerer dieser Ladungswerte, dessen oder deren zugeordnete Kalibriertabelle die höchste Übereinstimmung mit der aufgenommenen Messtabelle aufweist oder aufweisen.

Mit einer solchen Vorrichtung kann der Alterungszustand eines Akkumulators eines vorgegebenen Bautyps vorteilhaft bestimmt werden. Für jeden Bautyp lassen sich separat entsprechende Kalibrierdaten im Kalibrierspeicher ablegen.

Ein bevorzugter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass zur präziseren Bestimmung des Alterungszustands vorgesehen sein kann, dass der Spannungsquelle ein

Spannungsregler zugeordnet ist, der den Gieichspannungsanteil der von der Spannungsquelle abgegebenen Spannung auf die Leerlaufspannung des Akkumulators einstellt.

Eine weitere besondere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Messsteuereinheit einen Gleichspannungsregler umfasst, der den Gleichspannungsanteil der Spannungsquelle derart regelt, dass kein Gleichstrom oder ein definierter, vorab vorgegebener Gleichstrom durch den Akkumulator fließt. Hierdurch werden störende Effekte auf die Messung beseitigt.

Zusätzlich oder alternativ kann zur weiteren Präzisierung der Bestimmung des Alterungszustands bzw, der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität auch vorgesehen sein, dass den von der Wechselspannungsquelle abgegebenen oder von der Wechselstromquelle abgegebenen Scheitelwert so festlegt, dass der Scheitelwert des durch den Akkumulator fließenden Wechselstroms im Bereich zwischen 0,02 bis 0,1 der Nennkapazität des Akkumulators pro Stunde liegt und/oder - der Scheiteiwert des Wechselteils gemäß l=CN/T festgelegt wird, wobei CN der Neukapazität des Akkumulators entspricht und T eine Zeitspanne zwischen 1h und 100h, insbesondere mit einem Wert von 20h, ist.

Zur Ermöglichung der Kalibrierung eines Referenzakkumulators kann vorgesehen sein, dass die Ladestandsregelungseinheit zur Einstellung des jeweiligen Ladezustands ausgebildet ist.

Es kann auch vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass durch eine Einheit zur Bestimmung der maximal verfügbaren Ladungskapazität, die die Ladestandsregelungseinheit zur Aufladung und/oder Entleerung des Referenzakkumulators ansteuert und der der von der Strommesseinheit ermittelte Messwert für den Gleichstrom zugeführt ist, wobei die Einheit die die Strommesseinheit während der vollständigen Aufladung und/oder Entladung durchfließende Ladungsmenge ermittelt und als maximal verfügbare Ladungskapazität an ihrem Ausgang abgibt. Hierdurch wird eine besonders genaue Kalibriermessung der momentan verfügbaren maximalen Ladungsmenge ermöglicht.

Weiters kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass diese als modularer Bauteil mit vier Anschlüssen ausgebildet ist, von denen zwei Anschlüsse an den oder einen Akkumulator oder ein Referenzakkumulator anschließbar sind oder angeschlossen sind und die übrigen beiden Anschlüsse an eine Last anschließbar sind oder dass an diese eine Last angeschlossen ist, und/oder dass zumindest ein Schalter zur Unterbrechung zumindest einer der Verbindungen zu den Anschlüssen für die Last vorgesehen ist.

Eine solche Vorrichtung kann vorteilhaft an unterschiedliche Akkumulatoren, Referenzakkumulatoren und Lasten angeschlossen werden und fest in Fahrzeugen verbaut werden.

Es kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass dass eine Kalibrierungseinheit vorgesehen ist, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Lebenszeit des Referenzakkumulators a) mittels der Einheit die momentan verfügbaren maximalen Ladungskapazität bestimmt, b) die Impedanzbestimmungseinheit zur Aufnahme einer Messtabelfe veranlasst, und c) einen Kalibrierdatensatz mit der momentan verfügbaren maximalen Ladungskapazität, den einzelnen verwendeten Ladungswerten sowie der aufgenommenen Kalibriertabelle erstellt und diesen im Kalibrierspeicher ablegt.

Durch eine solche Kalibrierungseinheit können die einzelnen Kalibrierdaten einfach aufgenommen und für weitere Messungen zur Verfügung gehalten werden.

Die Erfindung wird anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels ohne Einschränkung des allgemeinen erfinderischen Gedankens dargestellt. Dabei zeigt Fig. 1 ein Schaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Fig. 2 zeigt die einzelnen Bestandteile der Messsteuereinheit zur Kalibrierung sowie zur Weiterverarbeitung der aufgenommenen Informationen und zur Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität. Fig. 3 zeigt schematisch den Kalibrierdatenspeicher, Fig. 4 zeigt die bei unterschiedlichen Frequenzen und Alterungszuständen aufgenommenen Impedanzwerte. Fig. 5 zeigt den Frequenzverlauf des komplexen Impedanzwerts für mehrere Alterungszustände.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung mit einem Akkumulator 1. Parallel zum Akkumulator 1 ist eine Spannungsquelle 3 geschaltet, die zur Abgabe einer Spannung U ausgebildet ist. Die Spannungsquelle 3 weist sowohl einen Gleichspannungsanteil U= als auch einen Wechselspannungsanteil U~ auf. Der Wechselspannungsanteil U~ weist einen Scheitelwert Ü und eine Frequenz f auf die von einer externen Messsteuereinheit 20 einstellbar ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung umfasst ferner ein Strommessgerät 5, das den durch den Akkumulator 1 fließenden Strom I misst. Das Strommessgerät 5 ist an die Messsteuereinheit 20 angeschlossen. Der durch den Akkumulator 1 fließende Strom I setzt sich aus einem Gleichstromanteil l= und einem Wechselstromanteil l~ zusammen. Der Gleichstromanteil l= ist entweder ein Entladestrom, der durch die Entladung des

Akkumulators 1 an einer Last 15 verursacht ist oder ein Ladestrom, der durch die Aufladung des Akkumulators 1 an der Spannungsquelle 3 verursacht ist, !m bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der von der Spannungsqueile 3 abgegebene Gleichspannungsanteil U= auf den Leerlaufspannungswert des Akkumulators 1 gesetzt, die Spannungsquelle 3 und der Akkumulator 1 befinden sich im Leerlauf, sodass kein Strom durch den Akkumulator 1 fließt. Um zu erreichen, dass der Akkumulator 1 bei einer an den Akkumulator 1 angeschlossenen Last 15 im Leerlauf ist, ist ein Schalter 11 vorgesehen, der in Serie zu der an den Akkumulator 1 angeschlossenen Last 15 geschaltet ist.

Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Vorgehen zur Bestimmung der Impedanz Z bei einer Frequenz f dargestellt. Die Bestimmung der Impedanz Z wird sowohl während des Kaiibrierungsvorgangs als auch bei der Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität Cmax verwendet, wobei während der Kalibrierung anstelle des Akkumulators 1 ein Referenzakkumulator 1' vorgesehen ist.

Wird an den Akkumulator 1 neben der Gleichspannung U= auch eine Wechselspannung U~ mit der Frequenz f angelegt, so resultiert hieraus ein Wechselstrom l~ mit derselben Frequenz f. Darüber hinaus ergeben sich aufgrund der Nichtlinearität des Akkumulators 1 oder des Referenzakkumulators 1' weitere Wechselstromanteile mit höheren oder niedrigeren Frequenzen, die im Folgenden jedoch für die Erfindung nicht weiter beachtet werden. Eine Impedanzbestimmungseinheit 14 ermittelt aus dem Verhältnis des Wechselspannungsanteils U~ zum Wechselstromanteil l~, jeweils mit derselben Frequenz f, eine Impedanz Z.

Der Impedanzbestimmungseinheit 14 ist in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Wert des Wechselspannungsanteils U~ des von der Spannungsquelle 3 abgegebenen Spannung sowie der vom Strommessgerät 5 ermittelte Meßwert des Wechselstromanteils l~ jeweils bei der jeweiligen vorgegebenen Frequenz f1\ .... f 10’ zugeführt. Die Impedanzbestimmungseinheit 14 ermittelt das Verhältnis der beiden Messwerte sowie die Phasenverschiebung und stellt an ihrem Ausgang einen der Impedanz Z entsprechenden komplexen Impedanzwert zur Verfügung.

Alternativ kann zur Ermittlung der Impedanz Z auch der mittels einer parallel zum Referenzakkumulator 1' geschalteten Spannungsmesseinheit 6 ermittelte Spannungswert herangezogen werden. Die von der Spannungsmesseinheit 6 und die von der Strommesseinheit 5 ermittelten Spannungs- und Stromwerte werden der Impedanzbestimmungseinheit 14 zugeführt. Die Spannungsmesseinheit 6 und die Strommesseinheit 5 ermitteln dabei lediglich den Wechselspannungsanteil U~ der am

Referenzakkumulator 1 anliegenden Spannung U sowie den Wechselstromanteil l~ des den Akkumulator 1 durchfließenden Stroms I.

Alternativ kann dem Akkumulator 1 auch mittels einer nicht dargestellten und mit je einem ihrer Anschlüsse an je einen der Anschlüsse des Akkumulators 1 angeschlossen Wechselstromquelle ein Wechselstrom I- der Frequenz f aufgeprägt werden. Die Wechselstromquelle ist von der Messsteuereinheit 20 angesteuert. Die Ermittlung der Impedanz Z kann dabei mittels der Spannungsmesseinheit 6 und/oder der Strommesseinheit 5 wie im vorigen Absatz beschrieben erfolgen. Darüber hinaus ist es weiters möglich, anstelle des von der Strommesseinheit 5 ermittelten Stromwerts einen von der Messsteuereinheit 20 vorgegebenen Stromwert zur Bestimmung der Impedanz Z zu verwenden.

Alternativ kann für sämtliche dargestellten Maßnahmen zur Impedanzbestimmung lediglich der Realteil Re(Z) oder der Imaginärteil lm(Z) des komplexen Impedanzwerts oder auch dessen Winkel arg{Z) für die weiteren Berechnungen herangezogen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird lediglich der Betrag |Z| des Impedanzwerts für die weiteren Berechnungen herangezogen.

Der Scheitelwert (J des Wechselanteils U~ der Spannung liegt etwa im Bereich von 10 bis 100 mV. Der Scheitelwert I des Wechselanteils l~ des Stroms liegt etwa im Bereich von 50mA bis 2000mA. Eine alternative vorteilhafte Bestimmung des Scheitelwerts Ü der Wechselspannung kann derart festgelegt werden, dass der Scheitelwerts I des Wechselstroms multipliziert mit einer Stunde im Bereich von 0,02 bis 0,1 der Nennkapazität CN des Akkumulators 1 liegt. Hierbei kann entweder der Scheitelwert ί des Wechselanteils I- des Stroms I direkt festgesetzt werden oder der Scheitelwert Ü des Wechselanteils U~ der Spannung U entsprechend eingestellt werden, dass sich jeweils der vorgegebene Scheitelwert ΐ des Wechselanteils l- einstellt. Alternativ kann der Scheitelwert I des Wechselteils l~ des Stroms I durch I=CN/T festgesetzt werden, wobei CN die Kapazität des Akkumulators ist und T eine vorgegebene Zeitspanne, etwa 1h bis 100h, insbesondere 20h, ist.

Bei einer Zelle von Nennkapazität von 5Ah kann der Scheitelwert I mit l=5Ah/20h = 250mA bestimmt werden.

Diese Impedanz Z hängt von dem Alterungszustand des Akkumulators 1 sowie vom Ladezustand des Akkumulators 1 und der jeweils verwendeten Frequenz f ab. Der Alterungszustand des Akkumulators 1 kann, wie bereits erwähnt, durch die momentan verfügbare maximale Ladekapazität Cmax ausgedrückt werden.

Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Ausführungsform umfasst die Spannungsquelle 3, das Strommessgerät 5, den Schalter 11 sowie die Messsteuereinheit 20, wobei die Messsteuereinheit 20 die Schaltstellung des Schalters 11 steuert. Der dargestellte Schaltkreis umfasst ferner zwei Anschlüsse A, B zum Anschluss des Akkumulators 1 sowie Anschlüsse C, D zum Anschluss einer Last 15. Die dargestellte Ausführungsform kann sowohl zur Kalibrierung als auch zur Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladungsmenge eingesetzt werden.

