DE102005032507B4

DE102005032507B4 - Ultrakondensator-Nutzlebensdauer-Vorhersage

Info

Publication number: DE102005032507B4
Application number: DE102005032507A
Authority: DE
Inventors: James R. Livonia Yurgil
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2004-07-14
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2025-07-13
Also published as: CN1721866A; US20060012378A1; CN100514074C; DE102005032507A1; US7081761B2

Abstract

Verfahren zum Ermitteln der erwarteten Nutzlebensdauer Y_proj eines Ultrakondensators, der mindestens einen EIN-Zeitraum und mindestens einen AUS-Zeitraum einer Dauer Δt erlebt, unter Verwendung seiner gemessenen Spannung V(t) und gemessenen Temperatur T(t), umfassend:
Speichern von Werten von V(t) = V₀, T(t) = T₀ am Beginn des mindestens einen AUS-Zeitraums und V(t) = V_f, T(t) = T_f am Ende des mindestens einen AUS-Zeitraums;
Abtasten und Speichern der Werte V(t), T(t) während des mindestens einen EIN-Zeitraums bei den Zeitpunkten n'·t_s, wobei t_s ein vorgegebenes Zeitintervall ist und n' = 1, 2, 3, ...N_p und N_p > 0 gilt und N = ΣN_p, mit p = Anzahl der EIN-Zeiträume;
Ermitteln von Y_proj auf Basis der gespeicherten Werte für V(t), T(t) durch Auswerten von Gleichungen der folgenden Form: Yproj = (Nts + ΣΔt)/{Σ[ts/Y(V(n·ts), T(n·ts))] + ΣΔt/Yoff} und Yoff = {–[a(Tf – To) + b(Vf – Vo)]·ln(10)}/[1/Yf – 1/Yo] und

