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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrische Energiequellen
und insbesondere die Vorhersage der restlichen Betriebslebensdauer
von elektrischen Ultrakondensator-Energiequellen.
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Ultrakondensatoren
sind als primäre
elektrische Energiespeichervorrichtungen für Fahrzeuge und andere Funktionen
von Interesse. In solchen Anwendungen ist es wichtig, die restliche
Nutzlebensdauer der Ultrakondensator-Energiespeichervorrichtung
vorhersehen zu können. 1 zeigt ein Diagramm 10
der momentanen projizierten Lebensdauer Y(T,V) einer Ultrakondensatorzelle
als Funktion der Zellenspannung V für verschiedene Zellentemperaturen
T, wobei die Linie 11 15 °C,
die Linie 12 25 °C,
die Linie 13 35 °C,
die Linie 14 45 °C,
die Linie 15 55 °C
bzw. die Linie 16 65 °C
entspricht. Die Linien 11-16 des Diagramms 10 können ausgedrückt werden
als: Y = (V,T) =
10(aT + bV + c) [1] wobei a,
b und c Konstanten sind. Wenn Y(T,V) in Jahren, V in Volt und T
in °C ausgedrückt wird,
dann sind a = –0,03333333
und b = –3,33333333
und c = 10,1666666666 nützliche
Werte. Obwohl der obige Ausdruck beim Vorsehen eines Schnappschusses
der projizierten Lebensdauer für
eine Vielfalt von spezifischen Zellenbedingungen nützlich ist,
spiegelt er keine projizierte Lebensdauer auf der Basis der kumulativen
Effekte der Betriebsgeschichte wider und stellt auch keine zeitlich
veränderlichen
Zellenbedingungen dar. Ferner definiert weder 1 noch der Ausdruck, den sie darstellt,
das Verfahren zum Vorhersagen der restlichen Betriebslebensdauer
eines Ultrakondensators an irgendeinem aktuellen Zwischenpunkt seiner
Lebensdauer. Somit besteht weiterhin ein Bedarf für ein verbessertes
Mittel und Verfahren zum Vorhersagen der restlichen Lebensdauer
einer Ultrakondensator-Leistungsquelle, insbesondere als Leistungsquelle
für Fahrzeuge.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Mittel und
verbessertes Verfahren zum Ermitteln der projizierten Lebensdauer
einer Ultrakondensator-Leistungsquelle, insbesondere für Ultrakondensatorarten,
die für
den Fahrzeugantrieb nützlich
sind, zu schaffen, wobei das Mittel und das Verfahren automatisch
sein sollten und keine Beteiligung des Fahrzeugbenutzers erfordern
und wobei das System und das Verfahren Informationen über vergangene
Fahrzeugbetriebsbedingungen speichern sollten, so dass deren kumulative
Auswirkung ausgewertet werden kann.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 7
bzw. 11 gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Weitere
Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus
der nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung und den beigefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und dem vorangehenden
technischen Gebiet und Hintergrund ersichtlich.
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Es
wird eine Vorrichtung geschaffen, um die Nutzlebensdauer Yproj eines Ultrakondensators, der mindestens
einen EIN-Zeitraum nach einem AUS-Zeitraum erlebt, zu projizieren. Die
Vorrichtung umfasst Sensoren, die mit dem Ultrakondensator gekoppelt
sind, um dessen Spannung V(t) und Temperatur T(t) als Funktion der
Zeit t zu messen; und ein Messsystem, das mit den Sensoren gekoppelt
ist, wobei das Messsystem V(t), T(t) empfängt und Yproj auf
der Basis zumindest teilweise einer Kombination von Werten der momentanen
Ultrakondensator-Lebensdauer Y(V(t), T(t)) = 10(aT
+ bV + c), wobei a, b und c Konstanten sind, für verschiedene Werte
von t während
zumindest des EIN-Zeitraums berechnet. In einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Messsystem einen nicht-flüchtigen Speicher zum Speichern
von Zwischenwerten von V(t), T(t) und Y(V,T), einen Programmspeicher,
einen temporären
Speicher und eine CPU zum Durchführen
der verschiedenen Berechnungen. Ein E/A koppelt das Messsystem mit
den Sensoren und anderen Fahrzeugsystemen.
