DE102007004488B4

DE102007004488B4 - Verfahren zur Bestimmung einer integralen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie nebst zugehöriger Einrichtung, zugehörigem Computerprogramm sowie Batterieüberwachungsgerät

Info

Publication number: DE102007004488B4
Application number: DE102007004488.9A
Authority: DE
Inventors: Jörn Albers; Christian Kuper
Original assignee: Johnson Controls Autobatterie GmbH and Co KGaA
Current assignee: Clarios Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2027-01-20
Also published as: DE102007004488A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer integralen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie, gekennzeichnet durch Ermitteln einer differentiellen Kenngröße für den auf ein aktuelles Zeitintervall bezogenen aktuellen Zustand der Speicherbatterie in Abhängigkeit von den in der Vergangenheit für dieselbe Speicherbatterie bestimmten integralen Kenngrößen derselben Art und mindestens eines weiteren Parameters für eine aktuelle Betriebsbedingung, und Bestimmung der integralen Kenngröße für den aktuellen Zustand der elektrochemischen Speicherbatterie in Abhängigkeit von der für das aktuelle Zeitintervall ermittelten differentiellen Kenngröße.

Description

Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer integralen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Batterieüberwachungsgerät zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer Einheit zur Messung von Betriebsgrößen einer Speicherbatterie und mit einer Recheneinheit.
Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Bestimmung einer Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie sowie ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln.
Mit zunehmender Lebensdauer von wiederaufladbaren Speicherbatterien tritt insbesondere beim Entlade- und Ladebetrieb Verschleiß auf. Neben dem Entlade- und Ladebetrieb gibt es auch andere Betriebsbedingungen, die den Verschleiß insbesondere von elektrochemischen Speicherbatterien beschleunigen. Dazu gehört zum Beispiel beim Bleiakkumulator die gesamte Betriebsdauer, die gesamte seit der Inbetriebnahme verstrichene Zeit einschließlich der Perioden, in denen der Bleiakkumulator nicht elektrisch beaufschlagt wurde.
Weiterhin können erhöhte Temperaturen den Verschleiß während der Perioden ohne elektrische Beaufschlagung und den durch zyklischen Entlade- und Ladebetrieb hervorgerufenen Verschleiß verstärken.
Für den Einsatz von Speicherbatterien ist es erwünscht, den Verschleiß aufgrund von Verlust an Speicherkapazität oder Erhöhung des Innenwiderstandes zu bestimmen. Hierbei stellt jedoch die Komplexität der Vorgänge in einer Speicherbatterie ein Problem dar.
Beispielsweise aus der DE 195 40 827 C2 ist ein empirisches Verfahren zur Bestimmung des Alterungszustandes einer Speicherbatterie bekannt, bei der ein batteriespezifisches Kennfeld der Batteriealterung vorgegeben wird. Anhand des vorgegebenenen Kennfeldes und einer laufenden Messwertüberwachung an der Speicherbatterie werden Alterungsanteile für den jeweils momentanen Batteriezustand ermittelt und die Batteriealterung durch Aufsummieren der ermittelten Alterungsanteile bestimmt.
DE 39 01 680 C3 offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Kaltstartfähigkeit einer Starterbatterie, bei dem der zeitliche Verlauf des Spannungsabfalls an den Anschlussklemmen des elektrischen Anlassers während des Startvorgangs beobachtet und ausgewertet wird. Zusätzlich kann bei laufendendem Verbrennungsmotor ständig die Ladespannung beobachtet und hinsichtlich des Über- oder Unterschreitens vorgegebener Grenzwerte überwacht werden, so dass auch ein Defekt im Regler der Lichtmaschine erkannt werden kann. Eine Aussage über die verfügbare Speicherkapazität der Speicherbatterie kann jedoch nicht getroffen werden.
DE 38 08 559 C2 offenbart ein Verfahren zur Überwachung der Leistungsgrenze einer Starterbatterie, bei dem durch Aufsummieren der zugeflossenen und abgeflossenen Ladungsmenge eine Ladungsmengenbilanz erstellt wird. Hieraus wird in Verbindung mit der Überwachung einer Grenz-Klemmenspannung und der Temperatur der Ladezustand der Starterbatterie bewertet. Auch hier kann keine Aussage über die verbleibende maximale Speicherkapazität des Energiespeichers getroffen werden.
