DE102019000754B4 - Ermittlung der aktuellen Kapazität eines Akkumulators - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Kapazität (KA) eines Akkumulators (2), der einen Kalibrierfaktor (FK) aufweist, bei dem:- a) der Akkumulator (2) für eine erste Totzeit (T1) von Strombelastung freigehalten wird,- b) ein Messstrom (IM) einer konstanten Messfrequenz (FM) in den Akkumulator (2) gespeist wird, und dabei die Akkumulatorspannung als Messspannung (UM) gemessen wird,- c) eine erste komplexe Impedanz (Z1) des Akkumulators (2) aus dem Messstrom (IM) und der Messspannung (UM) ermittelt wird,- d) der Akkumulator (2) um eine Entladekapazität (KE) entladen wird und dann für eine zweite Totzeit (T2) von Strombelastung freigehalten wird,- e) entsprechend der Schritte b) bis c) eine zweite komplexe Impedanz (Z2) ermittelt wird,- f) die aktuelle Kapazität (KA) anhand der ersten (Z1) und zweiten Impedanz (Z2) und des Kalibrierfaktors (FK) bestimmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft die Ermittlung der aktuellen Kapazität eines Akkumulators.
  • Akkumulatoren (auch „Batterien“) weisen eine Nennkapazität, beispielsweise 5Ah, auf. Die tatsächliche, aktuelle Kapazität kann jedoch zum Beispiel aufgrund von Alterung, Temperatur-, sonstigen Umwelteinflüssen usw. hiervon abweichen und z.B. nur noch 4Ah betragen. Oft ist es wünschenswert, die aktuelle Kapazität (auch „Restkapazität“) eines bestimmten Akkumulators zu kennen.
  • Insbesondere bei Flugzeugen bzw. im Flugbetrieb stellt der Kapazitätstest für Batterien des Notbeleuchtungssystems eine logistische und zeitliche Belastung des Betriebs dar. Herkömmliche, in der Praxis übliche Tests dauern mehrere Stunden. Dabei wird die Batterie vollgeladen und über einen Widerstand von „voll“ bis „leer“ entladen und über ein Strom-Spannungs-Zeit-Produkt die aktuellen Kapazität in Form der entnommenen Ladungsmenge bestimmt. Falls die Batterie nicht mehr ausreichend Restkapazität aufweist, muss sie durch eine Batterie mit ausreichender Kapazität ersetzt werden und in einer Ladestation gegebenenfalls neu geladen werden.
  • Aus der US 5 650 937 A ist ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators bekannt. Dabei wird die komplexe Impedanz während eines Entladevorgangs des Akkumulators gemessen. Zur Bestimmung der aktuellen Kapazität des Akkumulators wird auch auf den Imaginärteil der Impedanz zurückgegriffen.
  • Ferner offenbart die US 2012 / 0 105 009 A1 ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines Akkumulators über eine während eines Ladevorgangs erzeugten Lookup-Tabelle sowie deren Anwendung während eines Entladevorgangs.
  • Aus der DE 10 2009 000 337 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Batteriezelle bekannt, umfassend die Schritte a) Bereitstellen einer Batteriezelle; b) Aufnahme eines Impedanzspektrums der Batteriezelle; c) Ermittlung einer Auswertgröße anhand des gemessenen Impedanzspektrums; d) Bestimmung eines Alterungszustandes der Batteriezelle anhand eines Vergleichs der Auswertgröße mit einem Referenzwert.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Verbesserungen bei der Ermittlung der aktuellen Kapazität eines Akkumulators vorzuschlagen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 zur Ermittlung der aktuellen Kapazität eines Akkumulators. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sowie anderer Erfindungskategorien ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
  • Der Akkumulator weist dabei einen für diesen Akkumulator bzw. diesen Akkumulatortyp ermittelten bzw. bekannten Kalibrierfaktor auf. Bei dem Verfahren wird der Akkumulator in einem Schritt a) für eine erste Totzeit von Strombelastung freigehalten. Dieses Freihalten bezieht sich nicht auf Ströme in Bezug auf Selbstentladung, Kriechströme etc.; gemeint ist das Freihalten von bewusstem bzw. merklichem Laden oder Entladen des Akkumulators, so dass sich die Batteriechemie nach der Totzeit in Ruhe bzw. einem stabilen Gleichgewicht befindet.