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Es
wird ferner ein Verfahren geschaffen, um eine projizierte Yproj-Lebensdauer
eines Ultrakondensators unter Verwendung seiner gemessenen Spannung
V(t) und gemessenen Temperatur T(t) zu ermitteln. Das Verfahren
umfasst das Speichern von Werten von V, T für mindestens zwei Zeitintervalle
ts und das Ermitteln der momentanen Lebensdauer
des Ultrakondensators Y(V,T) = 10(aT + bV + c),
wobei a, b und c Konstanten sind, für die mindestens zwei Zeitintervalle
ts und das Kombinieren der dadurch erhaltenen
Werte von Y(V,T), um zumindest teilweise Yproj zu
erhalten. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Werte
von V(t), T(t) am Beginn und am Ende des AUS-Zeitraums auch beim
Ermitteln von Yproj verwendet. Yproj wird vorzugsweise durch Integration
und/oder Summierung von Zwischenwerten erhalten.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben, in diesen zeigt:
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1 ein
vereinfachtes Diagramm der momentanen vorhergesagten Ultrakondensator-Lebensdauer in
Jahren als Funktion der Zellenspannung in Volt mit der Temperatur
in °C als
Parameter gemäß dem Stand der
Technik ist;
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2 ein
vereinfachtes elektrisches schematisches Blockdiagramm der vorliegenden
Erfindung gemäß einer
ersten Ausführungsform
ist;
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3 ein
Blockdiagramm ähnlich
zu 2, jedoch gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist;
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4 zeigt,
wie die mittlere vorhergesagte Lebensdauererwartung eines Ultrakondensators
sich während
eines Leerlaufzeitraums (z. B. AUS-Zeitraums) als Reaktion auf Änderungen
der Kondensatorspannung und -temperatur ändern kann;
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5 ein
Diagramm der projizierten Lebensdauer, der abgelaufenen Lebensdauer
und der momentanen vorhergesagten Lebensdauer eines Ultrakondensators
(in Jahren) als Funktion der abgelaufenen Zeit (in Tagen) ist, wenn
der Ultrakondensator mehreren beabstandeten Episoden (EIN-Zeiträumen) von
sehr starker Nutzung mit Leerlauf-Zeiträumen (AUS-Zeiträumen) dazwischen
unterzogen wird; und
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6 ein
vereinfachter Ablaufplan ist, der das Verfahren der vorliegenden
Erfindung gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform darstellt.
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Die
folgende ausführliche
Beschreibung ist lediglich von beispielhafter Natur und soll die
Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung nicht
begrenzen. Ferner besteht keine Absicht, an irgendeine ausgedrückte oder
implizierte Theorie, die im vorangehenden technischen Gebiet, Hintergrund,
in der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden ausführlichen
Beschreibung dargestellt ist, gebunden zu sein. Die Worte "Leerlauf' oder "Leerlaufzustand" oder "Leerlaufzeitraum" oder "AUS" werden hierin austauschbar
verwendet, um den Zustand oder Zeitraum anzugeben, in dem keine
signifikante Leistung vom Ultrakondensator entnommen wird, und die
Worte "Betrieb" oder "Betriebszustand" oder "Betriebszeitraum" oder "EIN" werden austauschbar
verwendet, um anzugeben, dass signifikante Leistung vom Ultrakondensator
entnommen wird.
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2 zeigt
ein vereinfachtes elektrisches schematisches Blockdiagramm eines
elektrischen Systems 20 zum Ermitteln der projizierten
Lebensdauer eines Ultrakondensators gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Das System 20 umfasst einen oder
mehrere Ultrakondensatoren C1, Ci ... Cn und Kondensatorzustandssensoren 22-1 ... 22-i ... 22-n,
die die Spannung Vi über
jedem Kondensator C-i und die Temperatur Ti von jedem Kondensator
Ci messen. Für
eine bequeme Erläuterung
wird die Anordnung hinsichtlich eines repräsentativen Kondensators C und
eines repräsentativen
Zustandssensors 22 beschrieben, wobei die Zusatzidentifikation "i" weggelassen wird. Jeder Zustandssensor 22 umfasst
einen Isolationsdifferenzverstärker
und Pegelumsetzer 23 (nachstehend Isolator 23)
mit Differenzspannungseingängen 24,
die über
den Kondensator C gekoppelt sind, und einen Pegelumsetzungsverstärker 27 (nachstehend
Isolator 27) mit einem Eingang 26, der mit dem
Tempera tursensor 25 gekoppelt ist, der thermisch mit dem
Kondensator C gekoppelt ist, um dessen Temperatur zu messen. Der
Ausgang des Isolators 23 auf der Zuleitung oder dem Bus 28 und der
Ausgang des Isolators 27 auf der Zuleitung oder dem Bus 29 sind
mit dem E/A 30 des Messsystems 32 gekoppelt. Der
E/A 30 kann in Abhängigkeit
von der Art der Ausgangssignale aus den Isolatoren 23, 27 ein Analog-Digital-Wandler
(A/D) und/oder ein digitaler Wandler oder Signalumsetzer sein. Beide
Anordnungen sind brauchbar. Das Messsystem 32 umfasst ferner
einen Programmspeicher 34, einen temporären Arbeitsspeicher (RAM) 35,
einen nicht-flüchtigen
Speicher (NV-MEM) 36, einen Prozessor (CPU) 37 und
einen Zeitgeber 38, die miteinander und mit dem E/A 30 über einen
Bus 31 gekoppelt sind. Programmschritte, die beispielsweise
in Verbindung mit dem Ablaufplan von 6 dargestellt
sind, werden im Speicher 34 gespeichert und bewirken, dass
der Prozessor 37 die Schritte des Verfahrens der vorliegenden
Erfindung ausführt.
Der NV-MEM 36 wird verwendet, um Zwischenwerte von verschiedenen
Variablen oder Parametern vorübergehend
zu speichern. Ein Ausgangsbus oder eine Ausgangsverbindung 33 ist
vorgesehen, über
welchen/welche das System 20 die Ergebnisse seiner Auswertung
des Zustands der Kondensatoren C1 ... Ci ... Cn und die vorhergesagte
Lebensdauer und/oder irgendwelche gewünschten Zwischenwerte zu einer
oder mehreren Anzeigen, Alarmfunktionen und/oder anderen Gesamt- oder Überwachungsfahrzeugfunktionen
(nicht dargestellt) übertragen
kann. Die Eingangsverbindung 39 ist so vorgesehen, dass
Einschalt- und Ausschaltsignale beispielsweise vom Zündschalter
(nicht dargestellt) oder von einer anderen Fahrzeug- oder Leistungsquellen-Steuervorrichtung
empfangen werden können.