Ein typisches Messergebnis ist in Fig. 4 dargestellt, wobei in diesem Diagramm lediglich die Beträge der einzelnen ermittelten Impedanzen IZI/C im Verhältnis zur momentan verfügbaren maximalen Ladungsmenge Cmax des Akkumulators 1 auf der Ordinate dargestellt sind. Auf den beiden Abszissen des dreidimensionalen Diagramms sind einerseits die Alterung des Akkumulators 1, gemessen in Mess- und Kalibrierzyklen CZ, und andererseits die Frequenz f dargestellt. Die Alterung des Akkumulators 1 kann neben der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität auch etwa durch die Anzahl der verwendeten Lade- und Entladezyklen oder Kalibrierzyklen CZ dargestellt werden.

Im Zuge der Messung wird jeweils bei einer Anzahl von Messfrequenzen (f1, ..., f3) die Impedanz Z des Akkumulators 1, wie voranstehend beschrieben, ermittelt und die Messwerte werden gemeinsam mit der jeweiligen Messfrequenz im Speicher 2 abgelegt,

Um eine Quantifizierung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität Cmax zu erreichen, wird zunächst eine Kalibrierung durchgeführt. Im Zuge dieser Kalibrierung werden Kalibrierdaten K aufgenommen, die in Fig. 3 dargestellt sind. Nach der Aufnahme der Kalibrierdaten K erfolgt im Betrieb ein Vergleich zwischen den aufgenommenen Kalibrierdaten K mit unmittelbar an dem zu prüfenden Akkumulator 1 aufgenommenen Daten. Für die Kalibrierung wird ein Referenzakkumulator 1’ eines Bautyps an die herangezogen und an die beiden Anschlüsse A, B der Vorrichtung angeschlossen.

Die Messsteuereinheit 20 umfasst ferner eine Ladestandsregelungseinheit 7, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Ladestandsregelungseinheit 7 steuert die Spannungsquelle 3 und legt den Gieichspannungsanteil U= der Spannungsquelle 3 fest. Somit kann der Referenzakkumulator 1' in unterschiedliche Ladezustände gebracht werden, insbesondere voll aufgeladen oder vollkommen entladen werden. Die Ladestandsregelungseinheit 7 wird lediglich für Kalibrierzwecke benötigt, um den Referenzakkumulator 1' auf einen gewünschten Ladezustand zu laden, während ihre Funktionalität bei der Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladungsmenge Cmax nicht erforderlich ist. Während der Kalibrierung wird die Ladestandsregelungseinheit 7 von einer nicht dargesteliten externen Spannungsquelle gespeist.

Mit der Ladestandsregelungseinheit 7 ist es in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung möglich, die momentan verfügbare maximale Ladungsmenge Cmax als Referenzweit genau zu ermitteln. Hierfür wird zunächst der Referenzakkumulator 1’ voll aufgeladen und anschließend entladen. Während des Entladevorgangs wird der aus dem Referenzakkumulator 1' fließende Strom mittels des Strommessgeräts 5 gemessen und über die Zeit integriert. Als Ergebnis dieser Integration ergibt sich auf einfache Weise die momentan verfügbare maximale Ladungsmenge C'max. Umgekehrt ist es selbstverständlich auch möglich, den Referenzakkumulator 1' zunächst komplett zu entladen und den Ladestrom während des Ladens des Referenzakkumulators 1' zu integrieren, um zur momentan verfügbaren maximalen Ladungsmenge C’max zu gelangen.

Mit der Ladestandsregelungseinheit 7 kann der Referenzakkumulator 1’ ferner in eine

Anzahl von unterschiedlichen Ladezuständen SOC1.....SOC4 gebracht werden. Hierfür kann der Referenzakkumulator 1’ voll aufgeladen werden und anschließend eine Entladung vorgenommen werden, wobei der Entladestrom über die Zeit integriert wird und die Entladung abgebrochen wird, nachdem eine bestimmte, dem jeweiligen Ladezustand entsprechende Strommenge C’max - SOC1, ..., C’max - SOC4 aus dem Referenzakkumuiator 1’ entnommen worden ist. Umgekehrt ist es auch möglich, den Referenzakkumulator 1' komplett zu entladen und diesen anschließend mit einer bestimmten einem Ladezustand SOC1, .... SOC4 entsprechenden Ladung zu beaufschlagen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird bei der Kalibrierung der Referenzakkumulator 1' bei vier unterschiedlichen Ladezuständen untersucht, wobei jeweils einer der Ladezustände SOC4 voller Ladung und ein anderer Ladezustand SOC1 bei vollständiger Entladung des Referenzakkumulators 1’ entspricht. Die beiden übrigen Ladezustände SOC2, SOC3 werden in gleichmäßigen Intervallen zwischen voller Ladung und vollständiger Entladung, also bei einem Drittel der momentan verfügbaren maximalen Ladung und bei zwei Dritteln der momentan verfügbaren maximalen Ladung gewählt.

Ferner kann mittels der Ladestandsregelungseinheit 7 ein oftmaliges Laden und Entladen des Referenzakkumulators 1' und somit eine rasche Alterung des Referenzakkumulators 1' erreicht werden, um in möglichst kurzer Zeit eine Aufzeichnung des vollständigen Alterungs Verlaufs zu erhalten. ·* · ·*·» ·· *· * * » * * ft»·· «ft * f · »HO*«»« « * I · |l Vi m f i ·

Die Kalibrierung erfolgt anhand der Vermessung der elektrischen Eigenschaften des Referenzakkumulators 1', wobei der Referenzakkumulator 1' bei unterschiedlichen Alterungszuständen vermessen wird. Zwischen den einzelnen Messungen wird jeweils eine Anzahl von Lade- und Entladevorgängen durchlaufen, die eine Alterung des Referenzakkumulators 1' bewirken. Prinzipiell wäre es auch möglich, den Referenzakkumulator 1' während des typischen Betriebs, also etwa in einem Elektroautomobil, zu vermessen, wobei jedoch der Nachteil besteht, dass der Referenzakkumulator 1’ zumeist keiner Belastung unterliegt und die Alterung des Referenzakkumulators V somit nur sehr langsam fortschreitet. Zwischen den einzelnen Kalibriermessungen werden jeweils dieselben Lade- und Entladeoperationen durchgeführt.

