-
Technisches
Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Ladezustandes
einer Batterie.
-
Unter
einer Batterie soll hier ein allgemeiner elektrochemischer Generator
verstanden werden, der eine oder mehrere galvanische Zellen enthält, in denen
elektrische Energie anhand von chemischen Reaktionen gewonnen wird.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
eignen sich insbesondere zur Bestimmung des Ladezustandes von wieder
aufladbaren Blei- und Nickel-Cadmium-(Ni-Cd-)Akkumulatoren und wieder
aufladbaren Nickel-Metallhydrid-(Ni-MH-)Batterien.
-
Die
Erfindung betrifft ferner eine für
die Durchführung
des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
-
Stand der
Technik
-
Der
Ladezustand einer wieder aufladbaren Batterie kann nicht aus einer
bloßen
Messung der Klemmspannung ermittelt werden, da die Spannungscharakteristik
dieser Batterien starke Hysterese-Effekte zeigt, also von der „Vorgeschichte" der Batterie abhängt.
-
Der
Ladezustand wird daher oft während
eines vollständigen
Zyklus des Entladens und wieder Aufladens oder während mehrerer Zyklen bestimmt.
-
Dieses
Vorgehen ist jedoch offensichtlich sehr teuer und zeitaufwendig.
Zudem kann die Batterie während
des Testvorgangs nicht als Stromquelle genutzt werden.
-
Als
eine Alternative für
die schnelle, zerstörungsfreie
und verlässliche
Ermittlung des Ladezustandes von Batterien wurde die elektrochemische Impedanzspektroskopie
vorgeschlagen.
-
Diese
Methode beruht darauf, Parameter aus dem Impedanzspektrum einer
Batterie zu extrahieren, die sich als monotone Funktion des Ladungszustandes
darstellen lassen.
-
In
der 1 ist ein typisches Impedanzdiagramm einer Batterie
dargestellt. Der Realteil der Impedanz wird darin mit Z' und der Imaginärteil mit
Z'' bezeichnet.
-
Ein
Verfahren zum Messen der Impedanz einer Brennstoffzelle geht aus
der internationalen Patentanmeldung WO 02/27342 A2 hervor. Bei dem
bekannten Verfahren wird die Brennstoffzelle mit einer Last verbunden,
die einen mit einer Wechselstromkomponente überlagerten Gleichstrom durch
die Brennstoffzelle verursacht. Real- und Imaginärteil der Impedanz werden für verschiedene
Frequenzen anhand einer über
der Brennstoffzelle abfallenden Spannung und eines durch die Brennstoffzelle
fließenden
Stroms berechnet.
-
Die
internationale Patentanmeldung WO 01/50119 A1 beschreibt ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Messen der Impedanz einer Batterie, bei
denen ein mit der Batterie verbundener Stromteiler mit einer parallel
zu der Batterie geschalteten Messimpedanz verwendet und der Strom
gemessen wird, der durch die Messimpe danz fließt. Wird die Messung mit der
Batterie und mit wenigstens zwei weiteren bekannten Impedanzen durchgeführt, lässt sich
aus den Messergebnissen die Impedanz der Batterie berechnen.
-
Zudem
offenbart die internationale Patentanmeldung WO 00/31557 ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Parametern eines Ladungsspeichers,
bei denen anhand des gemessenen Impedanzspektrums und des Spannungs-
und Stromverlaufs während
des Auf- und Entladens des Ladungsspeichers Parameter eines nichtlinearen
Ersatzschaltbildes bestimmt werden, das für eine Simulation von Stromkreisen
mit dem Ladungsspeicher verwendet werden kann.
-
Es
ist bekannt, dass das induktive Verhalten der Impedanz für hohe Frequenzen
des Wechselstroms mit der Geometrie der galvanischen Zelle und der
Porosität
der Elektrodenplatten verknüpft
ist.
-
Das
kapazitive Verhalten für
niedrige Frequenzen erlaubt Rückschlüsse auf
die verschiedenen elektrochemischen Elektrodenprozesse, die in den
in der Zelle stattfindenden Reaktionen beinhaltet sind.
-
Versuche
an Batterien mit alkalischen Elektrolyten, den Ladezustand aus den
Impedanzparametern bei hohen Frequenzen zu ermitteln, waren nicht
erfolgreich, da das Elektrolyt selbst nicht an den Elektrodenprozessen
beteiligt ist und somit keinen Beitrag zum Realteil der Impedanz
liefert.
-
Ein
Verfahren, dem die Bestimmung des Ladezustandes aus dem Imaginärteil der
Impedanz bei hohen Frequenzen zugrunde liegt, ist bislang nicht bekannt.
-
Es
ist jedoch bekannt, dass die Impedanzparamater bei niedrigen Frequenzen
Rückschlüsse auf den
Ladezustand erlauben.
-
Eine
Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen sind dokumentiert, welche
auf dieser Methode aufbauen. Bei diesen Verfahren werden beispielsweise
das Modul der Impedanz, der Phasenwinkel, die Admittanz oder die
Kapazität
der Zelle gemessen und mit dem Ladezustand der Batterie in Beziehung gesetzt.
-
Messungen
bei niedriger Frequenz sind jedoch zeitaufwendig, so dass die auf
solchen Messungen beruhenden Methoden nicht für eine schnelle und permanente Überwachung
des Ladezustandes einer Batterie geeignet sind.
-
Es
ist darüber
hinaus bekannt, den Ladezustand aus dem ohmschen Innenwiderstand
der Batterie zu bestimmen.
