DE19936542A1

DE19936542A1 - Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie

Info

Publication number: DE19936542A1
Application number: DE19936542A
Authority: DE
Inventors: Goesta Pfundtner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 1999-08-03
Publication date: 2001-03-15
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: DE19936542C2

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie, insbesondere eine Gebrauchs-Batterie mit einer Batteriekapazität größer 45 Ah, wobei die Durchtrittskapazität der Gebrauchs-Batterie gemessen wird und der Alterungszustand auf der Grundlage der gemessenen Durchtrittskapazität bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Be stimmung einer Alterungskennlinie für eine Gebrauchs-Batterie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6

Ein solches Verfahren wird beispielsweise für Traktionsbatteri en von Elektrofahrzeugen benutzt, da es für den Betreiber eines Elektrofahrzeugs wichtig ist, über den Alterungszustand und da mit über die präsumptive Restlebensdauer der Traktionsbatterie informiert zu sein. Traktionsbatterien von Elektrofahrzeugen werden stark beansprucht und haben nur eine begrenzte Lebens dauer in dem Sinne, daß mit zunehmender Gebrauchsdauer die ein speicherbare Ladungsmenge soweit absinkt, daß die Batterie zum Fahrbetrieb nicht mehr einsetzbar ist. Mit der Kenntnis über den Alterungszustand der Traktionsbatterie läßt sich die mögli che Fahrzeugreichweite abschätzen, und es kann eine Sollfunkti on einer solchen Batterie derart erstellt werden, daß Abwei chungen hiervon während des Betriebes auf einen Batteriedefekt hindeuten, der über ein entsprechendes Anzeigegerät dem Fahrer angezeigt werden kann. Auch andere Fahrerinformationen, wie beispielsweise die Aufforderung zu einem Ladungs-Reset, d. h. einer Vollaufladung der Batterie, wie er nach mehreren Teilla dungszyklen zur Kalibrierung der Ladezustandsanzeige zweckmäßig ist, können bei Kenntnis des Batteriealterungszustandes mit größerer Genauigkeit bereitgestellt werden.

Die Mechanismen, die zur Alterung von Batterien führen, sind sehr unterschiedlich. Als Haupteffekt sind zu nennen die Beein trächtigung des Innenaustauschs (bspw. durch Verschmutzung oder sonstige Inaktivierung) zwischen den Kontaktflächen der Elek troden und dem Elektrolyten bzw. Ionentransmitters sowie die Inaktivierung eines Teils der chemischen Reaktionsmasse durch unerwünschte chemische Nebenreaktionen oder durch den Aufbau isolierender Zwischenschichten. Welche Effekte dominieren, hängt nicht nur von den verwendeten Chemikalien, sondern auch von der geometrischen Bauart und der Technologie des Batterie herstellers ab, wobei gewisse Haupteinflüsse allen Systemen ge meinsam sind, beispielsweise die Alterungsabhängigkeit von der pro Entladezyklus der Batterie entnommenen Ladungsmenge und der jeweils noch eingespeicherten Restladungsmenge.

Es ist eine große Vielzahl von Verfahren bekannt, den Ladezu stand einer Batterie innerhalb eines Entladezyklus zu bestim men, beispielsweise durch Messung der Batteriespannung unter Last oder Erfassen der bisherigen Entladedauer nach einem Lade vorgang. Stellvertretend seien hierzu beispielhaft die folgen den Druckschriften genannt: US 4,743,831, US 5,065,084, US 4,017,724, DE 41 12 987 A1 und DE 42 21 513 A1. Abgesehen davon, daß derartige Verfahren relativ zeitaufwendig sind, sind sie auch nicht dazu vorgesehen, eine Aussage über den Alte rungszustand der Batterie zu machen.

