DE10103848A1

DE10103848A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Beurteilung der Alterung oder zumindest eines vorgewählten Anteils der Alterung einer Batterie

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Publication number: DE10103848A1
Application number: DE2001103848
Authority: DE
Inventors: Mohamed Ibrahim
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel 34125 Kassel De
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2002-08-01

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Beurteilung der Alterung oder zumindest eines vorgewählten Anteils der Alterung einer Batterie (1) durch Kombination ausgewählter Betriebsparameter (I, V, T, I¶R¶, V¶Z¶) und/oder Batteriezustände (L, E, t¶E¶, ZA, DELTA DOLLAR I1 ¶AK¶) vorgeschlagen. Erfindungsgemäß werden die Betriebsparameter und/oder Betriebszustände zumindest teilweise mit den Mitteln der Fuzzylogik kombiniert (Fig. 2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung interessierende Batterien sind wieder aufladbare elektrochemische Speicher, insbesondere z. B. Bleiakkumulatoren. Außer in Kraftfahr zeugen werden derartige Batterien zunehmend auch als Energiespeicher in regenerativen Energiesystemen wie z. B. Photovoltaik- und Windkraftanlagen od. dgl. angewendet, wo sie infolge der stark schwankenden Temperaturen und Lade- bzw. Entladevorgänge häufig sehr ungünstigen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind. Sie unterliegen daher einer ver gleichsweise schnellen Alterung und bilden beim Langzeitbetrieb der genannten Energiesy steme einen erheblichen Kostenfaktor von bis zu 70% der Gesamtkosten.

Die Alterung einer Batterie äußert sich vor allem in einer Abnahme ihrer ursprünglich vorhandenen, in Amperestunden (Ah) angegebenen Kapazität und damit in einer Abnahme ihrer Speicherfähigkeit. Die Alterung ist daher gleichbedeutend mit einem irreversiblen Kapazitätsverlust der Batterie. Als Ursachen für die Alterung kommen irreversible Alterungs- bzw. Degradationsmechanismen und hier vor allem die Korrosion und die Sulfatation in Betracht, die sich unterschiedlich auf die Alterung auswirken. Dabei wird im Falle des Bleiakkumulators unter "Korrosion" der allmähliche irreversible Abbau des Elektrodengittermaterials (Blei bzw. Bleilegierung) und unter "Sulfatation" die irreversible Bildung von Bleisulfatfeldern verstanden.

Ein Problem bei der Überwachung der Alterung und bei der Erforschung ihrer Ursachen besteht darin, daß die beim Betrieb der Batterie einer unmittelbaren Messung zugänglichen und nachfolgend als "Betriebsparameter" bezeichneten Größen "Klemmenspannung", "Lade- bzw. Entladestrom" und "Temperatur" keine direkten Rückschlüsse auf die Alterung oder ihre Ursachen zulassen. Bekannt ist bisher nur, daß zahlreiche, aus den Betriebsparametern ableitbare und nachfolgend als "Batteriezustände" bezeichnete Größen gewisse qualitative Aussagen darüber ermöglichen, ob sie sich günstig oder ungünstig auf die Lebensdauer der Batterie auswirken und daher einen guten oder schlechten "Gesund heitszustand" der Batterie repräsentieren. Aus dieser Kenntnis heraus wurden z. B. Verfahren und Vorrichtungen entwickelt (DE 199 10 287 A1), die es ermöglichen, die Nutzbarkeit bzw. Verfügbarkeit einer Batterie durch ein sinnvolles Inbeziehungsetzen zahlreicher Batteriezustände zu bestimmen und diese Batteriezustände innerhalb von Grenzen zu halten, die für eine lange Lebensdauer der Batterie günstig erscheinen. In diesem Zusammenhang werden u. a. die Lade- und Endladezustände, die Gasung und die Säureschichtung berücksichtigt. Allerdings liefern derartige Verfahren und Vorrichtungen keine Mittel zur quantitativen Bestimmung der Alterung bzw. ihrer Ursachen.

Weiterhin sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung des Ladezustands einer Batterie bekannt (z. B. DE 43 16 471 A1, DE 43 39 568 A1, DE 195 02 842 A1). Um aus derartigen Messungen auch auf die Alterung der Batterie schließen zu können, ist es weiterhin bekannt, parallel zu den Lade- und Endladevorgängen modellgestützte Simulationen ablaufen zu lassen (DE 40 14 737 A1) oder die Gesamtalterung einer Batterie anhand zahlreiche Betriebsparameter und Batteriezustände zu ermitteln, die u. a. die pro Entladungszyklus entnommene Ladung, die mechanische Vibration, die Lager dauer, die Temperatur und chemische Nebenreaktionen umfassen (DE 195 40 827 A1). Derartige Verfahren und Vorrichtungen arbeiten zwar mit auf Wissen basierenden Ansätzen, lassen aber nur ungenaue Angaben über die Alterung zu. Sie sind insbesondere nicht dazu geeignet, die eigentlichen Ursachen der Alterung, nämlich die irreversiblen und gegebenenfalls auch die reversiblen Degradationsmechanismen qualitativ oder quantitativ zu beschreiben und die verschiedenen, häufig entgegengesetzten Auswirkungen zu berücksichtigen, die die Betriebsparameter und/oder Batteriezustände auf die Alterungs mechanismen einer Batterie haben können. Dasselbe gilt für bekannte Verfahren und Vorrichtungen, die zur Bestimmung der aufgrund der Alterung maximal noch erreichbaren Kapazität bzw. des durch Alterung verursachten Gesamtkapazitätsverlusts geeignet sind (DE 199 18 529 A1). Die noch erreichbare Kapazität wird hierbei mit Hilfe einer durch Messungen erhaltenen Kennlinie bestimmt, in der die entnommene Ladung gegen die unter vorgegebenen Bedingungen ermittelte Ruhespannung der Batterie abgetragen ist.

Allein mit Hilfe der verschiedenen Betriebsparameter und/oder Batteriezustände ist es daher bis heute nicht möglich, zuverlässige Informationen über das aktuell vorhandene Ausmaß der Alterung selbst oder der verschiedenen, die Alterung verursachenden, rever siblen oder irreversiblen Alterungsmechanismen zu erhalten. Es ist vielmehr erforderlich, die zu überprüfende Batterie auszubauen und/oder zu zerstören, um durch standardisierte Meßverfahren oder Inaugenscheinnahme ihrer verschiedenen Bauteile zu überprüfen, wie weit die Degradationsmechanismen wie z. B. Korrosion, Sulfatation, Säureschichtung od. dgl. bereits fortgeschritten sind.

