DE102004007904A1

DE102004007904A1 - Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße für den Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie und Überwachungseinrichtung

Info

Publication number: DE102004007904A1
Application number: DE102004007904A
Authority: DE
Inventors: Ingo Koch; Helmut Laig-Hoerstebrock; Eberhard Meissner; Ursula Teutsch
Original assignee: VB Autobatterie GmbH and Co KGaA
Current assignee: Clarios Germany GmbH and Co KGaA
Priority date: 2004-02-18
Filing date: 2004-02-18
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: US20050189920A1; DE102004007904B4; DE502005001205D1; EP1566648B1; EP1566648A1; ATE370425T1; US7423408B2; ES2290794T3

Abstract

Ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße (KS, KL) für den Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie hat die Schritte: DOLLAR A a) Bestimmen des Ladungsdurchsatzes (DELTAQ) der Speicherbatterie pro Zeitschritt (DELTAt); DOLLAR A b) Ermitteln einer ersten Kennzahl (KS) zur Beschreibung der Schichtung der Elektrolytkonzentration in der Speicherbatterie, ausgehend von einem definierten Anfangswert (KS¶o¶) für eine neuwertige Speicherbatterie, und einer zweiten Kennzahl (KL) zur Beschreibung der Schichtung des Ladezustands (SOC) in der Speicherbatterie, ausgehend von einem definierten Anfangswert (KL¶0¶) für eine neuwertige Speicherbatterie im Betrieb der Speicherbatterie, wobei DOLLAR A c) für jeden Zeitschritt (DELTAt) aus dem aktuellen Zustand der Speicherbatterie, der durch den Ladezustand der Elektroden, die Elektrolytkonzentration in der Speicherbatterie und die erste und zweite Kennzahl (KS, KL) gekennzeichnet ist, die erste Kennzahl (KS) und die zweite Kennzahl (KL) in Abhängigkeit von dem Ladungsdurchsatz (DELTAQ) angepasst wird und die mindestens eine Kenngröße aus der ersten und zweiten Kennzahl (KS, KL) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße für den Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie mit dem Schritt:

a) Bestimmen des Ladungsdurchsatzes ΔQ der Speicherbatterie pro Zeitschritt Δt.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Überwachungseinrichtung für eine Speicherbatterie mit einer Einheit zur Bestimmung des Ladungsdurchsatzes der Speicherbatterie und mit Auswertemitteln.

Der Verschleiß von Speicherbatterien kann entweder bestimmt werden, indem aus der Betriebshistorie auf einen Zustand oder ein Verhalten der Speicherbatterie geschlossen wird. Es kann aber auch aus Messbefunden auf einen Zustand oder ein Verhalten der Speicherbatterie geschlossen werden.

Aus der DE 195 40 827 C1 ist ein Verfahren zur Alterungsbestimmung bekannt, bei dem ein Kennfeld der Batteriealterung in Abhängigkeit von der Entlademenge pro Entladezyklus als Batteriealterungseinflussgröße ausgewertet wird. In dem Verfahren werden die Einflussgrößen „Entladung" und „Entladetiefe" berücksichtigt, so dass die Entlademenge der Ladung zur Alterungsbestimmung herangezogen wird.

Weiterhin ist aus dem US-Patent 6,103,408 eine Alterungsuhr beschrieben, deren Frequenz als Funktion mindestens eines charakteristischen Wertes der Speicherbatterie variiert wird. Beispielsweise kann die Frequenz der Alterungsuhr mit ansteigender Elektrolyttemperatur und ansteigender Abweichung der Klemmenspannung von der Ruhespannung angehoben werden.

Zur Messung des Ladezustandes und der Bestimmung des Lastverhaltens von Speicherbatterien sind die verschiedensten Verfahren bekannt. So werden beispielsweise integrierende Messgeräte benutzt (Ah-Zähler), wobei der Ladestrom ggf. unter Bewertung mit einem festen Ladefaktor berücksichtigt wird. Da die nutzbare Kapazität einer Speicherbatterie stark von der Größe des Entladestroms und der Temperatur abhängig ist, kann auch mit solchen Verfahren keine zufriedenstellende Aussage über die der Batterie noch entnehmbare nutzbare Kapazität getroffen werden.

Aus der DE 22 42 510 C1 ist beispielsweise bekannt, bei einem Verfahren zur Messung des Ladezustandes den Ladestrom mit einem von der Temperatur und dem vom Ladezustand der Batterie selbst abhängigen Faktor zu bewerten.

In der DE 40 07 883 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Startfähigkeit einer Speicherbatterie durch Messung der Batterieklemmenspannung und der Batterietemperatur und Vergleich mit einer für den zu prüfenden Batterietyp geltenden Ladezustandskurvenschar ermittelt wird.

Der DE 195 43 874 A1 ist ein Berechnungsverfahren für die Entladungscharakteristik und Restkapazitätsmessung einer Speicherbatterie zu entnehmen, bei dem ebenfalls Strom, Spannung und Temperatur gemessen wird, wobei die Entladungscharakteristik durch eine mathematische Funktion mit gekrümmter Oberfläche angenähert wird.

In der DE 39 01 680 C1 ist ein Verfahren zur Überwachung der Kaltstartfähigkeit einer Starterbatterie beschrieben, bei dem die Starterbatterie zeitweise mit einem Widerstand belastet wird. Die am Widerstand abfallende Spannung wird gemessen und daraus im Vergleich mit Erfahrungswerten festgestellt, ob die Kaltstartfähigkeit der Starterbatterie noch ausreicht. Zur Belastung der Starterbatterie dient dabei der Anlassvorgang.

Weiterhin ist in der DE 43 39 568 A1 ein Verfahren zur Ermittlung des Ladezustandes einer Kraftfahrzeug-Starterbatterie zu entnehmen, bei dem Batteriestrom und Ruhespannung gemessen werden und aus diesen auf den Ladezustand geschlossen wird. Dabei wird zusätzlich auch die Batterietemperatur berücksichtigt. Die während verschiedener Zeiträume gemessenen Ladeströme werden miteinander verglichen und daraus eine Restkapazität ermittelt.

In der DE 198 47 648 A1 ist ein Verfahren zum Erlernen eines Zusammenhangs zwischen der Ruhespannung und dem Ladezustand einer Speicherbatterie zum Zweck der Abschätzung der Speicherfähigkeit beschrieben. Aus der Beziehung der Ruhespannungsdifferenz zur während der Belastungsphase umgesetzten Strommenge wird ein Maß für die Elektrolytkapazität des Elektrolyts der Speicherbatterie ermittelt. Dabei wird ausgenutzt, dass die Ruhespannung bei dem in der für die Praxis relevanten höheren Ladezustandsbereichen annähernd linear mit dem Ladezustand ansteigt.

Das Problem bei der Ermittlung des Zustandes einer elektrochemischen Speicherbatterie mit den vorbekannten Verfahren ist, dass insbesondere beim Entlade- und Ladetrieb wieder aufladbarer Speicherbatterien, aber auch bei der lastfreien Lagerung Verschleiß auftritt, wobei nicht alle relevanten Verschleißfaktoren berücksichtigt werden.

Im Falle eines Bleiakkumulators besteht der Elektrolyt aus verdünnter Schwefelsäure, d. h. eine Lösung von H₂SO₄ in Wasser. Typischerweise handelt es sich im vollständig geladenen Zustand um eine ca. 4 bis 5 molare Lösung. Bei der Entladereaktion wird entsprechend der Reaktionsgleichung Positive Elektrode: PbO₂ + H₂SO₄ + 2H⁺ + 2e^– → PbSO₄ + 2H₂O Negative Elektrode: Pb + H₂SO₄ → Pb + 2H⁺ + 2e^– im Elektrolyten H₂SO₄ an beiden Elektroden verbraucht und zudem H₂O einer positiven Elektrode gebildet. Dadurch sinkt bei der Entladung die Konzentration und die spezifische Dichte des Elektrolyten, während sie bei der umgekehrt ablaufenden Ladereaktion wieder ansteigt.