In der DE 32 13 516 C1 ist ein Verfahren zur Ermittlung des Al terungszustandes einer Sekundärbatterie offenbart, bei dem fortlaufend die Entladespannung und der Entladestrom in Abhän gigkeit von der Entladezeit und gegebenenfalls auch die Elek trolytemperatur gemessen werden. Die Entladespannung wird durch eine Regelung an einem Absinken unter eine vorgegebenen Min destspannung gehindert, und es wird die zwischen zwei aufein derfolgenden Rufladungen entnommene Ladung durch Integration des gemessenen Entladestroms über die Entladezeit bestimmt. An hand einer ersten Kennlinie, welche die bei der Entladung zu erwartende entnehmbare Gesamtladung der ungealterten Sekundär batterie in Abhängigkeit vom mittleren Entladestrom und gegebe nenfalls der Elektrolyttemperatur wiedergibt, wird aus dem mittleren Entladestrom die zu erwartende entnehmbare Gesamtla dung bestimmt. Bei Erreichen einer vorgebbaren Grenzleistung, bei der die Entladespannung für eine vorgegebene Zeitspanne der Mindestspannung entspricht, und die oberhalb einer den Entlade schluß definierenden Mindestleistung mit einer ebenfalls für die vorgegebene Zeitspanne der Mindestspannung entsprechenden Entladespannung liegt, wird anhand einer zweiten Kennlinie, welche die voraussichtlich noch entnehmbare Restleistung der Sekundärbatterie in Abhängigkeit von der Grenzleistung wieder gibt, aus der Grenzleistung die voraussichtlich noch entnehmba re Restladung bestimmt und anschließend der Quotient aus der Summe der entnommenen Ladung und der Restladung dividiert durch die voraussichtlich noch entnehmbare Restladung gebildet. Der Quotient dient bei diesem Verfahren als Maß für den Alterungs zustand der Batterie.

Aus der DE 195 40 827 C2 ist schließlich ein Verfahren zur Be stimmung des Alterungszustandes einer Batterie bekannt, bei welchem ein Kennfeld der Batteriealterung in Abhängigkeit der Entlademenge pro Entladezyklus als Batteriealterungseinflußgrö ße vorgegeben wird, die jeweiligen Momentanwerte dieser Batte riealterungseinflußgröße bei der überwachten Batterie erfaßt werden, der zu diesen jeweiligen Momentanwerten der Einflußgrö ße gehörige Alterungsanteil anhand des vorgegebenen Kennfeldes ermittelt wird, und die ermittelten Alterungsanteile zur Bil dung eines Batteriealterungswertes als Maß für den Batterieal terungszustand aufsummiert werden.