-
Dies
kann beispielsweise bei Blei-Akkumulatoren durchgeführt werden,
bei denen die als Elektrolyt dienende Schwefelsäure bei den Elektrodenprozessen
umgesetzt wird. Der Wert des ohmschen Innenwiderstandes erlaubt
Rückschlüsse auf
die Konzentration von Schwefelsäure
in der Zelle und somit auf den Ladezustand der Batterie.
-
Die
deutsche Patentschrift
DE
197 25 204 C1 beschreibt ferner ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Überwachung
des Ladezustands einer Lithium-Batterie, bei denen der Ladezustand
aus dem Innenwiderstand und der Klemmspannung der Batterie bestimmt
werden. Zur Bestimmung des Innenwiderstandes wird dabei der Spannungsverlauf
beim Zuschalten eines parallel zu einem mit der Batterie verbundenen
Lastwiderstand geschalteten Referenzwiderstandes ermittelt.
-
Es
hat sich aber gezeigt, dass der Wert des ohmschen Widerstandes für verschiedene
Ladezustände
mit einer Kapazität
von über
40% der Nennkapazität
nur sehr geringfügig
variiert. Zudem weist der Wert des ohmschen Widerstands eine signifikante
Abhängigkeit von
der Vorgeschichte der Batterie auf, welche den Einfluss des Ladezustandes
auf diesen Wert so überlagert,
dass eine Bestimmung des Ladezustandes sehr ungenau oder nicht möglich ist.
-
Als
weiterer Nachteil dieser Methode ist zu verzeichnen, dass die Relation
zwischen ohmschem Widerstand und Ladezustand während des Aufladens der Batterie
nicht eindeutig ist.
-
Darstellung
der Erfindung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren
so weiter zu entwickeln, dass eine schnelle und zuverlässige Bestimmung
des Ladezustandes einer Batterie ermöglicht wird und somit die aufgezeigten
Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
-
Es
ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche
zur Durchführung des
Verfahrens geeignet ist, und mithin ebenfalls die genannten Vorteile
eines weiterentwickelten Verfahrens aufweist.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe zudem durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 6 gelöst.
-
Es
ist dabei vorgesehen, dass eine Durchtrittsfrequenz der durch ein
Wechselstromsignal angeregten Batterie ermittelt wird, und die Durchtrittsfrequenz
dem Ladezustand der Batterie zugeordnet wird.
-
Das
die Batterie anregende Wechselstromsignal wird dabei durch eine
mit der Batterie verbundene Wechselstromquelle erzeugt.
-
Das
Verfahren wird vorzugsweise dafür
genutzt, den Ladezustand von in Betrieb befindlichen Batterien zu
bestimmen.
-
Die
Wechselstromquelle ist daher vorzugsweise eine in dem von der Batterie
versorgten Stromnetz befindliche Last oder eine in dem Stromnetz
befindliche Wechselstromquelle, die nicht notwendig regelbar ist.
-
Das
von der Batterie versorgte Stromnetz enthält oft Lasten, welche Störsignale
an das Stromnetz abgeben. Diese im Stromnetz vorhandenen Störsignale überlagern
den von der Batterie gelieferten Gleichstrom mit einer Wechselstromkomponente.
-
Es
ist besonders bevorzugt, in dem Stromnetz vorhandene mit einer gewissen
Frequenz geschaltete Widerstände
als Wechselstromquellen zu nutzen.
-
Zudem
sind in dem die Batterie beinhaltenden Stromnetz unter Umständen zusätzliche
Wechselstromquellen vorhanden, welche die Batterie anregen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann damit als rein passives Verfahren in dem Sinne durchgeführt werden,
dass keine zusätzliche,
speziell und ausschließlich
zur Durchführung
des Verfahrens notwendige Stromquelle zur Anregung der Batterie
benötigt
wird.
-
Es
ist jedoch ebenfalls vorgesehen die Batterie zur Durchführung des
Verfahrens mit einer regelbaren Wechselstromquelle zu verbinden,
falls die in dem von der Batterie versorgten Stromnetz vorhandenen
Wechselstromsignale in einem die Durchtrittsfrequenz beinhaltenden
Frequenzbereich keine ausreichend hohen Amplituden aufweisen.
-
Zur
Bestimmung der Durchtrittsfrequenz der Batterie wird eine über der
Batterie abfallende Spannung und eine Stromstärke eines durch die Batterie fließenden Wechselstroms
gemessen.
-
Die
erfindungsgemäß ermittelte
Durchtrittsfrequenz ist die Frequenz, bei der in einem Impedanzdiagramm
die Ortskurve der komplexen Impedanz der Batterie die reelle Achse
schneidet. Die so ermittelte Durchtrittsfrequenz wird nachfolgend
auch mit f± bezeichnet.
-
Zur
Bestimmung der Impedanz der Batterie werden eine über die
Batterie abfallende Spannung und die Stromstärke eines durch die Batterie
fließenden
Wechselstroms gemessen.
-
Die
Erfindung macht so Gebrauch von der überraschenden Entdeckung, dass
eine eindeutige Relation zwischen der Durchtrittsfrequenz und dem Ladezustand
der Batterie besteht.
-
Die
Durchtrittsfrequenz entspricht damit der Durchtrittsfrequenz eines
aus der Batterie und einer Wechselstromquelle bestehenden Stromkreises.