  • Anschließend wird in einem Schritt b) ein Messstrom einer konstanten Messfrequenz in den Akkumulator gespeist und dabei die Akkumulatorspannung als Messspannung gemessen. Der Messstrom wird also wie ein Ladestrom in den Akkumulator gespeist, ist jedoch insbesondere kleiner als jeder übliche Ladestrom. Insbesondere wird ausschließlich eine einzige Messfrequenz verwendet, also kein „Frequenzbereich“. Insbesondere wird die Amplitude des Messstroms bei dessen Einspeisung in den Akkumulator konstant gehalten. Beim Messstrom handelt es sich also um einen Wechselstrom.
  • Anschließend wird in einem Schritt c) eine erste komplexe Impedanz des Akkumulators aus dem in Schritt b) erfassten Messstrom und der Messspannung ermittelt. Dies wird insbesondere über die Amplituden von Messstrom und Messspannung und den Phasenunterschied zwischen Messstrom und Messspannung bewerkstelligt.
  • Anschließend wird in einem Schritt d) der Akkumulator um eine Entladekapazität entladen und dann entsprechend Schritt a) für eine zweite Totzeit von Strombelastung freigehalten. Insbesondere sind erste und zweite Totzeit gleich. Weiterhin wird in einem Schritt e) entsprechend der obigen Schritte b) bis c) eine zweite komplexe Impedanz des Akkumulators aus dem dabei erneut ermittelten Messstrom und der Messspannung ermittelt.
  • Die aktuelle Kapazität wird in einem Schritt f) anschließend anhand der ersten und zweiten Impedanz und des Kalibrierfaktors bestimmt. Insbesondere wird eine Differenz der Imaginärteile der Impedanzen mit dem Kalibrierfaktor multipliziert, um die aktuelle Kapazität zu erhalten.
  • Das Verfahren wird insbesondere am Stück, d.h. kontinuierlich ohne nennenswerte Pausen zwischen den genannten Schritten durchgeführt. Als Akkumulatoren werden insbesondere solche vom Typ AA-, A-, B-, Sub-C-, C-, D-Zelle oder 9V-Block benutzt.
  • Gemäß der Erfindung ergibt sich eine Ermittlung der aktuellen Kapazität (Restkapazität) des Akkumulators mit Einzel-Impedanz-Frequenzmessung. Die aktuelle Kapazität eines Akkumulators kann dank der Erfindung schnell und effizient mit einer (einzigen, konstanten) Anregungsfrequenz (Messstrom), insbesondere zwischen 1Hz und 10Hz, insbesondere für NiCd-Akkumulatoren (Nickel-Cadmium), erfasst werden. Damit kann der zeitaufwendige Kapazitätstest, insbesondere im Flugzeug, in vielen Fällen eingespart werden. Wenn ausreichend aktuelle Kapazität nachgewiesen werden kann, kann der Einsatz des Akkumulators, insbesondere der Flugbetrieb, fortgesetzt werden.
  • Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen: Die aktuelle Kapazität von Batterien und Kondensatoren kann generell mit Impedanzspektroskopie gemessen werden. Für die Restkapazität von Akkumulatoren, insbesondere Nickel-Cadmium-Zellen, ist jedoch nur ein selektiver Frequenzbereich (insbesondere 1 - 10 Hz) aussagekräftig. Die Messung bei einer einzigen Frequenz aus diesem Frequenzbereich bei zwei verschiedenen Ladezuständen des Akkumulators reicht hierbei aus. Die Messung mit anderen Frequenzen kostet nur Zeit und entlädt den Akkumulator zusätzlich.
