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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Ruhespannung
einer Speicherbatterie.
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Für einige
Funktionen zur Ermittlung und Vorhersage des Zustands einer Speicherbatterie,
wie beispielsweise die Prädiktion
der Leistungsfähigkeit, die
Verlustkapazität,
die Säureschichtung
usw. kann als Eingangsgröße die Ruhespannung
bzw. der Ladezustandswert SOC benötigt werden. Der Ladezustandswert
SOC kann durch eine Lade-/Entlade-Strombilanzierung bestimmt werden.
In längeren Betriebsphasen
driftet der solchermaßen
ermittelte Ladezustandswert SOC von dem tatsächlichen Ladezustand weg. Deshalb
wird ab und zu eine Rekalibrierung benötigt. Diese Rekalibrierung
kann bei voll geladener Batterie oder in ausreichend langen Ruhephasen
anhand der sich einstellenden Ruhespannung vorgenommen werden. Ein
Problem tritt dadurch auf, dass eine Fahrzeugbatterie nie voll geladen
wird und auch meistens keine ausreichend langen Ruhephasen (bei
tiefen Temperaturen bis zu 48 Stunden) vorliegen, so dass die gemessene
Batteriespannung nicht der Ruhespannung entspricht.
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In
der
DE 101 28 033
A1 ist ein Verfahren zur Vorhersage der äquilibrierten
Ruhespannung eines elektrochemischen Energiespeichers beschrieben, bei
dem durch Extrapolation bereits zu einem frühen Zeitpunkt auf die sich
einstellenden Ruhespannung geschlossen werden kann. Hierzu werden
Ruhephasen von 4 Stunden und mehr benötigt. Nachteilig sind Ruheströme von bis
ca. –50
mA erlaubt. Zu einem ersten frühen
Zeitpunkt von etwa 2 Stunden wird die unbelastete Spannung gemessen
und von diesem Wert der omsche Anteil abgezogen. Hierdurch kann ein
erster Ladezustandswert SOC bestimmt werden. Da in den Ruhephasen
auch ein Ruhestrom fließt, wird
insgesamt auch die Polarisation berücksichtigt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der
Ruhespannung einer Speicherbatterie zu schaffen, das in verschiedenen
Betriebssituationen (Ruhestrom, Ruhezeiten) eine noch genauere Ermittlung
der Ruhespannung ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird mit dem gattungsgemäßen Verfahren
erfindungsgemäß gelöst durch
Bestimmen von Betriebsparametern der Speicherbatterie in der Ruhephase
und Bestimmen der Ruhespannung mit jeweils einer in Abhängigkeit
von den Betriebsparametern ausgewählten Ruhespannungsermittlungsroutine.
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Es
wird somit vorgeschlagen, in Abhängigkeit
von den Betriebsparametern, d. h. der jeweils vorliegenden Betriebssituation,
ein geeignetes Verfahren zur Ruhespannungsermittlung zu nutzen.
Beispielsweise wird je nach Ruhestrom und/oder Ruhezeit eine optimierte
Routine zur Ruhespannungsermittlung genutzt, wobei diverse Korrekturen
beispielsweise für
den Fall hoher Ruheströme
eingeführt
werden könne.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die aktuelle Ruhezeit und der Ruhestrom der Batterie
als Betriebsparameter bestimmt und die Ruhespannungsermittlungsroutine
in Abhängigkeit
von diesen Betriebsparametern ausgewählt wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn zunächst der
Ladezustand der Deltakapazität
der Speicherbatterie als Betriebsparameter bestimmt wird. Die Ladung
der Deltakapazität
kann beispielsweise nach der Formel Q(k)=Cδ·UPol(k)/3600Ah/s ermittelt werden. Dann kann
bei Entladung der Deltakapazität
in Abhängigkeit
von der Ruhezeit eine Auswahl der Ruhespannungsermittlungsroutine
erfolgen. Wenn die Deltakapazität
nicht entladen ist, kann in Abhängigkeit
von dem Ruhestrom eine Auswahl der geeigneten Ruhespannungsermittlungsroutine
erfolgen.
