CZ363899A3

CZ363899A3 - Způsob určení stavu nabití akumulátorů a zatížitelnosti vysokým proudem

Info

Publication number: CZ363899A3
Application number: CZ19993638A
Authority: CZ
Inventors: Helmut Dr. Laig-Hörstebrock; Eberhard Dr. Meissner; Dieter Übermeier; Karsten Michels; Uwe Dierker
Original assignee: Vb Autobatterie Gmbh; Volkswagen Ag
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2000-07-12
Also published as: ES2281154T3; DE59914119D1; EP0994362A2; US6163133A; DE19847648A1; CZ299149B6; EP0994362A3; EP0994362B1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu k určeni stavu nabití akumulátorů a jejich zatížitelnosti vysokým proudem.

Dosavadní stav techniky

Pro uživatele akumulátorů je důležité znát stav nabití akumulátorů a jejich zatížitelnost vysokým proudem. Ke schopnosti spouštěcího akumulátoru spouštět motorové vozidlo se spalovacím motorem je rozhodující stav nabití akumulátoru a stav stárnuti, popi*. se rýsující úbytek kapacity akumulátoru, protože tím se omezuje velikost proudu, který se nechá odebírat ze spouštěcího akumulátoru, popř. jeho odevzdávaný výkon. Zvláštní význam má stanovení stavu nabití, popi*, spouštěcí schopnosti akumulátoru v případech, ve kterých existuje například přerušovaný provoz motoru, protože potom v době vypnutého motoru se přístrojová deska vozidla se svými spotřebiči dále provozuje, ačkoliv generátor nevyrábí žádný proud. Kontrola stavu nabití a spouštěcí schopnosti akumulátoru musí v takových případech zaručit, že energie, obsažená v akumulátoru, postačuje stále k tomu, že se motor nechá ještě spustit.

K měření stavu nabití akumulátorů jsou známy nejrůznějši způsoby. V mnoha případech se používají integrované měřicí přístroje (počítadlo Ah) , přičemž se nabíjecí proud zohledňuje pevným nabíjecím koeficientem, popřípadě odhadem. Protože využitelná kapacita akumulátoru je závislá na velikosti vybíjecího proudu a teplotě, nemůže se takovým způsobem přijít ani na žádnou uspokujici výpověď o využitelné kapacitě, která se ještě nechá akumulátoru odebrat.

DE-PS 2242510 je například známo, že u způsobu k měřeni stavu nabití se nabíjecí proud odhaduje koeficientem, závislým na teplotě a na stavu nabití samotného akumulátoru.

Z DE—OS 4007883 je možno vyčíst způsob, u kterého se zjiáťuje spouštěcí schopnost akumulátoru měřením napětí akumulátoru a teploty akumulátoru a srovnáním se soustavou nabíjecích charakteristik, platnou pro typ akumulátoru, který chceme zkoušet.

Z DE-OS 19543874 je možno vyčíst způsob výpočtu vybíjecí charakteristiky a měření zbytkové kapacity akumulátoru, u kterého způsobu se rovněž měří proud, napětí a teplota,, přičemž se vybíjecí charakteristika aproximuje matematickou funkcí se zakřiveným povrchem.

DE-PS 3901680 popisuje způsob kontroly schopnosti spouštěcího akumulátoru ke spouštění zastudena, při kterém se spouštěcí akumulátor dočasně zatěžuje odporem, měří se napětí, které na odporu klesá, a porovnáním s hodnotami, získanými zkušenostmi, se stanovuje, zda ještě postačuje schopnost akumulátoru ke spouštění za studená. K zatížení spouštěcího akumulátoru přitom slouží proces spouštění.

Na závěr je možno z DE-OS 4339568 zjistit způsob ke stanovení stavu nabití spouštěcího akumulátoru motorového vozidla, u kterého se měří proud akumulátoru a klidové napětí a ze kterého se usuzuje na stav nabiti, přičemž se dodatečně zohledňuje i teplota akumulátoru. Nabíjecí proudy, naměřené během různých časových intervalů, se spolu porovnávají a z tohoto se stanovuje zbytková kapacita.