  • Gemäß der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
    • - Aktive Messung, d.h. gute Signalqualität,
    • - wesentlich schnellere Ermittlung der Restkapazität,
    • - kann im Flugzeug durchgeführt werden,
    • - kann jederzeit (außer im Flugfall) durchgeführt werden,
    • - ausreichend sichere Ergebnisse bei Messungen an nur zwei Kapazitätswerten (Ladezuständen), z.B. 100% und 90% (keine Vollentladung mehr erforderlich),
    • - bei häufigeren Messungen ergibt sich (durch Verfolgung des Trends der ermittelten aktuellen Kapazitäten) eine Vorinformation, wann mit einem Batteriewechsel zu rechnen ist (prädiktive Wartung),
    • - es ist nicht erforderlich, ein volles Impedanzspektrum zu erfassen,
    • - eine einzige Frequenz innerhalb des genannten Frequenzbereiches (insbesondere 1 bis 10 Hz) ist ausreichend,
    • - im gewünschten Arbeitsbereich (insb. 1 bis 10 Hz) ist die Genauigkeit des Messprinzips im Vergleich zu anderen Frequenzbereichen erhöht,
    • - es ergibt sich ein genau bekannter Arbeitsbereich des Messverfahrens (insb. 1 bis 10 Hz), insbesondere für NiCd-Zellen/-Batterien bei praxisüblichen Werten von Nennkapazitäten für den Einsatz für die o.g. Notbeleuchtungssysteme,
    • - das Verfahren ist prinzipiell auch für andere Akkumulatortypen neben NiCd, wie zum Beispiel NiMH (Nickel-Metall-Hydrid) einsetzbar.
  • Die Erfindung kann - in einfachen Worten zusammengefasst - wie folgt beschrieben werden und weist noch die nachfolgenden Ausführungsformen auf. Die Ausführungsformen werden dabei teils vereinfachend auch „die Erfindung“ genannt. Die Ausführungsformen können hierbei auch Teile oder Kombinationen der sonstigen genannten Ausführungsformen enthalten oder diesen entsprechen und/oder gegebenenfalls auch weitere Ausführungsformen einschließen.
  • Es erfolgt die Einspeisung eines, insbesondere möglichst kleinen, Wechselstroms in einen Akkumulator (Batterie), die Erfassung der Impedanz des Akkumulators an einer bestimmten Frequenz in einem bestimmten Frequenzbereich mit Messung der resultierenden Wechselspannung und des Phasenversatzes gegenüber dem Anregungsstrom. Dies kann - für den Einsatz im Luftfahrtbereich - sowohl im Flugzeug oder auch in einer Servicestation erfolgen. Es ist erforderlich, dass der Akkumulator mindestens während der Totzeit, insbesondere 15 Minuten lang, nicht geladen oder entladen wurde.
  • Anschließend wird der Akkumulator durch geeignete Maßnahmen über eine elektronische Last - insbesondere um ca. 5-30 % seiner Nennkapazität mit einem insbesondere konstanten Strom entladen. Nach einer zweiten Totzeit, insbesondere Ruhezeit von 10-15 Minuten, (je nach Kapazität des Akkumulators) wird eine weitere Messung der Impedanz durchgeführt. Die Umrechnung der Änderung der Imaginärteile der Impedanz vor und nach der Kurzentladung mittels eines Kalibrierfaktors (Bezug auf die Nennkapazität) ergibt die aktuelle Kapazität des Akkumulators.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Akkumulator ein solcher eines Notbeleuchtungssystems eines Innenraumes eines Flugzeuges verwendet. Die Erfindung eignet sich somit insbesondere für entsprechende Systeme.