-
Dabei
sollen jedoch nur die Eigenschaften der Batterie und nicht in der
Wechselstromquelle vorhandene Innenwiderstände, innere Kapazitäten oder Induktivitäten die
Resonanzbedingungen bestimmen. Obwohl eine möglichst exakte Bestimmung der Durchtrittsfrequenz
besonders zweckmäßig ist,
können
selbstverständlich
auch andere Frequenzen mit vergleichbaren Eigenschaften zur Durchführung der Erfindung
eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß eingesetzte Durchtrittsfrequenz
bezeichnet daher nicht nur den ermittelten exakten Schnitt zwischen der
Ortskurve der komplexen Impedanz der Batterie und der reellen Achse,
sondern auch andere Frequenzen mit vergleichbaren Eigenschaften,
insbesondere die Resonanzfrequenz.
-
Dem
Verfahren liegt eine eindeutige Relation zwischen der Durchtrittsfrequenz
und dem Ladezustand der Batterie zugrunde.
-
Es
wird anhand der 3 dargelegt werden, dass diese
Relation zwischen dem Ladezustand einer Batterie und der Durchtrittsfrequenz
besteht und in einem sehr weit gefassten Bereich von Betriebsbedingungen
einer Batterie gültig
ist.
-
Die
Durchtrittsfrequenz soll im Folgenden mit f± bezeichnet
werden und kann auf zweierlei Weisen charakterisiert werden:
Sie
entspricht zum einen der Frequenz, bei der die über der Batterie abfallende
Wechselspannung und die Stromstärke
des durch die Batterie fließenden Wechselstroms
in Phase sind. Zum anderen verschwindet für einen durch die Batterie
fließenden Wechselstrom
mit Frequenz f± der Imaginärteil der komplexwertigen
Impedanz.
-
Zur
Bestimmung von f± werden die Messungen
der über
der Batterie abfallenden Wechselspannung und der Stromstärke des
durch die Batterie fließenden
Wechselstromes für
verschiedene Wechselstromfrequenzen durchgeführt.
-
Vorzugsweise
wird dafür
ein Frequenzbereich vorgegeben, der typischerweise auftretende Durchtrittsfrequenzen
enthält.
Dieser Frequenzbereich kann dann mit vorgegebenen Frequenzabständen oder
kontinuierlich abgescannt werden.
-
Es
ist in einer vorteilhaften Durchführungsform vorgesehen, eine
Phasendifferenz zwischen der Phase der Wechselspannung und der Phase
der Stromstärke
des Wechselstroms zu bestimmen.
-
Die
Phasendifferenz wird für
jeden gescannten Frequenzwert ermittelt, um die Frequenz zu bestimmen,
bei der diese Phasendifferenz verschwindet.
-
Diese
Frequenz ist die Durchtrittsfrequenz und wird anhand der Relation
zwischen Durchtrittsfrequenz und Ladezustand einem Ladezustand zugeordnet.
-
Der
auf diese Weise ermittelte Ladezustand kann dann einem Benutzer
der Batterie angezeigt oder an ein System übertragen werden, das die Betriebszustände der
Batterie überwacht.
-
In
einer ebenfalls sehr bevorzugten Durchführungsform des Verfahrens wird
die komplexwertige Impedanz der Batterie in Abhängigkeit der Wechselstromfrequenz
ermittelt.
-
Es
ist zweckmäßig hierfür eine Fourier-Transformation
des Spannungssignals und des Stromstärkesignals vorzunehmen oder
die Impedanz direkt zu berechnen und anschließend zu transformieren.
-
Vorzugsweise
wird dabei eine schnelle Fourier-Transformation durchgeführt.
-
Aus
den Resultaten der Impedanzberechnung wird dann die Frequenz ermittelt,
bei welcher der Imaginärteil
der Impedanz verschwindet.
-
Dies
ist die Durchtrittsfrequenz f± der anhand des zwischen
ihr und dem Ladezustand der Batterie bestehenden Zusammenhangs der
aktuelle Ladezustand zugeordnet werden kann.
-
Die
Relation zwischen Durchtrittsfrequenz und Ladezustand wird zusätzlich durch
die Betriebstemperatur der Batterie und den durch die Batterie fließenden Gleichstrom
beeinflusst.
-
In
einer bevorzugten Durchführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden daher die Betriebstemperatur und die Stromstärke des
durch die Batterie fließenden
Gleichstroms erfasst und in der Relation zwischen Durchtrittsfrequenz
und Ladezustand berücksichtigt.
-
Zudem
wird die Relation zwischen Durchtrittsfrequenz und Ladezustand in
einem geringem aber einer Messung zugänglichen Maße vom Alterungszustand der
Batterie beeinflusst.
-
Die
Genauigkeit mit welcher der Ladezustand bestimmt wird kann also
dadurch weiter erhöht werden,
dass der Alterungszustand der Batterie in der Relation zwischen
Durchtrittsfrequenz und Ladezustand berücksichtigt wird.
-
Es
ist somit ebenfalls möglich,
den Alterungszustand der Batterie aus der Durchtrittsfrequenz zu
bestimmen.
-
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens zu schaffen.
-
Hinsichtlich
dieser Vorrichtung wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
durch eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 14 gelöst,
die ein Mittel zur Bestimmung einer Durchtrittsfrequenz der durch
ein Wechselstromsignal angeregten Batterie und ein Mittel zur Zuordnung
der Durchtrittsfrequenz zu dem Ladezustand der Batterie enthält.
-
Das
Mittel zur Bestimmung der Durchtrittsfrequenz erfasst und verarbeitet
die über
der Batterie abfallende Wechselspannung und die Stromstärke des
durch die Batterie fließenden
Wechselstroms.