In der DE 102 15 071 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Verschleißes eines elektrochemischen Energiespeichers beschrieben, bei dem der Verlust an Speicherkapazität durch fortlaufende Ermittlung der Ladungsmengen bestimmt wird. Die vorangegangenen Ladungsmengenübertragungen bestimmen den aktuellen Zustand. Die aktuell umgesetzten Ladungsmengen werden – unbeeinflusst durch die Vergangenheit – beispielsweise durch den aktuell fließenden Strom ermittelt.
DE 10 2004 007 904 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Kenngröße für den Zustand einer Speicherbatterie, bei dem zwei Kennzahlen zur Beschreibung der Schichtung der Elektrolytkonzentration und der Schichtung des Ladezustandes verwendet werden. Als Bezugspunkt dient ein definierter Anfangswert für eine neuwertige Speicherbatterie. Zur Berechnung der Kennzahlen werden die bisherigen Betriebsbedingungen mit berücksichtigt. Die Anpassung der Kennzahlen erfolgt unabhängig von dem bisherigen Wert der Kennzahlen beispielsweise in Abhängigkeit von dem Ladungsdurchsatz.
In der DE 2 242 510 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des aktuellen Ladezustands einer Speicherbatterie in Abhängigkeit von einem an die Speicherbatterie, die Batterietemperatur und dem bisherigen Ladezustand angepassten Ladefaktor beschrieben. Eine Verschleißkenngröße wird nicht ermittelt.
US 5650712 A offenbart ein Verfahren zur Erkennung eines verbleibenden Batteriestroms, Batteriespannung und Temperaturkapazität. Durch Aufsummieren der entnommenen Ladungsmengen wird eine maximal entnehmbare Ladungsmenge berechnet. Hierzu wird ein Kennfeld der Ladecharakteristik erstellt und ein akkumulierter Ladefaktor berechnet.
US 6727708 B1 offenbart ein Batterieüberwachungssystem, mit dem die jeweils vom Energiespeicher lieferbare Leistung bestimmt werden kann. Dazu werden die Startphasen eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor ausgewertet, indem während der Startphasen die Spannung am elektrischen Starter gemessen und ausgewertet wird.
In der DE 102 49 921 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Verschleißes einer Speicherbatterie beschrieben, bei dem eine Verschleißgröße für einen Energiespeicher durch die Gesamtanzahl und die Gesamtdauer der bisher erfolgten Tiefentladungen ermittelt wird. Hierzu wird der Ladezustand des Energiespeichers kontinuierlich überwacht.
10 Aus der DE 102 34 032 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Verschleißes eines elektrochemischen Energiespeichers bekannt, das eine Verschleißgröße als eine Summe von temperaturabhängigen Verschleißbeiträgen über die Zeit ermittelt. Hierbei wird eine lineare Zunahme des Verschleißes innerhalb bestimmter Temperaturgrenzen angenommen. Der Verschleiß wird unterhalb einer unteren Temperaturgrenze als konstant oder oberhalb einer Temperaturgrenze als progressiv angenommen. Hierzu wird die Temperatur des Energiespeichers innerhalb von bestimmten Zeitintervallen berücksichtigt. Die Temperatur ist jedoch keine dem Energiespeicher inhärente Eigenschaft, die durch Integration von Temperaturinkrementen bestimmt werden kann. Das Verfahren nutzt somit lediglich den Bezug auf eine alterungbewirkende Temperatur aus.
Weitere elektrochemische Energiespeicher bzw. Verfahren zur Ermittlung eines Zustandes eines elektrochemischen Energiespeichers sind aus den folgenden Druckschriften bekannt: US 2004/0162683 A1 , DE 103 35 930 A1 , DE 10 2004 007 904 A1 , EP 1 469 321 A1 und US 5808445 A .
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bestimmung einer aktuellen Kenngröße über einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie zu schaffen, mit dem der Verschleiß der Speicherbatterie ausreichend genau bestimmt werden kann, auch wenn die Rate der Veränderung der Kenngröße selbst bei ansonsten gleichen Betriebsbedingungen über die Lebensdauer der Speicherbatterie variiert.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Einrichtung zur Bestimmung einer Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie sowie ein entsprechendes Computerprogramm mit entsprechenden Programmcodemitteln und ein Batterieüberwachungsgerät anzugeben.
Im Hinblick auf das Verfahren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1, im Hinblick auf die Einrichtung zur Bestimmung einer Kenngröße wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 13 und im Hinblick auf das Computerprogramm durch den Gegenstand des Patentanspruchs 14 gelöst sowie im Hinblick auf das Batterieüberwachungsgerät durch den Gegenstand des Patentanspruchs 31.