Die bekannten Verfahren werden als relativ aufwendig angesehen, so daß ein Bedürfnis besteht, einfachere Verfahren zur Bestim mung des Alterungszustandes einer Batterie zur Verfügung zu stellen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines derar tigen Verfahrens, mit dem gegenüber herkömmlichen Lösungen Al terungszustände von Batterien in einfacherer Weise bestimmt werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie mit den Merk malen des Patentanspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird erstmals ein Zusammenhang zwischen der Durchtrittskapazität der Batterieelektroden und einem Alte rungszustand der Batterie hergestellt. Zum Begriff der an sich bekannten Durchtrittskapazität sei am Beispiel einer herkömmli chen Blei-Säure-Batterie folgendes angegeben: Damit die Batte rie einen Stromfluß gewährleisten kann, müssen, vereinfacht ge sagt, Bleiatome aus dem Elektrodenverband sowohl der positiven wie auch der negativen Elektrode austreten, um beispielsweise mit Schwefelsäure das schwer lösliche Bleisulfat zu bilden. Dieser Übertritt von Ionen aus der festen Phase in die flüssige Phase stellt einen komplizierten Prozeß dar, dessen elektri sches Pendant einem Durchtrittswiderstand entspricht. Darüber hinaus bildet sich an den Elektrodenoberflächen durch Adsorpti on eine elektrische Doppelschicht aus, die wie ein Kondensator wirkt (Helmholtzsche Doppelschicht). Der Durchtrittswiderstand und die auch als Durchtrittskapazität bezeichnete Doppel schichtkapazität parallel geschaltet bilden ein erstes elektri sches Analogon zur Beschreibung des Durchtrittsprozesses. Es wurde hierbei überraschenderweise festgestellt, daß bei Batte rien, insbesondere Batterien einer Anfangskapazität größer 45 Ah die momentane Batteriekapazität und der Alterungszustand ei nen linearen Zusammenhang mit der Durchtrittskapazität der Elektroden aufweisen. Da die an sich bekannte Bestimmung der Durchtrittskapazität der Elektroden relativ einfach durchführ bar ist, ist insgesamt ein einfaches Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie zur Verfügung gestellt.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungs gemäßen Verfahrens wird die Durchtrittskapazität bei voll auf geladener Gebrauchs-Batterie gemessen, und der derart erhaltene Meßwert mit abgelegten Meßwerten, welche für unterschiedliche Alterungszustände der Batterie die Durchtrittskapazität bei voll aufgeladener Batterie beschreiben, verglichen. Zur Ermög lichung einer derartigen Messung ist es lediglich notwendig, die Batterie voll aufzuladen. Eine vollständige Entladung und eine anschließende Rufladung, wie es bei herkömmlichen Verfah ren notwendig war, kann entfallen. Auf der Grundlage dieser Vorgehensweise ist es ferner möglich, bei bekanntem Alter einer Batterie zu überprüfen, ob ihr Alterungszustand diesem tatsäch lichen Alter entspricht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungs gemäßen Verfahrens wird die Gebrauchs-Batterie aufgeladen, wo bei eine erste Durchtrittskapazitätsmessung vor der Rufladung, und weitere Messungen während des Rufladens sowie im vollstän dig aufgeladenen Zustand durchgeführt werden, und die derart erhaltende Durchtrittskapazitäts-Meßreihe mit einem abgelegten Kennfeld, welches für verschiedene Alterungszustände der Ge brauchs-Batterie die Durchtrittskapazität in Abhängigkeit von der Batteriekapazität beschreibt, verglichen wird. Mit einer derartigen Messung sind besonders genaue Meßergebnisse erziel bar, da auch die jeweiligen Steigungen der Meßreihe bzw. der Kennlinien des Kennfeldes miteinander in Beziehung gesetzt wer den können.

Zweckmäßigerweise wird die Durchtrittkapazität auf der Grundla ge einer Impedanzmessung der Gebrauchs-Batterie bestimmt. Hier bei wird die Impedanz der Gebrauchs-Batterie für verschiedene Wechselspannungen ermittelt, beispielsweise in einem Bereich von 10^-2 bis 10⁴ Hz. Die Impedanz wird, in an sich bekannter Weise, hierbei in einem imaginären Anteil und einen realen An teil aufgespalten, wobei der imaginäre Anteil als Funktion des realen Anteils betrachtet wird, und aus den Extrema dieser Funktion die jeweilige Durchtrittskapazität ermittelt wird. Derartige Verfahren sind an sich bekannt und bedürfen daher an dieser Stelle keiner besonderen Erläuterung.

Zweckmäßigerweise dient das erfindungsgemäße Verfahren zur Be stimmung des Alterungszustandes einer Gebrauchs-Batterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schiffes, eines Unterseeboots, eines Flugzeugs, eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Lastkraftwagens, einer Notstromversorgung oder eines interstel laren Flugkörpers, insbesondere eines Satelliten

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfah ren zur Bestimmung einer Alterungskennlinie für eine Gebrauchs- Batterie eines bekannten Alterungszustandes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Ist eine derartige Alterungskennlinie für eine Batterie eines bekannten Alterungszustandes zur Verfü gung gestellt, können Batterien unbekannten Alterungszustandes mit einer derartigen Kennlinie verglichen werden.