Hat bei der Ladereaktion die gebildete Schwefelsäure die Möglichkeit einer Konvektion im Schwerefeld der Erde, so hat sie die Neigung in Schlieren zum Boden des Zellgefäßes der Zellen des Bleiakkumulators zu sinken. Dadurch liegt dann im unteren Bereich des jeweiligen Zellgefäßes ein Elektrolyt mit höherer Konzentration vor, als im oberen Bereich des Zellgefäßes. Dieser Zustand wird im Falle des Bleiakkumulators als Säureschichtung bezeichnet.

Da sowohl die Lade-/Entladereaktion als auch die parasitären Reaktionen, wie z. B. Gasentwicklung, Korrosion etc. im Allgemeinen von der Elektrolytkonzentration beeinflusst werden, führt eine Säureschichtung zu einer Verungleichmäßigung des Zustandes der Zelle.

Mit den bekannten Verfahren werden allerdings nur sich monoton entwickelnde Alterungskenngrößen bewertet und der Effekt der Schichtung der Elektrolytkonzentration nicht berücksichtigt, die zunehmen und in bestimmten Situationen auch wieder abnehmen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße für den Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie zu schaffen, die den Effekt der Elektrolytschichtung mit berücksichtigt.

Die Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß gelöst durch die weiteren Schritte von:

b) Ermitteln einer ersten Kennzahl KS zur Beschreibung der Schichtung der Elektrolytkonzentration in der Speicherbatterie ausgehend von einem definierten Anfangswert KS₀ für eine neuwertige Speicherbatterie und einer zweiten Kennzahl KL zur Beschreibung der Schichtung des Ladezustands SOC in der Speicherbatterie ausgehend von einem definierten Anfangswert KL₀ für eine neuwertige Speicherbatterie im Betrieb der Speicherbatterie, wobei
c) für jeden Zeitschritt Δt, aus dem aktuellen Zustand der Speicherbatterie, der durch den Ladezustand der Elektroden, die Elektrolytkonzentration in der Speicherbatterie und die erste und zweite Kennzahl KS, KL gekennzeichnet ist, die erste Kennzahl KS und die zweite Kennzahl KL in Abhängigkeit von dem Ladungsdurchsatz ΔQ angepasst wird und mindestens eine Kenngröße aus der ersten und zweiten Kennzahl KS, KL bestimmt wird.

Das Verfahren ist insbesondere geeignet für Bleiakkumulatoren mit flüssigen Elektrolyten, ohne dass es jedoch auf solche Typen von Speicherbatterien beschränkt wäre.

Durch die Definition einer ersten und zweiten Kennzahl ist es nunmehr möglich, die Leistungsfähigkeit einer elektrochemischen Speicherbatterie, insbesondere die Speicherfähigkeit, den Ladezustand, das Spannungsverhalten bei Belastung mit Strömen, das Spannungsverhalten im lastfreien Zustand (innere Umladung) oder den Verschleißgrad vorherzusagen, indem lediglich der Ladungsdurchsatz für definierte Zeitschritte bestimmt und bewertet wird. Die erhaltenen ersten und zweiten Kennzahlen KS und KL werden hierzu genutzt.

Hierzu kann einerseits mindestens eine der erhaltenen Kennzahlen verwendet werden, um eine Maßnahme auszulösen, z. B. einen Wartungshinweis oder Austauschhinweis, die Regelung einer Ladeeinrichtung oder Pumpe oder Temperiereinrichtung. Es kann auch auf bekannt Verfahren zurückgegriffen werden, die mit Hilfe der ersten und zweiten Kennzahlen KS und KL nunmehr um eine Maßzahl für das Ausmaß der Elektrolytschichtung erweitert werden können.

Die Erhöhung der ersten Kennzahl bei Nettoladung pro Zeitschritt und die Verminderung der ersten Kennzahl und gleichzeitige Erhöhung der zweiten Kennzahl bei Nettoentladung ist dabei geeignet, den Verschleiß der Speicherbatterie über die Lebensdauer zu beschreiben.

Vorzugsweise werden mindestens zwei der folgenden Betriebsphasen bei der Anpassung der ersten und zweiten Kennzahl unterschieden:

a) STROMLOS, wenn der Betrag des Ladungsdurchsatzes pro Zeitschritt kleiner als ein Schwellwert ist;
b) ENTLADUNG, wenn der Ladungsdurchsatz pro Zeitschritt negativ und betragsmäßig größer als der Schwellwert ist;
c) LADUNG, wenn der Ladungsdurchsatz pro Zeitschritt positiv und betragsmäßig größer als der Schwellwert und keine ÜBERLADUNG vorliegt;
d) ÜBERLADUNG, wenn der Ladungsdurchsatz pro Zeitschritt positiv und betragsmäßig größer als der Schwellwert ist und gleichzeitig die erste Kennzahl bezogen auf den Wertebereich in der nähe des Anfangswertes liegt, oder wenn aus dem Ladungsdurchsatz und dem Ladezustand der Speicherbatterie eine Gasentwicklung erkannt wird, die einen definierten Gasungs-Schwellwert überschreitet.

Hierdurch kann dann der unterschiedliche Einfluss der genannten Betriebsphasen auf die Bildung und Rückbildung von Elektrolytschichtung in Verbindung mit sonstigen Verschleißfaktoren durch Anpassung der Kennzahlen berücksichtigt werden.

Der Schwellwert wird vorzugsweise kleiner als der 20-stündige Strom und besonders bevorzugt kleiner als der 100-stündige Strom der Speicherbatterie festgelegt.

In Abhängigkeit von den erkannten Betriebszuständen werden die ersten und zweiten Kennzahlen vorzugsweise wie folgt angepasst:
Im Betriebszustand LADUNG wird die erste Kennzahl erhöht. Die zweite Kennzahl wird dann erhöht, wenn die erste Kennzahl bezogen auf ihren Wertebereich nicht nahe dem Anfangswert ist und die Summe des Wertes für den Ladezustand und der zweiten Kennzahl bezogen auf den Wertebereich einen nicht zu hohen Wert aufweist. Die zweite Kennzahl wird hingegen erniedrigt, wenn die erste Kennzahl bezogen auf Ihren Wertebereich nicht nahe dem Anfangswert ist und die Summe des Wertes für den Ladezustand und der zweiten Kennzahl bezogen auf Ihren Wertebereich einen hohen Wert aufweist.

Damit wird berücksichtigt, dass bei Ladung mit bereits eingetretenen Elektrolytschichtung im fortgeschrittenen Stadium auch eine Schichtung des Ladezustandes auftritt. Die Ladezustandsschichtung nimmt allerdings bei Ladung dann wieder ab, wenn der Ladezustandswert und/oder die zweite Kennzahl für die Schichtung des Ladezustandes relativ groß ist.

Im Betriebszustand ÜBERLADUNG wird die erste Kennzahl vermindert. Die zweite Kennzahl wird dann vermindert, wenn der Wert der ersten Kennzahl im Bereich des Anfangswertes ist, d. h. noch kaum Elektrolytschichtung vorhanden ist.

Durch die bei ÜBERLADUNG auftretenden Gasentwicklung wird das Elektrolyt nämlich verwirbelt, so dass die Elektrolytschichtung reduziert wird.

Im Betriebszustand ENTLADUNG wird die zweite Kennzahl für die Ladezustandsschichtung erhöht, wenn die erste Kennzahl bezogen auf ihren Wertebereich einen sehr hohen Wert aufweist, d. h., wenn die Elektrolytschichtung relativ groß ist. Erst dann tritt nämlich bei Entladung eine Ladezustandsschichtung auf.

Im Betriebszustand ENTLADUNG wird die erste Kennzahl dann erhöht, wenn die zweite Kennzahl bezogen auf ihren Wertebereich nicht nahe dem Anfangswert ist und der Wert des Ladezustandes vermindert um den Wert der zweiten Kennzahl bezogen auf den Wertebereich klein ist. Dies basiert auf der Erkenntnis, dass die Elektrolytschichtung bei Entladung zunimmt, wenn der aktuelle Ladezustandswert niedriger als der bisher niedrigste Ladezustandswert seit dem letzten Erreichen eines Zustandes der weitgehenden Volladung oder eines Zustandes ist, in dem die erste Kennzahl bezogen auf ihren Maximalwert einen kleinen Wert hat.