Alle bekannten Verfahren und Vorrichtungen eignen sich somit nur bedingt für ein rationelles Batteriemanagement, das z. B. in regenerativen Energiesystemen erforderlich ist. Hierfür genügt es in der Regel nicht, den aktuellen Gesamtalterungszustand einer Batterie zu kennen. Ein optimales Batteriemanagement setzt vielmehr auch genaue Kennt nisse darüber voraus, in welcher Weise der Gesamtkapazitätsverlust und/oder die zu seiner Entstehung führenden Alterungsmechanismen durch die verschiedenen Betriebsparameter und Batteriezustände beeinflußt werden. Nur mit Hilfe dieser Kenntnisse wäre es möglich, die Parameter und Zustände so zu wählen bzw. vorzugeben, daß eine optimale Lebens dauer der Batterie erhalten wird. Außerdem müssen diesbezügliche Informationen "on- line" und in kurzen Zeitabständen von z. B. einer bis zwei Stunden verfügbar sein, was Methoden, die einen Ausbau oder eine Zerstörung der Batterie erfordern, von vornherein ausschließt.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, das Verfahren und die Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattungen so zu gestalten, daß sie einerseits eine einfache "On-line"-Überwachung der Alterung einer Batterie ermögli chen und andererseits erkennbar machen, von welchen Betriebsparametern und/oder Batteriezuständen die Gesamtalterung und/oder ein auf einen vorgewählten Alterungs mechanismus zurückgehender Anteil der Gesamtalterung beeinflußt wird, in welchem Umfang dies zutrifft und wie sich Änderungen der Betriebsparameter und/oder Batteriezu stände auf die Alterung auswirken.

Zur Lösung dieses Problems dienen die Merkmale der Ansprüche 1 und 16.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Batterie in Form eines in einen üblichen Stromkreis geschalteten Bleiakkumulators und die zur Messung ihrer Betriebsparameter dienenden Einrichtungen;

Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Beur teilung der Alterung einer Batterie nach Fig. 1;

Fig. 3 bis 6 schematisch Einzelheiten je eines nach der Methode der Fuzzylogik aufgebau ten Moduls der Vorrichtung nach Fig. 2 zur Ermittlung von Zahlenwerten für die Säureschichtung, die Korrosion, die Sulfatation und den Kapazitätsverlust einer Batterie nach Fig. 1;

Fig. 7 schematisch den anhand von Standardmethoden ermittelten Verlauf der Säureschich tung einer Batterie;

Fig. 8 die Rechenregeln eines Inferenzoperators des Moduls nach Fig. 3;

Fig. 9 schematisch den anhand von Standardmethoden ermittelten Verlauf der Korrosion einer Batterie in Abhängigkeit von der Klemmenspannung;

Fig. 10 schematisch die Ermittlung eines scharfen Zahlenwerts für die Säureschichtung aus unscharfen Eingangswerten bei Anwendung des Moduls nach Fig. 3 und 8;

Fig. 11 ein Diagramm, aus dem sich der Verlauf der Alterung einer Batterie nach Fig. 1 anhand von mit dem Verfahren nach Fig. 2 geschätzten Zahlenwerten und anhand von Standardmethoden gemessenen Werten ergibt; und

Fig. 12 den typischen Verlauf der relativen Stromstärke, der Klemmenspannung und der Temperatur bei Anwendung einer Batterie nach Fig. 1 in einem regenerativen Energiesy stem sowie die daraus folgenden typischen Verläufe der Säureschichtung, der Säureschich tungsakkumulation, der Sulfatation, der Sulfatationsakkumulation, des Kapazitätsverlusts und der aktuell noch zur Verfügung stehenden Kapazität.

Zur Bestimmung verschiedener Batterie-Zustände wird auf die Betriebsparameter "Klem menspannung V", "Betriebstemperatur T" und "Lade- bzw. Entladestrom I" zurückgegrif fen. Hierzu wird gemäß Fig. 1 von einer Batterie 1 ausgegangen, die an einen Ver braucher 2 und/oder wenigstens ein Ladegerät 3, z. B. einen Generator in Form eines photovoltaischen (PV) Moduls, einer Windkraftanlage, eines Dieselgenerators od. dgl. angeschlossen ist. Derartige Schaltungsanordnungen dienen in bekannter Weise z. B. dem Zweck, die mittels eines PV-Moduls bei Sonnenstrahlung erzeugte elektrische Energie dem Verbraucher 2 zuzuführen bzw. überschüssige Energie in der Batterie 1 zu speichern. Die Klemmenspannung V wird dabei nach Fig. 1 zwischen Polen 4a, 4b der Batterie 1 mit einem ersten Voltmeter 5 gemessen. Die Batterietemperatur T wird mit einem Tempera turfühler 6 gemessen, der sich vorzugsweise im Säurebad der Batterie 1 bzw. einer Zelle davon befindet. Der Lade- bzw. Entladestrom I kann z. B. über den mit einem zweiten Voltmeter 7 aufgenommenen Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand 9 im Verbrau cherkreis gemessen werden. Dabei wird die Erfindung nachfolgend am Beispiel eines üblichen Bleiakkumulators näher erläutert, der eine oder mehrere Zellen aufweisen kann.

Nach Fig. 2 wird aus dem gemessenen Lade- bzw. Entladestrom I in Blöcken 10 ein auf einen zehnstündigen Entladestrom I₁₀ bezogener und als relativer Strom I_R = |I|/I₁₀ bezeichneter Strom abgeleitet, wobei |I| der Absolutwert des mittleren Lade- oder Entladestroms in Ampere (A) für ein bestimmtes Zeitintervall (hier durchweg 1 h) ist und davon ausgegangen wird, daß in diesem Zeitintervall entweder nur ein Ladestrom oder nur ein Entladestrom fließt. Der Strom I_R wird an Ausgängen 11 der Blöcke 10 abgegeben. Die Klemmenspannung V in Volt ist ebenfalls ein über das Intervall von 1 h gemittelter Wert, der in einem Block 12 durch die Zahl der vorhandenen Batteriezellen geteilt wird und dann an einem Ausgang 14 des Blocks 12 die Spannung V_Z pro Zelle angibt. Der Strom I_R und die Spannung V_Z sind wie die Meßwerte I und V Betriebsparameter der Batterie 1. Die Temperatur T ist die durchschnittliche Temperatur im betrachteten Zeitintervall, wobei davon ausgegangen wird, daß die Temperatur um alle Batteriezellen herum homogen ist und durch geeignete Maßnahmen, z. B. durch Eintauchen der Batterie zellen in zirkulierendes Wasser, homogen gehalten wird.