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3 ist
ein Blockdiagramm eines elektrischen Systems 40 der vorliegenden
Erfindung ähnlich
zu 2, jedoch gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
Das System 40 von 3 ist zum
System 20 von 2 ana log. Die Systeme 20 und 40 unterscheiden
sich darin, dass beim System 20 von 2 mehrere
Kondensatorzustandssensoren 22 den Zustand der verschiedenen
Kondensatoren C1 ... C-n separat messen, welchen sie an das Messsystem 32 melden,
wohingegen im System 40 von 3 ein einzelner
Kondensatorzustandssensor 42 den gemeinsamen Zustand der
Kondensatoren C 1 ... C-n in Reihe misst und die kombinierten Daten
an das Messsystem 32' meldet.
Im Gegensatz dazu, dass die Differenz in der Zellenspannung erfasst
wird, ist der Zustandssensor 42 von 3 zum Zustandssensor 22 von 2 analog
und die Elemente 43-49 des Zustandssensors 42 sind
im Betrieb zu den Elementen 23-39 des Zustandssensors 22 jeweils äquivalent,
deren Erörterung
durch den Hinweis hierin aufgenommen wird. Ebenso sind die Elemente
des Messsystems 32, 32' analog und die Erörterung
in Bezug auf das System 32 von 2 wird durch
den Hinweis hierin aufgenommen. Beide Anordnungen sind brauchbar.
Die folgende Erörterung,
die den Betrieb der Systeme 20, 40 betrifft, gilt
für beide
Anordnungen. Für
eine bequeme Erläuterung
wird angenommen, dass das System 20 von 2 verwendet
wird und dass nur eine einzelne Zelle betrachtet wird. Fachleute
werden auf der Basis der Beschreibung hierin verstehen, dass auch
mehrere Zellen unter Verwendung der Anordnung des Systems 20 oder
des Systems 40 oder einer Kombination der beiden betrachtet
werden können.
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Während ein
Ultrakondensator im Leerlauf (z. B. AUS) ist, wird keine signifikante
Menge an Leistung von diesem entnommen. Trotzdem kann sich seine
erwartete Lebensdauer als Reaktion auf Änderungen seiner Anschlussspannung
V und Temperatur T ändern.
Obwohl die erwartete Lebensdauer unter Verwendung des Systems 20, 40 sogar
während
der Leerlaufzeiträume überwacht
werden kann, ist dies aufgrund der Energieentnahme, die eine solche Überwachung
erfordert, nicht erwünscht.
Folglich ist es erwünscht,
ein System zum Korrigieren der erwarteten Konden satorlebensdauerwerte
auf der Basis nur der V-, T-Werte am Beginn (Vo, To) und am Ende
(Vf, Tf) des Leerlaufzeitraums
und der Dauer (Δt)
des Leerlaufzeitraums bereitzustellen. Es wird erwartet, dass die
Kondensatoranschlussspannung V(t) als Funktion der Zeit t während des
Leerlaufzeitraums aufgrund von Ladungsabfluss abfällt. Die
Temperatur T(t) als Funktion der Zeit kann in Abhängigkeit von
der jüngeren
Kondensatorverwendungsgeschichte und von der Umgebungstemperatur
während
des Leerlaufzeitraums zunehmen oder abnehmen. Somit kann T(t) während des
Leerlaufzeitraums ansteigen oder abfallen.
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Als
Beispiel wird angenommen, dass V(t) und T(t) während des Intervalls Δt linear
abfallen. Dann gilt für
einen beliebigen Zeitwert t während
des Leerlaufzeitraums (AUS-Zeitraums): V(t) = Vo + [(Vf – Vo)/Δt]t = Vo
+ KVt [2] T(t) = To + [(Tf – To)/Δt]t = To
+ KTt [3]wobei
KV = [(Vf – Vo)/Δt] und KT = [(Tf – To)/Δt] Konstanten
sind. Aufgrund der logarithmischen Art der beteiligten Alterungsmechanismen
ist es nicht möglich,
einen repräsentativen
Lebensdauererwartungsterm auf der Basis nur einer einfachen Mittelung
der Leerlaufzustand-Beginn- und -Endbedingungen zu erzeugen. Eine bessere
Darstellung wird durch Berechnen eines repräsentativen Integrals unter
Verwendung der Start- und Stopbedingungen
des Leerlaufzeitraums (AUS-Zeitraums) als Endpunkte für die Integration
erhalten, wie folgt: voff = Δt/∫1/[Y(V,T)]dt
= Δt/∫[10–(aT(t)
+ bV(t) + c)]dt [4]
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Einsetzen
und Kombinieren der Terme ergibt
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Durchführen der
Integration über
das Intervall Δt
ergibt:
Yoff = {–[a(Tf – To)
+ b(Vf – Vo)]·1n(10)}/[1/Yf – 1/Yo] [6]wobei
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Wenn
keine Änderung
der Spannung oder Temperatur während
des Leerlaufintervalls (AUS-Intervalls) Δt besteht oder wenn sich die
Spannungs- und Temperaturänderung
gegenseitig aufheben (z. B. aKT + bKV = 0), dann gilt Yoff =
Yo, d. h. derselbe Wert, wie als der Leerlaufzeitraum (AUS-Zeitraum) begann.