Im Betriebszustand ENTLADUNG wird die erste Kennzahl dann erniedrigt, wenn die zweite Kennzahl bezogen auf ihren Wertebereich einen erheblichen Wert aufweist und der Wert des Ladezustandes vermindert um den Wert der zweiten Kennzahl bezogen auf den Wertebereich einen Mindestwertebereich überschreitet und nicht zu klein ist. Damit wird berücksichtigt, dass die Elektrolytschichtung bei Entladung bei erheblicher Ladezustandsschichtung oder einem großen Ladezustandswert wieder abnimmt.

Im Betriebszustand STROMLOS, bei dem die Speicherbatterie im Ruhezustand ist, wird die erste Kennzahl vermindert und die zweite Kennzahl erhöht, d. h., dass im Ruhezustand die Elektrolytschichtung automatisch abnimmt, die Ladezustandsschichtung jedoch zunimmt.

Der Zeitschritt Δt sollte maximal in der Größenordnung einer für den Speicherbatterietyp charakteristischen Zeitkonstanten für den Ausgleich von Säuredichteverteilungen senkrecht zu den Elektroden liegen, vorzugsweise in einem Bereich von einer Sekunde bis 30 Minuten, d. h, dass der Zeitschritt Δt in Abhängigkeit davon gewählt wird, wie schnell eine Elektrolytschichtung von der Speicherbatterie im normalen Betrieb und normalen Betriebszustand wieder abgebaut wird.

Die Zeitschritte Δt sollten zudem so gewählt sein, dass während der jeweiligen Zeitschritte Δt der Strom der Speicherbatterie weitgehend konstant ist.

Vorzugsweise wird ein Minimalwert und/oder ein Maximalwert für die erste Kennzahl KS bzw. die zweite Kennzahl KL festgelegt. Durch Beschränkung der Werte für die ersten und zweiten Kennzahlen auf die jeweils festgelegten Minimal- und/oder Maximalwerte wird ein Zustand der Speicherbatterie ohne Schichtung der Elektrolytkonzentration, mit maximaler Schichtung der Elektrolytkonzentration, ohne Ladezustandsschichtung und mit maximaler Ladezustandsschichtung berücksichtigt. Der Minimalwert für die erste Kennzahl steht hierbei für einen nie zu unterschreitenden Wert, wenn keine Schichtung der Elektrolytkonzentration vorliegt. Der maximale Wert für die erste Kennzahl KS ist ein nie zu überschreitender Wert bei maximaler Säureschichtung und stellt eine Kenngröße für die Speicherbatterie bei einer maximal ausgeprägten Schichtung der Elektrolytkonzentration dar. Der Minimalwert für die zweite Kennzahl KL ist ein nie zu unterschreitender Wert, wenn keine Ladezustandsschichtung vorliegt. Der Maximalwert für die zweite Kennzahl KL ist ein nie zu überschreitender Wert bei maximaler Ladezustandsschichtung und stellt eine Kenngröße für die Speicherbatterie bei einer maximal ausgeprägten Schichtung des Ladezustandes der Elektroden dar.

Vorzugsweise ist der Minimalwert der ersten Kennzahl KS der definierte Anfangswert der ersten Kennzahl KS₀ für eine neuwertige Speicherbatterie und beträgt vorzugsweise Null. Entsprechendes gilt für den Minimalwert der zweiten Kennzahl KS.

Die Erhöhung der ersten Kennzahl KS für jeden Zeitschritt Δt, in dem eine Ladung erkannt wurde, ist vorzugsweise proportional oder überproportional mit dem Ladungs durchsatz ΔQ in diesem Zeitschritt. D. h., je höher der Ladungsdurchsatz Q in dem Zeitschritt Δt ist, um so höher ist die Erhöhung. Entsprechend kann auch die Erhöhung der ersten Kennzahl KS proportional oder überproportional mit der Ladungsdurchsatzrate ΔQ/Δt mit dem Zeitschritt Δt sein.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Erhöhung der ersten Kennzahl KS für jeden Zeitschritt, in dem eine Ladung erkannt wurde, um so kleiner ist, je höher der Wert der ersten Kennzahl KS ist. Hierdurch wird der Effekt berücksichtigt, dass ab einer bestimmten Schichtung der Elektrolytkonzentration eine Sättigung erreicht wird, bei der eine weitere Schichtung der Elektrolytkonzentration langsamer erfolgt.

Weiter ist es vorteilhaft, wenn die erste Kennzahl KS bei einem Ladungsdurchsatz ΔQ in einem Zeitschritt Δt, der unterhalb eines festgelegten unteren Grenzwertes Q_min liegt, nicht erhöht wird. Hierdurch wird berücksichtigt, dass Verschleiß und Schichtung der Elektrolytkonzentration bei Ladungen unterhalb des für den Speicherbatterietyp charakteristischen unteren Grenzwertes für den Ladungsdurchsatz pro Zeitschritt nicht zunehmen. In entsprechender Weise kann auch der Erhöhungswert auf die Erhöhung bei einem oberen Grenzwert für den Ladungsdurchsatz pro Zeitschritt begrenzt werden. Die Schichtung der Elektrolytkonzentration nimmt nämlich bei Ladungsdurchsätzen pro Zeitschritt oberhalb des oberen Grenzwertes nicht weiter zu.

Natürlich völlig gleichwertig ist es, wenn die ersten und zweiten Kennzahlen ihren Maximalwert im Ausgangszustand ohne Elektrolytschichtung bzw. ohne Ladezustandsschichtung annehmen und dann bei zunehmenden Verschleiß vermindert werden, bis sie bei maximaler Schichtung einen Minimalwert annehmen.

Die erste Kennzahl KS kann vorzugsweise zur Vorhersage der beschleunigten Änderung der Ruhespannung infolge innerer Umladung verwendet werden. Hierzu ist es vorteilhaft, die Steilheit S einer Kennlinie der Ruhespannung über den Ladungsdurchsatz zur Vorhersage der entladbaren Ladungsmenge, der Spannungsänderung bei einer Änderung der elektrischen Last oder der absoluten Spannungslage bei einer auf genommenen elektrischen Last aus einem vorgegebenen oder erlernten Zusammenhang zwischen der Steilheit und der ersten Kennzahl zu berechnen. Ebenso kann die Änderung der Ruhespannung als Funktion der Zeit aufgrund innerer Umladungsprozesse zwischen Bereichen der Speicherbatterie mit unterschiedlichen Säurekonzentrationen mit einem vorgegebenen oder erlernten temperaturabhängigen Zusammenhang der Ruhespannung und der ersten Kennzahl vorhergesagt werden.

Weiterhin kann eine dritte Kennzahl KW vorgesehen werden, die im Betriebszustand ÜBERLADUNG erhöht wird. Diese dritte Kennzahl KW dient als Maß für den Verschleiß der Speicherbatterie und kann ausgehend von einem Anfangswert bei jeder Überladung nur ansteigen und wird nie vermindert, d. h., dass Verschleißprozesse durch Überladung als unumkehrbar angesehen werden.

Es kann auch auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, die mit Hilfe der ersten und zweiten Kennzahl KS, KL nunmehr um eine Maßzahl für das Ausmaß der Schichtung erweitert werden können. Die Erhöhung der ersten Kennzahl bei Nettoladung pro Zeitschritt und die Verminderung der ersten Kennzahl und die Erhöhung der zweiten Kennzahl bei Nettoentladung ist dabei geeignet, Veränderungen des Zustandes und des elektrischen Verhaltens sowie den Verschleiß der Speicherbatterie über die Lebensdauer zu beschreiben.