-
Vorzugsweise
enthält
das Mittel zur Bestimmung der Durchtrittsfrequenz weitere Mittel
zur Ermittlung der Phasen und Amplituden der Spannungs- und Stromsignale
und zur Bestimmung der Impedanz der Batterie.
-
Weitere
Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung
und insbesondere der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich
aus den Unteransprüchen
und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele
anhand der Abbildungen.
-
Beschreibung
der Zeichnungen
-
Von
den Zeichnungen zeigt:
-
1:
Ein Impedanzdiagramm einer kommerziellen Batterie in einem mittleren
Ladezustand mit einem typischen Impedanzverhalten.
-
2: Änderungen
des Imaginärteils
der Impedanz in Abhängigkeit
der Frequenz.
-
3:
Die Korrelation zwischen der Durchtrittsfrequenz und des Ladezustandes
für einen 70Ah-Bleiakkumulator
während
des Entladens bei einer Temperatur von –18°C.
-
4:
Eine Veranschaulichung der Impedanzparameter als Ortskurve in der
komplexen Ebene.
-
5:
Ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes
einer Batterie mit Phasen-Komparator ohne regelbare Wechselstromquelle
in einer Ausführungsform.
-
6:
Ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes
einer Batterie mit Phasen-Komparator ohne regelbare Wechselstromquelle
in einer anderen Ausführungsform.
-
7:
Ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes
einer Batterie mit Phasen-Komparator und regelbarer Wechselstromquelle.
-
8:
Ein Blockdiagramm einer auf der Bestimmung der Impedanz basierenden
Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie ohne regelbare
Stromquelle.
-
9:
Ein Blockdiagramm einer auf der Bestimmung der Impedanz basierenden
Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie mit regelbarer
Stromquelle.
-
1 zeigt
ein typisches Impedanzdiagramm einer kommerziellen Batterie, das
für Frequenzen
zwischen 6000 und 10–3 Hz als Ortskurve in der
so genannten komplexen Ebene dargestellt ist. In dieser Darstellung
wird der negative Imaginärteil
der Impedanz für
die betrachteten Frequenzen gegen den Realteil der Impedanz aufgetragen.
Der Imaginärteil
der Impedanz ist dabei wie üblich
mit Z'' und der Realteil
mit Z' bezeichnet.
-
Messwerte
sind in dieser, wie auch in den folgenden Figuren durch Punkte dargestellt;
die dargestellte Linie ist die Regressionskurve an diesen Messwerten.
-
Dem
Diagramm kann ein signifikant induktives Verhalten der Batterie
für Frequenzen
oberhalb von 100 Hz entnommen werden. Dieses entspricht dem Bereich
mit –Z'' < 0.
-
Es
ist bekannt, dass dieses Verhalten von der Geometrie der in der
Batterie enthaltenen galvanischen Zellen und der Porosität der Elektrodenplatten
bestimmt wird.
-
Der
Realteil des Schnittpunktes der dargestellten Kurve mit der Z'-Achse wird mit R± bezeichnet.
Er entspricht dem inneren ohmschen Widerstand der Batterie und setzt
sich aus den ohmschen Widerständen
des Elektrolyts, der Elektroden und der Anschlüsse der Batterie zusammen.
-
Wie
eingangs bereits erwähnt,
lässt der
Wert des Parameters R± Rückschlüsse auf den Ladezustand eines
Bleiakkumulators zu, da ein während
des Entladens erfolgendes Absinken der Schwefelsäurekonzentration im Elektrolyt
den ohmschen Innenwiderstand verändert.
-
Das
kapazitive Verhalten der Batterie bei kleineren Frequenzen (Bereich
mit –Z'' > 0)
wird im Wesentlichen von den verschiedenen an den elektrochemischen
Reaktionen beteiligten Prozessen bestimmt.
-
Inwieweit
eine Untersuchung der Impedanzparameter in den einzelnen Bereichen
einer Bestimmung des Ladezustandes dienen kann und welche Nachteile
mit einer Ladezustandsbestimmung anhand dieser Parameter verbunden
sind, wurde eingangs dargelegt.
-
Im
Rahmen der Forschungsarbeiten, die zu der Entwicklung der vorliegenden
Erfindung führten, wurde
die Durchtrittsfrequenz f± von Batterien betrachtet.
Diese entspricht der Frequenz bei welcher der Imaginärteil Z'' der Impedanz verschwindet und stellt
damit die zu dem Impedanzwert f± gehörende Frequenz
dar.
-
Die
Abhängigkeit
des Imaginärteils
der Impedanz von der Frequenz einer über der Batterie abfallende
Wechselspannung ist in der 2 grafisch
veranschaulicht.
-
Ein
Vorteil der Erfindung ist, dass die Durchtrittsfrequenz f± auf
einfache Weise durch eine Interpolation der in der 2 gezeigten
Messkurve am Punkt mit –Z'' = 0 bestimmt werden kann.
-
Die
Durchtrittsfrequenz f± ist, wie sich auch anhand
der weiteren Beschreibung ergibt, ein einfach zugänglicher
Parameter der Batterie.
-
Sie
ist ferner dadurch ausgezeichnet, dass sie den Übergang vom induktiven zum
kapazitiven Verhalten markiert.
-
Es
wurde in den durchgeführten
Versuchen festgestellt, dass f± als Funktion des Ladezustandes der
Batterie monoton variiert.
-
In 3 ist
die Abhängigkeit
der Frequenz f± vom Ladezustand eines
Bleiakkumulators dargestellt. Der Ladezustand der Batterie wird
dabei mit SOC bezeichnet und in % angegeben. Die Prozentwerte beziehen
sich dabei auf das Verhältnis
der in der Batterie vorhanden Ladungsmenge zur Nennkapazität der Batterie.