Aus den Betriebsparametern I, V und T wird in einem Block 15 der Ladezustand L der Batterie 1 ermittelt. Der Block 15 integriert den Lade- bzw. Endladestrom I in einem Integrator zeitlich auf, um daraus eine momentane, zur Zeit t der Batterie entnommene Ladung zu bestimmen. Die Integrationszeit t im Block 15 wird dabei z. B. bei der jeweils letzten Volladung der Batterie 1 gestartet. Bei der Messung des Lade- bzw. Entladestroms I entstehende kleine Fehler können durch an sich bekannte Maßnahmen weitgehend korrigiert bzw. eliminiert werden, um die durch die Integration entstehende Gesamtfehler klein zu halten. Die gegebenenfalls korrigierte entnommene Ladung wird im Block 15 mit dem zu ermittelnden Wert einer Kapazität C_A dazu verwendet, einen Ladezustand L der Batterie 1 gemäß der Formel

zu benutzen. Dabei ist C_A die aktuelle bzw. die momentan maximal noch erreichbare Kapazität der Batterie 1, die aufgrund der Alterung zu einem vorgewählten Zeitpunkt t meistens kleiner als die ursprünglich vorhandene Nennkapazität C_N der Batterie 1 ist und nachfolgend in Prozent einer Kapazität C_N angegeben wird, die eine vom Hersteller der Batterie angegebene, auf Nennbedingungen (I₁₀) bezogene Nennkapazität ist.

Mit einem Kapazitätswert C_O wird nachfolgend eine Anfangskapazität bezeichnet, die z. B. einige Tage nach der Inbetriebnahme der Batterie 1 mit Hilfe einer vom Hersteller angegebenen Standardmethode gemessen und in Prozent von C_N angegeben wird. C_O kann daher wie C_A größer oder kleiner als C_N sein. Außerdem gilt:

C_A = C_O - Σ C_V,

wobei C_V der Kapazitätsverlust in Prozent von C_N zu irgendeiner Zeit t ist und nach Standardverfahren unter spezifizierten Betriebsdingungen ermittelt werden kann.

Verfahren und Vorrichtungen der bisher beschriebenen Art sind allgemein bekannt und brauchen daher nicht näher erläutert werden (z. B. DE 199 18 529 A1).

Die Größe L wird an einem Ausgang 16 des Blocks 15 (Fig. 2) ausgegeben und den Eingängen von drei Blöcken 17, 18 und 19 zugeführt. Im Block 17 wird daraus der Endladegrad

gebildet, der an einem Ausgang 20 abgegeben wird und je nachdem, wie der Ladezustand L definiert ist, als ein zwischen 0 und 1 liegender Zahlenwert oder als Prozentwert er scheint. Beträgt der Ladezustand z. B. 80%, dann ist E = 20%, was bedeutet, daß sich die Batterie 1, bezogen auf den aktuell größten möglichen Kapazitätswert C_A, gerade in einem um 20% entladenen Zustand befindet.

Der Block 18 besteht im wesentlichen aus einem elektrischen Speicher, von dem jeweils der zu einem Zeitpunkt t - 1 ermittelte Wert von L gespeichert und einem Eingang 21 eines Subtrahiergliedes 22 zugeführt wird, das einen zweiten, mit dem Ausgang 16 verbundenen Eingang aufweist, dazu dient, die Differenz zwischen dem aktuellen Wert L und dem im Speicher 18 gespeicherten Wert zu bilden, und diese Differenz als sogenannte Zyklus amplitude ZA = |L(t) - L (t - 1)| an einem Ausgang 23 abgibt. Die Zyklusamplitude ZA gibt somit den absoluten Wert einer in % der Nennkapazität gemessenen Ladung an, die zwischen den Zeitpunkten t - 1 und t umgesetzt, d. h. in die Batterie 1 geladen oder dieser entnommen wurde.

Im Block 19 wird schließlich eine in h gemessene Zeit t_E ermittelt und an einem Aus gang 24 abgegeben. Dabei bedeutet t_E diejenige Zeit, während der sich die Batterie 1 in einem entladenen oder teilweise entladenen Zustand befindet, in dem der aktuelle Ladezu stand L kleiner als ein vorgewählter Ladezustand L_T ist. Dieser Ladezustand L_T macht erkennbar, wo die Grenze zwischen einem für die betrachtete Batterie günstigen (gesun den) und einem für die Batterie ungünstigen (ungesunden) Ladezustand ist, und beruht weitgehend auf Erfahrungen und Messungen beim Umgang mit den jeweiligen Batterien. Beträgt L_T z. B. 70%, dann ist t_E = 0, solange 100% ≧ L ≧ L_T = 70% gilt. Dagegen ist t_E = Σ Δt die Summe über alle Zeitintervalle, für die 0% ≦ L < L_T = 70% gilt. Dabei hat t_E erfahrungsgemäß Auswirkungen auf die irreversiblen Alterungsmechanismen, insbesondere wenn größere t_E-Werte mit Zuständen einer hohen Säureschichtung zu sammentreffen, d. h. lange Perioden mit tiefen Ladezuständen haben erfahrungsgemäß eine beschleunigte Korrosion und Sulfatation zur Folge.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 enthält nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vier Module 28, 29, 30 und 31. In diesen werden die Betriebsparameter I_R, V bzw. V_Z und T, die Batteriezustände E, ZA, t_E sowie andere, noch zu erläuternde Batterie- bzw. Alterungszustände mit den Mitteln der Fuzzylogik miteinander kombiniert, um daraus Zahlenwerte für die Gesamtalterung bzw. den Gesamtkapazitätsverlust C_V oder zumindest Zahlenwerte für einen solchen Anteil der Alterung zu erhalten, der auf einen ausgewählten, eine Ursache für die Alterung bildenden Alterungsmechanismus entfällt. Dabei wird der Zahlenwert für C_V an einem Ausgang 32 des Moduls 31 ausgegeben und gleichzeitig einem Eingang des Blocks 15 zugeführt, um in diesem jeweils die oben erläuterte Größe C_A = C_O - Σ C_V, zu bilden, die dann zur Berechnung des aktuellen Ladezustands L verwendet wird. Außerdem kann das am Ausgang 32 erscheinende Signal C_V einer nicht näher dargestellten Betriebsführung für das Batteriemanagement zugeführt werden, was auch für die an Ausgängen 33 bis 35 der Blöcke 28 bis 30 erscheinenden Signale gilt.

Dem Modul 28 werden als Eingangsgrößen der Betriebsparameter I_R und die Batteriezu stände ZA und E zugeführt, um die mit einem Inferenzoperator 36 (vgl. auch Fig. 3) zu einem in g/cm³ angegebenen Zahlenwert Δρ verarbeitet werden, der die momentan vorhandene, unter den augenblicklichen Betriebsbedingungen zu einem Zeitpunkt t erreichte Säureschichtung angibt. Dieser Zahlenwert wird in einem mit dem Ausgang des Inferenzoperators 36 verbundenen Block 37 zu einem in diesem gespeicherten, während des vorhergehenden Betriebszustands zur Zeit t - 1 insgesamt erreichten Wert der Säure schichtung mit positivem oder negativem Vorzeichen hinzugefügt. Der durch die Summie rung ermittelte Wert wird als Säureschichtungsakkumulation ∆ρ_AK bezeichnet.