Známými způsoby není bez dalšího možné, získat dostatečný údaj stavu nabití akumulátoru, který je dostatečné přesný, mnohé z těchto známých způsobů jsou dále nákladné a proto se bez dalšího nedají použít v motorovém vozidle.

Vynález má za úkol, udat způsob ke stanovení stavu nabití a spouštěcí schopnosti spouštěcího akumulátoru motorových vozidel, který má dostatečnou přesnost v praxi a také je tak jednoduchý, že systém rozpoznávání stavu akumulátoru se již po krátké době naučí všechny potřebné pevné parametry funkčních závislostí a je schopný předpovídání.

Podstata vynálezu

Tento úkol se řeší způsobem ke stanovení stavu nabiti akumulátorů a jejich zatížitelnosti vysokým proudem, spočívajícím v tom, že v pauzách bez proudu před a po zátěžové fázi se měří napětí Uoi a Uo2 chodu naprázdno, že se z něho Při zohlednění parametrů, specifických pro akumulátor, zejména časového průběhu napětí chodu naprázdno, vypočítávají klidová napětí Uooi a Uooz akumulátoru, že během zátěžové fáze se měří přeměněné proudové množství q, a že se ze vztahu ve tvaru U002 - Uooi = Ciq/Qo zjišťuje kapacita Qo kyseliny akumulátoru a že, relativní stav nabití SOCj se zjišťuje z průběhu klidového napětí Uoo > linearizovaného pomocí vzorce SOCj = Uooz/Ci - C2, v závislosti na stavu nabiti akumulátoru, z čehož se vypočítává absolutní stav nabití jako SOCj Qo.

Vztah mezi stavem nabiti SOC (State of Charge) a klidovým napětím Uoo zohledňuje skutečnost, že klidové napětí u malých nabíjecích stavů sice roste nelineárně s SOC, potom ale ve vyšší oblasti stavu nabití, relevantní pro praxi, přechází do téměř lineárního průběhu. Pro SOC se proto používá lineární přizpůsobení na závislost klidové napětí/stav nabití v oblasti SOC mezi 0,2 a 1 tvaru SOC = U00/C1 - C2 s Ci cca. 1,5 V a C2 cca. 7,5 (pro olověné akumulátory s šesti články).

Příklady provedení vynálezu

Podle způsobu podle vynálezu se v pauzách bez proudu před zatěžovací íází nebo po ní uskutečňuje měření napětí Uo akumulátoru chodu naprázdno. Z něho se při zohlednění parametrů, specifických pro akumulátor, zejména ale časového průběhu napětí Uo chodu naprázdno, počítá absolutní klidové napětí Uoo akumulátoru. Během zatěžovací fáze se měří přeměněné množství proudu 3 a z poměru rozdílu takto spočítaných klidových napětí a změny náboje se stanovuje takzvaná kapacita Qo kyseliny akumulátoru, popř. se zjišťuje změna stavu nabití akumulátoru. K tomu slouží vztah

Uo 02 — Uo oi ⁼ £1 3/ Qd

£.1 je veličina, stanovená empiricky ze systémových vlastností olověného akumulátoru. Její hodnota leží u běžných spouštěcích akumulátorů při cca. 1,5 V (šestičlánkové baterie).

Kapacita £o kyseliny je množství elektřiny, které je vyjádřené v elektrických ekvivalentech a které je uloženo v kyselině sírové, která je v akumulátoru k dispozici.

Množství proudu a, přeměněné během zatěžovací fáze, se stanovuje integrovaným měřením proudu ϊ akumulátoru. Měřeni napětí v klidových fázích akumulátoru se přednostně uskutečňuje v předem daných časových intervalech. Časové intervaly se přitom volí tak, že se uskutečňuje stálá kontrola akumulátoru, měření se může například uskutečňovat v minutových· intervalech.