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Vorzugsweise
wird die Ruhespannung mit einer die Polarisation der Speicherbatterie
berücksichtigenden
Ruhespannungsermittlungsroutine bestimmt, wenn die aktuelle Ruhezeit
größer als
2 Stunden und die Deckelkapazität
entladen ist. Hierzu kann die Ruhespannung beispielsweise nach der
Beziehung U00=UBatt-Ri·IBatt-UPol,2 mit
der Batteriespannung UBatt, dem Innenwiderstand R;
der Batterie, dem Batteriestrom IBatt und
der Polarisationsspannung UPol,2 bestimmt
werden.
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Die
Polarisationsspannung UPol,2 kann nach der
Formel UPol,2=(1,271·IBatt+2,281·IBatt 2+1,293·IBatt 3)·(1-0,0116·TBatt[°C])mit
der Batterietemperatur TBatt[°C] bestimmt
werden.
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Für den Fall,
dass die Deltakapazität
entladen ist und die aktuelle Ruhezeit weniger als 2 Stunden beträgt, sowie
für den
Fall, dass die Deltakapazität
nicht entladen ist und der absolute Batteriestrom mehr als 200 mA
beträgt
(–500
mA < IBatt < –200 mA) wird
die Ruhespannung vorzugsweise mit einer den auf die Säurekapazität der Speicherbatterie
bezogenen Ladezustand berücksichtigenden
Ruhespannungsermittlungsroutine bestimmt. Dies kann beispielsweise
mit der Beziehung U00=(SOC0(Q0)-q/Q0)·(U00,max-U001,min)+U00,min mit einer für den Speicherbatterietyp definierten
minimalen Ruhespannung U00,min und maximalen
Ruhespannung U00,max, der Ladebilanz q und
der Säurekapazität Q0 erfolgen. Diese Ruhespannungsermittlung führt den
Ladezustandswert SOC über
eine Stromintegration nach, d. h. vorzugsweise wird die Ladebilanz
Q durch Integration des Batteriestroms ermittelt.
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Für den Fall,
dass die Deltakapazität
nicht entladen ist und der Entlade-Bateriestrom einen Wert von –200 mA
nicht überschreitet
(–200
mA < IBatt < 0 mA), wird die
Ruhespannung vorzugsweise durch Extrapolation von zu verschiedenen
Zeitpunkten t in der Ruhephase ermittelten Ruhespannungswerten bestimmt.
Dabei wird vorzugsweise, wenn die Ruhezeit größer als 4 Stunden und der Entlade-Batteriestrom
größer als –50 mA ist
(–200
mA < IBatt < –50 mA),
eine Extrapolation der Ruhespannung in Abhängigkeit von einer definierten
Polarisationsspannung durchgeführt.
Die Polarisationsspannung wird dabei vorzugsweise von der durch
Estrapolation ermittelten Ruhespannung subtrahiert.
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Für den Fall,
dass der Entlade-Batteriestrom im Bereich von 0 bis –50 mA liegt
und die Deltakapazität
nicht entladen ist, wird die Ruhespannung beispielsweise mit dem
in der
DE 101 28 033
A1 beschriebenen Extrapolationsverfahren ohne weitere Korrektur
der Polarisation bestimmt.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Ermittlung der Ruhespannung grundsätzlich in
Abhängigkeit
von der Batterietemperatur durchgeführt wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt:
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1 -einen
Entscheidungsbaum zur Auswahl von Ruhespannungsermittlungsroutinen
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die 1 lässt einen
Entscheidungsbaum zur Auswahl von Ruhespannungsermittlungsroutinen gemäß der vorliegenden
Erfindung erkennen.
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In
einem ersten Schritt a) wird untersucht, ob die Deltakapazität Cδ geladen
oder entladen ist. Hierzu wird die Ladung Q(k) der Deltakapazität Cδ beispielsweise
nach der Formel Q(k)=Cδ·UPol,1[k]/3600[Ah/s]berechnet. Die Deltakapazität Cδ beträgt für Bleiakkumulatoren
typischerweise 4000 F.