Dem Block 37 wird außerdem das am Ausgang 20 gelieferte Signal E zugeführt. Dabei wird davon ausgegangen, was die Erfahrung und mit vergleichbaren Batterien vorgenom mene Messungen bestätigen, daß die Säureschichtung beim Betrieb der Batterie 1 oberhalb eines bestimmten Grenzwerts L_G wegen der dann einsetzenden Gasung allmählich abgebaut wird, unterhalb dieses Grenzwerts L_G wegen der dann fehlenden Gasung jedoch zunimmt. Im Hinblick auf den Block 37 wird daher angenommen, daß der zur Zeit t - 1 vorhandene Wert von ∆ρ_AK während Phasen mit L < L_G vergrößert und während Phasen mit L < L_G verkleinert wird. Der Wert L_G beträgt im Ausführungsbeispiel 75%, während der Wert ∆ρ zwischen 0 und einem Höchstwert schwanken kann, der bei einem Bleiakkumu lator z. B. 0,012 g/cm² beträgt. Außerdem gilt, daß ∆ρ_AK = 0 für L = 100%.

Der Modul 29 enthält einen Inferenzoperator 38 (Fig. 2 und 4), der zur Ermittlung einer Zustandsgröße dient, die für die Korrosion charakteristisch ist. Er enthält außerdem fünf Eingänge, denen die Betriebsparameter V_Z, I_R und T, der Batteriezustand t_E vom Ausgang 24 und der im Modul 28 ermittelte Wert ∆ρ_AK zugeführt werden, der einem für die Säureschichtung repräsentativen Batteriezustand angibt. Die am Ausgang 34 des Moduls 29 erscheinende und mit den Mitteln der Fuzzylogik erhaltene Zustandsgröße KF wird nachfolgend als Korrosionsfaktor bezeichnet. Dieser ist für das Ausmaß der zum Zeitpunkt t erreichten Korrosion charakteristisch und wird in mg/cm².h angegeben.

Der Modul 30 enthält einen Inferenzoperator 39 (vgl. Fig. 2 und 5), der zur Ermittlung einer Zustandsgröße dient, die für die Sulfatation charakteristisch ist. Er enthält außerdem fünf Eingänge, denen die Betriebsparameter I_R und T, die Batteriezustände E und t_E und die Größe ∆ρ_AK zugeführt werden. Nach Verarbeitung dieser Werte mit den Mitteln der Fuzzylogik erscheint am Ausgang 35 des Moduls 30 eine für die Sulfatation charak teristische Zustandsgröße S, die nachfolgend als Sulfatationsgrad bezeichnet und in % angegeben wird. Da davon auszugehen ist, daß der Sulfatationsgrad S von anderen Betriebsparametern bzw. Batteriezuständen als der Korrosionsfaktor KF abhängt und diese sich unterschiedlich auf die Sulfatation und die Korrosion auswirken könne, werden zur Unterscheidung der beiden Degradationsprozesse "Korrosion" und "Sulfatation" vorzugs weise zwei separate Inferenzoperatoren 38 und 39 bzw. Module 29, 30 verwendet.

Der Ausgang 35 des Moduls 30 ist weiter mit dem Eingang eines Summierglieds 40 verbunden, das einen Ausgang 41 aufweist und an diesem einen Zahlenwert S_AK abgibt, der die Sulfatationsakkumulation repräsentiert, wobei

gilt, d. h. der Wert S gibt die in einem Zeitintervall Δt erhaltene Sulfatation und S_AK die seit Beginn der Inbetriebnahme der Batterie 1 akkumulierte Sulfatation in % an.

Schließlich sind drei Eingänge des Moduls 31 mit den Ausgängen 34, 35 und 41 ver bunden, um ihnen die Werte KF, S und S_AK zuzuführen, die in einem Inferenzoperator 42 des Moduls 31 (vgl. Fig. 2 und 6) mit den Mitteln der Fuzzylogik verarbeitet werden und am Ausgang 32 einen Zahlenwert für den schon erwähnten Kapazitätsverlust C_V liefern.

Die anhand der Fig. 2 beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung und das mit ihr durchführbare Verfahren dienen dem Zweck, menschliche Erfahrungen, Expertenwissen und unscharfe Mengen zu nutzen, die während des Betriebs und bei der Prüfung von ver gleichbaren Batterien bereits gesammelt wurden, um daraus Zahlenwerte zu gewinnen, aus denen beim Betrieb irgendeiner Batterie 1 auf deren Alterung geschlossen werden kann. Außerdem soll es möglich sein, viele relevante Betriebsparameter und Batteriezustände gleichzeitig zu berücksichtigen, daraus sich unter Umständen ergebende widersprüchliche Auswirkungen auf den Alterungsprozess der Batterie zu beseitigen und vor allem die durch eine zu schnelle Alterung verursachten Kosten dadurch zu reduzieren, daß die Batterie in gesunden Batteriezuständen betrieben wird.

Die Elemente der Fuzzylogik und ihre Anwendung sind bekannt (z. B. "Fuzzy Logik" von Hans-Heinrich Bothe, Springer-Verlag, 2. Auflage 1995; "Fuzzy Control für Ingenieure" von Jörg Kahlert, Vieweg-Verlag 1995). Allerdings sind zuverlässige praktische Anwen dungen der Fuzzylogik bisher weder allgemein für Batterien der hier interessierenden Art noch speziell für die On-line-Bestimmung und/oder Beurteilung der Alterung einer Batterie bekannt geworden. Daher wird nachfolgend kurz erläutert, wie die Fuzzylogik erfindungs gemäß bei einer Vorrichtung nach Fig. 2 sinnvoll angewendet werden kann, wozu in einem Ausführungsbeispiel außerdem eine nach dem "Wenn/Dann"-Prinzip und mit Max/Min-Operatoren arbeitende Inferenzmethode geschrieben wird.

Die Erfindung geht dazu davon aus, das die einzigen Meßgrößen der Batterie 1 nach Fig. 1 und 2 die Betriebsparameter I, V und T (bzw. I_R und V_Z) sind und sich daraus keine Meßwerte ableiten lassen, die eine unmittelbare Bestimmung und/oder Beurteilung der Alterung selbst oder wenigstens eines vorgewählten Anteils davon ermöglichen, wobei unter einem "vorgewählten Anteil" der Alterung hier ein solcher Anteil verstanden wird, der zuverlässig einem vorgewählten Degradationsmechanismus wie z. B. der Korrosion oder der Sulfatation oder auch z. B. der reversiblen Säureschichtung zugeordnet werden kann. Mit der Vorrichtung nach Fig. 2 wird dies erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ausgewählte Betriebsparameter I, V und/oder T und/oder aus diesen abgeleitete Batteriezu stände mit Hilfe der voneinander unabhängigen Inferenzoperatoren 36, 38, 39 und 42 so kombiniert werden, daß konkrete Meßwerte für z. B. den Kapazitätsverlust C_V und/oder wenigstens eine ausgewählte der Zustandsgrößen ∆ρ_AK, KF, S bzw. S_AK erhalten werden. Hierzu werden die im Einzelfall betrachteten Betriebsparameter und/oder Batteriezustände als linguistische Variablen behandelt, deren durch Messung bzw. Berechnung erhaltenen scharfen Werte durch Fuzzifizierung auf unscharfe linguistische Bereiche bzw. Terme abgebildet werden. Die unscharfen Werte werden dann mittels der Inferenzoperatoren, die z. B. je einen Satz von Wenn/Dann-Regeln enthalten, in unscharfe Werte von Zugehörig keitsfunktionen für die betrachtete Zustandsgröße der Alterung transformiert, und aus dieser Zustandsgröße werden dann durch Defuzzifikation scharfe Ausgangswerte berech net, die je nach Fall an den Ausgängen der Module 28 bis 31 zur Verfügung stehen. Dabei werden bevorzugt solche Zugehörigkeitsfunktionen ausgewählt, die sich bei einem vorgewählten Zugehörigkeitsgrad schneiden und wenigstens je zwei linguistische Terme für die jeweilige Variable aufweisen.