Vor oder nach jeder Kalibriermessung wird die momentan verfügbare maximale Ladekapazität Cmax durch vollständiges Aufladen oder vollständiges Entladen bestimmt, wobei - wie bereits erwähnt - das Stromintegral des Lade- oder Entladestroms ermittelt wird. Die Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität Cmax erfolgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Ladestandsregelungseinheit 7 und die Strommesseinheit 5 sowie eine der Strommesseinheit 5 nachgeschaltete Einheit 12 in Form eines Integrators. Der Referenzakkumulator 1' wird vollständig aufgeladen und anschließend entladen. Während des Entladens misst die Strommesseinheit 5 den Gleichanteil l= des Entladestroms I und leitet diesen an die Einheit 5 weiter, die den Gleichanteil l= des Entladestroms I über die Zeit integriert. Zu diesem Zweck wird der Schalter 11 geöffnet werden und der Referenzakkumulator 1' über die Last 15 entladen werden. Alternativ kann die Spannungsquelle 3 auf einen Gleichspannungswert unterhalb der Leerlaufspannung des Referenzakkumulators V eingestellt werden, wodurch dieser entladen wird.

Weiters wird neben der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität Cmax bei jeder Kalibriermessung für die einzelnen Ladezustände SOC1, ..., SOC4 und für eine Anzahl von vorgegebenen Frequenzen f1 ’.....f 10’ die Impedanz Z des Referenzakkumulators 1’ ermittelt. Zur Ermittlung der Impedanzen Z werden die von der Spannungsquelle 3 aufgeprägte Wechselspannung U~ sowie der vom Strommessgerät 5 ermittelte

Wechselstrom I- bei der jeweiligen vorgegebenen Frequenz f1 ’..... f10' gemessen.

Messwerte für die Wechselspannung U~ und für den Wechselstrom I- werden einer Impedanzbestimmungseinheit 14, dargestellt in Fig. 2, zugeführt, die als Quotienten der Messwerte einen impedanzwert Z ermittelt. ·· · *··· ·· · t ·*·* ···· ·

In diesem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird lediglich der Betrag |Z| der Impedanz Z für die weitere Verarbeitung herangezogen. Alternativ können jedoch auch Realteil Re(Z) und Imaginärteil lm(Z) oder der Winkel arg(Z) der Impedanz Z für die weiteren Berechnungen herangezogen werden. Der errechnete Impedanzwert wird in einem Kalibrierspeicher 8 abgespeichert.

Zur Vereinfachung und Verbesserung der Bestimmungsgenauigkeit kann die Anzahl der Frequenzen fl', .... f10* auf eine Anzahl von Messfrequenzen f1, ... , f3 reduziert werden. Durch diese Maßnahme kann einerseits die Vermessung eines Akkumulators 1 im Betrieb schneller durchgeführt werden, andererseits besteht auch die Möglichkeit, diejenigen vorgegebenen Frequenzen fV.....f10’ auszuwählen, bei denen eine besonders starke

Abhängigkeit und eine besonders gute Zuordenbarkeit der Impedanz Z von bzw. zu der momentan verfügbaren maximalen Ladung Cmax vorliegt. Es wird für jeden Ladezustand SOC1, ..., SOC4 und für jede vorgegebene Frequenz f1\ .... f10’ jeweils die Abhängigkeit der Impedanz von der Alterung bzw. von der momentan verfügbaren maximalen Ladung Cmax ermittelt. Dabei wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine quadratische Interpolation der ermittelten Werte für die Impedanz Z in Abhängigkeit von der momentan verfügbaren maximalen Ladung Cmax bestimmt. Diejenigen vorgegebenen Frequenzen f1 ’..... f10', für die eine besonders hohe lineare oder quadratische Abhängigkeit der

Impedanz Z von der der momentan verfügbaren maximalen Ladung Cmax besteht, werden als Messfrequenzen f1.....f3, wie in Fig. 2 dargestellt, ausgewählt. Die Anzahl der Messfrequenzen f1.....f3 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf drei festgelegt. Gegebenenfalls werden nach der Bestimmung der Messfrequenzen f 1, ... , f3

die bei den übrigen vorgegebenen Frequenzen f1'.....f10' ermittelten Impedanzwerte Z gelöscht.

In Fig. 3 sind die im Kalibrierspeicher 8 abgespeicherten Kalibrierdaten K schematisch dargestellt. Die Kalibrierdaten K umfassen einerseits eine Anzahl von Messfrequenzen f1, .... f3, deren Bestimmung voranstehend beschrieben wurde. Weiters umfassen die Kalibrierdaten K eine Anzahl von Kalibrierdatensätzen K1, ..., K4, von denen jeder während einer Kalibriermessung bestimmt worden ist. Jeder der Kalibrierdatensätze K1, .... K4 umfasst jeweils die vor oder nach der Kalibriermessung ermittelte momentan verfügbare maximale Ladung Cmax. Weiters umfasst jeder der Kalibrierdatensätze K1, ..., K4eine Anzahl von Ladezuständen SOC1.....SOC4, jeweils beschrieben durch einen

Ladungswert und eine Kalibriertabelle TK, die für jede Kombination mit einem

Ladezustand SOC1, ..., SOC4 sowie einer der Messfrequenzen f1.....f3 jeweils einen

Impedanzwert aufweist. Die Kalibrierdaten K liegen nach Durchführung des Kalibriervorgangs im Kalibrierspeicher 8 vor. Für die Bestimmung des Alterungszustands eines Akkumulators 1, der vom selben Bautyp ist wie der Referenzakkumulator 1', wird der Akkumulator 1 anstelle des der Referenzakkumulators 1' an die beiden Anschlüsse A, B der in Fig. 1 dargestellten Messschaltung angeschlossen.

Um nun den Alterungszustand und die damit einhergehenden momentan verfügbare maximale Ladungsmenge Cmax zu bestimmen, wird bei jeder der Messfrequenzen f1, .... f3 jeweils die Impedanz Z des Akkumulators 1, wie bereits oben beschrieben, von der Impedanzbestimmungseinheit 14 bestimmt. Die ermittelten Impedanzwerte werden in einem Messwertspeicher 2 abgelegt. Der momentane Ladezustand SOC des Akkumulators 1 wird bestimmt, wobei es nicht erforderlich ist, dass der Ladezustand SOC einem Ladezustand aus der Anzahl der Ladezustände SOC1, ..., SOC4 entspricht. Im Messwertspeicher 2 liegt für den ermittelten momentanen Ladezustand SOC und jede der Messfrequenzen f1, ..., f3 jeweils eine Impedanz Z vor. Eine Ladestandsregelungseinheit 7 kann somit bei einer zur Ermittlung der momentan verfügbaren maximalen Ladungsmenge Cmax des Akkumulators 1 entfallen, wenn mit derselben Vorrichtung keine Kalibrierung vorgenommen werden soll.