Die Aufgabe wird insbesondere mit dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Bestimmung einer differenziellen Kenngröße für den aktuellen Zustand der Speicherbatterie in Abhängigkeit von den in der Vergangenheit für dieselbe Speicherbatterie bestimmten integralen Kenngrößen derselben Art und mindestens einem weiteren Parameter für eine aktuelle Betriebsbedingung erfolgt.
Im Unterschied zu bisherigen Verfahren werden somit bei der Bestimmung der integralen Kenngröße nicht nur die aktuellen Einflussparameter, wie beispielsweise die aktuelle Klemmenspannung und hiervon abgeleitete Größen, berücksichtigt, sondern zusätzlich auch die durch die Vergangenheit beeinflusste bisherige Kenngröße. Der Einfluss aus der Vergangenheit wird somit nicht, wie bislang üblich, durch Aufsummieren der bisherigen Kenngrößen mit einem aktuellen Wert der Kenngröße berücksichtigt, sondern fließt auch unmittelbar in die differenzielle Kenngröße mit ein.
Aus dieser Kenngröße lassen sich dann mehrere Zustandsparameter der Speicherbatterie vorhersagen, wie beispielsweise die Kaltstartfähigkeit und die verbleibende Speicherkapazität. Hierzu kann dann eine inkrementelle Kenngröße bestimmt werden, durch deren Integration über die Zeit der neue Zustand des Energiespeichers ermittelt wird.
Vorzugsweise erfolgt dann ein

a) Bestimmen von differenziellen Kenngrößen jeweils für ein Zeitintervall in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter für die Betriebsbedingungen im Zeitintervall und von dem aktuellen Wert einer integralen Kenngröße;
b) Aufsummieren der für die Zeitintervalle über die bisherige Lebenszeit bestimmten gewichteten differenziellen Kenngrößen, um den aktuellen Wert der integralen Kenngröße als aktuelle Kenngröße für den aktuellen Zustand der Speicherbatterie zu erhalten, und
c) Fortlaufendes Wiederholen der Schritte a) und b) während der Lebenszeit der Speicherbatterie.

Die differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall wird somit nicht einfach zur Bildung der integralen Größe aufsummiert, die einen Verschleiß gerade kennzeichnet. Vielmehr ist die gebildete differenzielle Kenngröße bereits von der integralen Kenngröße zu diesem Zeitpunkt abhängig. Die differenzielle Kenngröße hängt somit letztlich von allen zeitlich vorher liegenden differenziellen Kenngrößen ab.
Auf diese Weise liefert die Berechnung der Kenngröße für den Zustand der Speicherbatterie ausreichend genaue Ergebnisse, auch wenn die Rate der Veränderung der Kenngröße selbst bei sonst gleichen Betriebsbedingungen nicht unerheblich mit dem aktuellen Wert der Kenngröße, d. h. über die Lebensdauer der Speicherbatterie variiert.
Die Gewichtung der differenziellen Kenngrößen bei dem Aufsummieren kann mit geeignet gewählten Gewichten, aber auch mit dem Wert 1, d. h. im Ergebnis ohne Gewichtung erfolgen.
Die aktuelle Kenngröße bzw. die hiermit vergleichbare differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall kann beispielsweise in Abhängigkeit von mindestens einem der Parameter Batterietemperatur, Batteriespannung, Ladespannung, Batteriestrom oder Ladezustand der Speicherbatterie bestimmt werden. Besonders vorteilhaft ist die Kombination mehrerer dieser Parameter.
Die aktuelle Kenngröße bzw. damit vergleichbare differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall kann optional zu den oben genannten Parametern oder besonders bevorzugt in Kombination hiermit in Abhängigkeit von einem der akkumulierten Parameter bisheriger Kapazitätsverlust, bisheriger Wasserverlust oder bisheriger Anstieg des Innenwiderstands bestimmt werden.
Mit der aktuellen Kenngröße kann beispielsweise der Wasserverlust einer Speicherbatterie bestimmt werden, die einen wasserhaltigen Elektrolyten aufweist. Dies ist insbesondere für verschlossene Bleiakkumulatoren sinnvoll.
Um den Wasserverlust zu bestimmen, kann eine Wasserverlustrate aus dem Quotienten der differenziellen Kenngröße, die den momentanen Wasserverlust für ein Zeitintervall kennzeichnet, und der der Speicherbatterie entnehmbaren Nennkapazität ermittelt werden.