Die erhaltenen ersten und zweiten Kennzahlen KS, KL werden verwendet um eine Maßnahme auszulösen, z. B. einen Wartungshinweis oder Austauschhinweis, die Regelung einer Ladeeinrichtung oder Pumpe oder Temperiereinrichtung. Die Kennzahlen können auch für Vorhersagen des Verhaltens des Energiespeichers verwendet werden, insbesondere zur Vorhersage der Speicherfähigkeit, des Ladezustandes, des Spannungsverhaltens bei Belastung mit Strömen, des Spannungsverhaltens im lastfreien Zustand (innere Umladung) oder des Verschleißgrades. Dabei kann auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, die mit Hilfe der ersten und zweiten Kennzahlen KS, KL nunmehr um eine Maßzahl für das Ausmaß der Schichtung erweitert werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße für die Leistungsfähigkeit einer elektrochemischen Speicherbatterie;
2 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betriebszustand STROMLOS;
3 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betriebszustand ENTLADUNG;
4 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betriebszustand LADUNG;
5 ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens im Betriebszustand ÜBERLADUNG bzw. Gasung;
6 beispielhaftes Diagramm für die Entwicklung der ersten und zweiten Kennzahl während eines langen Betriebszustandes STROMLOS;
7 beispielhaftes Diagramm für die Entwicklung der offenen Batteriespannung während einer langen Phase des Betriebszustandes „STROMLOS".
Die 1 lässt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Bestimmung einer ersten Kennzahl KS und einer zweiten Kennzahl KL zur Bewertung der Leistungsfähigkeit einer elektrochemischen Speicherbatterie erkennen.
In einem ersten Schritt wird ein Zeitschritt Δt für den Speicherbatterietyp festgelegt. Die Größenordnung des Zeitschritts Δt liegt im Wertebereich der typischen Zeitkon stante für den Ausgleich von Säuredichte senkrecht zu den Elektroden der Speicherbatterie und beträgt einige 10 Sekunden bis zu 30 Minuten. Es ist vorteilhaft, wenngleich nicht dargestellt, wenn der Zeitschritt Δt im Laufe des Verfahrens an die jeweils vorherrschende Temperatur der Speicherbatterie angepasst wird, indem der Zeitschritt Δt bei ansteigenden Temperaturen verkürzt wird.
Weiterhin wird für den Speicherbatterietyp ein Minimalwert KS_min für die erste Kennzahl KS, ein Maximalwert KS_max für die erste Kennzahl KS, ein Minimalwert KL_min für die zweite Kennzahl KL und ein Maximalwert KL_max für die zweite Kennzahl KL festgelegt. Die Minimalwerte KS_min und KL_min werden dabei vorzugsweise auf Null gesetzt, um die Kennzahlen KS, KL auf den entsprechenden Wert für die Kennzahlen KS, KL eines neuwertigen elektrochemischen Energiespeichers zu beschränken. Der festgelegte Maximalwert KS_max für die erste Kennzahl wird auf einen maximalen Wert der Kennzahl KS für eine maximal ausgeprägte Schichtung der Elektrolytkonzentration des elektrochemischen Energiespeichers gesetzt. Der Maximalwert KL_max für die zweite Kennzahl KL wird auf einen maximalen Wert für die zweite Kennzahl KL gesetzt, bei dem eine maximal ausgeprägte Schichtung des Ladezustandes der Elektroden des elektrochemischen Energiespeichers vorliegt.
Die Minimal- und Maximalwerte können beispielsweise anhand von Versuchen an gleichartigen Speicherbatterien ermittelt und dann für den Speicherbatterietyp vorgegeben werden.
Vor der ersten Inbetriebnahme der (noch keine Schichtung der Elektrolytkonzentration aufweisenden) Speicherbatterie wird die erste Kennzahl KS und die zweite Kennzahl KL ihre Anfangswerte KS₀ und KL₀, vorzugsweise auf den Wert Null gesetzt.
Während des Betriebes und der Lebensdauer der Speicherbatterie wird vorzugsweise fortlaufend, ggf. aber auch in Intervallen der Ladungsdurchsatz ΔQ der Speicherbatterie pro festgelegtem Zeitschritt Δt beispielsweise durch Strommessung, Schätzung, Modellierung o. ä. bestimmt. Gegebenenfalls werden obere und untere Schwellwerte (ΔQ/Δt)_min und (ΔQ/Δt)_max berücksichtigt, die nicht überschritten werden dürfen. Aus dem Ladungsdurchsatz ΔQ pro Zeitschritt Δt wird die Ladedurchsatzrate ΔQ/Δt berechnet. Die Berücksichtigung von Schwellwerten (ΔQ/Δt)_min und (ΔQ/Δt)_max kann auch anhand der Ladedurchsatzrate ΔQ/Δt erfolgen.
In einem nächsten Schritt wird überprüft, ob der Betrag der Ladungsdurchsatzrate kleiner als ein definierter Grenzwert für die Ladungsdurchsatzrate (ΔQ/Δt)_min ist. Der Grenzwert kann beispielsweise als 1000-stündiger Strom festgelegt werden. Sofern die Ladungsdurchsatzrate ΔQ/Δt kleiner als der Grenzwert ist, wird ein Ruhezustand erkannt. Optional kann der Ruhezustand auch temperaturabhängig bewertet werden, wobei bei niedrigen Temperaturen der Grenzwert für die Ladungsdurchsatzrate (ΔQ, Δt)_min vorzugsweise größer festgelegt wird, als bei höheren Temperaturen.
Sofern kein Ruhezustand erkannt wurde, wird geprüft, ob der Ladungsdurchsatz ΔQ größer Null ist. Sofern der Ladungsdurchsatz größer Null ist, wird ein normaler elektrischer Betrieb mit Nettoladung erkannt, d. h. der Betriebszustand LADUNG.
Anschließend muss überprüft werden, ob eine ÜBERLADUNG vorliegt, d. h. ob das Kriterium der Gasung gegeben ist. Dies kann beispielsweise durch Bewertung von Ladespannung, Temperatur und Dauer der Ladung und ggf. auch des Ladestroms erfolgen.
In Abhängigkeit von den Betriebszuständen STROMLOS, ENTLADUNG, ÜBERLADUNG und LADUNG wird die erste und zweite Kennzahl KS und KL angepasst und die Leistungsfähigkeit der Speicherbatterie als Funktion hieraus bestimmt.
Die 2 lässt das Verfahren der Anpassung der ersten und zweiten Kennzahlen KS, KL im Betriebszustand STROMLOS erkennen. Eine Änderung der ersten und zweiten Kennzahl KS und KL erfolgt nur dann, wenn die erste Kennzahl KS größer als der Minimalwert KS_min und die zweite Kennzahl KL kleiner als der Maximalwert KL_max ist.
Für den Fall, dass der Ruhezustand erkannt wurde, wird, wie in der 2 skizziert ist, der Wert der aktuellen ersten Kennzahl KS_alt um einen Wert ΔKS vermindert, wobei die resultierende erste Kennzahl KS auf den definierten Minimalwert KS_min begrenzt wird. Weiterhin wird die zweite Kennzahl KL um den Wert ΔKL erhöht und die zweite Kennzahl KL ebenfalls auf den definierten Maximalwert KL_max begrenzt, der bei maximaler Ladezustandsschichtung nie überschritten wird.
Die Verminderung ΔKS der ersten Kennzahl KS und die Erhöhung ΔKL der zweiten Kennzahl KL pro Zeiteinheit Δt durch Umladung während der Ruhephase ist umso stärker, je länger die Zeiteinheit Δt, je größer der Wert der ersten Kennzahl KS und je höher die Temperatur T sind.
Die 3 lässt das Verfahren zur Anpassung der ersten und zweiten Kennzahl KS und KL im Betriebszustand ENTLADUNG erkennen. Sofern die erste Kennzahl KS kleiner oder gleich dem festgelegten Minimalwert KS_min ist und wesentlich kleiner als der festgelegte Maximalwert KS_max ist, wird lediglich die erste Kennzahl KS im einem Zeitschritt Δt um den Wert ΔKS erhöht. Die zweite Kennzahl KL bleibt dann unverändert.
Für den Fall, dass die erste Kennzahl KS größer als der Minimalwert KS_min ist, wird überprüft, ob eine Entladung im unteren Bereich der Batterie noch möglich ist.
Für den Normalfall, dass die Speicherbatterie auch im unteren Bereich noch weiter entladen werden kann, wird die erste Kennzahl KS um den Wert ΔKS vermindert und dabei auf den festgelegten Minimalwert KS_min nach unten hin begrenzt. Weiterhin wird die zweite Kennzahl KL um den Wert ΔKL erhöht. Die zweite Kennzahl KL wird dabei auf den definierten Maximalwert KL_max begrenzt, der bei maximaler Ladezustandsschichtung nie überschritten wird.
Für den Fall, dass keine Entladung im unteren Bereich der Speicherbatterie mehr möglich ist, wird die erste Kennzahl KS um den Wert ΔKS erhöht und die erste Kennzahl KS dabei auf den Maximalwert KS_max begrenzt. In diesem Falle wird bei Entladung ei ne Zunahme der Elektrolytkonzentrationsschichtung angenommen. Der Wert für die zweite Kennzahl KL wird hingegen um den Wert ΔKL vermindert, wobei die resultierende zweite Kennzahl KL auf den definierten Minimalwert KL_min begrenzt wird.
Die 4 lässt das Verfahren zur Anpassung der ersten und zweiten Kennzahlen KS, KL für den Fall der Ladung erkennen, wenn keine Überladung bzw. Gasung vorliegt. Für den Fall, dass die erste Kennzahl KS kleiner oder gleich dem festgelegten Minimalwert KS_min ist, wird lediglich die erste Kennzahl für die Elektrolytschichtung um den Wert ΔKS erhöht. Dabei wird die erste Kennzahl KS auf den festgelegten Maximalwert KS_max begrenzt.
Anderenfalls wird überprüft, ob eine Ladung im oberen Bereich der Batterie noch möglich ist. Sofern dies der Fall ist und die Speicherbatterie somit ohne Gefahr der Überladung weiter geladen werden kann, wird die zweite Kennzahl KL um den Wert ΔKL erhöht. Dabei wird die zweite Kennzahl KL auf den festgelegten Maximalwert KS_max begrenzt, der bei maximaler Ladezustandsschichtung nie überschritten wird. Zudem wird auch die erste Kennzahl KS um den Wert ΔKS erhöht. Auch die resultierende erste Kennzahl KS wird auf definierten Maximalwert KS_max begrenzt. Für diesen Normalfall der Ladung wird somit eine Verstärkung der Elektrolytkonzentrationsschichtung und der Ladezustandsschichtung der Elektroden angenommen.
Für den Fall, dass keine Ladung im oberen Bereich der Speicherbatterie mehr möglich ist, nimmt im Betriebszustand LADUNG die Ladezustandsschichtung wieder ab. Daher wird die zweite Kennzahl KL um den Wert ΔKL vermindert und die resultierende zweite Kennzahl KL auf den definierten Minimalwert KL_min begrenzt. Die erste Kennzahl KS wird hingegen um den Wert ΔKS erhöht und auf den festgelegten Maximalwert KS_max begrenzt.
Die 5 lässt das Verfahren im Betriebszustand ÜBERLADUNG bzw. Gasung erkennen. Für den Falls, dass bereits eine Schichtung der Elektrolytkonzentration vorliegt, d. h., dass die erste Kennzahl KS größer als der festgelegte Minimalwert KS_min ist, wird die erste Kennzahl KS um den Wert ΔKS vermindert. Im Falle der Überladung wird die Elektrolytschichtung somit zunächst ausgeglichen. Dabei wird die erste Kennzahl KS wiederum auf den festgelegten Minimalwert KS_min begrenzt.
Für den Fall, dass keine nennenswerte Schichtung der Elektrolytkonzentration mehr vorliegt, d. h., dass die erste Kennzahl KS dem festgelegten Minimalwert KS_min nahe ist, wird die Ladezustandsschichtung durch Reduzieren der zweiten Kennzahl KL um den Wert ΔKL ausgeglichen. Wiederum wird die zweite Kennzahl KL auf den Minimalwert KL_min begrenzt. Das Verfahren berücksichtigt somit den Effekt, dass eine Überladung erst die Schichtung der Elektrolytkonzentration und danach die Schichtung des Ladezustands ausgleicht.
Grundsätzlich sollten die Verminderung ΔKS der ersten Kennzahl KS pro Zeitschritt Δt umso stärker erfolgen, je größer der Ladungsdurchsatz ΔQ und je größer die Änderungsrate ΔQ/Δt und je größer der Wert der ersten Kennzahl KS und je höher die Temperatur t sind.
Ebenso sollen die Verminderung ΔKL der zweiten Kennzahl KL pro Zeitschritt Δt umso stärker erfolgen, je größer der Ladungsdurchsatz ΔQ und je größer die Änderungsrate ΔQ/Δt, und je größer der Wert der zweiten Kennzahl KL und je höher die Temperatur T sind.
Die 6 und 7 zeigen beispielhafte Diagramme für die Entwicklung der ersten und zweiten Kennzahl KS und KL sowie der offenen Batteriespannung während einer langen stromlosen Phase. Zu Beginn dieser Phase im Betriebszustand STROMLOS liegt eine deutliche Schichtung der Elektrolytkonzentration in der Speicherbatterie vor, die für die hohe Ruhespannung OCV verantwortlich ist. Durch innere Umladung wird die erste Kennzahl KS abgesenkt, während die zweite Kennzahl KL ansteigt. D. h., dass die Schichtung der Elektrolytkonzentration abnimmt, während die Schichtung des Ladezustands in den Elektroden zunimmt. Die Ruhespannung OCV fällt dementsprechend.
Neben den ersten und zweiten Kennzahlen kann auch noch eine weitere dritte Kennzahl KW definiert werden, die im Betriebszustand ÜBERLADUNG erhöht wird. Die dritte Kennzahl KW dient als ein Maß für den Verschleiß der Speicherbatterie und kann ausgehend von einem Anfangswert KW_min, vorzugsweise KW_min gleich Null, nur ansteigen und wird nie vermindert.
Nachfolgend werden Beispiele für die Nutzung der erhaltenen ersten, zweiten und dritten Kennzahl KS, KL und KW angegeben.