Dieses Verhältnis
wird üblicherweise
als Ladezustand der Batterie bezeichnet.
-
Die
Nennkapazität
des betrachteten Blei-Akkumulators betrug 70 Ah und die in der 3 dargestellten
Ergebnisse beziehen sich auf einen Entladevorgang, der bei –18°C durchgeführt wurde.
-
Während der
Ladezustand des Akkumulators von 100% auf 0% sinkt, variiert die
Durchtrittsfrequenz f± um etwa 600 Hz.
-
Für einen
vollständigen
Entladevorgang bei Raumtemperatur wurde eine Veränderung der Durchtrittsfrequenz
von 3000 Hz gemessen.
-
Die
Variationen von f± in Abhängigkeit
des Ladezustandes sind damit so groß, dass eine genaue Bestimmung
der Ladekapazität
vorgenommen werden kann.
-
Der
Parameter f± kann
somit als verlässliches
und präzises
Werkzeug für
die Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie dienen.
-
Die
Korrelation zwischen f± und dem Ladezustand
einer Batterie wurde für
eine Vielzahl von Batterietypen unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht.
Dabei konnten die Ergebnisse, die hier für den speziellen Fall des Entladens
eins Blei-Akkumulators beispielhaft veranschaulicht sind, qualitativ bestätigt werden.
-
Es
wurden beispielsweise eingehende Untersuchungen an Lithium-Ionen-Batterien,
Ni-Cd-Batterien, Ni-MH-Batterien und an geschlossenen Blei-Gel-Batterien
vorgenommen.
-
Dabei
wurden Messungen kurz nach einem zwischenzeitlichen Ent- und Aufladen,
während
des Ent- und Aufladens und bei Temperaturen zwischen –18 und
50°C durchgeführt.
-
Alle
Messungen erbrachten eine reproduzierbare Relation zwischen Durchtrittsfrequenz
und Ladezustand der Batterie. Es wurde lediglich ein geringfügiger Hysterese-Effekt
bei der Durchtrittsfrequenz festgestellt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht darauf, dass bei der Durchtrittsfrequenz das induktive Verhalten
der Batterie in ein kapazitives Verhalten übergeht und somit an der Durchtrittsfrequenz
alle Eigenschaften und Prozesse der Batterie Einfluss auf die Impedanzparameter
haben.
-
Damit
kann das erfindungsgemäße Verfahren
grundsätzlich
zur Ladungsbestimmung bei allen Batterien genutzt werden, die ein
ausreichend ausgeprägtes
induktives Verhalten zeigen.
-
Dies
beinhaltet insbesondere, dass die Ortskurve der Impedanz der Batterien
in der komplexen Ebene einen Ast im Bereich negativer Werte von –Z'' aufweist.
-
Typischerweise
sind dies Batterien mit einer Nennkapazität von mindestens 1 Ah.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann damit prinzipiell auch für
Primärzellen
durchgeführt
werden.
-
4 zeigt
eine graphische Darstellung der mit der Impedanz verknüpften Parameter
in der komplexen Ebene.
-
Die
Impedanz kann für
jede Frequenz f entweder in Polarkoordinaten durch den Modul |Z(f)| und den Phasenwinkel ⌀(f) oder
in kartesischen Koordinaten durch den Realteil Z'(f) und den negativen Imaginärteil –Z''(f) dargestellt werden.
-
Die
Durchtrittsfrequenz f± eines Reihenschwingkreises
ist dadurch charakterisiert, dass der Strom durch die Batterie und
die Spannung an der Batterie in Phase sind. Es gilt also ⌀(f±)
= 0.
-
Aus
der 4 ist ersichtlich, dass es äquivalent ist, die Durchtrittsfrequenz
durch die Bedingung Z''(f±)
= 0 zu beschreiben.
-
Beide
angegebenen Gleichungen zeigen jeweils eine Methode zur Bestimmung
von f± auf.
-
Im
Rahmen der Erfindung wird von beiden Methoden Gebrauch gemacht.
-
5 zeigt
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes
einer Batterie (40).
-
Die
Vorrichtung ist mit einer Batterie (40) verbunden, die
von Störsignalen
angeregt wird, die in dem von der Batterie (40) versorgten
Stromnetz vorhanden sind. Diese Störsignale sind Wechselstromsignale,
welche von vorhandenen Lasten (10) oder Stromquellen (20)
verursacht werden.
-
Die
Vorrichtung beinhaltet einen Sensor (50) zum Erfassen des
Wechselspannungssignals der über
der Batterie (40) abfallenden Wechselspannung.
-
Sie
beinhaltet ebenfalls einen Sensor (60) zum Erfassen der
Stromstärke
des durch die Batterie (40) fließenden Wechselstroms.
-
Die
Störsignale
beinhalten im allgemeinen Signale verschiedener Frequenzen.
-
Das
Spannungs- und das Stromsignal werden jeweils in einem Bandpassfilter
(80, 90) bearbeitet, das nur von einem harmonischen
Anteil der Signale passiert werden kann, der eine Frequenz aufweist,
die innerhalb eines sehr schmalen Frequenzbandes liegt.
-
Die
mittlere Frequenz des Frequenzbandes kann vorzugsweise eingestellt
und verändert
werden, so dass der relevante Frequenzbereich abgescannt werden
kann.