Da die momentane Wasserverlustrate von verschlossenen Bleiakkumulatoren nicht ausschließlich von der Temperatur und den eingeladenen und entnommenen Ladungsmengen abhängt, ist es vorteilhaft, wenn die den momentanen Wasserverlust kennzeichnende differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall weiterhin in Abhängigkeit von einer Grundrate für den Wasserverlust bestimmt wird.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die den momentanen Wasserverlust kennzeichnende differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall in Abhängigkeit von einer exponentiell aus der Batterietemperatur und mindestens einem Temperaturparameter ermittelten Temperaturgröße bestimmt wird, beispielsweise nach der Formel
wobei T die Temperatur und T₀ der Temperaturparameter ist.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die den momentanen Wasserverlust kennzeichnende differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall in Abhängigkeit von einer exponentiell aus der Batterieklemmenspannung, einer Referenzspannung und einer Standardspannung ermittelten Spannungsgröße, beispielsweise nach der Formel bestimmt wird:
mit der Batterieklemmenspannung U, der Referenzspannung U₀ und der Standardspannung U_std.
Die Referenzspannung kann hierbei beispielsweise im Bereich von 0 bis 6 V und vorzugsweise für einen Bleiakkumulator auf 2,27 V pro Zelle festgelegt werden. Die Standardspannung liegt erfahrungsgemäß im Bereich von 0 bis 6 V und beträgt bei einem Bleiakkumulator 2,35 V pro Zelle.
Die den momentanen Wasserverlust kennzeichnende differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall kann beispielsweise in Abhängigkeit von dem Batteriestrom nach der Formel:
bestimmt werden, wobei xI_{_20} = abs(I/120), I der Batteriestrom, I20 der zwanzigstündige Strom und aI₀, aI₁, aI₂, aI₃, aI_{_exp} und bI_{_exp} frei anpassbare Parameter sind.
Der Einfluss des bisherigen Wasserverlustes auf die momentane Rate des Wasserverlusts der Speicherbatterie kann beispielsweise nach der Formel x_WL = 1 + a_WL·e^{(–b_WL·WL_old)} bestimmt werden, wobei a_WL und b_WL frei anpassbare Parameter sind und WL_old den bisherigen Wasserverlust beschreibt.
Die Parameter a_WL und b_WL liegen vorzugsweise im Wertebereich von –100 bis +100 und betragen für einen verschlossenen Bleiakkumulator beispielsweise 0,009 für a_WL und –0,012 für b_WL.
In Entladephasen und/oder Ruhephasen der Speicherbatterie kann die differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall auf Null festgelegt werden, da diese Phasen, wenn überhaupt, nur unwesentlich zum Wasserverlust beitragen. In diesen Phasen hat die Temperatur einen Haupteinfluss auf den Wasserverlust, so dass es vorteilhaft ist, in den Entlade- und/oder Ruhephasen der Speicherbatterie die differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall ausschließlich aus temperaturabhängigen Termen zu berechnen.
In Betriebsphasen, in denen keine Ladespannung an der Speicherbatterie anliegt, kann die Abhängigkeit der differenziellen Kenngröße von der Temperatur für ein Zeitintervall beispielsweise nach der Formel f(T) = aT0 + aT1·(T – Tx) + aT2·(T – Tx)² + aT3·(T – Tx)³ + aT_{_exp}·e^{(bT_exp·(T – Tx))} berechnet werden, wobei T die Batterietemperatur, Tx eine festgelegte Nenntemperatur und aT0, aT1, aT2, aT3, aT_exp und bT_exp frei anpassbare Parameter sind.
Die differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall kann auch in Abhängigkeit vom Ladezustand und dem bisherigen Kapazitätsverlust der Speicherbatterie beispielsweise nach der Formel x_SOC = (SOC/SOC_base)·(100% – QV + QV_offset) berechnet werden, wobei SOC der akutelle Ladezustand, QV der aktuelle bisherige Kapazitätsverlust der Speicherbatterie, SOC_base ein die Ausgangshöhe des Ladezustands kennzeichnender Parameter und QV_offset eine Verschiebung des Bereichs des Kapazitätsverlustes (QV) ist.
Die integrale Kenngröße und/oder die differenzielle Kenngröße für ein Zeitintervall kann bei Überschreitung eines definierten Schwellwertes angezeigt werden, wobei eine kontinuierliche Überwachung der Kenngrößen mit entsprechenden Schwellwerten erfolgt.