Alternativ kann auch vorgesehen werden, dass eine Ladestandsregelungseinheit 7 vorhanden ist, die den Akkumulator 1 schrittweise vollständig entleert, wobei der

Akkumulator 1 sämtliche der Ladezustände SOC1.....SOC4 der Reihe nach einnimmt.

Nach dem Erreichen jedes der Ladezustände wird jeweils die Impedanz Z bei jeder der

Messfrequenzen f1..... f3 ermittelt und im Messwertspeicher 2 abgelegt. Im

Messwertspeicher 2 liegt somit für jeden der Ladezustände SOC1, ..., SOC4 sowie für jede der Messfrequenzen f1.....f3 jeweils ein Impedanzwert Z vor.

In weiterer Folge werden die im Messwertspeicher 2 abgelegten Werte mit den im Kalibrierspeicher 8 abgespeicherten Kalibriertabellen KT verglichen. Es wird ein Übereinstimmungswert M ermittelt, der die Übereinstimmung der Kalibriertabelle KT mit den im Messwertspeicher 2 abgelegten Daten ermittelt. Es wird diejenige Kalibriertabelle KT ermittelt, die die beste Übereinstimmung mit den im Messwertspeicher 2 abgespeicherten Messwerten bzw. Impedanzwerten aufweist. Der der jeweiligen Kalibriertabelle zugewiesene Ladungswert wird als momentan verfügbare maximale Ladekapazität Cmax angesehen.

Alternativ können auch mehrere, insbesondere zwei, Kalibriertabellen KT herangezogen werden, die die beste Übereinstimmung mit den im Messwertspeicher 2 abgespeicherten Messwerten aufweisen. In diesem Fall kann die momentan verfügbare maximale Ladekapazität Cmax als gewichteter Mittelwert zwischen den den jeweiligen

Kalibriertabellen KT zugeordneten Ladungswerten ermittelt werden, wobei die Ladungswerte von Kalibriertabellen KT mit einer höheren Übereinstimmung jeweils stärker gewichtet werden als Ladungswerte von Kalibriertabellen KT mit einer geringeren Übereinstimmung.

Zur Bestimmung der Übereinstimmung der im Messwertspeicher 2 gespeicherten Impedanzwerte mit den im Kalibrierspeicher 8 gespeicherten Impedanzwerten wird ein Übereinstimmungswert M von einer Vergleichseinheit 9 ermittelt, die in weiterer Folge auch die momentan verfügbare maximale Ladekapazität Cmax ermittelt.

In diesem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird sowohl für die in der jeweiligen Kalibriertabelle KT abgespeicherten Impedanzwerte als auch für die im Messwertspeicher 2 abgelegten Impedanzwerte jeweils eine Interpolierende IK(f, SOC) ermittelt. Diese wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch polynomiale Interpolation mit Grad 2 ermittelt. Bei der für die Kalibrierungstabelle 8 ermittelten Interpolierenden IK(f, SOC) handelt es sich um eine Funktion in zwei Veränderlichen, wobei als Veränderliche die jeweilige Frequenz f sowie der momentane Ladezustand SOC fungieren.

Werden die im Messwertspeicher 2 abgelegten Impedanzwerte für eine Vielzahl von

Ladezuständen SOC1.....SOC4 ermittelt, so wird die Interpolierende IM(f, SOC) der im

Messwertspeicher 2 abgelegten Impedanzwerte als Funktion mit zwei Veränderlichen genau so wie die Interpolierende IM(f, SOC) der Impedanzwerte der Kalibrierungstabelle TK ermittelt.

Zur Ermittlung des Übereinstimmungswerts M zwischen der Interpolierenden !K der Kalibriertabelle TK und der Interpolierenden IM der Messwerte kann beispielsweise das Integral über den Betrag der Differenz zwischen den beiden Interpolierenden IM, IK im Bereich der Messfrequenzen fl, .... f3 sowie im Bereich der Ladezustände SOC1, .... SOC4 herangezogen werden.

Werden die Impedanzwerte lediglich für einen einzigen, nämlich den momentanen, Ladezustand SOC ermittelt, so handelt es sich bei der Interpolierenden IM(f) der im Messwertspeicher 2 abgespeicherten Werte um einer Funktion nach einer Veränderlichen, wobei als Veränderliche lediglich die Frequenz f fungiert.

Zur Ermittlung des Übereinstimmungswerts M zwischen der Interpolierenden IK der Kalibriertabelle TK1, ..., TK4 und der Interpolierenden IM der Messwerte kann beispielsweise das Integral über den Betrag der Differenz zwischen den beiden Interpolierenden IM, IK im Bereich der Messfrequenzen f1.....f3 herangezogen werden, I 4 * ·»·* Μ ·· ··«· ·*«· « wobei die Interpolierende der Kalibriertabelle lediglich im Bereich des momentanen Ladezustands SOC ausgewertet wird.

Nur beispielhaft und ohne nähere Einschränkungen der Erfindung wird eine mögliche Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben. Als Akkumulator 1 wird eine neue Lithium-Polymerbatterie verwendet. Als positive Elektrode des Akkumulators 1 wird LiMn204 verwendet. Die Nennkapazität des Akkumulators beträgt 5,2 C bei einer Maximalspannung von 4,2V und einer Minimalspannung von 2,8V. Die Impedanz zu Beginn der Lebenszeit des Akkumulators 1 ist kleiner als 6 mOhm. Der Akkumulator 1 weist eine Lebenszeit von 1500 Aufladungen und Entladungen auf.