Konkrete Beispiele zur Bestimmung von Zahlenwerten für die Säureschichtung, die Korrosion, die Sulfatation und den Kapazitätsverlust sind in Fig. 3 bis 6 dargestellt.

Nach Fig. 3 wird der reversible Alterungsmechanismus der Säureschichtung als Funktion des Betriebsparameters I_R und der Batteriezustände E und ZA angegeben, wobei die Säureschichtung entlang einer Batteriezelle betrachtet wird, die sich innerhalb des Zeitintervalls Δt von je 1 h ergibt.

Die relative Stromstärke I_R, d. h. die durchschnittliche Lade- bzw. Entladestromstärke im betrachteten Intervall Δt, kann insbesondere in PV-Anlagen starken Schwankungen unterliegen. Daher wird die Anwendungsdomäne, d. h. der Wertebereich für die nach der Fuzzymethode behandelten I_R-Werte (Abszisse), auf 0 bis 2,5 festgelegt, um sowohl die Selbstentladung als auch hohe Ladeströme zu erfassen. Der linguistischen Variablen I_R werden die Terme K (klein), M (mittel), H (hoch) und SH (sehr hoch) zugeordnet. Bei der weiteren linguistischen Variablen E werden, um den gesamten nutzbaren Bereich zu berücksichtigen, die Werte 0 bis 100% verwendet und die linguistischen Terme K (klein), M (mittel) und H (hoch) vorgesehen. Schließlich hat auch die Zugehörigkeitsfunktion zur linguistischen Variablen ZA drei Terme K (klein), M (mittel) und H (hoch), wobei die Anwendungsdomäne 0% bis 80% beträgt, um sowohl teilweise Entladungen als auch Tiefenentladungen decken zu können.

Der zu ermittelnden linguistischen Variablen ∆ρ werden vier Terme K, M, H und SH mit den oben angegebenen Bedeutungen zugeordnet. Der Wertebereich erstreckt sich hier über die Werte 0 bis 0,012 g/cm³, was ideale bis schwierige Betriebsbedingungen abdeckt, wie beispielhaft in Fig. 7 dargestellt ist. Dort zeigen eine Kurve 43a schematisch den Verlauf der Säuredichte ρ in g/cm³ in einem unteren Bereich 44 (Fig. 1) und eine Kurve 43b den Verlauf von ρ schematisch in einem oberen Bereich 45 der Batterie 1, woraus sich ein Wertebereich für ∆ρ zwischen 0 und 0,12 g/cm³ für zehn Zyklen ergibt.

Der Inferenzoperator 36 setzt sich im Beispiel aus einer Vielzahl von hier zehn Wenn/- Dann-Regeln zusammen, die in Fig. 8 angegeben sind, wobei jede "Wenn"-Prämisse aus drei Teilprämissen besteht. Die scharfen Werte für I_R, ZA und E werden zunächst gemäß Fig. 3 auf der linguistischen Werteskala abgebildet und durch Fuzzifikation in unscharfe Zugehörigkeitsgrade µ(I_R), µ(ZA) und µ(E) umgewandelt, die die Eingangswerte für den Inferenzoperator 36 bilden. Aus der dadurch erhaltenen Zugehörigkeitsfunktion µ(∆ρ) wird danach durch Defuzzifizierung ein Zahlenwert für ∆ρ gewonnen, wie weiter unten beispielhaft erläutert ist. Entsprechend wird im Hinblick auf den Korrosionsfaktor KF, den Sulfatationsgrad S und den Kapazitätsverlust C_V vorgegangen. Nach Fig. 4 bis 6 enthalten die Inferenzoperatoren 38, 39 und 42 dazu wiederum eine Vielzahl von Wenn/Dann- Regeln, die hier nur beispielhaft angegeben sind und mittels derer die aus scharfen Werten gewonnenen, unscharfen Eingangswerte der Inferenzoperatoren 38, 39 und 42 in unscharfe Ausgangswerte für Zugehörigkeitsfunktionen µ(KF), µ(S) und µ(C_V) transformiert werden, die dann durch Defuzzifikation zu scharfen Werten für KF, S und C_V führen. Dabei werden folgende Festlegungen getroffen.

Die irreversible Korrosion ist nach Fig. 4 eine Funktion der Werte V_Z, I_R, ∆ρ_AK, T und E. Daraus wird mit Hilfe der Fuzzymethode der Korrosionsfaktor KF in mg/cm².h gewonnen. Dabei entspricht I_R dem Wert I_R bei der Bestimmung der Säureschichtung. V_Z ist die über einen bestimmten Zeitraum (hier 1 h) gemittelte Klemmenspannung einer Zelle mit der Anwendungsdomäne zwischen 1,8 Volt am Ende der Entladevorgänge und 2,7 Volt am Ende der zur Vollladung führenden Ladevorgänge. Im Hinblick auf die zu gehörigen linguistischen Terme K, M und H ist zu beachten, daß sich sowohl eine zu hohe Spannung während der Ladevorgänge als auch eine zu geringe Spannung während der Entlade-vorgänge ungünstig auf den Korrosionsprozeß auswirken kann. Der Wertebereich für die Temperatur T zwischen 0°C und 70°C trägt dem Umstand Rechnung, daß derartige Temperaturen im betrachteten Zeitintervall ∆t (1 h) aufgrund schwankender Innen- und Umgebungstemperaturen durchaus auftreten können, wobei Terme von K, M, H und SH zweckmäßig sind. Eine weitere Einflußgröße ist hier die linguistische Variable t_E, die die Korrosion ebenfalls stark beeinflussen kann. Hier wurden die Terme SK (sehr kurz), M (mittel) und L (lang) zugeordnet, wobei sich die Anwendungsdomäne über 0 bis 240 h erstreckt. Schließlich wird im Hinblick auf die Korrosion auch ein möglicher Einfluß der reversiblen Säureschichtung berücksichtigt, indem der am Ausgang des Blocks 37 (Fig. 2) erscheinende Wert ∆ρ_AK als linguistische Variable betrachtet und fuzzifiziert wird, wozu vier Terme K, M, H und SH vorgesehen werden. Der Anwen dungsbereich erstreckt sich hier von 0,00 g/cm³ (= keine Schichtung) bis 0,10 g/cm³, was einer hochgeschichteten Batterie entspricht.