Aus der integralen Kenngröße und/oder der differenziellen Kenngröße für ein Zeitintervall kann dann ein Alterungszustand ermittelt werden. In Abhängigkeit von der integralen Kenngröße ist es möglich, die verbleibende Speicherfähigkeit der Speicherbatterie, den aktuellen Innenwiderstand und/oder die aktuelle Kaltstartcharakteristik einer Starterbatterie zu bestimmen. Hierzu muss die integrale Kenngröße lediglich in geeigneter Weise vom Fachmann mit an sich bekannten Methoden verknüpft werden. Zusammenhänge zwischen der integralen Kenngröße und den genannten Zustandsgrößen können auch durch empirische Versuche einer Anzahl von Speicherbatterien gleicher Art ermittelt werden.
In Abhängigkeit von der aktuellen integralen Kenngröße und/oder der differenziellen Kenngröße für ein Zeitintervall kann auch eine den Betrieb und/oder die Wartung der Speicherbatterie betreffenden Maßnahme ausgelöst werden.
Unter Umständen ist es auch sinnvoll, bei der Bestimmung der differenziellen Kenngröße für ein Zeitintervall einen additiven Term hinzuzufügen, dessen Größe von einem Ladeparameter abhängt, der einen Lade- und/oder Entladezyklus charakterisiert. Dieser additive Wert sollte jeweils einmalig nach Erkennen des Endes eines Lade-/Entladezyklusses bzw. Entlade-/Ladezyklusses auf die differenzielle Kenngröße addiert werden. Nach Abschluss einer Phase mit aufeinander folgender Ladung und Entladung bzw. umgekehrt wird dadurch durch eine solche Phase verursachter Einfluss unabhängig von der oben beschriebenen Ermittlung der differenziellen Kenngröße zusätzlich berücksichtigt.
Die Bestimmung der aktuellen Kenngröße kann mit anderen an sich bekannten Verfahren zur Beschreibung des Zustandes von elektrochemischen Speicherbatterien kombiniert werden, insbesondere mit Verfahren zur Bestimmung des Funktions- und/oder Alterungszustandes, die beispielsweise in dem einleitend genannten Stand der Technik beschrieben sind.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Flussdiagramm des Verfahrens zu Bestimmung der aktuellen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie;
2 Diagramm des Verlaufs der momentanen Wasserverlustrate über den bisherigen Wasserverlust für zwei untersuchte Bleiakkumulatoren.
1 lässt ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Bestimmung einer aktuellen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie erkennen.
Für Zeitintervalle Δt wird eine differenzielle Kenngröße ΔWL jeweils für ein Zeitintervall Δt aus dem aktuellen Wert einer integralen Kenngröße WL(t – Δt) und mindestens einem Parameter für die Betriebsbedingung der Speicherbatterie in dem betrachteten Zeitintervall Δt bestimmt. Die Parameter für die Betriebsbedingung der Speicherbatterie in dem Zeitintervall können beispielsweise als Funktion aus den Größen Klemmenspannung U, Klemmenstrom I und Batterietemperatur T bestimmt werden. Aus diesen Größen können ggf. auch weitere Parameter abgeleitet werden.
Die für das Zeitintervall Δt über die bisherige Lebenszeit bestimmten gewichteten differenziellen Kenngrößen ΔWL werden aufsummiert, um einen integralen Wert der integralen Kenngröße WL(t) als Kenngröße für den aktuellen Zustand der Speicherbatterie zu erhalten.
In den Wert der differenziellen Kenngröße ΔWL fließt somit der bisherige Wert einer 30 integralen Kenngröße WL sowie aktuell ermittelte Parameter für die aktuelle Betriebsbedingung der Speicherbatterie ein.
Die Schritte werden dann während der Lebenszeit der Speicherbatterie fortlaufend wiederholt.
2 lässt ein Diagramm der momentanen Wasserverlustrate WVR in [mg/(Ah·h)] über den bisherigen Wasserlust WL_old in Gramm [g] für zwei beispielhaft untersuchte verschlossene Bleibatterien erkennen. Es wird deutlich, dass die momentane Wasserverlustrate WVR der untersuchten verschlossenen Bleibatterien 1 und 2 mit zunehmendem bisherigem Wasserverlust WL_old ansteigt. Die dargestellten Messergebnisse gelten für zwei Bleibatterien verschiedener Baugröße. Der Wasserverlust WL wurde jeweils an derselben Batterie unter identischen Versuchsbedingungen an drei unterschiedlichen Zeitpunkten und damit drei Punkten unterschiedlichen bisherigen Wasserverlusts gemessen. Die Versuche wurden bei einer Batterieklemmenspannung von U = 14,8 V und einer Batterietemperatur von T = 60°C durchgeführt.