In einer Vorbereitungsphase wird der Akkumulator 1 vor der eigentlichen Messung fünf mal vollständig aufgeiaden und entladen, um die Auswirkungen von Formungsprozessen möglichst ausschließen zu können. Anschließend werden die momentan verfügbaren maximale Ladungsmenge Cmax sowie die Impedanzen für einzelne Ladezustände SOC bei den einzelnen Frequenzen f 1 ’.....f 10* bestimmt. Anschließend wird der Akkumulator 1 einer Anzahl von Alterungszyklen unterzogen, wobei der Akkumulator 1 jeweils mit konstantem Strom auf 2,8V entladen wird und anschließend mit konstanter Spannung auf 4,2V aufgeladen wird, wobei die Ladung abgebrochen wird, wenn der Ladestrom kleiner als 530mA ist.

Im Zuge der Lade bzw, Entladezyklen wird der Akkumulator in der gesamten Bandbreite unterschiedlicher Spannungsniveaus genutzt und es werden unterschiedliche Alterungseffekte bei unterschiedlichen Spannungsniveaus erzeugt.

Die Impedanzmessung bei unterschiedlichen Frequenzen wird im Bereich zwischen 5mHz und 5kHz vorgenommen und mit einem Wechselstrom mit einem Scheitelwert von 250mA ermittelt. Die Messungen werden bei Temperaturen von 22°C vorgenommen.