Je účelné, normalizovat všechna měřená data na předem danou teplotu, např. 25 °C. U výpočtu absolutního klidového napětí Uoo z naměřených napětí chodu naprázdno se zohledňuje tvar napětí, časový průběh napětí akumulátoru a doba předcházející klidové pauzy. Pravé klidové napětí se stanovuje ze dvou klidových napětí, měřených po sobě v jedné pauze. Abychom u tohoto výpočtu dostali uspokojující výsledky, měla by se první použitá hodnota napětí měřit po minimálním časovém intervalu cca. 2 hodiny, a druhá použitá hodnota napět-í po dalších cca. 2 hodinách pauzy.

Aby se mohly zjistit další údaje o stavu akumulátoru, zejména případné předpovědi o budoucí spouštěcí schopnosti, určuje se vnitřní odpor & akumulátoru vysokým proudovým zatížením, například při procesu spouštění. Ze zjištěného vnitřního odporu á dat akumulátoru, vypočítaných před tím, še nechá odvodit prognóza o budoucí akumulátoru.

Během klidové fáze akumulátoru napětí Un akumulátoru Chodu naprázdno.

napětí chodu naprázdno se účelným způsobem dodržuje minimální klidový čas, který leží v oblasti cca. 4 hodiny. Dobou pauzy se přitom rozumí časový interval, ve kterém je proud menši něž cca. 0,1 A u akumulátoru 12 V/50 Ah. Pokud tečou větší proudy, začíná doba pauzy znova od konce těchto zatíženi.

spouštěcí schopnosti se uskutečňuje měření Pro vyhodnocení tohoto

V případech, ve kterých je Uo po více než jedné hodině ještě větší než 13,2 V (šesti článkový akumulátor), se nemusí uskutečnit žádné další měření, protože se může vycházet z toho, že leží mezi existuje stav plného 4 a 8 hodinami a nabiti. Pokud klidová pauza klidové napětí přitom klesá.

vyplývá absolutní klidové napětí Uoo z následujícího vztahu

Uoo = Uo(4h) - a(Uo(2h) - Uo (4h) ) přičemž a = 2,5 - 3,5 pro X = 25 °C cí = 15 - 20 pro T = -18 °C

V obecném tvaru se nechá. Uo o stanovit z Uo podle následujícího vztahu:

U_oo = U₀(t) + ((^+2)- ln(t)/ln(2))(U_o(t) - U₀(tZ2)) (s časem t v hodinách).

Pokud chceme přesnost ještě zvýšit, může se pro tí také ještě zavést Un(t)-závislost.

Pokud během klidové íáze roste klidové napětí Uo, je nastaveni klidového napětí po cca. 4h obecně ukončeno, tzn. :

Uoo = Uo(t > 4h)

Protože určení absolutního klidového napětí Uoo z vybíjení akumulátoru je obecně podstatně přesnější, než měření, vycházející z předcházejícího nabíjení, může se vypočítaná hodnota absolutního klidového napětí hodnotit váhovým faktorem, který je pro vybíjení větší než pro nabíjení.

Výhodné je, normalizovat měřené hodnoty napětí stále na určitou teplotu, například na 25 °C. Toto normalizování se uskutečňuje podle vzorce

Uoo(25 °C) = Uoo(X) — (T - 25 ·€)£

Faktor β. = »0,0014 V/stupefí platí pro šesti článkový olověný spouštěcí akumulátor. S rostoucím počtem článků se úměrně zvětšuje, popř. zmenšuje.

Napětí Uoo chodu naprázdno, vypočítané z právě posledního měření, je měřítkem pro relativní stav nabití SOC (State of Chartě) akumulátoru, přičemž:

SOC = UooC25 °C)/Ci - Cz

Ze dvou takto stanovených klidových napětí a množství elektřiny 3 - J^idt, které se, v mezi nimi ležícím časovém intervalu, odebírá z akumulátoru, popř. se do akumulátoru nabijí, se nechá odhadnout kapacita Qo kyseliny akumulátoru. Tato kapacita kyseliny, která dostaneme podle

Qo - C.1 g/(U_Oo2 - U001) z naměřených hodnot, je ekvivalentem kapacity množství kyseliny sírové, které se při neomezení elektrodou akumulátoru při vybíjení teoreticky přeměňuje v olověném akumulátoru. Hodnota Ci leží při cca. 1,5 V a hodnota Cz leží při cca. 7,5 u šesti článkového akumulátoru.