-
Die
Vorrichtung verfügt
ebenfalls über
einen Phasenkomparator (100), der die Phasen der Anteile der
Spannungs- und Stromsignale, welche die Bandpassfilter (80, 90)
passiert haben, ermittelt und die Phasendifferenz ⌀(f) zwischen
den Signalanteilen für die
an den Bandpassfiltern (80, 90) eingestellte Frequenz
f bestimmt.
-
Der
Wert dieser Phasendifferenz wird an eine Kontrolleinheit (110) übermittelt,
welche die mittlere Durchlassfrequenz der Bandpassfilter (80, 90)
in Abhängigkeit
des Wertes der Phasendifferenz steuert.
-
Dabei
wird die Durchlassfrequenz der Bandpassfilter (80, 90)
vorzugsweise solange nachjustiert, bis sie mit der Frequenz f± übereinstimmt,
bei welcher die im Phasenkomparator (100) ermittelte Phasendifferenz ⌀(f±)
verschwindet.
-
Die
Frequenz f±,
welche der Durchtrittsfrequenz entspricht, wird an eine Recheneinheit
(120) übermittelt.
-
Die
Vorrichtung verfügt
ebenfalls über
einen Sensor (70), der die Betriebstemperatur der Batterie (40)
erfasst und an die Recheneinheit (120) sendet.
-
Der
Sensor (70) zur Erfassung der Stromstärke des durch die Batterie
(40) fließenden
Wechselstromes (60) enthält ebenfalls ein Mittel zur
Erfassung der Stromstärke
des durch die Batterie (40) fließenden Gleichstroms, deren
Wert an die Recheneinheit (120) übergeben wird.
-
In
der Recheneinheit (120) sind die Zuordnungen zwischen den
Durchtrittsfrequenzen und dem Ladezustand der Batterie (40)
für verschiedene Batterietypen,
für verschiedene
Betriebstemperaturen und in Abhängigkeit
weiterer Betriebsbedingungen der Batterie (40) in Form
von Funktionen oder Tabellen gespeichert.
-
Die
weiteren Betriebsbedingungen umfassen die Stromstärke des
durch die Batterie (40) fließenden Gleichstroms und Angaben
dazu, ob die Batterie (40) entladen oder aufgeladen wird.
-
Die
Recheneinheit (120) ist dabei vorzugsweise in der Lage,
aus der Stromstärke
zu ermitteln, ob die Batterie (40) entladen oder aufgeladen
wird.
-
Die
Funktionen und Tabellen zur Zuordnung werden in gesonderten Messungen
ermittelt und in Form von Rechen- oder Zuordnungsvorschriften in die
Recheneinheit (120) implementiert.
-
Die
Messungen zur Ermittlung der Zuordnungsvorschriften können beispielsweise
während mehrerer
Betriebszyklen anhand aus dem Stande der Technik bekannter Verfahren
durchgeführt
werden.
-
Anhand
dieser Vorschriften und der ihr übermittelten
Informationen über
die Durchtrittsfrequenz, die Temperatur und die weiteren Betriebsparameter der
Batterie (40) bestimmt die Recheneinheit (120) den
Ladezustand der Batterie (40).
-
Der
Ladezustand wird vorzugsweise von der Recheneinheit (120)
ausgegeben und kann an eine Anzeigevorrichtung (130) und/oder
an ein System zur Überwachung
der Batterieparameter (140) übermittelt werden.
-
Die
in der 5 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann besonders vorteilhaft eingesetzt werden, falls die indem Stromnetz
vorhandenen Lasten (10) und Stromquellen (20)
Wechselstromsignale mit ausreichenden Amplituden im relevanten Frequenzbereich
liefern.
-
In
typischen Stromnetzen, in welche die Vorrichtung integriert werden
kann, werden Widerstände dem
Stromnetz mit einer bekannten Frequenz zugeschaltet und von diesem
getrennt.
-
Die
Schaltung dieser Widerstände
erfolgt oftmals durch ein Steuergerät, das die Schaltfrequenz regelt
und gegebenenfalls darüber
hinaus die Stromstärke
misst.
-
Daher
ist es in einer Abwandlung der Ausführungsform der Vorrichtung
gemäß 5 auch
möglich,
das durch die vorhandenen Steuergeräte aufgezeichnete Stromstärkesignal
direkt zu nutzen und es an den Phasenkomparator (100) zu übermitteln.
-
Diese
Ausgestaltung ist in 6 dargestellt.
-
Das
Stromsignal enthält
typischerweise eine Überlagerung
von harmonischen Wechselstromsignalen verschiedener Frequenz, so
dass es durch ein regelbares Bandpassfilter (90) gefiltert
werden muss, dass wiederum durch die Kontrolleinheit (110)
gesteuert wird.
-
7 zeigt
ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes
einer Batterie (40) mit Phasen-Komparator (100) und regelbarer
Wechselstromquelle (30).
-
Diese
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann vorteilhaft zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie
(40) verwendet werden, die nicht durch Störsignale
angeregt wird.
-
Der
Einsatz einer Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform
ist vorgesehen, falls die in dem Stromnetz vorhandenen Lasten und
Stromquellen keine Signale mit ausreichenden Amplituden im relevanten
Frequenzbereich liefern.
-
Die
in 7 dargestellte Ausgestaltung unterscheidet sich
von der in der 5 dargestellten Ausführungsform
zunächst
dadurch, dass sie kein Bandpassfilter (90) für das von
dem Sensor (60) erfasste Stromstärkesignal aufweist.
-
Das
von dem Sensor (50) erfasste Signal der Wechselspannung
wird jedoch, wie im Zusammenhang mit der 5 erläutert, über das
Bandpassfilter (80) an den Phasenkomparator (100) übermittelt.