In Fig. 5 sind die Verläufe V5, V150, V300, V450 der Impedanz Z für unterschiedliche Frequenzen nach 5, 150, 300 und 450 Zyklen dargestellt, wobei lediglich diejenigen Messungen dargestellt sind, die bei einem Ladezustand SOC von 40% ermittelt worden sind; bei anderen Ladezuständen ergeben sich ähnliche Effekte. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ergeben sich erhöhte Impedanzwerte im Laufe der Alterung des Akkumulators, d. h. bei einer ansteigenden Zahl von Lade/Entladezyklen. Während die Impedanz des Akkumulators 1 zu Beginn nach 5 Zyklen noch bei 3,7 mOhm liegt, kann nach 450 Zyklen eine Impedanz von 4,95 mOhm festgestellt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität (Cmax) eines Akkumulators (1) eines vorgegebenen Bautyps, basierend auf den folgenden Kalibrierdaten (K), die durch Messung eines Referenzakkumulator (V) desselben Bautyps aufgenommen worden sind: a) eine vorgegebene Anzahl von Messfrequenzen (f1...f3) und b) einer Anzahl von Kalibrierdatensätzen (K1...K4) umfassend jeweils - einen Ladungswert, der einer verfügbaren maximalen Ladekapazität (Cmax) des Referenzakkumulators (1') entspricht, - eine Anzahl von Ladezuständen (SOC1...SOC4), beschrieben durch die dem Referenzakkumulator (1‘) im jeweiligen Ladezustand (SOC) entnehmbare Ladung sowie - eine Kalibriertabelle (Tk), die für jede der Messfrequenzen (f1...f3) und jeden der Ladezustände (SOC1...SOC4) sowie für die momentan verfügbare maximale Ladekapazität (Cmax) jeweils eine Impedanz Z(Cmax, SOC, f) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Ladezustand (SOC) des Akkumulators (1) ermittelt wird und für jede der Messfrequenzen (f1...f3) - eine Spannung (U) an den Akkumulator (1) angelegt wird, die einen Gleichspannungsanteil (U=) umfasst oder dem Akkumulator (1) ein Gleichstrom (I) eingeprägt wird, - wobei dem Akkumulator (1) ein Wechselstrom (l~) mit der jeweiligen Messfrequenz (f) eingeprägt oder eine Wechselspannung (U~) mit der jeweiligen Messfrequenz (f) aufgeprägt wird, - wobei die Impedanz (Z) des Akkumulators (1) als Quotient zwischen der auf den Akkumulator (1) aufgeprägten oder der am Akkumulator (1) auftretenden Wechselspannung (U~) und dem den Akkumulator (1) durchfließenden oder dem Akkumulator (1) eingeprägten Strom (l~) ermittelt wird, und - wobei für jede Messfrequenz (f) jeweils eine Impedanz (Z) in der Messtabelle (Tm) abgespeichert wird, b) die Werte der Messtabelle (Tm) mit den Werten jeder der in den Kalibrierdatensätzen (K1...K4) abgespeicherten Kalibriertabellen (Tk) verglichen werden, wobei ein Übereinstimmungswert (M) für die Übereinstimmung zwischen den jeweiligen Werten der Messtabelle (Tm) und der jeweiligen Kalibriertabelle (Tk) ermittelt wird, c) derjenige in einem Kalibrierdatensatz (Τ') abgespeicherte Ladungswert (Cmax,1....Cmax,n) oder diejenigen in einzelnen Kalibrierdatensätzen (Tk1...Tkn) abgespeicherten Ladungswerte (Cmax,1...Cmax,4) ausgewählt werden, für den oder für die der jeweilige Übereinstimmungswert (M) für die Übereinstimmung am größten ist, und d) die momentan verfügbare maximale Ladekapazität (Crnax) des Akkumulators (1) als derjenige in einem Kalibrierdatensatz (Tk1...Tkn) abgespeicherte Ladungswert oder durch Interpolation oder Mittelung der ausgewählten Ladungswerte (Cmax,1....Cmax,n) ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierdatensätze (Tk) aufgenommen werden, indem bei unterschiedlichen Alterungszuständen des Referenzakkumulators (1') jeweils a) die gesamte momentan im Referenzakkumulator (1') verfügbare maximale Ladekapazität (Cmax) gemessen und als Ladungswert im jeweiligen Kalibrierdatensatz (K1 ...K4) abgespeichert wird, b) der Referenzakkumulator (1') im jeweiligen Alterungszustand durch Aufladen und/oder Entladen in unterschiedliche Ladezustände (SOC1 ...SOC4) gebracht wird, wobei c) in jedem Ladezustand (SOC1...SOC4) jeweils für eine Anzahl von vorgegebenen Frequenzen (f1...f10) - eine Spannung (U) an den Referenzakkumulator (1‘) angelegt wird, wobei die Spannung (U) einen Gleichanteil (U=) und einen Wechselanteil (U~) umfasst oder ein Strom (I) dem Referenzakkumulator (1*) aufgeprägt wird, - der Wechselanteil (U~) der am Referenzakkumulator (1') anliegenden Spannung (U) bei der jeweiligen vorgegebenen Frequenz (f 1 ...fl 0) eingestellt oder gemessen wird, - der Wechselanteil (l~) des durch den Referenzakkumulator (1') fließenden Stroms (I) bei der jeweiligen vorgegebenen Frequenz (f 1...Γ10) eingestellt oder gemessen wird, und - eine Impedanz (Z) als Quotient zwischen dem Wechselanteil (U~) der an dem Referenzakkumulator (1') anliegenden Spannung (U) und dem Wechselanteil (l~) des den Referenzakkumulator (1') durchfließenden Stroms (I) ermittelt wird, d) wobei für jede ermittelte Kombination eines Ladezustands (SOC), einer momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität (Cmax) und vorgegebene Frequenz (Π...ΪΊ0) jeweils eine Impedanz Z (Cmax, SOC, f) in einer der Kalibriertabelien (Tk) abgespeichert und e) die Kalibriertabelle (Tk) in einem der Kalibrierdatensätze (K1...K4) gemeinsam mit der im Referenzakkumulator (T) momentan maximal verfügbaren Ladekapazität (Cmax) abgespeichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Aufnahmen der einzelnen Kalibrierdatensätze (K1...K4) der Ladungswert für die gesamte verfügbare maximale Ladekapazität (C’max) gemessen wird, indem der Referenzakkumulator (V) vollständig aufgeladen und anschließend vollständig entleert wird, wobei während des Entleerungsvorgangs der Stromverlauf des Entleerungsstroms über die Zeit gemessen wird und dieser Stromverlauf über die Zeit integriert und das Stromintegral über die Zeit der gesamten verfügbaren maximalen Ladekapazität (C'max) gleichgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden der Kalibrierdatensätze (K1...K4) eine Anzahl von unterschiedlichen, vorzugsweise von 3 bis 10, Ladezuständen herangezogen wird, die zwischen einem oberen und einem unteren Ladungsgrenzwert, insbesondere zwischen 10% und 90% der momentan gesamt verfügbaren Ladung, liegen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Frequenzen (F1...f3) im Bereich zwischen 5mHz und 5kHz gewählt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelwert (Ü) der Wechselanteils (U~) der auf den Akkumulator (1) oder den Referenzakkumulator (1') aufgeprägten Spannung (U) und/oder der Scheitelwert (ΐ) des dem Akkumulator (1) aufgeprägten Wechselstroms (l~) so festgelegt wird, das der Scheitelwert (Ϊ) des durch den Akkumulator (1) oder den Referenzakkumulator (1’) fließenden Wechselstroms (I) im Bereich von 0,02 bis 0,1 der Nennkapazität (CN) des Akkumulators (1) oder des Referenzakkumulators (1‘) pro Stunde und/oder dass der Scheitelwert (Ϊ) des Wechselteils (l~) gemäß l=CN/T festgelegt wird, wobei CN der Neukapazität des Akkumulators (1) entspricht und T eine Zeitspanne zwischen 1h und 100h, insbesondere mit einem Wert von 20h, ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfrequenzen bestimmt werden, indem a) für jeden Ladezustand und jede Frequenz (f1...f10) die Abhängigkeit der ermittelten Impedanz (Z) vom Alterungszustand sowie von der dem Alterungszustand entsprechenden, gesamt verfügbaren maximalen Ladekapazität (Cmax) ermittelt wird und b) diejenigen der vorgegebenen Frequenzen (f1...f10) als Messfrequenzen (f1...f3) herangezogen werden, bei denen eine starke Abhängigkeit und/oder eine eindeutige Zuordenbarkeit zwischen der ermittelten Impedanz (Z) des Referenzakkumulators (Γ) und dem Alterungszustand möglich ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) für jeden Ladezustand und jede Frequenz (f1...f10) separat die Abhängigkeit der ermittelten Impedanz (Z) vom Alterungszustand sowie von der dem Alterungszustand entsprechenden, gesamt verfügbaren maximalen Ladekapazität (Cmax) ermittelt wird, indem eine lineare oder quadratische Interpolation der Impedanzwerte (Z) in Abhängigkeit von der gesamt verfügbaren maximalen Ladekapazität (Cmax) ermittelt wird, und b) diejenigen Frequenzen (f 1 ...f 10) als Messfrequenzen (f1...f3) herangezogen werden, bei denen eine besonders hohe lineare oder quadratische Abhängigkeit der ermittelten Impedanz (Z) vom Alterungszustand sowie von der gesamt verfügbaren maximalen Ladekapazität (Cmax) besteht und/oder dass eine Anzahl der Messfrequenzen (f1...f3) zwischen zwei und fünf, insbesondere auf drei, festgelegt wird,