Yo = 10(aTo+bVo+c) undY(V, T)...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrische Energiequellen und insbesondere die Vorhersage der restlichen Betriebslebensdauer von elektrischen Ultrakondensator-Energiequellen.
Die JP 08136629 A beschreibt ein Verfahren zur Vorhersage der Nutzungslebensdauer von Batterien, welches auf der Bestimmung der Kapazität einer Batterie durch Messung einer zeitlichen Änderung der Ausgangsspannung der Batterie beruht. Anhand von gemessenen Temperaturdaten der Batterie wird die Kapazität der Batterie bei einer Standardtemperatur berechnet. Der korrigierte Kapazitätswert stellt ein Maß für den Verschleiß der Batterie dar.
Die JP 09219221 A beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Vorhersage der Nutzungslebensdauer von Batterien. Bei diesem Verfahren wird eine Batterie bei konstanter Spannung in einem geladenen Zustand gehalten und gleichzeitig der Ladestrom sowie die Temperatur der Batterie gemessen. Die gemessenen Daten werden mit abgespeicherten Referenzdaten verglichen, um die restliche Nutzlebensdauer der Batterie bestimmen zu können.
Die US 5,552,953 A betrifft ein weiteres Verfahren zur Vorhersage der Nutzungslebensdauer von Batterien. Dieses Verfahren basiert darauf, eine erste elektrische Messgröße zu bestimmen und zu ermitteln, wie lange es dauert, bis diese Messgröße einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Weiterhin wird eine zweite elektrische Messgröße bestimmt und mit einem charakteristischen Wert der zweiten Messgröße verglichen, den diese nach dem vorstehend beschriebenen Zeitraum typischerweise annimmt. Dazu wird auf eine gespeicherte Kennlinie zurückgegriffen. Aus dem Vergleich kann auf die Nutzungslebensdauer und die Kapazität der Batterie geschlossen werden.
Auch die US 2001/0022518 A1 beschreibt ein Verfahren zur Vorhersage der Nutzungslebensdauer von Batterien. Bei diesem Verfahren wird die Zeit, die benötigt wird, um bei einem Ladevorgang mit konstantem Ladestrom einen vorbestimmten Spannungswert zu erreichen, mit dem Zeitpunkt, ab dem das Laden mit konstanter Spannung erfolgt, in Verhältnis gesetzt und durch Vergleich mit gespeicherten Werten zur Bestimmung der Nutzungslebensdauer genutzt. Alternativ kann der Ladestrom zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem vorstehend genannten Zeitpunkt gemessen und zur Bestimmung der Nutzlebensdauer verwendet werden. Zudem ist beschrieben, dass die Bestimmung der Nutzlebensdauer auch durch eine Betrachtung des benötigten Zeitraums zum Abfall des Ladestroms unter einen bestimmten Schwellwert nach Übergang in den Lademodus mit konstanter Spannung möglich ist.
Keines der genannten Verfahren ermöglicht eine Bestimmung der erwarteten Lebensdauer unter Berücksichtigung der Betriebsgeschichte der zu betrachtenden Batterie.
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) – d. h. der erwarteten Lebensdauer – 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.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Ermitteln der erwarteten Lebensdauer unter Berücksichtigung der Betriebsgeschichte einer Ultrakondensator-Leistungsquelle, insbesondere für Ultrakondensatorarten, die für den Fahrzeugantrieb nützlich sind, zu schaffen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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.
Es wird ein Verfahren geschaffen, um eine projizierte Y_proj-Lebensdauer eines Ultrakondensators unter Verwendung seiner gemessenen Spannung V(t) und gemessenen Temperatur T(t) zu ermitteln. Das Verfahren umfasst u. a. das Speichern von Werten von V, T für mindestens zwei Zeitintervalle t_s 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 Y_proj zu erhalten. Bei der Ermittlung von Y_proj werden auch die Werte von V(t), T(t) am Beginn und am Ende des AUS-Zeitraums verwendet. Y_proj wird vorzugsweise durch Integration und/oder Summierung von Zwischenwerten erhalten.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen:
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;
2 ein vereinfachtes elektrisches schematisches Blockdiagramm der vorliegenden Erfindung gemäß einer ersten Ausführungsform ist;
3 ein Blockdiagramm ähnlich zu 2, jedoch gemäß einer weiteren Ausführungsform ist;
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;
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
6 ein vereinfachter Ablaufplan ist, der das Verfahren der vorliegenden Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform darstellt.
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.
2 zeigt ein vereinfachtes elektrisches schematisches Blockdiagramm eines elektrischen Systems 20 zum Ermitteln der projizierten Lebensdauer eines Ultrakondensators gemäß einer ersten Ausführungsform der vorlie genden 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.
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 C1...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.
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 (V_f, T_f) 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.
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 K_V = [(V_f – Vo)/Δt] und K_T = [(T_f– 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: Yoff = Δt/∫1/[Y(V, T)]dt = Δt/∫[10–(aT(t)+bV(t)+c)]dt [4]
Einsetzen und Kombinieren der Terme ergibt
Durchführen der Integration über das Intervall Δt ergibt: Yoff = {–[a(Tf – To) + b(Vf – Vo)]·ln(10)}/[1/Yf – 1/Yo] [6]wobei
und Yo = 10^(aTo+bVo+c)
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. aK_T + bK_V = 0), dann gilt Y_off = Yo, d. h. derselbe Wert, wie als der Leerlaufzeitraum (AUS-Zeitraum) begann. Es wird angemerkt, dass Y_off ≠ (Yo + Y_f)/2 und dass Y_off ≠ 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 Y_off, 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.
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 t_s 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 Y_exp des Ultrakondensators ist die Summe der anwendbaren Zeitintervalle. Folglich gilt: Yexp = N·ts + ΣΔt [7]wobei N die Gesamtzahl von Intervallen t_s während des EIN-Zeitraums ist und ΣΔt die Summe der AUS-Intervalle ist (der Wert von Δt während jedes AUS-Intervalls kann variieren). Y_exp wird zweckmäßigerweise in Sekunden gemessen, d. h. die Zeiteinheiten, die t_s und Δt zugeordnet sind, aber irgendwelche anderen Zeiteinheiten können auch verwendet werden. Der Wert von Y_exp 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.