1) Die erhaltenen Kennzahlen KS, KL und KW können direkt verwendet werden, um eine Maßnahme auszulösen, z. B. einen Wartungshinweis oder Austauschhinweis, die Regelung einer Ladeeinrichtung oder Pumpe oder Temperiereinrichtung, etc. 1a) Der Vergleich einer der Kennzahlen KS, KL und KW mit entsprechenden Schwellwerten kann verwendet werden, um den Betreiber der mit der Speicherbatterie verbundenen Einheit aufzufordern, eine Wartung durchzuführen. Zur Verminderung der ersten und zweiten Kennzahl KS und KL ist z. B. eine gezielte (Über-) Ladung sinnvoll. Aus einem ansteigenden Wert der dritten Kennzahl KW kann eine Aufforderung zum Nachfüllen von Wasser zum Elektrolyten abgeleitet werden. 1b) Der Vergleich einer der Kennzahlen KS, KL und KW mit entsprechenden Schwellwerten kann verwendet werden, um den Betreiber zum Austausch der Speicherbatterie aufzufordern. Dies ist sinnvoll, wenn eine Wartung im Sinne von Punkt 1a) nicht möglich oder gewollt ist, oder bereits vergeblich oder wiederholt durchgeführt worden ist. Wenn z. B. längere Zeit eine Ladezustandsschichtung vorgelegen hat, ist deren Aufhebung unter Umständen nicht mehr möglich oder ein Austausch die kostengünstigere Alternative. 1c) Der Wert der ersten und zweiten Kennzahl KS oder KL kann verwendet werden, um das Laderegime der Speicherbatterie zu regeln. Da die Schichtung der Elektrolytkonzentration und die Schichtung des Ladezustandes durch (Über-) Ladung vermindert oder ihr weiteres Ansteigen vermieden werden kann, ist es sinnvoll die Ladespannung und/oder die Ladedauer zu erhöhen, wenn die ersten und zweiten Kennzahlen KS oder KL ansteigen. Im Falle eines Kraftfahrzeuges ist dies durch Regelung der Generatorspannung möglich. 1d) Der Wert der ersten und zweiten Kennzahl KS oder KL kann verwendet werden, um einen Vorgang zur Durchmischung des Elektrolyten zu regeln. Dies kann z. B. durch eine in die Speicherbatterie eingebaute Pumpe geschehen, die die Schichtung der Elektrolytkonzentration abbaut. Damit wird auch der Abbau der Ladezustandsschichtung erleichtert. 1e) Der wässrige Elektrolyt eines Bleiakkumulators beginnt bei tiefen Temperaturen zu erstarren. Der Gefrierpunkt hängt von der örtlichen Konzentration ab. Ist diese inhomogen über die Bauhöhe, wie bei der Schichtung der Elektrolytkonzentration, so setzt die Erstarrung im oberen Zellbereich früher ein als bei homogener Konzentration. Der Wert der ersten Kennzahl KS kann verwendet werden, um dieses Risiko anzuzeigen und zu quantifizieren.
2) Die erhaltenen ersten und zweiten Kennzahlen KS und KL können auch für Vorhersagen des Verhaltens des Energiespeichers, insbesondere zur Vorhersage der Speicherfähigkeit, des Ladezustands, des Spannungsverhaltens bei Belastung mit Strömen, des Spannungsverhaltens im lastfreien Zustand (innere Umladung) oder des Verschleißgrades genutzt werden. Dabei kann auf bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, die mit Hilfe der ersten und zweiten Kennzahlen KS und KL nunmehr um eine Maßzahl für das Ausmaß der Schichtung erweitert werden können. 2a) Die Anwendung von Verfahren, welche nur bei homogener Säuredichte zutreffende Ergebnisse liefern, kann in Abhängigkeit von den Werten der erhaltenden Kennzahlen KS, KL, KW unterdrückt werden. So kann verhindert werden, dass ein Verfahren, welches den Ladezustand einer Speicherbatterie aus der Ruhespannung ableitet, den Ladezustand bei vorliegender Elektrolytschichtung aus der vom unteren Elektrodenbereich mit hoher Elektrolytdichte dominierten Spannungswerten ableitet und fälschlich überschätzt. 2b) Verfahren, welche bei homogener Elektrolytdichte zutreffende Ergebnisse liefern, können in Abhängigkeit von den Werten der erhaltenen Kennzahlen KS, KL, KW korrigiert werden. So kann ein Verfahren, welches den Ladezustand SOC einer Speicherbatterie aus der Ruhespannung U₀₀ ableitet z. B. durch Berücksichtigung der ersten Kennzahl KS erweitert werden. Dazu kann z. B. der vom unteren Elektrodenbereich mit hoher Elektrolytdichte dominierte Spannungswert als Eingangswert des Verfahrens umso stärker abgesenkt werden, je größer der die Elektrolytschichtung kennzeichnende Wert der ersten Kennzahl KS ist. 2c) Die Anwendung von Verfahren, welche nur bei nicht erstarrtem Elektrolyten zutreffende Ergebnisse liefern, kann in Abhängigkeit von den Werten der erhaltenden Kennzahlen KS, KL, KW unterdrückt werden. So kann verhindert werden, dass ein Verfahren, welches den Ladezustand SOC einer Speicherbatterie aus der Ruhespannung U₀₀ ableitet z. B. den Ladezustand SOC bei vorliegender Elektrolytschichtung und eingetretener Erstarrung bei tiefer Temperatur T aus der von der flüssigen Elektrolytphase mit hoher Elektrolytdichte dominierten Spannungswerte ableitet und fälschlich überschätzt. 2d) In Abhängigkeit der erhaltenen Kennzahlen KS, KL, KW kann zwischen verschiedenen Verfahren umgeschaltet werden. So ist bei einem Bleiakkumula tor die speicherbare Ladungsmenge im Allgemeinen durch die Menge und die Konzentration des Elektrolyten bestimmt, weil die ebenfalls an den elektrochemischen Vorgängen beteiligten aktiven Materialien der positiven und negativen Elektroden im Allgemeinen im Überschuss vorliegen. Dies trifft aber nur bei homogener Verteilung des Elektrolyten zu. Bei vorliegender Säureschichtung können unterschiedlich begrenzende Mechanismen wirken, insbesondere können im unteren Bereich die verfügbaren aktiven Elektrodenmaterialien begrenzen. Dieser Effekt wird noch verstärkt, wenn darüber hinaus noch Ladezustandsschichtung vorliegt.
3) Weiterhin kann die erste Kennzahl KS zur Vorhersage der beschleunigten Änderung der Ruhespannung in Folge innerer Umladung verwendet werden, wie in den 6 und 7 gezeigt ist.
4) Weiterhin kann die Zeitdauer eines Zustandes mit hoher erster Kennzahl KS und zweiter Kennzahl KL als Maß für die nicht mehr umkehrbare Sulfatation und als Eingangsgröße für die Bestimmung von irreversiblen Kapazitätsverlust verwendet werden. 4a) Wenn eine irreversible Schädigung angenommen wird, kann auch ein Signal mit der Aufforderung zur Wartung oder zum Austausch der Speicherbatterie gesetzt werden.