Nach Kombination der unscharfen Ausgangswerte der Zugehörigkeitsfunktionen µ(I_R), µ(V_Z), µ(T), µ(t_E) und µ(∆ρ_AK) wird mit Hilfe eines Satzes von nur andeutungsweise angegebenen Wenn/Dann-Regeln des Inferenzoperators 38 (Fig. 4) eine Transformation in eine Zugehörigkeitsfunktion der Variablen KF mit den Termen SK, (sehr klein) K, M, H und SH vorgenommen. Die Defuzzifizierung führt dann zu einem scharfen Zahlenwert für den Korrosionsfaktor KF am Ausgang 34 (Fig. 2). Dabei zeigt Fig. 9 einen beispielhaften, nach Standardmethoden ermittelten Verlauf der Größe KF in Abhängigkeit von der Zellenspannung V_Z.

Die irreversible Sulfatation nach Fig. 5 enthält die linguistischen Variablen E, I_R, ∆ρ_AK, T und E entsprechend der obigen Beschreibung. Nur teilweise angegebene Wenn/Dann- Regeln im Inferenzoperator 39 führen zu einer Zugehörigkeitsfunktion für die als linguisti sche Variable betrachtete Größe S in %, wobei der Wertebereich anhand von Erfahrungs werten auf 0% bis 0,00114% festgelegt wurde. Außerdem wurden fünf Terme SK, K, M, H und SH festgelegt. Im Hinblick auf den Kapazitätsverlust (Modul 31 in Fig. 2 und 6) wird von der Überlegung ausgegangen, daß dieser nicht nur von KF und 5 sondern auch von S_AK abhängen kann. Der mit nur teilweise angegebenen Wenn/Dann-Regeln und nach Defuzzifikation erhaltene Zahlenwert C_V in % bedeutet den Kapazitätsverlust zur Zeit t. Wie Fig. 6 zeigt, werden die Eingangswerte für den Inferenzoperator 42 durch Fuzzifikation der linguistischen Variablen KF, S und S_AK (Ausgänge 34, 35 und 41 in Fig. 2) erhalten. Dabei entsprechen die zur Fuzzifikation verwendeten Zugehörigkeits funktionen µ(KF) und µ(S) genau jenen, die in Fig. 4 und 5 zur Defuzzifizierung der linguistischen Variablen KF und S verwendet werden. Dagegen wird für die linguistische Variable S_AK eine Zugehörigkeitsfunktion µ(S_AK) mit fünf Termen SK, K, M, H und SH vorgesehen, wobei die Anwendungsdomäne 13% beträgt, was mit der Praxis gut übereinstimmt. Die Defuzzifizierung der mit nicht näher beschriebenen Wenn/Dann- Regeln im Inferenzoperator 42 erhaltenen Werte erfolgt analog zu den obigen Erläuterun gen mit einer Zugehörigkeitsfunktion µ(C_V), die sieben Terme VK (vernachlässigbar klein), SK, K, M, H, SH und EH (extrem hoch) aufweist. Diese Terme werden derart bestimmt, daß gute (gesunde) Betriebsbedingungen (z. B. mittlere Temperaturen, hoher L, optimale V- und I-Werte) dadurch ermöglicht werden, daß auch kleinste Kapazitätsverluste erkannt werden können. Die Anwendungsdomäne wurde auf diese Werte zwischen 0 und 0,0031% festgelegt, was schwierigen Betriebsbedingungen entspricht.

Rechenbeispiel

Für die Batterie 1 wird eine OPzS-Bleibatterie mit den Herstellerangaben C_N = 150 Ah und I₁₀ = 15 A verwendet. Aus Erfahrung ist bekannt, daß bei einer solchen Batterie L_G = 75% und L_T = 70% ist, weshalb diese Werte auch für das Rechenbeispiel gewählt wurden.

Weiter werden während des Betriebs der Batterie 1 zum Zeitpunkt t der Ladestrom I = 22,5 A, die Zellenspannung V_Z = 2,1 Volt und die Temperatur T = 30°C gemes sen. In dieser Zeit liefert das für die gewählte Batterie zweckmäßige oder vom Hersteller vorgegebene Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands den Wert L = 70% bzw. E = 30% und einen Wert C_A = 97% von C_N. Außerdem beträgt Δt im Rechenbeispiel eine Stunde.

Aus I und I₁₀ wird der Wert I_R = 22,5/15 A = 1,5 A erhalten. Weiter ist t_E = 0 h, da im betrachteten Intervall L = L_T ist.

Für den vorhergehenden Betriebszustand werden in der Batterie 1 eine existierende Säureschichtung von ∆ρ_AK (t - 1) = 0,001 g/m³ und eine existierende Sulfatationsakkumula tion S_AK (t - 1) = 2,5% angenommen.

Schließlich wird wegen ZA = |L(t) - L(t - 1)| = ≈ |L(t) - I.∆t/C_A| und L(t) = 70% ein Wert ZA ≈ I.∆t/C_A ≈ 22,5/150.0,97 = 0,1546 und damit ZA = 15,46% erhalten.

Daher ergeben sich für die linguistischen Eingangsvariablen nach Fig. 3 die scharfen Zahlen I_R = 1,5 A, ZA = 15,46% und E = 30%. In Fig. 3 aktiviert somit der scharfe Wert I_R = 1,5 A die Terme M und H mit Zugehörigkeitsgraden von 0,10 und 0,90. Der scharfe Wert ZA = 15,46% aktiviert die Terme K und M mit 0,35 und 0,65. Der scharfe Wert E = 30% aktiviert die zugehörigen Terme K und M mit den Zugehörig keitsgraden 0,17 und 0,83.

Beim approximativen Schließen mit Hilfe des Inferenzoperators 36 (Fig. 3 und 8) ergibt sich, daß nur die Regeln 2, 3, 5 und 6 aktiviert, alle anderen Regeln dagegen nicht erfüllt sind. Eine vergleichsweise einfache Transformation der unscharfen Ausgangswerte der Zugehörigkeitsfunktionen µ(I_R), µ(ZA) und µ(E), die z. B. nach der Max-Min-Mamdani- Methode durchgeführt wird (Fig. 10), führt zu Termen 46 bis 49 von µ(∆ρ), die ent sprechend den eingezeichneten Minimum/Linien 50 bis 53 bei den jeweils minimalen Zugehörigkeitsgraden abgeschnitten sind. Werden die dadurch erhaltenen Fuzzymengen bzw. Flächen 54 bis 57 im Sinne üblicher Fuzzylogik in ihren Projektionen auf die Abszisse zu einer unscharfen Menge 58 überlagert, die sich aus den Maxima der über lagerten Anteile der Flächen 54 bis 57 zusammensetzt, dann kann diese Menge 58 z. B. nach der Schwerpunkt- bzw. "Center of Gravity"-Methode zur Berechnung eines scharfen Abzissenwerts herangezogen werden, der der Lage des Schwerpunkts 59 der Fläche 58 entspricht und im Rechenbeispiel ∆ρ = 0,0026 g/cm² beträgt. Dabei wird die Fläche 58 allerdings vorzugsweise nicht mittels des Integrals über die Zugehörigkeitsfunktion µ(∆ρ), sondern vereinfachend mittels einer angenäherten Summenformel wie z. B.

bestimmt.