Die projizierte Lebensdauer Y_proj des Ultrakondensators wird durch Berechnen eines zeitlich gewichteten Mittelwerts der momentanen erwarteten Lebensdauerwerte Y(V, T) = Y(V(n·t_s), T(n·t_s) in jedem Abtastintervall t_s 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} [10]wobei t_n = n·t_s 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 + ΣQoff [14] zu summieren und zu speichern, d. h., die Summen schrittweise zu berechnen, anstatt die einzelnen Werte zu speichern und sie später zu addieren. Y_proj wird zweckmäßigerweise in Jahren gemessen. Die erwartete restliche Nutzlebensdauer Y_rul ist die projizierte Lebensdauer Y_proj minus der abgelaufenen Lebensdauer Y_exp, d. h. Yrul = Yproj – Yexp [15]
Wenn Y_proj ≤ Y_exp, so dass Y_rul ≤ 0, hat der Ultrakondensator das Ende seiner Nutzlebensdauer im Wesentlichen erreicht.
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) t_s 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) Y_off, Y_proj, Y_exp und Y_rul 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.
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.
5 zeigt ein Diagramm 60 der projizierten Lebensdauer Y_proj (Kurve 66), der abgelaufenen Lebensdauer Y_exp (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 Y_exp, die in der bevorzugten Ausführungsform zur Ausgabe von einem oder mehreren laufenden Zählern oder Uhren proportional ist, nimmt von Y_exp = 0 bei t = 0 Tagen abgelaufener Zeit auf Y_exp = 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 Y_proj 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.
Die durch die Kurve 66 gezeigte projizierte Lebensdauer Y_proj liegt anfänglich bei 10 Jahren bei der abgelaufenen Zeit t = 0 und während des Leerlaufzeitraums (AUS-Zeitraums) 71. Wenn jedoch das Ereignis 63 der ersten starken Verwendung (EIN) für einen Tag stattfindet, fällt Y_proj 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. Y_proj 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 Y_proj 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 Y_exp bringt, die durch die Kurve 64 gezeigt sind. Beim vierten Ereignis 69 starker Verwendung für einen Tag (EIN) fällt die Y_proj-Kurve 66 unter die Y_exp-Kurve 64, was darauf hinweist, dass die projizierte Lebensdauer nun geringer ist als die abgelaufene Lebensdauer und der Ultrakondensator seinen Lebensdauerendzustand erreicht hat, z. B. ist die restliche Nutzlebensdauer Y_rul ≤ 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 Y_rul ≤ 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.
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 t_s Sekunden abgetastet werden, aber dies soll keine Begrenzung darstellen. Somit wird die Zeit t zweckmäßigerweise in Einheiten von t_s gemessen, so dass t = n·t_s, wobei n = 1, 2, 3, ...N. Um zwischen AUS-Zeitintervallen und EIN-Zeitintervallen zu unterscheiden, wird die Schreibweise n_off bzw. n_on verwendet. Dies soll jedoch keine Begrenzung darstellen und ein beliebiges Abtastintervall oder Zeitmessintervall kann verwendet werden. Ein zweckmäßiger Wert von t_s ist etwa eine Sekunde.
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, N_p = 0 ΣΔt = 0, ΣQ_off = 0, ΣP_n = 0, V_o = aktueller Wert von V, T_o = 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.
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)).
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 ΣQ_off, ΣΔt, N_p, ΣP_n, V_o, T_o, 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 = (n_off)·t_s 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 K_V, K_T (siehe Gl. [2]–[3] und zugehöriger Text) ermittelt.
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 Y_off von Y(t) am Ende des gerade beendeten AUS-Zeitraums gleich Y(V_o, T_o) 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 Y_o, Y_f und Y_off ermittelt werden. Die alternativen Ergebnisse der Schritte 122 oder 124 werden einem Schritt 126 zugeführt, in dem die Werte von ΣQ_off, ΣΔt und N wie angegeben ermittelt werden. Nachdem bereits die Werte von n_off (das die Länge Δt des gerade beendeten AUS-Zeitraums misst) verwendet wurden, wird n_off in Schritt 128 zur Vorbereitung auf eine weitere Iteration des Verfahrens 100 auf Null zurückgesetzt. Im anschließenden Schritt 130 werden die Werte von Y_exp, Y_proj und Y_rul wie angegeben und zur Beantwortung der Abfrage 132 ermittelt. Wenn das Ergebnis der Abfrage 132 JA (WAHR) ist, was darauf hinweist, dass Y_rul 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.
Mit Rückkehr nun zur Abfrage 108 und zu Schritt 131, in dem der Kondensator EIN ist und EIN bleibt, dann werden in Schritt 144 t_n, Y_n, ΣP_n und N wie angegeben ermittelt, wobei n = n_on ein Maß für die aktuelle EIN-Zeit vorsieht. Für die Kompaktheit der Darstellung gilt in 6 Y(t_n) = Y(V(t_n), T(t_n)) von Gl. [9]–[12]. Die Werte von t_n, Y_n, ΣP_n und N, die in Schritt 144 ermittelt werden, werden im anschließenden Schritt 130 verwendet, um Y_exp, Y_proj und Y_rul zu ermitteln. Y_rul 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.
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 ΣQ_off, ΣΔt, N_p, ΣP_n, V_o, T_o, die dem Beginn des neuen AUS-Zeitraums zugeordnet sind, wie beispielsweise in NV-MEM 36 oder anderswo gespeichert. Im anschließenden Schritt 150 wird n = n_on 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·t_s, 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.
Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Projizieren der Nutzlebensdauer Y_proj eines Ultrakondensators, der mindestens einen EIN-Zeitraum nach einem AUS-Zeitraum erlebt. Eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens 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 Y_proj u. a. 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. Bei der Ermittlung von Y_proj werden u. a. die Werte von V(t), T(t) am Beginn und am Ende des AUS-Zeitraums verwendet.