Absolutní stav nabití akumulátoru v ampérsekundách v tomto okamžiku dostaneme jako SOC On .

Aby se z dříve stanovených hodnot mohly dělat dodatečně ještě prognózy o spouštěcí schopnosti akumulátoru v pozdějším časovém okamžiku, musí se doplňkově ještě měřit vnitřní odpor £i akumulátoru*

Vnitřní odpor akumulátoru vyplývá z měření napětí a proudu při vyšším zatížení. K tomu slouží zejména měřeni napětí a proudu při procesu spouštění.

Ri například dostaneme z

Bl = (ULael - LZo V (Xhast ~ Xo ) přičemž Oo je naposled měřené klidové napětí a Xo je naposled měřený základní proud, způsobený jinými spotřebiči, jako osvětleni vozidla atd.

Průběh vnitřního odporu spouštěcího akumulátoru v závislosti na stavu nabiti je pro více než 50% stavy nabití prakticky konstantní, při nepatrných stavech nabití ale silně stoupá. Aby se tento průběh zohlednil při zjišťování spouštěcí schopnosti akumulátoru, skládá se vnitřní odpor ze dvou Části: části El, takřka nezávislé na stavu nabití a závislé jenom na teplotě, a podílu £2, který se pro SOC<0.5 silně mění s SOC.

Si = Bi (Tj + Bz (SOC)

Pokud je stav nabití větší než 50 %, určuje se Bi z:/

Si = St

Pokud je stav nabití menší než 50 %, určuje se R? z;

Bz = Bi ” Bi

Pro Bz se osvědčil tvar Bz = exp(-b(SOC - SOCa^l) s h * 21. Z něho se určuje SOCar.

Když má například začít stanovování stavu nabití s novým akumulátorem, musí se nejdříve udělat předpoklad o kapacitě spouštěcího akumulátoru, například 60 Ah, a o hraničním SOCar, např. 0,2 a o vnitřním odporu (například 14 mQ) . Z počátečního klidového napětí tJoo se vypočítá stav nabití, jak je vysvětleno výše.

Z prvního procesu spouštění se zjišťuje vnitřní odpor Bi a stav nabití SOC. Tyto hodnoty se, pokud se nově stanovují k pozdějšímu časovému okamžiku, nepřejímají plně, nýbrž se poslední hodnota koriguje podle kvality nového měřeni. Čím větší je množství kapacity, nabíjené nebo odebírané mezi pauzami, tím přesněji se může zjistit kapacita kyseliny a o tolik dříve se může úplně přebírat nová hodnota. Účelné je přbirat nově zjištěnou hodnotu pevně, např. s 10% odchylkou. Když vyhodnocení absolutního klidového napětí dává vyšší hodnotu pro stav nabiti, než výpočet ze součtu starého určení stavu nabití a měřené změny stavu nabití, kvůli jistotě a z důvodů hodnověrnosti se nepřebírá SOC - hodnota, spočítaná z Uoo, úplně, nýbrž korigovaná hodnota.

2e souvislostí podle vynálezu se nechá předložit prognóza o opětovné spouštěcí schopnosti akumulátoru, například po delší klidové pauze. Toto má například smysl, když se vozidlo v zimě večer odstaví a při příslušně nízké vnější teplotě se má zjistit, zda je akumulátor ještě s to, vozidlo bezpečně spouštět příští ráno při případně jiných teplotách.

K řešení tohoto úkolu prognózování se tvoří Tm z minimálních vnějších teplot posledních tří dní, uložených v systému, podle

Xm ⁼ Min(Tmi n.) — 10 ·C

Dodatečné snížení o dalších IQ °C je bezpečnostní koeiicient a může se přizpůsobit klimatickým podmínkám stanoviště.