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Die
Polarisationsspannung UPol,1 berechnet sich
hierbei durch UPol,1[k]=UBatt[k]-U00[k-1]-Ri[k-1]·1Batt[k].
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Dabei
ist UBatt[k] die zum Messzeitpunkt k gemessene
Batterieklemmenspannung. U00[k-1] ist die aus der
vorangegangenen Ruhephase oder Betriebsphase ermittelte Ruhespannung
U00. Ri[k-1] ist
der aus der vorangegangenen Ruhephase oder Betriebsphase ermittelte
Innenwiderstand der Batterie und IBatt[k]
ist der beispielsweise an den Klemmen gemessene Batteriestrom.
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Für den Fall,
dass im Schritt a) festgestellt wird, dass die Deltakapazität Cδ entladen
ist, d. h. wenn Q[k]<0Ah
ist, wird die Ruhezeit tRuhe, d. h. die Dauer
der aktuellen Ruhephase ausgewertet und für den Fall, dass die Ruhezeit
tRuhe größer oder
gleich 2 Stunden ist, die Ruhespannung U00 unter
Berücksichtigung
der Polarisationsspannung UPol, 2 nach
der Beziehung U00=UBatt-Ri·IBatt-UPol,2 bestimmt
(Verfahren 1), wobei UBatt die Batterieklemmenspannung,
IBatt der Batterieklemmenstrom und Ri der Innenwiderstand ist. Die Polarisationsspannung UPol,2 berechnet sich für Bleiakkumulatoren beispielsweise
nach der Formel UPol,2=(1,271·IBatt+2,281·IBatt 2+1,293·IBatt 3)·(1-0,0116·TBatt[°C]).
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Der
Entladestrom IBatt wird hierbei mit negativem
Vorzeichen in die Gleichung eingesetzt.
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Wird
im Schritt b) festgestellt, dass die Ruhezeit kleiner als 2 Stunden
ist, erfolgt eine Bestimmung der Ruhespannung U00 durch
Nachführung
des Ladeszustandswertes SOC über
eine Stromintegration (Verfahren 2). Hierzu wird beispielsweise
der auf die Säurekapazität Q0 bezogene Ladezustand SOC (Q0) im
Betriebsmodus über
den aus der Ruhespannung U00 ermittelten
Anfangsladezustand SOC0(U00(UBatt=25°C))
und die Ladebilanz n nach der Formel SOC(Q0)=SOC0(U00(TBatt=25°C))+q/Q0 berechnet. Der Anfangsladezustand SOC0(U00(TBatt=25°C)) wird
beispielsweise nach der Beziehung SOC0(U00(TBatt=25°C))=(U00(TBatt=25°C)-U00,min(TBatt=25°C))/(U00,max(TBatt=25°C)-U00,min(TBatt=25°C))bestimmt.
Für den
Fall von leeren (AGM-)Batterien mit einer Anzahl von 6 Zellen bei
25°C beträgt die minimale
Ruhespannung U00,min(TBatt=25°C)=6·1,90 Volt=11,40
Volt.
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Die
maximale Ruhespannung U00,max der vollen
(AGM-)Batterie mit 6 Zellen bei 25°C beträgt U00,max(TBatt=25°C)=6·2,1416
Volt=12,85 Volt.
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Die
Ruhespannung U00 berechnet sich dann zu: U00 = SOC(Q0)·(U00,max – U00,min) + U00,min.
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Die
Bestimmung der Ruhespannung U00 mit Hilfe
der Nachführung
des Ladezustandswerts SOC über
die Stromintegration (Verfahren 2) erfolgt auch, wenn im Schritt
a) festgestellt wird, dass die Deltakapazität Cδ nicht
entladen ist und der Entlade-Batteriestrom
IBatt im Bereich von –200 bis –500 mA liegt.
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Für den Fall,
dass im Schritt a) festgestellt wird, dass die Deltakapazität Cδ nicht
entladen ist (Q[k]>0
Ah) und der Entlade-Batteriestrom IBatt kleiner als –200 mA
(IBatt> –200 mA)
ist (Schritt c)), erfolgt die Ermittlung der Ruhespannung durch
Extrapolation der Batterieklemmenspannung UBatt (Verfahren
3 und 4). Dabei wird der Einfluss des Ruhestroms IBatt auf die
Batteriespannung UBatt durch eine Korrekturfunktion
berücksichtigt.