Zweckmäßigerweise wird dieses Verfahren für verschiedene Alte rungszustände der gleichen Gebrauchs-Batterie durchgeführt, wo durch ein Alterungskennfeld für eine derartige Batterie erhal ten wird.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 für verschiedene Alterungszustände einer Batterie den funktionalen Zusammenhang zwischen der Durchtrittskapa zität an den Batterieelektroden und der jeweils entnom menen bzw. entnehmbaren Batteriekapazität, und

Fig. 2 eine Kurve zur Darstellung der jeweils bei maximal auf geladener Batterie auftretenden Durchtrittskapazität als Funktion der Alterung.

Die Messungen der Fig. 1 wurden mit einer Gebrauchs-Batterie einer Gesamtkapazität von 160 Ah durchgeführt.

Die oberste Meßreihe, deren Meßpunkte durch kleine Quadrate dargestellt sind, beschreibt die Durchtrittskapazität C_D an den Elektroden der Batterie in Abhängigkeit von der entnommenen Batteriekapazität im Neuzustand der Batterie. Man erkennt, daß bei einer neuen Batterie tatsächlich bis zu 160 Ah entnommen werden können. Auf der Grundlage der oberen Meßreihe ist eine erste Kennlinie a, welche den Neuzustand der Batterie be schreibt, über geeignete Ausgleichsverfahren angebbar bzw. be rechenbar.

Die Meßwerte einer zweiten Meßreihe sind mittels Dreiecken dar gestellt. Diese Meßreihe beschreibt wiederum die Durchtrittska pazität der gleichen Batterie in Abhängigkeit von der entnomme nen Batteriekapazität, wobei die Batterie hier jedoch einen Al terungszustand entsprechend drei Jahren aufweist. Man erkennt, daß die entnehmbare Batteriekapazität auf etwa 80 Ah zurückge gangen ist. Die für den maximalen Ladezustand festgestellte Durchtrittskapazität beträgt hier 15 mF/m², im Gegensatz zu 35 mF/m² für eine neuwertige Batterie.

Auch durch die Meßwerte der drei Jahre alten Batterie wurde ei ne eine Alterungskennlinie darstellende Ausgleichsgerade ge legt, welche mit b bezeichnet ist.

Mit c ist schließlich eine Kennlinie bezeichnet, welche der Meßreihe einer 4, 5 Jahre alten Batterie zugeordnet ist, welche mittels Rauten dargestellt ist. Man erkennt, daß hier die ent nommene bzw. entnehmbare Batteriekapazität auf etwa 40 Ah zu rückgegangen ist, wobei die dem maximalen Ladezustand entspre chende Durchtrittskapazität etwa 4 mF/m² beträgt.

Ein Vergleich der jeweiligen Kennlinien a, b, c ergibt, daß diese im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, d. h. sich um einen konstanten Faktor unterscheiden. Will man nun den Al terungszustand einer Gebrauchs-Batterie unbekannten Alters bzw. Alterungszustandes ermitteln, kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden: Die zu untersuchende Batterie wird zunächst vollständig aufgeladen, ohne daß Messungen der Durchtrittskapa zität durchgeführt werden. Für den voll aufgeladenen Zustand wird anschließend die Durchtrittskapazität an den Batterieelek troden ermittelt. Anhand der bereits erläuterten Kennlinien a, b, c sowie weiterer, nicht im einzelnen dargestellter Kennlini en für zwischenliegende Alterungszustände kann von der gemesse nen Durchtrittskapazität auf den Alterungszustand der Batterie geschlossen werden.

Ein ermittelter Durchtrittskapazitätsverlauf als Funktion der Alterung ist in Fig. 2 dargestellt. Stellt man also beispiels weise fest, daß die Durchtrittskapazität für den vollständig aufgeladenen Zustand etwa 33 mF/m² beträgt, läßt sich auf einen Alterungszustand von etwa einem Jahr schließen. Ist das Alter einer Batterie bekannt, läßt sich in analoger Weise ermitteln, ob der Alterungszustand dem tatsächlichen Alter entspricht.