-
Die
Batterie ist in dieser Ausführungsform
mit einer zusätzlichen
regelbaren Stromquelle (30) verbunden, die einen die Batterie
(40) anregenden Wechselstrom bekannter Frequenz und Phase
generiert.
-
Die
Frequenz und die Phase des durch die Batterie (40) fließenden Wechselstroms
können
daher direkt von der Stromquelle (30) an den Phasenkomparator
(100) gesendet werden.
-
Eine
zusätzliche
Erfassung ist nicht erforderlich. Sie kann jedoch vorgesehen sein.
-
Das
Spannungssignal der über
der Batterie abfallenden Wechselspannung wird wiederum von einem
entsprechenden Sensor (50) erfasst und in dem Bandpassfilter
(80) bearbeitet.
-
Die
durch den Phasenkomparator (100) ermittelte Phasendifferenz
zwischen dem Strom- und dem Spannungssignal wird wiederum an die
Kontrolleinheit (110) übermittelt.
-
Diese
steuert die Frequenz des von der regelbaren Stromquelle (30)
gelieferten Wechselstroms und die mittlere Durchlassfrequenz des
Bandpassfilters (80) in Abhängigkeit des Wertes der Phasendifferenz.
-
Dabei
wird die Durchlassfrequenz des Bandpassfilters (80) vorzugsweise
solange nachjustiert, bis sie mit der Frequenz f± übereinstimmt,
bei welcher die ermittelte Phasendifferenz ⌀(f±)
verschwindet.
-
Das
Bandpassfilter (80) wird dabei insbesondere so gesteuert,
dass die mittlere Durchlassfrequenz mit der Frequenz übereinstimmt,
die an der Stromquelle (30) eingestellt ist.
-
Wenn
die Durchtrittsfrequenz anhand der verschwindenden Phasendifferenz
ermittelt wurde, bestimmt die Recheneinheit (120) aus der
ihr übergebenen
Frequenz f± den
Ladezustand der Batterie (40) so wie im Zusammenhang der 5 dargestellt.
-
Wie
erläutert
ist es ebenfalls möglich,
die Durchtrittsfrequenz aus der Frequenzabhängigkeit des Imaginärteils der
Impedanz zu bestimmen.
-
Eine
Vorrichtung ohne regelbare Stromquelle, der diese ebenfalls bevorzugte
Methode zugrunde liegt, ist in 8 in Form
eines Blockdiagramms dargestellt.
-
Die
Vorrichtung ist mit einer Batterie (40) verbunden, welche
von Störsignalen
angeregt wird, die in dem von der Batterie (40) versorgten
Stromnetz vorhanden sind. Diese Störsignale sind Wechselstromsignale,
welche von vorhandenen Lasten (10) oder Stromquellen (20)
verursacht werden.
-
Diese
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird also vorzugsweise zur Ladezustandsbestimmung eingesetzt, falls
die in dem Stromnetz vorhandenen Lasten (10) und Stromquellen
(20) Wechselstromsignale mit ausreichenden Amplituden im
relevanten Frequenzbereich liefern.
-
Die
Amplituden, Frequenzen und Phasen dieser Störsignale können dabei in vielen Fällen an den
Lasten (10) oder Stromquellen (20) selber ermittelt
werden, wie im Zusammenhang der 6 erläutert wurde.
-
So
können
Kontrolleinheiten der Lasten (10) und Stromquellen (20)
so ausgelegt sein, dass sie Stromsignale an die Vorrichtung übermitteln.
-
Die
Vorrichtung beinhaltet einen Sensor (50) zum Erfassen des
Wechselspannungssignals der über
der Batterie (40) abfallenden Wechselspannung.
-
Das
Spannungssignal wird in einem Tiefpassfilter (150) bearbeitet,
wobei dieses nur von den Anteilen des Signals passiert werden kann,
die eine Frequenz im relevanten Frequenzbereich aufweisen.
-
Der
Anteil des Spannungssignals der das Tiefpassfilter passiert hat,
wird an ein Mittel (160) zur Fourier-Transformation übermittelt,
dem auch die Informationen über
die Amplitude, die Frequenz und die Phasenlage der Stromstärke des
von den Lasten (10) oder Quellen (20) verursachten
Wechselstromsignals übermittelt
werden.
-
Dem
Mittel (160) zur Durchführung
der Fourier-Transformation stehen damit alle Information für die bestimmungsgemäße Transformation
der Signale zu Verfügung.
-
Das
Mittel (160) zur Fourier-Transformation bestimmt die Impedanz
und führt
eine Fourier-Transformation der Impedanz durch oder ermittelt die Transformierte
der Impedanz aus den transformierten Strom- und Spannungssignalen.
-
Vorzugsweise
führt das
Mittel zur Fourier-Transformation eine schnelle Fourier-Transformation
durch.
-
Nach
der Durchführung
der Transformation wird ein Signal, das Informationen über die
Fourier-Transformierte der Impedanz enthält, an eine Auswerteeinheit
(170) übermittelt,
welche die Frequenz f± bestimmt, bei welcher
der Imaginärteil
der Impedanz verschwindet.
-
Die
Frequenz f± mit –Z''(f±) = 0 ist die Durchtrittsfrequenz
der Batterie (40).
-
Falls
der Imaginärteil
der Impedanz bei keiner der in dem Spannungssignal vorhandenen Frequenzen
verschwindet, kann vorgesehen sein, f± mit Hilfe
von zwei Frequenzwerten zu interpolieren.