  • In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird das Verfahren im Flugzeug oder in einer Servicestation für eine den Akkumulator enthaltende Flugzeugeinrichtung durchgeführt. Die Flugzeugeinrichtung ist insbesondere das o.g. Notbeleuchtungssystem. Die oben genannte Zeitersparnis kann so besonders effektiv genutzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird als erste und/oder zweite Totzeit eine Zeit von mindestens 10 Minuten und/oder höchstens 30 Minuten gewählt. Insbesondere wird nach Verstreichen der Totzeit sofort der nächste Verfahrensschritt eingeleitet. So ergibt sich insgesamt ein besonders kurzes bzw. schnelles Gesamtverfahren.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Amplitude des Messstroms so gewählt, dass der Akkumulator hinsichtlich seiner Elektrochemie angeregt, jedoch nicht manipuliert wird. Insbesondere wird die Amplitude des Messstroms zwischen 0,01 % und 1% eines Nenn-Entladestroms des Akkumulators gewählt. Der Nenn-Entladestrom ist derjenige, der bei dem Akkumulator für dessen Einsatzzweck bestimmungsgemäß vorgesehen ist, z.B. 1,5A. Insbesondere bewegt sich die Amplitude im Promillebereich, also insbesondere zwischen 0,1% und 1% des Nenn-Entladestroms. Derartige Stromstärken haben sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Amplitude des Messstroms zwischen 0,1 mA und 100mA gewählt. Insbesondere werden zwischen 1 und 10mA gewählt. Derartige Stromstärken haben sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Messfrequenz zwischen 0,1 Hz und 33Hz gewählt. Insbesondere wird sie zwischen 1 und 10Hz gewählt, insbesondere für einen NiCd-Akkumulator. Derartige Frequenzen haben sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Größe der Entladekapazität zwischen 5% und 25%, insbesondere 10 %, einer Nennkapazität des Akkumulators gewählt. Derartige Entladekapazitäten haben sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Ermittlung der Kapazität anhand der Impedanzen ausschließlich anhand der Imaginärteile der Impedanzen durchgeführt. Gegenüber einer komplexwertigen Auswertung ergibt sich somit eine Vereinfachung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Akkumulator zum Beginn der ersten Totzeit auf einen Ladezustand von mindestens 70% seiner aktuellen Kapazität gebracht. Insbesondere wird er auf einen Ladezustand von 80%, 90%, 95% oder 100% seiner aktuellen Kapazität gebracht. Diese Werte sind bezogen auf die aktuelle Kapazität des Akkumulators und können z.B. anhand einer Anzeige eines Ladegerätes, anhand einer Zeitabschätzung, anhand der Lade-Entlade-Historie usw. eingestellt werden. Da insbesondere nachgewiesen werden soll, dass die zu testende Batterie voll ist, wird im Wesentlichen der Bereich von 80 % bis 100 % des Ladezustandes vermessen. Insbesondere werden die beiden Impedanzmessungen bei Ladezuständen von 100% und 90% durchgeführt. Der Ladezustand von 100% ist leicht kontrollierbar bzw. einstellbar, da z.B. Ladegeräte üblicherweise eine „Vollladung“ anzeigen, ohne dass die Vollladungs-Kapazität hinsichtlich ihres Wertes bekannt ist. Derartige Ladezustände haben sich in der Praxis als besonders günstig erwiesen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Akkumulator ein NiCd- oder NiMH-Akkumulator gewählt. Für derartige Akkumulatoren hat sich das Verfahren als besonders praxistauglich erwiesen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird beim Entladevorgang die Entladekapazität durch das Produkt (ggf. Integral o.ä. bei veränderlichen Werten) aus Entladestrom, Entladespannung und Entladedauer ermittelt. So kann die Entladekapazität besonders einfach ermittelt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kalibrierfaktor für mindestens einen Akkumulator des gleichen Akkumulatortyps durch die anderweitige Ermittlung dessen absoluter aktueller Kapazität und die Durchführung der Schritte a) bis e) und der inversen Durchführung des Schrittes f) bestimmt. Die Ermittlung erfolgt also für einen, mehrere, alle, den selben oder einen/mehrere typgleiche(n) Akkumulator(en). Das eigentliche Ermittlungsverfahren für den aktuell zu vermessenden Akkumulator beginnt bei Schritt a) und endet mit Schritt f). „Anderweitig“ bedeutet, dass die Ermittlung ohne Kalibrierfaktor erfolgt, insb. nicht nach dem vorliegenden Verfahren, insb. nicht unter Nutzung des Schrittes f), insb. auch ohne die Schritte a) bis e).
  • Insbesondere wird der Kalibrierfaktor „vorab“ ermittelt, was bedeutet: Jedenfalls vor Schritt f), insbesondere vor Schritt a), insbesondere überhaupt vor Auswahl des zu vermessenden Akkumulators, d.h. „unabhängig“ vom eigentlichen Messverfahren. Die Nutzung der Schritte a) bis e) und „f) - invers“ findet dabei nicht im Rahmen des eigentlichen Messverfahrens (Schritte a) bis f) für einen aktuell zu vermessenden Akkumulator) statt.