Es wird angemerkt, dass Yoff ≠ (Yo + Yf)/2 und dass Yoff ≠ Y(V(Δt/2),T(Δt/2)). Mit
anderen Worten, der mittlere projizierte Lebensdauererwartungswert,
der sich aus einem Leerlaufzeitraum ergibt, ist nicht der einfache
Mittelwert des Anfangs- und des Endwerts und er kann auch nicht
auf halbem Wege durch den Leerlaufzeitraum gefunden werden. 4 zeigt
die Werte von Yoff, die unter Verwendung
von Gl. [6] erhalten werden, während
eines Leerlaufzeitraums von 10000 Sekunden unter der Annahme eines
linearen Spannungsabfalls von 0,2 Volt und eines Temperaturabfalls
von 10 °C.
Es wird angemerkt, dass die Lebensdauererwartung unter diesen Umständen zunimmt,
da sowohl die abnehmende Spannung, die durch die Kurve 52 gezeigt
ist, als auch die abnehmende Temperatur, die durch die Kurve 54 gezeigt
ist, eine längere
Lebensdauer schaffen, wie durch die Kurve 56 gezeigt.
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Zwei
Zeitintervalle müssen
in Bezug auf den Ultrakondensator betrachtet werden: (i) das (die)
vorstehend erörterte(n)
Leerlauf- oder AUS-Zeitintervall(e) Δt und (ii)
das (die) Betriebs- oder EIN-Zeitintervall(e). Während des Betriebs-EIN-Zeitintervalls
wird der Zustand des Ultrakondensators wünschenswerterweise alle ts Sekunden abgetastet und daher ist die Anzahl
n = 1, 2, 3, ... N von Abtastintervallen ein Maß für die gesamte Betriebszeit
oder EIN-Zeit. Die kumulative abgelaufene Lebensdauer Yexp des
Ultrakondensators ist die Summe der anwendbaren Zeitintervalle.
Folglich gilt: Yexp = N·ts + ΣΔt [7]wobei N die
Gesamtzahl von Intervallen ts während des
EIN-Zeitraums ist und F Δt
die Summe der AUS-Intervalle ist (der Wert von Δt während jedes AUS-Intervalls
kann variieren). Yexp wird zweckmäßigerweise
in Sekunden gemessen, d. h. die Zeiteinheiten, die ts und Δt zugeordnet
sind, aber irgendwelche anderen Zeiteinheiten können auch verwendet werden.
Der Wert von Yexp wird durch das System 20, 40 der
vorliegenden Erfindung unter Verwendung beispielsweise und ohne
Beabsichtigung einer Begrenzung eines Zeitgebers 38 als Zeitmesszähler oder
Uhr bestimmt. Einschalt- oder Ausschaltsignale, die beispielsweise
auf der Leitung 39 (siehe 2-3)
vom Fahrzeugzündschalter
(nicht dargestellt) empfangen werden, identifizieren den Beginn
und das Ende der Betriebszeiträume
und der Leerlaufzeiträume.
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Die
projizierte Lebensdauer Yproj des Ultrakondensators
wird durch Berechnen eines zeitlich gewichteten Mittelwerts der
momentanen erwarteten Lebensdauerwerte Y(V,T) = Y(V(n·ts),T(n·ts) in jedem Abtastintervall ts plus
der Auswirkung irgendwelcher Leerlaufzeiträume (AUS-Zeiträume) folgendermaßen ermittelt: Yproj =
Yexp/Σ[ts/Y(V(n·ts),T(n·ts))] + Σ(Δt/Yoff)} [8]für n = 1,
2, 3 bis N, was umgeschrieben werden kann als Yproj =
Yexp/{Σ[ts/Y(V(tn),T(tn))] + Σ(Δt/Yoff)} und [9] Yproj =
Yexp/{ΣPn + ΣQoff} [1]wobei
tn = n·ts und Pn = [ts/Y(V(tn),T(tn))] und [11] ΣPn = Σ[ts/Y(V(tn),T(tn))] [12]für jedes
n = 1, 2, 3 ...N und Qoff = Δt/Yoff [13]für jeden
AUS-Zeitraum mit der Dauer Δt.
Es ist selbstverständlich,
dass Δt
für jeden
AUS-Zeitraum variieren kann. Es ist zweckmäßig, die Zwischengrößen ΣPn + Σ Qoff [14] zu
summieren und zu speichern, d. h., die Summen schrittweise zu berechnen,
anstatt die einzelnen Werte zu speichern und sie später zu addieren.
Yproj wird zweckmäßigerweise in Jahren gemessen.
Die erwartete restliche Nutzlebensdauer Yrul ist
die projizierte Lebensdauer Yproj minus
der abgelaufenen Lebensdauer Yexp, d. h.