Ze známého posledního stavu nabiti fSOC,i ) a naposled určené změny stavu nabití g/Qo se vytváří stav nabití SQC pomocí

SQC = SOC, + g/Qo

SQC se stanovuje, jak bylo zmíněno výše, Uoo pro schválenou teplotu.

Tím je známo očekávané klidové napětí pro prognózavaný spouštěcí proces. 2 již uvedené závislosti vnitřního odporu Ri a stavu nabití SQC se vypočítává vnitřní odpor, který se očekává v časovém okamžiku spouštění.

2a předpokladu potřebného spouštěcího proudu istart pro studený motor dostaneme prognózované spouštěcí napětí U_st_art - Uoo — Bí x Istart. 2 tohoto vztahu se může zjistit, zda spouštěcí napětí, které se očekává, ještě větší než předem dané napětí. Když je spouštěcí napětí větší než toto předem dané napětí, může se motor příští ráno ještě bezpečně spustit, pokud je ale napětí menší, není už dostatečná jistota a akumulátor se musí nabíjet. S touto metodou výpočtu je možné nejenom prognózovat opětovnou spouštěcí schopnost akumulátoru, nýbrž se také při provozu může, například u vozidel s přerušovaným provozem motoru, stanovovat časový okamžik opětovného spouštění motoru.

Výchozí měřené hodnoty (Uo, T, i), potřebné pro popsaný způsob, se nechají v motorovém vozidle lehce zjistit. Tato data se mohou vyhodnocovat známým elektronickým systémem zpracování naměřených hodnot, a mohou řídit příslušné indikace v motorovém vozidle.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob ke stanovení stavu nabití akumulátorů a jejich zatížitelnosti vysokým proudem, vyznačující se tím, že v pauzách bez proudu před a po zátěžové fázi se měří napětí Uoi a U02 chodu naprázdno, že se z něho při zohlednění parametrů, specifických pro akumulátor, zejména časového průběhu napětí chodu naprázdno, vypočítávají klidová napětí U001 a Uooz akumulátoru, že během zátěžové fáze se měří přeměněné proudové množství q, a že se ze vztahu ve tvaru U002 - U001 = Ciq/Qo zjišťuje kapacita Qo kyseliny akumulátoru a že relativní stav nabiti SOCj se zjišťuje z průběhu klidového napětí Uoo, linearizovaného pomocí vzorce SOCj = Uooz/Ci - Cz , v závislosti na stavu nabití akumulátoru, z čehož se vypočítává absolutní stav nabití jako SOCj Qo.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačuj í cl s e tím, že při výpočtu absolutního klidového napětí Uoo z naměřeného klidového napětí Ua se zohledňuje tvar napětí, časový průběh napětí a doba trvání klidové pauzy.
3. Způsob podle nároku 1 a 2, v y z n a č u jí c ί s e t í m, že měření klidového napětí Uo během klidových pauz se uskutečňuje v pevných, předem daných odstupech.
4. Způsob podle nároku 1 až 3,vyznaču jící se tím, že vypočítané absolutní hodnoty klidového napětí Uoo se normalizují korekčními koeficienty na předem danou teplotu.
5. Způsob podle alespoň jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že absolutní klidové napětí Uoo se určujě z měření napětí Uo chodu naprázdno po minimální době klidu cca. 2 hodiny.
6. Způsob podle alespoň jednoho z nároků 1 až 5 vyznačující se tím, že pomocí vysokého proudového zatížení se vnitřní odpor íh. zjišťuje jako podíl z rozdílů napětí a proudů před a během zatížení vysokým proudem.
7. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že z vnitřního odporu Si, předem dané teploty a naposled zjištěného stavu nabití se prognózuje klidové napětí pro pozdější časový okamžik, ze kterého se známým proudem, nutným ke startování motoru, odvozuje výpověď o spouštěcí schopnosti akumulátoru.