Mit der Berechnung des scharfen Werts ∆ρ = 0,0026 g/cm³ ist die Ermittlung der Säureschichtung abgeschlossen, und der Wert ∆ρ kann in guter Schätzung zur Bestim mung und/oder Beurteilung der im Intervall ∆t aufgebauten Säureschichtung verwendet werden.

Entsprechend den obigen Vorgaben wurde angenommen, daß der Wert ∆ρ_AK (t - 1) = 0,001 g/cm³ beträgt. Daraus folgt, daß im Zahlenbeispiel ∆ρ_AK = 0,001 + 0,0026 = 0,0036 g/cm³ gilt.

Nach Fig. 2 wird die Korrosion anhand des Moduls 29 geschätzt. Wegen I_R = 1,5 A, V_Z = 2,1 Volt, T = 30°C, ∆ρ_AK = 0,0036 g/cm³ und t_E = 0 h ergeben sich als Eingangswerte für den Inferenzoperator 38 unscharfe Zahlen, die anhand der Fig. 4 analog zur obigen Beschreibung vorzugsweise nach der Max-Min-Mamdani-Methode ausgewertet werden und dann zu einem Wert KF = 0,0097 mg/cm².h führen. In ent sprechender Weise ergibt sich für die Sulfatation ein Wert S = 0,000107%.

Schließlich wird mit Hilfe des Moduls 42 der Wert C_V abgeschätzt. Dazu werden dem Modul 31 die oben berechneten, scharfen Zahlenwerte für KF und S und zusätzlich der Wert S_AK zugeführt, wobei sich S_AK anhand der obigen Vorgabe, das S_AK (t - 1) = 2,5% ist, zu S_AK (t) = 2,500107% addiert. Bei Anwendung der beschriebenen Fuzzymethode wird dadurch C_V = 0,00029% erhalten, woraus sich mit C_A (t - 1) = 97% der neue Wert C_A (t) = 97% - 0,00029% = 96,99971% oder C_A = 145,49957 Ah errechnet.

Die auf diese Weise erhaltenen Werte können einerseits dem Block 15 zugeführt werden, um wie beschrieben Schätzwerte für die Größen ∆ρ, KF, 5 und T_V zu einem Zeitpunkt t + 1 zu erhalten. Andererseits kann der Wert C_V am Ausgang 32 abgenommen und zur weiteren Bearbeitung und Unterstützung der Betriebsentscheidungen beispielsweise in einem PV-Energiesystem verwendet werden. Dabei bietet die Erfindung den besonderen Vorteil, daß sie nicht nur ein zwar integrales, aber mehr oder weniger anonymes End ergebnis für den Kapazitätsverlust liefert, sondern über die Ausgangssignale ∆ρ, ∆ρ_AK KF, S und S_AK auch eine ständige Überwachung verschiedener reversibler bzw. irreversib ler Alterungszustände ermöglicht. Mit den erhaltenen Ausgangssignalen können gleichzei tig die verschiedenen Betriebsparameter in einer Weise gesteuert werden, die zur Erzie lung einer möglichst langen Lebensdauer der Batterie 1 günstig erscheint. Dabei läßt sich die Überwachung der Alterung leicht auch "on-line" oder mit Hilfe von per Funk übermittelten Daten durchführen, da alle genannten Größen aus den praktisch immer zur Verfügung stehenden bzw. am Benutzungsort der Batterie 1 leicht ermittelbaren Betriebs parametern U, I und T ableitbar sind.

Fig. 11 zeigt zwei Ergebnisse von über fünf Jahre erstreckten Langzeituntersuchungen an Batterien, von denen die eine im zyklischen Betrieb (Kurven 60a, 60b) und die andere im Ladeerhaltungsbetrieb (Kurven 61a, 61b) betrieben wurde. Die Kurven 60a und 61a der Fig. 11 zeigen den Verlauf der aktuellen Kapazität C_A der Batterien und basieren auf Messwerten, die durch Anwendung standardisierter Verfahren sehr genau ermittelt wurden. Die Kurven 60b, 61b der Fig. 11 zeigen den Verlauf derselben Größe C_A, basieren jedoch auf Werten, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung nach Fig. 2 durch Abschätzung der Werte ∆ρ, ∆ρ_AK, KF, S, S_AK und C_V mit den beschriebenen Mitteln der Fuzzylogik erhalten wurden. Die Übereinstimmung ist für praktische Zwecke ausreichend gut. Der Bearbeitungszeitraum betrug 61 Monate, wobei von einer OPzS-Batterie mit C_N = 150 Ah, I₁₀ = 15 A und einem gemessenen Anfangs wert C_O von Ca. 130% ausgegangen wurde.