So wird mit Hilfe dieser Korrektur aus der gemessenen Batteriespannung
UBatt und dem gemessenen Ruhestrom IBatt die korrespondierende Ruhespannung U00 der Speicherbatterie (ruhestromfrei) berechnet.
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Würde die
Batterie unmittelbar vor der Ruhephase geladen, kann der Einschwingvorgang
der Batteriespannung U
Batt auf die stationäre Ruhespannung
U
00 abhängig
vom Ladezustand SOC und der Temperatur T
Batt der
Batterie unter Umständen
einige Stunden bis Tage dauern. In diesem Falle wird die Ruhespannung
U
00 durch Extrapolation der während der
Ruhephase in bestimmten Zeitabständen
gemessenen Bateriespannung U
Batt berechnet.
Für Ruheströme bis –50mA ist
ein solches Verfahren (Verfahren 3) in der oben genannten
DE 101 28 033 A1 ausführlich beschrieben.
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Die
Extrapolationsformel geht von fest vorgegebenen Messzeitpunkten
tRuhe, I=1..5=2 Stunden, 4 Stunden, 8 Stunden,
16 Stunden und 24 Stunden aus. Zu Beginn der Ruhephase ist tRuhe=0 Stunden. Die Ruhespannung U00 wird jeweils aus der aktuell gemessenen
Bateriespannung UBatt(tRuhe,i)
und der zum vorhergehenden Messzeitpunkt gemessenen Batteriespannung
UBatt(tRuhe,i-1)
sowie der aktuellen Batterietemperatur TBatt(tRuhe,i) ermittelt. Die Batterietemperatur
TBatt wird während der Ruhephase als konstant
vorausgesetzt. Dies ist bei einer thermischen Zeitkonstanten der
Batterie in der Größenordnung
von 10 Stunden berechtigt.
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Die
Extrapolation wird allerdings nur verwendet, wenn die Baterie vor
der Ruhephase geladen wurde. Die Batteriespannung UBatt schwingt
in diesem Fall von „oben" her ein. Anderenfalls
werden die nach tRuhe=4 Stunden gemessenen
Batteriespannungen direkt als Ruhespannung U00 übernommen.
Ab einer Ruhephasendauer von tRuhe=32 Stunden
werden die Batteriespannung UBatt und Batterietemperatur
TBatt im Abstand von 8 Stunden gemessen
und die zu diesem Zeitpunkt gemessenen Batteriespannungen UBatt als Ruhespannungswerte U00 übernommen.
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Sofern
im Schritt c) festgestellt wird, dass der Entlade-Batteriestrom
IBatt > –200 mA
und im Schritt d) festgestellt wird, dass der Entlade-Batteriestrom IBatt im Bereich von 0 bis – 50 mA
liegt sowie die Ruhezeit tRuhe>4 Stunden ist, wird
die Ruhespannung U00 zu den Zeitpunkten
tRuhe,i=2..5 von ungefähr 4 Stunden, 8 Stunden, 16
Stunden und 24 Stunden durch Extrapolation wie folgt ermittelt:
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Verfahren 3a) - nach vorheriger
Ladung der Speicherbatterie:
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UBatt(tRuhe,i-1)>UBatt(tRuhe,i=tRuhe,i=1..5 ≈ 2 Stunden,
4 Stunden, 8 Stunden und 24 Stunden.
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Die
Ruhespannung beträgt
in diesem Fall: U00(tRuhe,I)=UBatt(tRuhe,I)+û·In(tRuhe,i/h)-û/f(TBatt(tRuhe,i))·(K+E/TBatt(tRuhe,i)/C°+273))/(1+a·û) û=-(UBatt(tRuhe,i)-UBatt(tRuhe,i-1))/In(tRuhe,i/tRuhe,i-1) f(TBatt)=0,0393+0,0087583·exp(-(TBatt/C°+4)/16,83)und
den empirisch Ausmessungen bestimmten Konstanten:
E=696,0
K=2,028
a=31,16/Volt.