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Yrul =
Yproj – Yexp [15]
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Wenn
Yproj ≤ Yexp, so dass Yrul ≤ 0, hat der
Ultrakondensator das Ende seiner Nutzlebensdauer im Wesentlichen
erreicht.
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Das
Messsystem 32, 32' des
Systems 20, 40 von 2-3 empfängt V(t)- und T(t)-Werte von
den Sensoren 22, 42 und t- und Δt-Werte vom
Zeitgeber 38 (oder von äquivalenten
Zeitgebern oder Uhren anderswo), die Konstanten a, b, c und den
(die) Zeitintervallwert(e) ts vom Speicher 34 und/oder 36,
N-Werte vom Speicher 35 und/oder 36 und vom Eingang 39,
der die EIN/AUS- und AUS/EIN-Übergangssignale
empfängt, und
unter Verwendung der Rechenprogramme, die im Programmspeicher 34 gespeichert
sind, und von Zwischenvariablen, die im RAM 35 und/oder
NV-MEM 36 gespeichert sind, wertet die CPU 37 die
vorstehend beschriebenen Gleichungen aus, um Y(V,T) Yoff,
Yproj, Yexp, und
Yrul zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser
Berechnungen werden wünschenswerterweise
insgesamt oder teilweise an eine Benutzerzustands- oder Diagnoseanzeige
oder einen Monitor (nicht dargestellt) über den Ausgang 33 gemeldet.
Fachleute werden verstehen, welche Lebensdauerwerte es erwünscht ist,
an (eine) solche Zustands- oder -diagnoseanzeige(n) oder einen Monitor
zu melden, was von den Anforderungen des Fahrzeugs und/oder einer
anderen Vorrichtung, die mit dem Ultrakondensator gespeist wird,
abhängt.
Ein Beispiel der Ergebnisse solcher Berechnungen ist in 5 gezeigt.
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Fachleute
werden verstehen, dass das System 20, 40 in der
Lage ist, eine solche Information in graphischer Form, wie z. B.
in 5, oder als digitale Ausgaben oder andere Mittel
in Abhängigkeit
von den Bedürfnissen
des Benutzers, des Wartungstechnikers und/oder Überwachungssystems bereitzustellen.
Folglich soll die Darstellung von 5 beispielhaft
und nicht begrenzend sein.
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5 zeigt
ein Diagramm 60 der projizierten Lebensdauer Yproj (Kurve 66),
der abgelaufenen Lebensdauer Yexp (Kurve 64)
und der momentanen Lebensdauer Y(V,T) (Kurve 62) in Jahren
als Funktion der abgelaufenen Zeit in Tagen für einen Ultrakondensator, der
mehreren beabstandeten Episoden 63, 65, 67, 69 sehr starker
Verwendung mit Leerlaufzeiträumen 71, 73, 75, 77, 79 dazwischen
unterzogen wird. Für
Erläuterungszwecke
wird angenommen, dass die momentane Lebensdauer Y(V,T) anfänglich 10
Jahre ist. Die abgelaufene Lebensdauer Yexp,
die in der bevorzugten Ausführungsform
zur Ausgabe von einem oder mehreren laufenden Zählern oder Uhren proportional
ist, nimmt von Yexp = 0 bei t = 0 Tagen
abgelaufener Zeit auf Yexp = 1 Jahr auf der
Ordinate für
t = 365 Tage abgelaufener Zeit auf der Abszisse linear zu. Zu den
durch die Bezugsziffern 63, 65, 67, 69 angegebenen
Zeitpunkten wird der Ultrakondensator unter Bedingungen, unter denen
Y(V,T) von 10 Jahren auf 0,01 Jahre für einen Zeitraum von einem
Tag abfällt
und dann zu 10 Jahren zurückkehrt,
EIN-geschaltet.
Dies entspricht einer sehr starken Verwendung, die viel größer ist
als das, was wahrscheinlich bei der normalen Verwendung eines Ultrakondensators
angetroffen wird, was jedoch als zweckmäßige Weise zum Darstellen,
wie sich die projizierte Lebensdauer Yproj mit
der Zeit unter einer Kombination von Zeiträumen starker Verwendung (EIN),
die durch Leerlaufzeiträume
(AUS-Zeiträume)
getrennt sind, ändert,
dient. Im Diagramm 60 wurden die seitlichen Abstände der
Kurve 62, wo Y(V,T) sehr scharf für einen Tag von 10 Jahren auf
0,01 Jahre abfällt
und wieder zu 10 Jahren zurückkehrt, übertrieben,
so dass die Änderung
von Y(V,T) leicht zu sehen ist. Während der dazwischenliegenden
AUS-Zeiträume 71, 73, 75, 77, 79 befindet
sich der Ultrakondensator im Leerlauf und es wird angenommen, dass
Y(V,T) konstant bei 10 Jahren liegt.
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Die
durch die Kurve 66 gezeigte projizierte Lebensdauer Yproj liegt anfänglich bei 10 Jahren bei der
abgelaufenen Zeit t = 0 und während
des heerlaufzeitraums (AUS-Zeitraums) 71. Wenn jedoch das
Ereignis 63 der ersten starken Verwendung (EIN) für einen
Tag stattfindet, fällt
Yproj scharf, ungefähr gemeinsam mit Y(V,T), aber
nicht so weit, ab. Am Ende des ersten eintägigen EIN-Zeitraums 63 und
am Beginn des Leerlaufzeitraums 73 kehrt Y(V,T) zu 10 Jahren
zurück.