Mit dem Verfahren werden somit verschiedene Betriebsarten erkannt und ausgewertet:

a) Es werden Arten von Zyklen, Betrieb und Batterie-Zuständen erkannt, welche den Aufbau von Elektrolytschichtung begünstigen. Dabei wird eine den Grad der Elektrolytschichtung beschreibende erste Kennzahl KS bestimmt und es kann die Minderung der Speicherfähigkeit durch Elektrolytschichtung Qv(KS) abgeschätzt werden. In dieser Zeit kann zudem die mögliche Verfälschung der aus der Ruhespannung U₀₀ abgeleiteten Bestimmung eines Ladezustandswertes SOC, der aus der Ruhespannung U₀₀ abgeleiteten Spannung unter Last, aus der Ruhespannung U₀₀ abgeleitete Parameter, wie z. B. Innenwiderstand etc., berücksichtigt werden.
b) Es können Arten des Betriebes und Batterie-Zustände erkannt werden, in denen eine ggf. vorliegende Elektrolytschichtung über die Bauhöhe wieder abgebaut und eine Ladezustandsschichtung (Sulfatschichtung) über die Bauhöhe der Elektroden umgewandelt wird. Hierbei wird eine den Grad der Ladezustandsschichtung beschreibende zweite Kennzahl KL bestimmt. In dieser Zeit kann auch eine Abschätzung der Minderung und danach ggf. des Verschwindens der Verfälschung der aus der Ruhespannung U₀₀ abgeleiteten Bestimmung eines Ladezustandswertes SOC erfolgen. Dabei bleibt aber noch eine Veränderung der Eigenschaften und des Verhaltens der Speicherbatterie, wie z. B. eine Minderung der Speicherfähigkeit durch Ladezustandsschichtung Qv(KL) bestehen.
c) Es können Betriebsarten, die eine ggf. vorher bestehende Elektrolyt- bzw. Sulfatschichtung wieder aufheben, erkannt werden, wie z. B. eine starke Überladung. In dieser Zeit kann der Abbau der ersten und zweiten Kennzahlen KS und KL sowie der durch Elektrolytschichtung Qv(KS) bzw. Ladezustandsschichtung Qv(KL) verursachte Rückgang der Speicherfähigkeit abgeschätzt werden.
d) Die Information über das Ausmaß der Elektrolytschichtung in der Säure S und der Schichtung im Ladezustand der Elektroden kann zur Bestimmung der aktuellen Speicherfähigkeit CSC, zur Vorhersage der aktuell entnehmbaren Ladungsmenge, zur Vorhersage des Spannungsverhaltens bei Lastwechsel und zur Abschätzung irreversibler Alterungsvorgänge, z. B. Sulfatierung etc. verwendet werden.