Der Beginn der Kurve bei WL_old = 0 g lässt sich auf andere Reaktionen zurückführen, die keine direkte Auswirkung auf den Wasserverlust, wohl aber auf den Massenverlust einer neuen Speicherbatterie haben, zum Beispiel Austritt von CO₂ durch Oxidation organischer Stoffe in der Batterie.
Die Eigenschaft, dass sich die momentane Wasserverlustrate WVR in Abhängigkeit von dem bisherigen Wasserverlust WL_old ändert, wird für das erfindungsgemäße Verfahren ausgenutzt. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die momentane Wasserverlustrate WVR von verschlossenen Bleiakkumulatoren nicht ausschließlich von der Temperatur T und den eingeladenen und entnommenen Ladungsmengen abhängt. Ein wesentlicher Faktor für die Vorhersagbarkeit der momentanen Wasserverlustrate WVR ist der bisherige Wasserverlust, der näherungsweise durch den bisherigen Masseverlust des Bleiakkumulators ausgedrückt werden kann. Der Zusammenhang lässt sich mathematisch wie folgt beschreiben: WVR = x_H₂O·x_U·x_T·x_SOC·x_I·x_WL + f(T) wobei der Faktor x_H₂O einen Grundwert des Wasserverlusts WVR darstellt und x_U bzw. x_T die Abhängigkeit der Wasserverlustrate WVR von der Ladespannung U bzw. von der Batterietemperatur T beschreiben. Der Faktor x_SOC beschreibt die Abhängigkeit vom Ladezustand des Bleiakkumulators sowie eines eventuell vorliegenden Kapazitätsverlusts. Die Abhängigkeit vom Lade-/Entladestrom wird durch den Faktor x_I abgebildet. Der Faktor x_WL stellt den Rückbezug zum bisherigen Wasserverlust WL_old her.
Der Faktor x_WL berechnet sich beispielsweise wie folgt: x_WL = 1 + a_WL·exp(–b_WL·WL_old).
Die Parameter a_WL und b_WL werden an experimentelle Daten angepasst. Für Bleiakkumulatoren ist eine mögliche Parametrisierung insbesondere a_WL = 0,009 und b_WL = –0,012.
WL_old ist der bisherige Wasserverlust der betreffenden Batterie.
Für einen verschlossenen Bleiakkumulator können mit guter Näherung folgende Werte angenommen werden:
x_H₂O = 0,09 mg/Ah/h
T₀ = 5000
U₀ = 13,6 V
U_std = 14,1 V
aT0 = 0
aT1 = 0
aT2 = 0
aT3 = 0
aT_exp = 0,20
bT_exp = 0,072
Tx = 25°C
SOC = 100%
SOC_base = 100%
QV = 0
QV_offset = 0
a_WL = 0
b_WL = 0.
Bei Überschreitung eines festgelegten Schwellenwertes für den Wasserverlust kann eine Warnmeldung ausgegeben werden, die zu einem geänderten Batteriemanagement führt. Beispielsweise kann eine Reduzierung der Ladespannung oder eine Begrenzung des maximalen Ladestroms erfolgen.
Zyklen, die eine Entlade- und eine Ladephase umfassen, können einen separaten Einfluss auf den Wasserverbrauch haben. Ein Zyklus kann dadurch definiert werden, dass auf einen Entladevorgang ein Ladevorgang folgt. Das Zyklenende kann durch das Ende einer Ladephase mit vorhergehender Entladephase erkannt werden. Alternativ können auch andere an sich bekannte Verfahren zur Erkennung eines Zyklus verwendet werden. Im Falle, dass das Ende eines Zyklus erkannt wird, kann ein Term auf die integrale Kenngröße WL addiert werden. Die Größe dieses Terms hängt beispielsweise von der Dauer des Zyklus zyk_dt, der Entladetiefe DOD des Zyklus zyk_dod, der durchschnittlichen Ladespannung zyk_Uave, der maximalen Ladespannung zyk_Umax, dem durchschnittlichen Ladestrom zyk_Iave und/oder dem maximalen Ladestrom zyk_Imax ab. Diese Größen werden beispielsweise wie folgt zur Bildung des bei Zyklenende zusätzlich aufzuaddierenden Wasserverlustinkrements zusammengefasst: WL_zyk = ac_dod·zyk_DOD·exp(dUc_eff/u(Uc_std – Uc_0))·fc_I mit dUc_eff = 0,25·dt_ini/zyk_dt·(zyk_Umax – zyk_Ulow)/(zyk_Umax – zyk_uUave) und fc_I = ac_I·1 + bc_I(zyk_Imax – zyk_Iave)).