Yproj erholt sich während des Leerlaufzeitraums
(AUS-Zeitraums) 73 geringfügig, bleibt jedoch immer noch
geringer als ein Jahr. Wenn das zweite Ereignis 65 starker
Verwendung für einen
Tag (EIN) stattfindet und Y(V,T) wieder für einen Tag auf 0,01 Jahre
abfällt,
fällt Yproj erneut und erholt sich dann teilweise
während
des anschließenden
Leerlaufzeitraums (AUS-Zeitraums) 75. Dieser Trend des scharfen
Abfalls und der teilweisen Erholung setzt sich beim dritten Ereignis 67 einer
starken Verwendung für einen
Tag (EIN) und beim anschließenden
Leerlaufzeitraum (AUS-Zeitraum) 77 fort, wobei jeder Abfall
die Kurve 66 näher
an die linear zunehmenden Werte von Yexp bringt,
die durch die Kurve 64 gezeigt sind. Beim vierten Ereignis 69 starker
Verwendung für
einen Tag (EIN) fällt
die Yproj-Kurve 66 unter die Yexp-Kurve 64, was darauf hinweist,
dass die projizierte Lebensdauer nun geringer ist als die erwartete
Lebensdauer und der Ultrakondensator seinen Lebensdauerendzustand
erreicht hat, z. B. ist die restliche Nutzlebensdauer Yrul ≤ 0. An diesem
Punkt meldet das System 20, 40 wünschenswerterweise
diesen Zustand über
den Ausgang 33. Fachleute werden auch verstehen, dass das
System 20, 40 irgendeinen der vom Benutzer, von
der Wartungsperson und/oder vom Überwachungssystem
(nicht dargestellt) gewünschten
Zwischenwerte melden kann und der Betrieb des Systems nicht nur
auf das Melden von Yrul ≤ 0 begrenzt ist. Ferner kann
NV-MEM 36 verwendet werden, um Informationen über die
verschiedenen EIN- und AUS-Zeiträume
und die Lebensdaueränderungen,
die infolgedessen auftreten, für
den späteren
Abruf durch den Benutzer oder eine Wartungsperson oder ein Überwachungssystem
zur Systemleistungsauswertung zu speichern. Dies ist ein spezielles
Merkmal der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise und nicht als
Begrenzung vorgesehen kann ein Mittelwert Y(V,T) während des EIN-Zeitraums
durch periodisches Ermitteln und Speichern einer Summe von momentanen
Werten von Y(V,T) im RAM 35 und dann Dividieren durch die
Anzahl von gesammelten Abtastwerten bestimmt werden. Dies gibt Informationen über den
Effekt, die ein Antriebsplan des Benutzers und eine Lade/Entlade-Strategie
auf die Nutzlebensdauererwartung des Ultrakondensators hat. Fachleute
werden auf der Basis der Beschreibung hierin verstehen, wie diese
und andere Arten von nützlichen
Daten hinsichtlich der Ultrakondensatorverwendung und Änderungen
der Restlebensdauer zu erfassen und zu speichern sind. Der Betrieb
des Systems 20, 40 wird in Verbindung mit dem
in 6 dargestellten Ablaufplan vollständiger verstanden.
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6 ist
ein vereinfachter Ablaufplan, der das Verfahren 100 der
vorliegenden Erfindung gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform
darstellt. Die Abkürzung "N" wird in 6 verwendet,
um ein negatives "NEIN"- oder "FALSCHES" Ergebnis von einer Abfrage anzugeben,
die Abkürzung "J" wird verwendet, um ein positives "JA"- oder "WAHRES" Ergebnis von einer
Abfrage anzugeben, die Abkürzung "EIN" wird verwendet,
um den Zustand anzugeben, in dem signifikante Leistung vom Ultrakondensator
entnommen wird, und die Abkürzung "AUS" wird verwendet,
um den Zustand anzugeben, in dem keine signifikante Leistung vom
Ultrakondensator entnommen wird. Ferner wird für eine bequeme Beschreibung
ange nommen, dass die Spannungs- und Temperaturparameter des Ultrakondensators
alle ts Sekunden abgetastet werden, aber
dies soll keine Begrenzung darstellen. Somit wird die Zeit t zweckmäßigerweise
in Einheiten von ts gemessen, so dass t
= n·ts, wobei n = 1, 2, 3, ...N. Um zwischen AUS-Zeitintervallen und
EIN-Zeitintervallen zu unterscheiden, wird die Schreibweise noff bzw. non verwendet.
Dies soll jedoch keine Begrenzung darstellen und ein beliebiges
Abtastintervall oder Zeitmessintervall kann verwendet werden. Ein
zweckmäßiger Wert
von ts ist etwa eine Sekunde.