Das Verfahren beruht auf folgenden Zusammenhängen des Verhaltens einer Speicherbatterie:

1. Eine Elektrolytschichtung entsteht bei der Ladung, wenn in einem Zeitintervall Δt eine größere Netto-Ladungsmenge ΔQ eingeladen wird. Die Schichtung im Elektrolyten wird erkannt und mit einer ersten Kennzahl KS bewertet. Für den ungeschichteten Neuzustand wird die erste Kennzahl KS im allgemeinen auf den Wert Null gesetzt. Das Ausmaß der Elektrolytschichtung überschreitet einen Maximalwert KS_max nicht. Der Anstieg der Elektrolytschichtung ΔKS wächst mit der Ladungsdurchsatzrate ΔQ/Δt, d. h. mit dem mittleren Strom, wobei ein gewisser Maximalwert des Anstiegs der Schichtung ΔKS pro Zeitschritt Δt nicht überschritten wird. Sehr kleine Ladungsdurchsatzraten ΔQ/Δt führen dagegen zu keiner Verstärkung der Schichtung. Der Anstieg ΔKS der Elektrolytschichtung wächst mit der absoluten Ladungsmenge ΔQ, wobei aber unter Umständen ein gewisser Maximalwert des Anstiegs der Elektrolytschichtung ΔKS pro Zeiteinheit Δt nicht überschritten wird. Sehr kleine Ladungsmengen ΔQ führen dagegen zu keiner Verstärkung der Schichtung.
2. Der Zeitschritt Δt für die Glättung der Ladungsdurchsatzrate ΔQ/Δt und des Ladungsdurchsatzes ΔQ liegt in der Größenordnung der typischen Zeitkonstanten für den Ausgleich von Elektrolytdichte senkrecht zu den Elektroden. Bei ho hen Temperaturen liegt der Zeitschritt Δt z. B. bei etwa einer Minute. Bei sehr tiefen Temperaturen bei etwa zehn Minuten.
3. Bei niedrigem Ladezustand, d. h. niedriger Elektrolytdichte im Plattenzwischenraum, ist eine Ladung mit einer höheren Ladungsdurchsatzrate ΔQ/Δt technisch leichter möglich. Auch die zugeführte Ladungsmenge ΔQ kann höher sein. Beides begünstigt die Ausbildung von Schichtung und wird bereits durch Bestimmung des Ladestroms berücksichtigt.
4. Zusätzlich kann Elektrolytschichtung auch entstehen, wenn dichte Säure aus dem Zellenbereich oberhalb der Elektroden durch den Plattenblock der Speicherbatterie nach unten fällt, ohne dort verbraucht zu werden. Dies tritt aber, ausgehend von einem Zustand mit niedriger ersten Kennzahl KS, nur einmal ein, und zwar wenn erstmalig bei relativ hohem anfänglichen Ladezustandswert SOC mit mindestens mittlerem Strom (z. B. mehr als dem 10-stündigen Strom i₁₀) soviel Ladung ΔQ entladen wird (z. B. mehr als ca. 10% der Kapazität), dass die Überschichtung mit dichterer Säure instabil wird und nach unten durchsackt. Wenn dagegen mit kleinerem Strom entladen wird, so wird die Säure auf ihrem Weg nach unten verbraucht, ohne dass sich die Schichtung verstärkt. Mögliche Kriterien für den Fall der Zunahme der ersten Kennzahl KS bei Entladung sind: (i) die erste Kennzahl KS hat bezogen auf Ihren Maximalwert KS_max einen kleinen Wert; (ii) der Ladezustand SOC fällt aktuell unter den kleinen Ladezustandswert SOC_min, der seit dem letzten Erreichen a) der annähernden Volladung oder b) eines bezogen auf den Maximalwert KS_max der ersten Kennzahl bezogenen kleineren Wertes der ersten Kennzahl angenommen wurde.
5. Bei tiefen Temperaturen ist die Stromverteilung über die Porentiefe homogener und die Viskosität der Säure ist höher, so dass Schichtung der Elektrolytkonzentration dort weniger leicht auftritt bzw. weniger stark verstärkt wird. Deshalb sind die Funktionen ΔKS = f(ΔQ/t), ΔKS = f(ΔQ), ΔKL = f(ΔQ/t), ΔKL = f(ΔQ) etc. vorzugsweise derart temperaturabhängig, dass bei niedrigen Temperaturen geringere Veränderungen erfolgen.
6. Die Schichtung im Elektrolyten wird in der Regel durch Entladung oder durch (stromlose) Ruhezeiten abgebaut. Bei Entladung erfolgt der Abbau der höheren Konzentration im unteren Bereich, wobei die Konzentration dort der Konzentration im oberen Bereich angeglichen wird. In den Ruhezeiten wird die höhere Konzentration im unteren Bereich bei gleichzeitiger Erhöhung im oberen Bereich abgebaut, wodurch ebenfalls eine Angleichung erfolgt. In beiden Fällen wird eine Schichtung im Ladezustand aufgebaut, die durch die zweite Kennzahl KL beschrieben wird. Der Wert der zweiten Kennzahl KL wird vorzugsweise auf einen Maximalwert KL_max begrenzt. Die Schichtung im Ladezustand KL kann jedoch nicht unter den Minimalwert KL_min für eine neuwertige Speicherbatterie fallen, der vorzugsweise KL_min = 0 beträgt.
7. Die Schichtung im Elektrolyten wird ebenfalls durch Überladung mit Gasung abgebaut. Auch hier kann die durch den die erste Kennzahl KS beschriebene Schichtung nicht unter den Minimalwert KS_min für eine neuwertige Speicherbatterie, vorzugsweise KS_min = 0 fallen.
8. Sofern die Schichtung im Elektrolyten durch Überladung mit Gasung den Minimalwert KS_min für eine neuwertige Speicherbatterie zumindest annäherungsweise wieder erreicht hat, so kann auch die mit der zweiten Kennzahl KL be schriebene Schichtung im Ladezustand wieder abgebaut werden. Die Schichtung und der Wert der die Schichtung beschreibenden zweiten Kennzahl KL kann jedoch nicht unter den Minimalwert KL_min für eine neuwertige Speicherbatterie, vorzugsweise KL_min = 0 fallen. Da Gasung auf Elektrolyse zurückzuführen und diese mit Wasserverlust verbunden ist, kann optional eine weitere den Wasserverlust beschreibende Kennzahl KW eingeführt werden. Diese kann von einem festgelegten Minimalwert KW_min für eine neuwertige Speicherbatterie, vorzugsweise KW_min = 0, ausgehend aber nur anwachsen und nicht wieder vermindert werden, es sei denn es erfolgt eine Wartung durch Nachfüllen von Wasser. Die dritte Kennzahl KW ist eine den Verschleiß der Speicherbatterie charakterisierende Größe.