Claims

Verfahren zum Ermitteln der erwarteten Nutzlebensdauer Y_proj eines Ultrakondensators, der mindestens einen EIN-Zeitraum und mindestens einen AUS-Zeitraum einer Dauer Δt erlebt, unter Verwendung seiner gemessenen Spannung V(t) und gemessenen Temperatur T(t), umfassend: Speichern von Werten von V(t) = V₀, T(t) = T₀ am Beginn des mindestens einen AUS-Zeitraums und V(t) = V_f, T(t) = T_f am Ende des mindestens einen AUS-Zeitraums; Abtasten und Speichern der Werte V(t), T(t) während des mindestens einen EIN-Zeitraums bei den Zeitpunkten n'·t_s, wobei t_s ein vorgegebenes Zeitintervall ist und n' = 1, 2, 3, ...N_p und N_p > 0 gilt und N = ΣN_p, mit p = Anzahl der EIN-Zeiträume; Ermitteln von Y_proj auf Basis der gespeicherten Werte für V(t), T(t) durch Auswerten von Gleichungen der folgenden Form: Yproj = (Nts + ΣΔt)/{Σ[ts/Y(V(n·ts), T(n·ts))] + ΣΔt/Yoff} und Yoff = {–[a(Tf – To) + b(Vf – Vo)]·ln(10)}/[1/Yf – 1/Yo] und
Yo = 10(aTo+bVo+c) undY(V, T) = 10^(aT+bV+c), wobei a, b und c Konstanten sind und n = 1, 2, 3,...N.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es das Berechnen der abgelaufenen Lebensdauer Y_exp des Ultrakondensators proportional zur abgelaufenen Zeit gemäß der Gleichung Y_exp = N·t_s + ΣΔt und dann das Ermitteln, ob Y_proj ≤ Y_exp ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es das Melden, dass der Ultrakondensator sein Lebensdauerende erreicht hat, wenn Y_proj ≤ Y_exp WAHR ist, umfasst.