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Verfahren 3b) - mit vorheriger
Entladung der Speicherbatterie:
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UBatt(tRuhe,i-1)>UBatt(tRuhe,i),tRuhe,i=1..5 ≈ 2 h, 4 h, 16 h und 24 h
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Es
gelten die für
das Verfahren 3a) beschriebenen Formeln, allerdings mit den Konstanten
E=351,86
K=-1,1226
Q=-24,86.
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Verfahren 3c) - mit vorherigem
Laden und Entladen der Speicherbatterie:
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UBatt(tRuhe,i-1)>UBatt(tRuhe,i) und
UBatt(tRuhe,I) und
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UBatt(tRuhe,i-1) ≤ UBatt(tRuhe,i),tRuhe=tRuhe,i=6..N ≈ 32 h, 40
h und 48 h
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Die
Ruhespannung U00 entspricht der zu den Zeitpunkten
gemessenen Batteriespannung: U00(tRuhe,i)=UBatt(tRuhe,i).
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Für den Fall,
dass im Schritt e) festgestellt wird, dass der Ruhestrom IBatt im Bereich von – 50 bis –200 mA liegt wird bei der
Ruhespannungsermittlungsroutine gemäß Verfahren 3) mit Extrapolation zusätzlich noch
die Polarisation berücksichtigt
(Verfahren 4). Die Polarisationsspannung UEXPOL wird
beispielsweise berechnet durch Upol,ex=(1,271·IBatt+2,281·IBatt 2+1,293·IBatt 3)·0,415·(1-0,0263·TBatt[C°]).
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Diese
Polarisationsformel unterscheidet sich von der für das Verfahren 1) beschriebenen
Polarisationsformel Upol,2 durch die Faktoren
0,415 und 0,0263.
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Von
den im Verfahren 3a), 3b) oder 3e) ermittelten Ruhespannungswerten
U00 wird die Polarisationsspannung Upol,ex subtrahiert.
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Für den Fall
von höheren
Ruheströmen
IBatt im betrachteten Bereich von –50 bis –200mA wird
der Batteriestrom in Abhängigkeit
von der Kapazität
entnommen. Dies kann mit einem Kapazitätsspannungsanteil UKap ausgeglichen werden: UKap=1,2/K0·IBatt·tRuhe.
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Dabei
ist K0 die Nennkapazität der Batterie, IBatt der
Ruhestrom und tRuhe die Dauer der Ruhephase.
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Für den Fall
des vorherigen Entladens bestimmt sich die Ruhespannung dann wie
folgt: UBatt(tRuhe,i-1)>UBatt(tRuhe,i),tRuhe,i=1..5 ≈ 2 h, 4 h, 8 h, 16 h und 24 h U00(tRuhe,i)=UBatt(tRuhe,i)+û·In(tRuhe,i/h)-û/f(TBatt(tRuhe,i))·(k+e/(TBatt(tRuhe,i)/C°+273))/(I+a·û)-Upol,ex-UKap mit
E=696,0
K=–2,028
a=31,16/Volt.
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Für den Fall
des vorherigen Ladens, das heißt UBatt(tRuhe,i)≤UBatt(tRuhe,i),tRuhe,i=1..5 ≈ 2 h, 4 h,
8 h, 16 h und 24 hgelten die oben genannten Berechnungsvorschriften, allerdings
mit den Konstanten E = 351,86 K
= –1,1226 Q = –24,86.
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Für den Fall
des vorherigen Ladens und Entladens, das heißt UBatt(tRuhe,i-1)>UBatt(tRuhe,i)und UBatt(tRuhe,i-1)≤UBatt(tRuhe,i),tRuhe=tRuhe,i=6..N ≈ 32 h, 40 h, 48 hberechnet
sich die Ruhespannung aus der um die Polarisationsspannung Upol,ex und die Kapazitätsspannung UKAP verminderte
gemessene Batterieklemmenspannung UBatt(tRuhe,i) wie folgt: U00(tRuhe,i)=UBatt(tRuhe,i)-Upol,ex-UKAP.