Claims

Verfahren zur Bestimmung mindestens einer Kenngröße für den Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie mit den Schritten: a) Bestimmen des Ladungsdurchsatzes (ΔQ) der Speicherbatterie pro Zeitschritt (Δt); gekennzeichnet durch b) Ermitteln einer ersten Kennzahl (KS) zur Beschreibung der Schichtung der Elektrolytkonzentration in der Speicherbatterie ausgehend von einem definierten Anfangswert (KS₀) für eine neuwertige Speicherbatterie und einer zweiten Kennzahl (KL) zur Beschreibung der Schichtung des Ladezustands (SOC) in der Speicherbatterie ausgehend von einem definierten Anfangswert (KL₀) für eine neuwertige Speicherbatterie im Betrieb der Speicherbatterie, wobei c) für jeden Zeitschritt (Δt) aus dem aktuellen Zustand der Speicherbatterie, der durch den Ladezustand der Elektroden, die Elektrolytkonzentration in der Speicherbatterie und die erste und zweite Kennzahl (KS, KL) gekennzeichnet ist, die erste Kennzahl (KS) und die zweite Kennzahl (KL) in Abhängigkeit von dem Ladungsdurchsatz (ΔQ) angepasst wird und mindestens eine Kenngröße aus der ersten und zweiten Kennzahl (KS, KL) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der folgenden Betriebsphasen bei der Anpassung der ersten und zweiten Kennzahl (KS, KL) unterschieden werden: a) STROMLOS, wenn der Betrag des Ladungsdurchsatzes (ΔQ) pro Zeitschritt (Δt) kleiner als ein Schwellwert ((ΔQ/Δt)_min) ist; b) ENTLADUNG, wenn der Ladungsdurchsatz (ΔQ) pro Zeitschritt (Δt) negativ und betragsmäßig größer als der Schwellwert ((ΔQ/Δt)_min) ist; c) LADUNG, wenn der Ladungsdurchsatz (ΔQ) pro Zeitschritt (Δt) positiv und betragsmäßig größer als der Schwellwert ((ΔQ/Δt)_min) ist und keine ÜBERLADUNG vorliegt; d) ÜBERLADUNG, wenn der Ladungsdurchsatz (ΔQ) pro Zeitschritt (Δt) positiv und betragsmäßig größer als der Schwellwert ((ΔQ/Δt)_min) ist und gleichzeitig die erste Kennzahl (KS) bezogen auf den Wertebereich in der Nähe des Anfangswertes (KS₀) liegt, oder wenn aus dem Ladungsdurchsatz (ΔQ) und dem Ladezustand (SOC) der Speicherbatterie eine Gasentwicklung erkannt wird, die einen definierten Gasungs-Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (ΔQ_min) kleiner als der 20-stündige Strom (I₂₀) der Speicherbatterie ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (ΔQ_min) kleiner als der 100-stündige Strom (I₁₀₀) der Speicherbatterie ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand LADUNG die erste Kennzahl (KS) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand LADUNG die zweite Kennzahl (KL) erhöht wird, wenn a) die erste Kennzahl (KS) bezogen auf ihren möglichen Wertebereich nicht nahe dem Anfangswert (KS₀) ist und b) die Summe des Wertes für den Ladezustand (SOC) und der zweiten Kennzahl (KL) bezogen auf den möglichen Wertebereich einen nicht zu hohen Wert aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand LADUNG die zweite Kennzahl (KL) erniedrigt wird, wenn a) die erste Kennzahl (KS) bezogen auf ihren Wertebereich nicht nahe dem Anfangswert (KS₀) ist und b) die Summe des Wertes für den Ladezustand (SOC) und der zweiten Kennzahl (KL) bezogen auf Ihren Wertebereich einen hohen Wert aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand ÜBERLADUNG die erste Kennzahl (KS) vermindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand ÜBERLADUNG die zweite Kennzahl (KL) vermindert wird, wenn der Wert der ersten Kennzahl (KS) im Bereich des Anfangswertes (KS₀) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand ENTLADUNG die zweite Kennzahl (KL) erhöht wird, wenn die erste Kennzahl (KS) bezogen auf ihren Wertebereich einen hohen Wert aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand ENTLADUNG die erste Kennzahl (KS) erhöht wird, wenn a) die zweite Kennzahl (KL) bezogen auf ihren Wertebereich nicht nahe dem Anfangswert (KL₀) ist und b) der Wert des Ladezustandes (SOC) vermindert um den Wert der zweiten Kennzahl (KL) bezogen auf den Wertebereich klein ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand ENTLADUNG die erste Kennzahl (KS) erniedrigt wird, wenn a) die zweite Kennzahl (KL) bezogen auf ihren Wertebereich einen erheblichen Wert aufweist, und b) der Wert des Ladezustandes (SOC) vermindert um den Wert der zweiten Kennzahl (KL) bezogen auf den Wertebereich einen Mindestwertebereich überschreitet und nicht zu klein ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand STROMLOS die erste Kennzahl (KS) vermindert und die zweite Kennzahl (KL) erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand ENTLADUNG die erste Kennzahl (KS) erhöht wird, wenn der aktuelle Wert für den Ladezustand (SOC) niedriger als der bisher niedrigste Wert für den Ladezustand (SOC) seit dem letzten Erreichen a) eines Zustandes der weitgehenden Volladung oder b) eines Zustandes ist, in dem die erste Kennzahl (KS) bezogen auf den Wertebereich nahe dem Anfangswert (KS₀) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand ENTLADUNG die erste Kennzahl (KS) erhöht wird, wenn die erste Kennzahl (KS) bezogen auf den Wertebereich nahe dem Anfangswert (KS₀) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung (ΔKS) der ersten Kennzahl (KS) für jeden Zeitschritt (Δt), in dem der Betriebszustand LADUNG erkannt wurde, proportional oder überproportional mit dem Ladungsdurchsatz (ΔQ) in diesem Zeitschritt (Δt) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand LADUNG die Erhöhung (ΔKS) der ersten Kennzahl (KS) für den Zeitschritt (Δt) umso kleiner ist, je höher der Wert der Kennzahl (KS) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitschritt (Δt) maximal in der Größenordnung einer für den Speicherbatterietyp charakteristischen Zeitkonstanten für den Ausgleich von Elektrolytdichteverteilungen senkrecht zu den Elektroden liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitschritt (Δt) in einem Bereich von 1 sec bis 30 min liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der jeweiligen Zeitschritte (Δt) der Strom (I) der Speicherbatterie weitgehend konstant ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Festlegen eines unteren Minimalwertes und/oder eines oberen Maximalwertes für die erste Kennzahl (KS) und/oder die zweite Kennzahl (KL) und Beschränken der Werte für die Kennzahlen (KS, KL) auf die jeweils festgelegten Minimal- und/oder Maximalwerte.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert der ersten Kennzahl (KS) der definierte Anfangswert (KS₀) für eine neuwertige Speicherbatterie ist und vorzugsweise Null beträgt.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimalwert der zweiten Kennzahl (KL) der definierte Anfangswert (KL₀) für eine neuwertige Speicherbatterie ist und vorzugsweise Null beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert für die erste Kennzahl (KS) eine Kenngröße für die Speicherbatterie bei einer maximal ausgeprägten Schichtung der Elektrolytkonzentration ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Maximalwert für die zweite Kennzahl (KL) eine Kenngröße für die Speicherbatterie bei einer maximal ausgeprägten Schichtung des Ladezustandes der Elektroden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Berechnung einer Kennlinie der Ruhespannung (U₀₀) über den Ladungsdurchsatz (ΔQ) aus der ersten und/oder zweiten Kennzahl (KS, KL) zur Vorhersage des Zustandes, des Verhaltens oder der Leistungsfähigkeit des Energiespeichers, insbesondere zur Vorhersage der entladbaren Ladungsmenge, der Spannungsänderung bei einer Änderung der elektrischen Last oder der absoluten Spannungslage bei einer angenommenen elektrischen Last.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vorhersage des Zustandes, des Verhaltens oder der Leistungsfähigkeit des Energiespeichers, insbesondere zur Vorhersage der Speicherfähig keit, des Ladezustands, der entladbaren Ladungsmenge, des Spannungsverhaltens bei Belastung mit Strömen, des Spannungsverhaltens im lastfreien Zustand, des Verschleißgrades, der Spannungsänderung bei einer Änderung der elektrischen Last oder der absoluten Spannungslage bei einer angenommenen elektrischen Last unter Nutzung eines funktionalen Zusammenhanges unter Berücksichtigung des Wertes der ersten Kennzahl (KS) und der zweiten Kennzahl (KL).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vorhersagen der Änderung der Ruhespannung (U₀₀) als Funktion der Zeit (t) aufgrund innerer Umladungsprozesse zwischen Bereichen der Speicherbatterie mit unterschiedlichen Elektrolytkonzentrationen mit einem vorgegebenen oder erlernten, vorzugsweise temperaturabhängigen Zusammenhang der Ruhespannung (U₀₀), der ersten Kennzahl (KS) und der zweiten Kennzahl (KL).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betriebszustand ÜBERLADUNG eine dritte Kennzahl (KW) erhöht wird, wobei die dritte Kennzahl (KW) ausgehend von einem Anfangswert (KW_min), vorzugsweise KW_min gleich Null, nur ansteigen kann und nie vermindert wird, und wobei die dritte Kennzahl (KW) als ein Maß für den Verschleiß der Speicherbatterie dient.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der ersten, zweiten und dritten Kennzahlen (KS, KL, KW) angezeigt wird, beispielsweise als Wartungshinweis oder Austauschhinweis oder zur Auslösung einer Maßnahme genutzt wird, wie beispielsweise zur Regelung einer Ladeeinrichtung, Pumpe oder Temperiereinrichtung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der erhaltenen Kennzahlen (KS, KL, KW) mit einem anderen Verfahren zur Bestimmung oder Vorhersage des Zustandes und/oder des Verhaltens einer Speicherbatterie, vorzugsweise zur Vorhersage der Speicherfähigkeit, des Ladezustands, des Spannungsverhaltens bei Belastung mit Strömen oder des Verschleißgrades verknüpft wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verknüpfung mit einem anderen Verfahren auch Ergebnisgrößen dieses anderen Verfahrens in die Bestimmung der Kennzahlen (KS, KL, KW) einfließen.
Überwachungseinrichtung für eine Speicherbatterie mit einer Einheit zur Bestimmung des Ladungsdurchsatzes (ΔQ) der Speicherbatterie und mit Auswertemitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertemittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorzugsweise durch Programmierung einer Mikroprozessoreinheit ausgebildet sind.