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Das
Verfahren 100 beginnt gewöhnlich mit dem START 102,
in dem sich das System 20, 40 in einem Bereitschaftszustand
befindet, in dem es die Kondensatorspannung V und Temperatur T beim
Systemeinschalten messen kann. Zur erstmaligen Initialisierung und
nach einem erzwungenen Rücksetzen
werden die folgenden Startparameterwerte verwendet: Leistungszustand
= EIN, n = 0, Np = 0 ΣΔt = 0, ΣQoff =
0, ΣPn =
0, V0 = aktueller Wert von V, To =
aktueller Wert von T und EOL = FALSCH. Nach der Initialisierung
läuft das
Verfahren 100 im Wesentlichen kontinuierlich, solange Leistung
zum System 20, 40 geliefert wird. Die folgende Beschreibung
nimmt an, dass die Initialisierung bereits stattgefunden hat und
dass das Verfahren 100 zyklisch vom START 102 zur
RÜCKKEHR 142 und
zurück
zum START 102 läuft.
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In
Schritt 104 wird der Zähler
oder Zeitgeber 31 inkrementiert, d. h. n wird zweckmäßigerweise,
aber nicht wesentlich gleich n + 1 gesetzt. Dann wird die Abfrage 106 ausgeführt, in
der der Leistungszustand des Systems festgestellt wird, d. h., ob
sich der Ultrakondensator C in einem EIN-Zustand oder AUS-Zustand befindet. Wenn
das Ergebnis der Abfrage 106 EIN ist, dann wird in der
Abfrage 108 festgestellt, ob der Kondensator C den Zustand
von EIN zu AUS ändert
oder nicht. Wenn das Ergebnis der Abfrage 106 AUS ist,
dann wird die Abfrage 110 ausgeführt, in der festge stellt wird,
ob der Kondensator C den Zustand von AUS zu EIN ändert oder nicht. (Das am Eingang 39 des
Systems 20, 40 erscheinende Signal gibt die Richtung
einer Zustandsänderung
an, z. B. EIN zu AUS oder AUS zu EIN.) Das Verfahren 100 kann
in vier allgemeine Pfade oder eine Folge von Schritten 111, 131, 145, 147 für verschiedene
Umstände
unterteilt werden. Der Pfad 111 mit den Schritten 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124, 126, 128, 130, 132, 138, 140 und 142 behandelt
den Fall, in dem das System anfänglich
AUS ist, sich jedoch von AUS zu EIN ändert. Der Pfad 131 mit
den Schritten 144, 130, 132, 138, 140 und 142 behandelt
den Fall, in dem das System anfänglich
EIN ist und weiterhin EIN bleibt (d. h. die Abfrage 108 EIN
zu AUS ergibt NEIN (FALSCH)). Der Pfad 145 mit den Schritten 146, 148, 150 und 142 behandelt
den Fall, in dem das System anfänglich
EIN ist, aber sich von EIN zu AUS ändert (die Abfrage 106 ergibt
JA (WAHR)). Der Pfad 147 entspricht der Situation, in der
der Kondensator C AUS ist und den Zustand nicht ändert (die Abfrage 110 ergibt
NEIN (FALSCH)).
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Wenn
bei Rückkehr
zur Abfrage 110 das Ergebnis der Abfrage 110 NEIN
(FALSCH) ist, dann geht das Verfahren 100 über (A)
zur RÜCKKEHR 142 weiter.
RÜCKKEHR 142 gibt
an, dass das Verfahren 100 zum Start 102 zurückläuft, solange
Leistung vorhanden ist, um das System 20, 40 zu
betreiben, ansonsten hält
das System 20, 40 in Schritt 142 an.
Wenn das Ergebnis der Abfrage 110 JA (WAHR) ist, was angibt,
dass eine Zustandsänderung
von AUS zu EIN stattfindet oder gleich stattfindet, dann geht das
Verfahren 100 zu Schritt 112 weiter, in dem der
Leistungszustand im Steuersystem 20, 40 auf EIN
gesetzt wird, und zu Schritt 114 weiter, in dem die Werte
von ΣQoff, ΣΔt, Np, ΣPn, Vo, To,
die in Schritt 148 gespeichert werden und den Parameterwerten
am Beginn des nun endenden AUS-Intervalls
entsprechen, im System 20, 40 abgerufen werden.
In Schritt 116 werden der aktuelle Wert von Δt = (noff)·ts und die aktuellen Werte von Vf, Tf, die
dem Ende des aktuellen AUS-Zeitraums zugeordnet sind (die vom AUS-EIN-Übergang
herbeigeführt
werden, der der Abfrage 110 zugeordnet ist), ermittelt.
In Schritt 118 werden die Parameter KV,
KT (siehe Gl. [2]-[3] und zugehöriger Text)
ermittelt.
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In
der Abfrage 120 wird festgestellt, ob die Änderungen
von V(t) und T(t) während
des AUS-Intervalls sich gegenseitig aufheben (d. h. ob die Abfrage 120 WAHR
ist) oder nicht. Wenn das Ergebnis der Abfrage 120 JA (WAHR)
ist, dann wird in Schritt 122 der Wert Yoff von
Y(t) am Ende des gerade beendeten AUS-Zeitraums gleich Y(Vo,To) gesetzt, der
der Wert Y(t) = Y(V(t),T(t)) am Beginn des gerade beendeten AUS-Zeitraums
ist. Wenn das Ergebnis der Abfrage 120 NEIN (FALSCH) ist,
dann geht das Verfahren 100 zu Schritt 124 weiter,
in dem die Werte von Yo, Yf und
Yoff ermittelt werden. Die alternativen
Ergebnisse der Schritte 122 oder 124 werden einem
Schritt 126 zugeführt,
in dem die Werte von ΣQoff, ΣΔt und N wie
angegeben ermittelt werden. Nachdem bereits die Werte von noff (das die Länge Δt des gerade beendeten AUS-Zeitraums
misst) verwendet wurden, wird noff in Schritt 128 zur
Vorbereitung auf eine weitere Iteration des Verfahrens 100 auf Null
zurückgesetzt.