Beispielsweise sind folgende Parameterwerte geeignet:
ac_dod = 0 mg/(Ah·Zyklus)
dt_ini = 5 s
zyk_Ulow = 13,0 V
Uc_0 = 13,6 V
Uc_std = 14,1 V.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer integralen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie, gekennzeichnet durch Ermitteln einer differentiellen Kenngröße für den auf ein aktuelles Zeitintervall bezogenen aktuellen Zustand der Speicherbatterie in Abhängigkeit von den in der Vergangenheit für dieselbe Speicherbatterie bestimmten integralen Kenngrößen derselben Art und mindestens eines weiteren Parameters für eine aktuelle Betriebsbedingung, und Bestimmung der integralen Kenngröße für den aktuellen Zustand der elektrochemischen Speicherbatterie in Abhängigkeit von der für das aktuelle Zeitintervall ermittelten differentiellen Kenngröße.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch a) Bestimmen von differenziellen Kenngrößen (ΔWL) jeweils für ein Zeitintervall (Δt) in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter für die Betriebsbedingung im Zeitintervall (Δt) und von dem aktuellen Wert einer integralen Kenngröße (WL); b) Aufsummieren der für die Zeitintervalle (Δt) über die bisherige Lebenszeit bestimmten gewichteten differenziellen Kenngrößen (ΔWL), um den aktuellen Wert der integralen Kenngröße (WL) als Kenngröße für den aktuellen Zustand der Speicherbatterie zu erhalten, und c) fortlaufendes Wiederholen der Schritte a) und b) während der Lebenszeit der Speicherbatterie.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtung mit dem Wert 1 erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Bestimmen der aktuellen Kenngröße und/oder der differenziellen Kenngröße für ein Zeitintervall (Δt) in Abhängigkeit von mindestens einem der Parameter Batterietemperatur (T), Batteriespannung (U), Batteriestrom (I) oder Ladezustand (SOC) der Speicherbatterie.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Bestimmen der aktuellen Kenngröße und/oder der differenziellen Kenngröße für ein Zeitintervall (Δt) in Abhängigkeit von mindestens einem der akkumulierten Parameter bisheriger Kapazitätsverlust, bisheriger Wasserverlust, bisheriger Gewichtsverlust oder bisheriger Anstieg des Innenwiderstands.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Kenngröße den Wasserverlust einer einen wasserhaltigen Elektrolyten aufweisenden Speicherbatterie kennzeichnet.
Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Bestimmen einer Wasser- oder Gewichtsverlustrate (WVR) aus dem Quotienten der den momentanen Wasser- oder Gewichtsverlust für ein Zeitintervall (Δt) kennzeichnenden differenziellen Kenngröße (ΔWL) und der der Speicherbatterie entnehmbaren Nennkapazität (C_Nenn) nach der Formel:
Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, gekennzeichnet durch Bestimmen der den momentanen Wasserverlust kennzeichnenden differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) in Abhängigkeit von einer Grundrate für den Wasserverlust (x_H₂O).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 7, 8, gekennzeichnet durch Bestimmen der den momentanen Wasserverlust kennzeichnenden differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) in Abhängigkeit von einer exponentiell aus der Batterietemperatur und mindestens einem Temperaturparameter ermittelten Temperaturgröße.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Bestimmen der Temperaturgröße (x_T) nach der Formel:
mit der Temperatur T und dem Temperaturparameter T₀.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch Bestimmen der den momentanen Wasserverlust kennzeichnenden differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) in Abhängigkeit von einer exponentiell aus der Batterieklemmenspannung (U), einer Referenzspannung (U₀) oder einer Standardspannung (U_{_STD}) ermittelten Spannungsgröße.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Bestimmen der Spannungsgröße (x_U) nach der Formel:
mit der Batterieklemmenspannung U, der Referenzspannung Uo und der Standardspannung U_{_STD}.