-
Die
beiden Frequenzwerte werden vorzugsweise so gewählt, dass der Imaginärteil der
Impedanz für
die eine Frequenz sehr wenig kleiner als Null und der Imaginärteil für die andere
Frequenz sehr wenig größer als
Null ist und die beiden zugehörigen Werte
des Imaginärteils
des Impedanz werden gerade verbunden. Die Nullstelle dieser Geraden
entspricht dann der Durchtrittsfrequenz f±.
-
Die
Durchtrittsfrequenz, sowie die Stromstärke des durch die Batterie
(40) fließenden
Gleichstroms und die Betriebstemperatur werden der Recheneinheit
(120) zur Verfügung
gestellt.
-
Die
Vorrichtung verfügt
hierfür über Sensoren
(60, 70), welche die Stromstärke des durch die Batterie
(40) fließenden
Gleichstroms und die Betriebstemperatur der Batterie (40)
erfassen.
-
Die
Recheneinheit (120) bestimmt den Ladezustand der Batterie
(40) nun wiederum so, wie im Zusammenhang der 5 dargestellt.
-
Die
in der 9 im Blockdiagramm gezeigte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird vorzugsweise eingesetzt, falls die Batterie (40) nicht
in ein Stromnetz integriert ist oder falls die im dem Stromnetz
vorhandenen Lasten und Stromquellen keine Signale mit ausreichenden
Amplituden im relevanten Frequenzbereich liefern.
-
Sie
unterscheidet sich von der in 8 dargestellten
Ausführungsform
dadurch, dass die Batterie (40) mit einer regelbaren Stromquelle
(30) verbunden ist, die von der Auswerteeinheit (170)
gesteuert wird.
-
Die
Frequenz des von der Stromquelle gelieferten Stromes wird von der
Auswerteeinheit (170) solange verändert, bis die Frequenz gefunden
ist, bei welcher der Imaginärteil
der Impedanz der Batterie (40) verschwindet.
-
Dabei
werden Frequenz und Phase des von der Quelle (30) gelieferten
Wechselstroms von der Auswerteeinheit (110) kontrolliert
und die Informationen über
Frequenz, Phase und Amplitude der Spannung und der Stromstärke werden
an das Mittel (160) zur Durchführung der Fourier-Transformation übermittelt,
bzw. teilweise von diesem ermittelt.
-
Von
diesen Unterschieden abgesehen, verfügt die Vorrichtung in 9 über die
gleichen Komponenten wie die Vorrichtung in 8 und arbeitet
in der gleichen Weise.
-
Zusätzlich zu
den bisher dargestellten Ausführungsformen
können
ebenfalls Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen sein,
die Mittel zur Erfassung und Bestimmung von weiteren aus dem Impedanzspektrum
ermittelbaren Parametern der Batterie beinhalten.
-
Damit
kann die Bestimmung des Ladezustandes der Batterie anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens
durch die Bestimmung des Ladezustandes anhand weiterer Methoden
ergänzt
die Genauigkeit und Verlässlichkeit
der Ladezustandbestimmung weiter verbessert werden.
-
Insbesondere
ist es vorteilhaft, das im Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die Amplituden der über
der Batterie abfallenden Wechselspannung und der Stromstärke des
durch die Batterie fließenden
Gleichströme
für die
Durchtrittsfrequenz f± erfasst werden.
-
Aus
dem Verhältnis
dieser Amplituden kann der Parameter R± berechnet
werden und für
eine zusätzliche
Bestimmung des Ladezustandes verwendet werden. Dies kann in der
Kontrolleinheit (110) oder in der Auswerteeinheit (170)
vorgenommen werden.
-
Darüber hinaus
erlaubt der Wert von R± Rückschlüsse auf verschiedene in der
Batterie ablaufende Alterungsprozesse.
-
Die
Durchtrittsfrequenz f± hängt ebenfalls in geringem Maße vom Alterungszustand
der Batterie ab.
-
Um
eine besonders präzise
Bestimmung des Ladezustandes der Batterie vornehmen zu können, kann
es daher vorgesehen sein, den Alterungszustand der Batterie in der
Zuordnung zwischen der Durchtrittsfrequenz und dem Ladezustand zu
berücksichtigen.
-
Ebenso
ist es möglich
den Alterungszustand der Batterie zu ermitteln.
-
- Z'
- Realteil
der komplexwertigen Impedanz
- Z''
- Imaginärteil der
komplexwertigen Impedanz
- f±
- Durchtrittsfrequenz
der Batterie
- R±
- Realteil
des Wertes der Impedanz für
den der
-
- Imaginärteil Null
ist.
- f
- Frequenz
des durch die Batterie fließenden Wechselstroms
- SOC
- Ladezustand
der Batterie
- Z
- Impedanz
- ⌀
- Argument
der Impedanz
- 10
- Last
- 20
- Stromquelle
- 30
- Regelbare
Stromquelle
- 40
- Batterie
- 50
- Sensor
zur Erfassung der über
der Batterie abfallenden
-
- Spannung
- 60
- Sensor
zur Erfassung der Stromstärke
des durch die
-
- Batterie
fließenden
Stroms
- 70
- Sensor
zur Erfassung der Betriebstemperatur der Batterie
- 80
- Bandpassfilter
- 90
- Bandpassfilter
- 100
- Phasenkomparator
- 110
- Kontrolleinheit
- 120
- Recheneinheit
- 130
- Anzeigevorrichtung
- 140
- System
zur Batterieüberwachung
- 150
- Tiefpassfilter
- 160
- Mittel
zur Fourier-Transformation
- 170
- Auswerteeinheit