Im anschließenden
Schritt 130 werden die Werte von Yexp,
Yproj und Yrul wie
angegeben und zur Beantwortung der Abfrage 132 ermittelt.
Wenn das Ergebnis der Abfrage 132 JA (WAHR) ist, was darauf hinweist,
dass Yrul Null oder negativ ist und dass
die Bedingung des Kondensatorlebensdauerendes (EOL) erreicht wurde,
wird dies im Schritt 140 EOL = WAHR gemeldet und dann geht
das Verfahren 100 zum ENDE-Schritt 144 weiter.
Wenn das Ergebnis der Abfrage 132 NEIN (FALSCH) ist, was
darauf hindeutet, dass die Bedingung des Lebensdauerendes noch nicht
erreicht wurde, dann wird diese Situation im Schritt 138 EOL=FALSCH
gemeldet und das Verfahren 100 geht zur RÜCKKEHR 142 weiter.
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Mit
Rückkehr
nun zur Abfrage 108 und zu Schritt 131, in dem
der Kondensator EIN ist und EIN bleibt, dann werden in Schritt 144 tn, Yn, ΣPn und N wie angegeben ermittelt, wobei n
= nun ein Maß für die aktuelle EIN-Zeit vorsieht. Für die Kompaktheit
der Darstellung gilt in 6 Y(tn)
= Y(V(tn),T(tn))
von Gl. [9] – [12].
Die Werte von tn, Yn, ΣPn und N, die in Schritt 144 ermittelt
werden, werden im anschließenden
Schritt 130 verwendet, um Yexp,
Yproj und Yrul zu
ermitteln. Yrul wird dann der Abfrage 132 zugeführt. Die
Abfrage 132 und die Schritte 138 oder 140 werden
ausgeführt,
wie bereits beschrieben, und das Verfahren 100 geht zum
ENDE 144, falls EOL = WAHR, und zur RÜCKKEHR 142 (läuft zum
Start 102 zurück),
falls EOL = FALSCH, weiter. Es wird angemerkt, dass in Verbindung
mit den Schritten 131 n nicht zurückgesetzt wird wie in Verbindung
mit den Schritten 111, 145.
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Es
wird wieder zur Abfrage 108 und zu Schritt 145 zurückgekehrt,
wo der Kondensator anfänglich
EIN ist, jedoch einen Übergang
von EIN zu AUS durchführt
oder gleich durchführt
(die Ausgabe der Abfrage 108 ist JA (WAHR)). Im anschließenden Schritt 146 wird
der Leistungszustand des Messsystems 20, 40 auf
AUS gesetzt und in Schritt 148 werden verschiedene Werte ΣQoff, ΣΔt, Np, ΣPn, Vo, To,
die dem Beginn des neuen AUS-Zeitraums
zugeordnet sind, wie beispielsweise in NV-MEM 36 oder anderswo
gespeichert. Im anschließenden
Schritt 150 wird n = non auf Null
gesetzt und das Verfahren 100 geht für die nächste Iteration des Verfahrens 100 zum
RÜCKKEHR-Schritt 142 weiter.
Der Zeitgeber 38 ist zweckmäßig zum Ermitteln von t = n·ts, aber ein beliebiger geeigneter Zeitgeber
oder eine Zeitablauffunktion kann auch verwendet werden. Ein Softwarezeitgeber
ist ein nicht-begrenzendes Beispiel für alternative Mittel zum Vorsehen
einer Zeitablauffunktion.
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Zusammengefasst
betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Projizieren
der Nutzlebensdauer Yproj eines Ultrakondensators,
der mindestens einen EIN-Zeitraum nach einem AUS-Zeitraum erlebt,
werden bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst Sensoren, die mit
dem Ultrakondensator gekoppelt sind, um dessen momentane Spannung
V(t) und Temperatur T(t) als Funktion der Zeit t zu messen, und
ein Messsystem, das mit den Sensoren gekoppelt ist, wobei das Messsystem
V(t), T(t) empfängt
und Yproj auf der Basis zumindest teilweise
einer Kombination von Werten der momentanen Ultrakondensator-Lebensdauer Y(V(t),T(t))
= 10(aT + bV + c), wobei a, b und c Konstanten
sind, für
verschiedene Werte von t berechnet. Das Messsystem umfasst vorzugsweise
einen Programm-, einen temporären
und einen nicht-flüchtigen
Speicher, einen Prozessor, einen Zeitgeber und einen E/A zum Kommunizieren
mit den Sensoren und anderen Fahrzeugsystemen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
werden die Werte von V(t), T(t) am Beginn und am Ende des AUS-Zeitraums
auch bei der Ermittlung von Yproj verwendet.