  • Eine entsprechende Ermittlung des Kalibrierfaktors ist besonders einfach.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Kapazität eines Akkumulators, der einen Kalibrierfaktor aufweist. Die Vorrichtung enthält eine Schnittstelle zum Anschluss des Akkumulators, eine Stromquelle zur Erzeugung eines Messstromes an der Schnittstelle, eine Messeinrichtung zur Messung des Messstromes und einer Messspannung an der Schnittstelle, eine an die Schnittstelle anschaltbare elektrischen Last zur Entladung des Akkumulators, und eine Steuer- und Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
  • Die Vorrichtung und zumindest ein Teil deren Ausführungsformen sowie die jeweiligen Vorteile wurden sinngemäß bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
  • Insbesondere kann die Vorrichtung so als separates Diagnosetool einschließlich einer Konstantstromlast für Akkumulatoren ausgeführt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, ein Verfahren durchzuführen, bei dem als Akkumulator ein solcher eines Notbeleuchtungssystems eines Innenraumes eines Flugzeuges verwendet wird, wobei die Vorrichtung in das Flugzeug integriert ist, sich also in einem Montagezustand in einem entsprechenden Flugzeug befindet. Somit wird insbesondere die Integration der Vorrichtung in die Bordelektronik ermöglicht. Insbesondere wird die Aufgabe der Erfindung also auch durch ein Flugzeug mit einer entsprechend integrierten Vorrichtung gelöst.
  • Die Steuer- und Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise einen Datenlogger, insbesondere einen High-Speed-Datenlogger, mit dem Messstrom erfasst werden kann.
  • Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
    • 1 einen generellen Aufbau für die Erfindung,
    • 2 Strom- und Spannungsverläufe bei einer Impedanzmessung,
    • 3 ein Blockschaltbild für ein Diagnosetool gemäß der Erfindung,
    • 4 eine beispielhafte Elektronik zur Erzeugung des Messstromes.
  • 1 zeigt einen Akkumulator 2, hier eine Batterie einer Flugzeugeinrichtung, hier eines Notbeleuchtungssystems eines Innenraumes eines Flugzeuges, der eine ursprüngliche bzw. Nennkapazität KN = 5Ah und eine aktuelle Kapazität KA = 4 Ah aufweist. Mithilfe einer Stromquelle 4 wird ein Messstrom IM in Form eines Wechselstroms der Messfrequenz FM, hier 5Hz, und der Amplitude 5mA an einer Schnittstelle 12 in den Akkumulator 2 eingespeist. Hierdurch stellt sich am Akkumulator 2 eine Messspannung UM in Form einer Spannungsantwort ein. Die Stromquelle 4 ist hier eine spannungsgesteuerte Stromquelle, welche mit einer nicht näher erläuterten Wechselspannung (symbolisch durch eine Wellenlinie dargestellt) versorgt wird, um den Messstrom IM mit der gewünschten Frequenz und Amplitude zu erzeugen. 1 ermöglicht damit eine Impedanzmessung, da anhand von Messstrom IM und Messspannung UM die komplexwertige Impedanz Z des Akkumulators 2 ermittelt werden kann.
  • 2 zeigt zu Illustrationszwecken die Verläufe der in nicht näher erläuterter Weise normierten Amplituden bzw. Augenblickswerte von Messstrom IM und Messspannung UM sowie deren Phasenversatz VP über der Zeit t.
  • 3 zeigt zum generellen Aufbau gemäß 1 ein Blockschaltbild eines externen Diagnosetools für den Akkumulator 2 mit der Stromquelle 4, die aus einer Leistungsversorgung 6, hier einer 10V-Spannungsquelle, mit Leistung versorgt ist, um den Messstrom IM zu erzeugen. Dieser wird über einen Messwiderstand 8 (Shunt, hier 10 Ohm) dem Akkumulator 2 (hier ein symbolisch angedeuteter Zellenpack) zugeführt.