Einrichtung zur Bestimmung einer integralen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie mit einer Recheneinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmcodemittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 eingerichtet ist, wenn das Computerprogramm auf einem Rechner ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (U₀) im Bereich von 0 bis 6 V pro Zelle festgelegt ist und vorzugsweise für einen Bleiakkumulator 2,27 V pro Zelle des Bleiakkumulators beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Standardspannung (U_{_STD}) im Bereich von 0 bis 6 V pro Zelle festgelegt ist und vorzugsweise für einen Bleiakkumulator 2,35 V pro Zelle des Bleiakkumulators beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch Bestimmen der den momentanen Wasserverlust kennzeichnenden differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) in Abhängigkeit von dem Ladestrom (x_I) nach der Formel: x_I = aI0 + aI1·xI_20 + aI2·(xI_20)² + aI3(xI_20)³ + aI_exp·exp(bI_exp·xI_20), wobei xI_20 = abs(I/I20), I der Ladestrom, I20 der zwanzigstündige Strom und aI0, aI1, aI2, aI3, aI_exp und bI_exp frei anpassbare Parameter sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 17, gekennzeichnet durch Bestimmen der differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) in Entladephasen und/oder Ruhephasen der Speicherbatterie ausschließlich aus temperaturabhängigen Termen
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 18, gekennzeichnet durch Festlegen der differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) auf Null in Entladephasen und/oder Ruhephasen der Speicherbatterie.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch Bestimmen des Wasserverlusts (x_WL) der Speicherbatterie nach der Formel: x_WL = 1 + a_WL·e^{(–b_WL·WL_old)} wobei a_WL und b_WL frei anpassbare Parameter sind und WL_old den bisherigen Wasserverlust beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter a_WL und b_WL im Wertbereich von –100 bis +100 liegen und vorzugsweise a_WL = 0,009 und b_WL = –0,012 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 21, gekennzeichnet durch Bestimmen der differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) in Abhängigkeit von der Temperatur in den Betriebsphasen, in denen keine Ladespannung an der Speicherbatterie anliegt, nach der Formel: f(T) = aT0 + aT1·(T – Tx) + aT2·(T – Tx)² + aT3·(T – Tx)³ + aT_exp·e^{((bT_exp)·(T – Tx))} wobei T die Batterietemperatur, Tx eine festgelegte Nenntemperatur und aT0, aT1, aT2, aT3, aT_exp und bT_exp frei anpassbare Parameter sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 22, gekennzeichnet durch Bestimmen der differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) in Abhängigkeit vom Ladezustand (SOC) und dem bisherigen Kapazitätsverlust (QV) der Speicherbatterie nach der Formel: x_SOC = (SOC/SOC_base)·(100% – QV + QV_offset) wobei SOC der aktuelle Ladezustand, QV der aktuelle bisherige Kapazitätsverlust der Speicherbatterie, SOC_base ein die Ausgangshöhe des Ladezustands kennzeichnender Parameter und QV_offset eine Verschiebung des Bereichs des Kapazitätsverlustes (QV) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 23, gekennzeichnet durch Anzeigen der integralen Kenngröße (WL) und/oder der differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) bei Überschreitung eines definierten Schwellwertes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 24, gekennzeichnet durch Ermitteln des Alterungszustandes der Speicherbatterie aus der integralen Kenngröße (WL) und/oder der differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt) und/oder des Quotienten aus integraler Kenngröße (WL) und differenzieller Kenngröße (ΔWL).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 25, gekennzeichnet durch Ermitteln der verbleibenden Speicherfähigkeit, des aktuellen Innenwiderstandes und/oder der aktuellen Kaltstartcharakteristik der Speicherbatterie in Abhängigkeit von der integralen Kenngröße (WL).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 26, gekennzeichnet durch Auslösen einer den Betrieb und/oder die Wartung der Speicherbatterie betreffenden Maßnahme in Abhängigkeit von der aktuellen integralen Kenngröße (WL) und/oder der differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 27, gekennzeichnet durch Bestimmen der differenziellen Kenngröße (ΔWL) für ein Zeitintervall (Δt), weiterhin durch Addition eines additiven Terms, dessen Größe von einem den Lade- und/oder Entladezyklus charakterisierenden Parameter abhängt.
Verfahren nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch Addition des additiven Terms jeweils einmalig nach Erkennen eines Endes eines Lade-/Entladezyklus oder Entlade-/Ladezyklus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 29, gekennzeichnet durch Kombination der Bestimmung der aktuellen Kenngröße mit anderen Verfahren zur Beschreibung des Zustandes von elektrochemischen Speicherbatterien, insbesondere zur Bestimmung des Funktions- und/oder Alterungszustandes.
Batterieüberwachungsgerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 15 bis 29 mit einer Einheit zur Messung von Betriebsgrößen einer Speicherbatterie und mit einer Recheneinheit zur Ermittlung von Parametern für aktuelle Betriebsbedingungen und Bestimmung der integralen Kenngröße für den aktuellen Zustand der Speicherbatterie in Abhängigkeit von in der Vergangenheit für dieselbe Speicherbatterie bestimmten Kenngrößen derselben Art und mindestens einem weiterem Parameter für eine aktuelle Betriebsbedingung.