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichanteil (U=) der Spannung (U) der Leerlaufspannung des Akkumulators (1) für den jeweiligen Alterungszustand und dem jeweiligen Ladezustand (SOC) entspricht.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Übereinstimmungswerts (M) zwischen der Messtabelle und der Kalibriertabelle - eine Anzahl von ersten Interpolierenden lk(f, SOC) für jeweils eine der Kalibrierdatensätze (Tk) gebildet wird, - eine zweite Interpolierende IM(f) der Messdaten gebildet wird und - jede der ersten Interpolierenden lk(f, SOC) mit der zweiten Interpolierenden IM(f) verglichen wird, wobei in die ersten Interpolierenden als Ladezustand der aktuelle Ladezustand des Akkumulators (1) eingesetzt wird, und - für jede der ersten Interpolierenden lk(f, SOC) der Übereinstimmungswert (M) zur zweiten Interpolierenden ermittelt wird, wobei - insbesondere der Übereinstimmungswert (M) als Integral über den Betrag der Differenz der jeweiligen ersten interpolierenden lk(f, SOC) und der zweiten Interpolierenden IM(f) gebildet wird.
11. Vorrichtung zur Bestimmung der momentan verfügbaren maximalen Ladekapazität (Cmax) eines Akkumulators (1) eines vorgegebenen Bautyps umfassend einen Speicher (2) auf dem folgende Kaiibrierdaten, die von einem Referenzakkumulator (1') desselben Bautyps stammen, abgespeichert sind: a) eine Anzahl von Messfrequenzen (f1...f3), b) eine Anzahl von Kalibrierdatensätzen (K1...Kn) umfassend jeweils - einen Ladungswert (Cmax1...Cmaxn), der einer verfügbaren Ladekapazität eines Akkumulators (1) des Bautyps entspricht, - eine Anzahl von Ladezuständen (SOC1...SOC4), beschrieben durch die im Akkumulator (1) gespeicherte Ladung sowie - eine Kalibriertabelle (Tk1, TKn), die für jede der Messfrequenzen (f1...f3) und jeden der Ladezustände (SOC1...SOC4) jeweils eine Impedanz (Z) umfasst, gekennzeichnet durch a) eine Gleichspannungsquelle (3) oder Gleichstromquelle zum Anlegen einer Gleichspannung (U=) oder zum Aufprägen eines Gleichstroms (l=) an oder auf den Akkumulator (1) sowie eine Wechselspannungsquelle oder Wechselstromquelle zur Abgabe einer Wechselspannung (U~) oder eines Wechselstroms (l~) mit einer vorgegebenen Frequenz (f), b) eine Strommesseinheit (5) zur Bestimmung des durch den Akkumulator (1) fließenden Wechselstroms (l~) oder eine Spannungsmesseinheit (6) zur Messung der am Akkumulator (1) anliegenden Wechselspannung (U~), c) eine Ladestandsregelungseinheit (7) zur Bestimmung der im Akkumulator (1) gespeicherten Ladungsmenge (SOC), d) eine Messsteuereinheit (20) zur Steuerung der Strommesseinheit (5) oder der Spannungsmesseinheit (6) und der Wechselspannungsquelle (3) oder der Wechselstromquelle, e) eine Impedanzbestimmungseinheit (14) zur Bestimmung der Impedanz (Z) durch Bildung des Quotienten aus den mit der Strommesseinheit (5) gemessenen oder mit der der Wechselstromquelle aufgeprägten Wechselstrom (l~) und dem von der Spannungsquelle (3) abgegebenen oder von der Spannungsmesseinheit gemessenen Wechselspannungsanteil (U~), f) einen Messwertspeicher (8) zum Abspeichern der von der Ladestandsregelungseinheit (7) ermittelten, während der Messung im Akkumulator (1) gespeicherten Ladungsmengen (SOC) sowie einer Messtabelle (Tm) umfassend Datensätze mit jeweils - der jeweiligen ermittelten Impedanz (Z) sowie - der bei der Bestimmung der Impedanz (Z) verwendeten Messfrequenz (f), g) eine Ladungsbestimmungseinheit (9) - zum Vergleich einer aufgenommenen Messtabelle (Tm) mit den im Speicher (2) abgespeicherten Kalibriertabellen (Tk1...Tkn) sowie zur Auswahl desjenigen Kalibrierdatensatzes (K1...Kn), dessen Kalibriertabelle (Tk1...Tkn) die höchste Übereinstimmung mit der aufgenommenen Messtabelle (Tm) aufweist sowie - zur Bestimmung desjenigen in einem der Kalibrierdatensätze (K1...Kn) abgespeicherten Ladungswerts oder eines Interpolationswerts mehrerer dieser Ladungsweite, dessen oder deren zugeordnete Kalibriertabelle (Tk) die höchste Übereinstimmung mit der aufgenommenen Messtabelle (Tm) aufweist oder aufweisen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass - der Spannungsqueile (3) ein Spannungsregler zugeordnet ist, der den Gleichspannungsanteil (U=) der von der Spannungsquelle (3) abgegebenen Spannung (U) auf die Leerlaufspannung des Akkumulators (1) einstellt und/oder - die Messsteuereinheit (20) einen Gleichspannungsregler umfasst, der den Gleichspannungsanteii (U=) der Spannungsquelle (3) derart regelt, dass kein Gleichstrom oder ein definierter, vorab vorgegebener Gleichstrom durch den Akkumulator (1) fließt und/oder den von der Wechselspannungsquelle abgegebenen oder von der Wechselstromquelle abgegebenen Scheitelwert so festlegt, dass der Scheitelwert (ΐ) des durch den Akkumulator (1) fließenden Wechselstroms im Bereich zwischen 0,02 bis 0,1 der Nennkapazität des Akkumulators (1) pro Stunde liegt und/oder - der Scheitelwert (I) des Wechselteils (I“) gemäß l=CN/T festgelegt wird, wobei CN der Neukapazität des Akkumulators (1) entspricht und T eine Zeitspanne zwischen 1h und 100h, insbesondere mit einem Wert von 20h, ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladestandsregelungseinheit (7) zur Einstellung des jeweiligen Ladezustands (SOC) ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einheit (12) zur Bestimmung der maximal verfügbaren Ladungskapazität (C'max), die die Ladestandsregelungseinheit (7) zur Aufladung und/oder Entleerung des Referenzakkumulators (Γ) ansteuert und der der von der Strommesseinheit (5) ermittelte Messwert für den Gleichstrom zugeführt ist, wobei die Einheit (12) die die Strommesseinheit (5) während der vollständigen Aufladung und/oder Entladung durchfließende Ladungsmenge (I) ermittelt und als maximal verfügbare Ladungskapazität (C’max) an ihrem Ausgang abgibt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch einen zur Spannungsquelle (3) parallel geschalteten Akkumulator (1).
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese als modularer Bauteil mit vier Anschlüssen (A, B, C, D) ausgebildet ist, von denen zwei Anschlüsse (A, B) an den oder einen Akkumulator (1) oder ein Referenzakkumulator (T) anschließbar sind oder angeschlossen sind und die übrigen beiden Anschlüsse (C, D) an eine Last (15) anschließbar sind oder dass an diese eine Last (15) angeschlossen ist, und/oder dass zumindest ein Schalter (11) zur Unterbrechung zumindest einer der Verbindungen zu den Anschlüssen (C, D) für die Last (15) vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierungseinheit vorgesehen ist, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Lebenszeit des Referenzakkumulators (V) a) mittels der Einheit (12) die momentan verfügbaren maximalen Ladungskapazität (Cmax) bestimmt, b) die Impedanzbestimmungseinheit (14) zur Aufnahme einer Messtabelle (Tm) veranlasst, und c) einen Kalibrierdatensatz (TK1, ..., TK4) mit der momentan verfügbaren maximalen Ladungskapazität (Cmax), den einzelnen verwendeten Ladungswerten (SOC1...SOC4) sowie der aufgenommenen Kalibriertabelle (Tm) erstellt und diesen im Kalibrierspeicher (8) ablegt.