  • Eine Steuer- und Auswerteeinheit 10, hier ein Datenlogger mit weiterer Verarbeitungselektronik, ermittelt den Messstrom IM als Spannung über dem Messwiderstand 8 sowie die Messspannung UM am Akkumulator 2 bzw. an der Schnittstelle 12. Zusammen bilden diese Elemente daher eine Messeinrichtung 16.
  • Die Steuer- und Auswerteeinheit 10 führt das erfindungsgemäße Verfahren durch. Hierzu verfügt sie über einen Kalibrierfaktor FK, der einmalig für den Akkumulator 2 bestimmt wurde, wie weiter unten erläutert wird.
  • Zur Ermittlung der aktuellen Kapazität KA des Akkumulators 2 wird der Akkumulator 2 aus dem Notbeleuchtungssystems ausgebaut und im externen Diagnosetool (hier in einem Wartungshangar für das Flugzeug) zunächst mit einem nicht dargestellten Ladegerät auf 100% seiner aktuellen Kapazität KA, d.h. hier auf 4Ah aufgeladen, wobei dieser Wert zunächst noch unbekannt ist. In einem Schritt a) wird der Akkumulator 2 für eine erste Totzeit T1 von 10 Minuten von jeglicher Strombelastung freigehalten. Dann wird in einem Schritt b) der Messstrom IM der konstanten Messfrequenz FM in den Akkumulator 2 gespeist, und dabei die Akkumulatorspannung als Messspannung UM gemessen. Dann wird in einem Schritt c) eine erste komplexe Impedanz Z1 = UM / IM des Akkumulators aus dem Messstrom IM und der Messspannung UM - auch unter Verwendung des Phasenversatzes (VP) - ermittelt. Dann wird in einem Schritt d) der Akkumulator (hier über eine nicht näher dargestellte Beschaltung mit dem Messwiderstand 8 als Last 16) um eine Entladekapazität KE von hier 10% seiner Nennkapazität von 5 Ah, also um 0,5 Ah, entladen und dann für eine zweite Totzeit T2 von 10 Minuten (entsprechend Schritt a)) von Strombelastung freigehalten. Die Entladekapazität wird gemessen bzw. eingestellt, indem die Augenblicks-Entladeleistung anhand von Strom und Spannung am Akkumulator 2 überwacht und für eine entsprechenden Zeit aus dem Akkumulator 2 entnommen wird. Danach wird in einem Schritt e) entsprechend der Schritte b) bis c) eine zweite komplexe Impedanz Z2 durch erneutes Anlegen des Messstromes IM usw. ermittelt. Abschließend wird in einem Schritt f) die aktuelle Kapazität KA = (IM(Z2) - IM(Z1) ) * FK = 4 Ah anhand der Imaginärteile IM der ersten Impedanz Z1 und der zweiten Impedanz Z2 und des Kalibrierfaktors FK bestimmt.
  • Der Kalibrierfaktor wurde vorab für einen zum Akkumulator 2 typgleichen Akkumulator wie folgt bestimmt: Durch Vollladen und vollständiges Entladen und Messung der Ladungsmenge von 5Ah bei der Entladung des typgleichen Akkumulators wurde dessen aktuelle Kapazität KA = 5Ah ermittelt. Dann wurden am typgleichen Akkumulator die Schritte a) bis e) des Verfahrens durchgeführt. Abschließend wurde der Kalibrierfaktor durch den inversen Schritt f) anhand FK = KA / (IM(Z2) - IM(Z1) ) ermittelt.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist das Diagnosetool als Teil der Bordelektronik in ein nicht näher dargestelltes Flugzeug integriert, um die Bestimmung der aktuellen Kapazität KA an Bord des Flugzeuges und ohne Ausbau des Akkumulators 2 aus dem Notbeleuchtungssystem ausführen zu können.
  • 4 zeigt nochmals im Detail zu 3 bzw. 1 die verwendete Elektronik zur Erzeugung des Messstromes IM an der Schnittstelle 12. Die Elektronik enthält die Stromquelle 4 sowie die Leistungsversorgung 6. Die in 1 angedeutete steuernde Wechselspannung wird am Eingang 14 eingespeist. Die Elektronik weist einen praxisüblichen Aufbau auf und wird daher nicht näher erläutert.