Fig. 12 zeigt die verschiedenen, mit der Vorrichtung nach Fig. 2 ermittelten und dieselbe Batterie betreffenden Größen in einem Zeitintervall von 14 Tagen. Daraus ist vor allem ersichtlich, daß aufgrund der erfindungsgemäßen Aufspaltung der Simulation mit Hilfe der unterschiedlichen Module 28 bis 31 wichtige Detailerkenntnisse über die einzelen Degra dationsmechanismen erhalten werden.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das auf vielfache Weise abgewandelt werden könnte. Insbesondere ist klar, daß die ausgewählten- Alterungsmechanismen der Säureschichtung, Korrosion und Sulfatation nur Beispiele darstellen und daß in Abhängigkeit von dem in Einzelfall verwendeten Batterietyp auch weitere oder andere Alterungsmechanismen in die Betrachtungen einbezogen werden können. Weiter können zusätzliche oder andere Betriebsparameter und/oder Batteriezustän de als linguistische Variabeln verwendet und zur Bereitstellung von durch Fuzzyfizierung erhaltenen, unscharfen Werten andere und relativ zueinander anders angeordnete Terme vorgesehen werden, die auch andere Formen und andere Wertebereiche erhalten können. Außerdem können im Rahmen der Fig. 2 je nach Bedarf auch einzelne der Module 28 bis 31 weggelassen oder durch andere ersetzt werden, wobei im einfachsten Fall nur ein einziger Modul zur Simulation irgendeines der Alterungsmechanismen oder zur Ab schätzung des Wertes C_A vorgesehen werden könnte. Weiterhin bietet die Fuzzylogik den Vorteil, daß die Wenn/Dann-Regeln stets an das vorhandene Expertenwissen angepaßt und von Zeit zu Zeit verändert werden können. Dabei können die Wenn/Dann-Regeln bzw. die Inferenzoperatoren durch Hardware oder Software-Komponenten realisiert werden. Weiterhin kann die Erfindung mit entsprechenden Änderungen bzw. Anpassungen auch auf andere als Blei-Akkumulatoren, insbesondere z. B. auf Ni-Cd- oder Li-Batterien angewendet werden. Außerdem bietet die Erfindung den besonderen Vorteil, daß nicht nur die Gesamtalterung einer Batterie, gemessen mit dem Maß C_V oder C_A, sondern auch irgendein vorgewählter, z. B. auf die Korrosion, die Sulfatation, die Säureschichtung od. dgl. zurückzuführender Anteil der Alterung bestimmt oder beurteilt werden kann, indem z. B. die Größen KF, S, S_AK, ∆ρ und/oder ∆ρ_AK einzeln ermittelt und berücksichtigt werden. Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den beschriebenen bzw. dargestellten Kombinationen angewendet werden können.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung und/oder Beurteilung der Alterung oder zumindest eines vorgewählten Anteils der Alterung einer Batterie (1) durch Kombination ausgewählter Betriebsparameter (I, V, T, I_R, V_Z) und/oder Batteriezustände (E, t_E, ZA, ∆ρ, ∆ρ_AK), dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsparameter (I, V, T, I_R, V_Z) und/oder Betriebs zustände (E, t_E, ZA, ∆ρ, ∆ρ_AK) zumindest teilweise mit den Mitteln der Fuzzylogik kombiniert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausgewählte Betriebs parameter (I, V, T, I_R, V_Z) und/oder Batteriezustände (E, t_E, ZA, ∆ρ, ∆ρ_AK) vor ihrer Kombination als linguistische Variabeln behandelt und diesen Zugehörigkeitsfunktionen (µ) mit wenigstens je zwei linguistischen Termen zugeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kombination der Betriebsparameter (I, V, T, I_R, V_Z) und/oder Batteriezustände (E, t_E, ZA, ∆ρ, ∆ρ_AK) ein Inferenzoperator (26, 38, 39, 42) erstellt wird, der einen auf Wissen basierenden Satz von Rechenregeln enthält, und daß aus den Zugehörigkeitsfunktionen (µ) der Betriebsparameter (I, V, T, I_R, V_Z) und/oder Batteriezustände (E, t_E, ZA, ∆ρ, ∆ρ_AK) erhaltene Zugehörig keitsgrade dem Inferenzoperator (36, 38, 39, 42) als Eingangswerte zugeführt werden, während mit Hilfe der Rechenregeln erhaltene Ausgangswerte dem Inferenzoperator (36, 38, 39, 42) entnommen und einer wenigstens zwei linguistische Terme aufweisenden Zugehörigkeitsfunktion zugeordnet werden, die als linguistische Variable eine für die Alterung charakterische Zustandsgröße (KF, S, C_V) enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Kombination der Betriebsparameter (I, V, T, I_R, V_Z) und/oder Batteriezustände (E, t_E, ZA, ∆ρ, ∆ρ_AK) Zahlenwerte ermittelt werden, die für auf Korrosion und/oder Sulfatation entfallende Anteile der Alterung charakterisch sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebsparameter der Lade- bzw. Entladestrom (I), die Klemmenspannung (V) und/oder die Temperatur (T) der Batterie (1) verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bsi 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Batteriezustand der Lade- und/oder Entladezustand (L, E), die Änderung (ZA) des Lade- und/oder Entladezustands innerhalb eines vorgewählten Zeitintervalls und/oder die Dauer (t_E) eines vorgewählten Lade- und/oder Entladezustands verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Batteriezustand für die Säureschichtung und/oder die Säureschichtungsakkumulation charakterische Zustandsgrößen (∆ρ, ∆ρ_AK) verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Säureschichtung mit Hilfe der Fuzzylogik beurteilt und bestimmt wird, indem die Säureschichtung selbst sowie ausgewählte Betriebsparameter (I_R) und/oder andere Batteriezustände (E, ZA) als linguisti sche Variablen behandelt und diesen Zugehörigkeitsfunktionen mit wenigstens je zwei linguistischen Termen zugeordnet werden, ein auf Wissen basierender, einen Satz von Rechenregeln enthaltender Inferenzoperator (36) erstellt wird, dem aus den Zugehörig keitsfunktionen der Betriebsparameter (I_R) und/oder der anderen Batteriezustände (E, ZA) erhaltene Zugehörigkeitsgrade als Eingangswerte zugeführt und dem mit Hilfe der Rechen regeln erhaltene Ausgangswerte entnommen und einer wenigstens zwei linguistische Terme aufweisenden Zugehörigkeitsfunktion zugeordnet werden, die als linguistische Variable eine für die Säureschichtung charakterische Zustandsgröße (∆ρ) enthält, und durch die Kombination ein Zahlenwert für die charakteristische Zustandsgröße (∆ρ) ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Säureschichtungs akkumulation durch ständige Summierung der ab einem vorgewählten Betriebszeitpunkt der Batterie (1) erhaltenen Zahlenwerte ermittelt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Säureschichtungs akkumulation unter zusätzlicher Berücksichtigung des Batteriezustands "Endladegrad" (E) ermittelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gesamtalterung der Batterie (1) dadurch ermittelt wird, daß analog zum Verfahren nach Anspruch 8 die durch Kombination der Betriebsparameter und/oder Batteriezustände erhaltenen Zahlenwerte für die Korrosion und/oder Sulfatation als linguistische Variablen von Zustandsfunktionen verwendet werden, aus denen mit Hilfe eines Inferenzoperators (42) eine für die Gesamtalterung charakterische Zustandsgröße (C_V) ermittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der für die Gesamtalterung charakterischen Zustandstgröße (C_V) unter Anwendung der Sulfatations akkumulation (S_AK) als weiterer linguistischer Variable erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sulfationsakkumulation (S_AK) durch ständige, ab Inbetriebnahme der Batterie erfolgende Summierung der für die Sulfatation charakterischen Zahlenwerte erhalten wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als die für die Gesamtalterung charakteristische Zustandsgröße der Gesamtkapazitätsverlust (C_V) der Batterie (1) verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch ständiges Summieren der seit der Inbetriebnahme der Batterie (1) erhaltenen, für den Gesamtkapazitätsverlust (C_V) charakterischen Zahlenwerte die jeweils aktuell verfügbare Kapazität (C_A) der Batterie (1) überwacht wird.

16. Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Beurteilung der Alterung zumindest eines vorgewählten Anteils der Alterung einer Batterie (1), dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 einge richtet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur On-line-Durch führung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 eingerichtet ist.