  • Bezugszeichenliste
    • KA
    Kapazität (aktuell)
    KN
    Nennkapazität
    IM
    Messstrom
    FM
    Messfrequenz
    UM
    Messspannung
    Z1,2
    Impedanz
    IM
    Imaginärteil
    VP
    Phasenversatz
    t
    Zeit
    FK
    Kalibrierfaktor
    T1,2
    Totzeit
    KE
    Entladekapazität
    2
    Akkumulator
    4
    Stromquelle
    6
    Leistungsversorgung
    8
    Messwiderstand
    10
    Steuer- und Auswerteeinheit
    12
    Schnittstelle
    14
    Eingang
    16
    Messeinrichtung
    18
    Last

Claims (15)

  1. Verfahren zur Ermittlung der aktuellen Kapazität (KA) eines Akkumulators (2), der einen Kalibrierfaktor (FK) aufweist, bei dem: - a) der Akkumulator (2) für eine erste Totzeit (T1) von Strombelastung freigehalten wird, - b) ein Messstrom (IM) einer konstanten Messfrequenz (FM) in den Akkumulator (2) gespeist wird, und dabei die Akkumulatorspannung als Messspannung (UM) gemessen wird, - c) eine erste komplexe Impedanz (Z1) des Akkumulators (2) aus dem Messstrom (IM) und der Messspannung (UM) ermittelt wird, - d) der Akkumulator (2) um eine Entladekapazität (KE) entladen wird und dann für eine zweite Totzeit (T2) von Strombelastung freigehalten wird, - e) entsprechend der Schritte b) bis c) eine zweite komplexe Impedanz (Z2) ermittelt wird, - f) die aktuelle Kapazität (KA) anhand der ersten (Z1) und zweiten Impedanz (Z2) und des Kalibrierfaktors (FK) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Akkumulator (2) ein solcher eines Notbeleuchtungssystems eines Innenraumes eines Flugzeuges verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Flugzeug oder in einer Servicestation für eine den Akkumulator (2) enthaltende Flugzeugeinrichtung durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als erste (T1) und/oder zweite Totzeit (T2) eine Zeit von mindestens 10 Minuten und/oder höchstens 30 Minuten gewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Messstroms (IM) so gewählt wird, dass der Akkumulator (2) hinsichtlich seiner Elektrochemie angeregt, jedoch nicht manipuliert wird,
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des Messstroms (IM) zwischen 0,1 mA und 100mA gewählt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfrequenz (FM) zwischen 0,1 Hz und 33Hz gewählt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Entladekapazität (KE) zwischen 5% und 25 % einer Nennkapazität (KN) des Akkumulators (2) gewählt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt f) die Ermittlung ausschließlich anhand der Imaginärteile (IM) der Impedanzen (Z1,2) durchgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (2) in Schritt a) zum Beginn der ersten Totzeit (T1) auf einen Ladezustand von mindestens 70% seiner aktuellen Kapazität (KA) gebracht wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Akkumulator (2) ein NiCd- oder NiMH-Akkumulator gewählt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) die Entladekapazität (KE) durch das Produkt aus Entladestrom, Entladespannung und Entladedauer ermittelt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kalibrierfaktor (FK) für mindestens einen Akkumulator (2) des gleichen Akkumulatortyps durch die anderweitige Ermittlung dessen absoluter aktueller Kapazität (KA) und die Durchführung der Schritte a) bis e) und der inversen Durchführung des Schrittes f) bestimmt wird.
  14. Vorrichtung zur Ermittlung der aktuellen Kapazität (KA) eines Akkumulators (2), der einen Kalibrierfaktor (FK) aufweist, - mit einer Schnittstelle (12) zum Anschluss des Akkumulators (2), - mit einer Stromquelle (4) zur Erzeugung eines Messstromes (IM) an der Schnittstelle (12), - mit einer Messeinrichtung (16) zur Messung des Messstromes (IM) und einer Messspannung (UM) an der Schnittstelle (12), - mit einer an die Schnittstelle (12) anschaltbaren elektrischen Last (18) zur Entladung des Akkumulators (2), und - mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (10), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (10) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13 durchzuführen, wobei die Vorrichtung in das Flugzeug integriert ist.
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