Zur Erhöhung der Genauigkeit einer derartigen Messung ist es ferner beispielsweise möglich, während der Rufladung der Batte rie ebenfalls Durchtrittskapazitätsmessungen durchzuführen, und eine sich so ergebende Meßreihe mit den Kennlinien, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind, zu vergleichen.

Gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Bestimmung von Alterungs zuständen ist es erfindungsgemäß nicht mehr notwendig, eine vollständige Entladung und Wiederaufladung der Batterie durch zuführen. Erfindungsgemäß werden sehr gute Ergebnisse unter Be rücksichtigung der Durchtrittskapazität bei voll aufgeladener Batterie erzielt. Aufgrund derartiger Messungen ist es, unter Berücksichtigung der Kennlinien gemäß Fig. 1, in einfacher Wei se möglich, auf eine maximal entnehmbare Batteriekapazität zu schließen.

Es ist ferner möglich, eine Batterie, deren Alter bekannt ist, aufgrund der Kennlinien der Fig. 1 mit ihrem tatsächlichen Al terungszustand zu vergleichen. Erweist sich beispielsweise, daß eine Batterie, deren Alter mit drei Jahren genau bestimmt ist, eine maximale Durchtrittskapazität von 15 mF/m² aufweist, so läßt sich hieraus schließen, daß diese Batterie einen ihrem tatsächlichen Alter entsprechenden Alterungszustand aufweist, d. h. in angemessener Weise behandelt bzw. eingesetzt wurde.

Es sei angemerkt, daß es zweckmäßig ist, die beschriebenen Durchtrittskapazitätsmessungen bei Stillstand bzw. im Ruhezu stand eines Fahrzeugs zu messen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Ge brauchs-Batterie, insbesondere eine Gebrauchsbatterie mit einer Batteriekapazität größer 45 Ah, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittskapazität der Gebrauchs-Batterie gemessen wird und der Alterungszustand auf der Grundlage der gemessenen Durchtrittskapazität bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittskapazität bei voll aufgeladener Batterie gemessen wird, und der derart erhaltende Meßwert mit abgelegten Meßwer ten, welche für unterschiedliche Alterungszustände der Batterie die Durchtrittskapazität bei voll aufgeladender Batterie be schreiben, verglichen wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Gebrauchs-Batterie aufgeladen wird, wobei ei ne erste Durchtrittskapazitätsmessung vor dem Aufladen und wei tere Messungen während des Aufladens sowie im vollständig auf geladenen Zustand durchgeführt werden, und die derart erhalten de Meßreihe mit einem abgelegten Kennfeld, welches für ver schiedene Alterungszustände der Gebrauchs-Batterie die Durch trittskapazität in Abhängigkeit von der Batteriekapazität be schreiben, verglichen wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Durchtrittskapazität auf der Grundlage einer Impedanzmessung der Gebrauchs-Batterie bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß es zur Bestimmung des Alterungszustandes ei ner Gebrauchs-Batterie eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schiffes, eines Unterseebootes, eines Flugzeuges, eines Kraft fahrzeuges, beispielsweise eines Lastkraftwagens, einer Not stromversorgung oder eines interstellaren Flugkörpers, insbe sondere eines Satelliten, eingesetzt wird.

6. Verfahren zur Bestimmung einer Alterungskennlinie für eine Gebrauchs-Batterie eines bekannten Alterungszustandes, insbe sondere einer Gebrauchs-Batterie mit einer Batteriekapazität größer 45 Ah, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Messung der Impedanz der Gebrauchs-Batterie als Funktion einer angelegten Wechselspannung,
b) Bestimmung der Durchtrittskapazität der Batterie auf der Grundlage der gemessenen Impedanzen,
c) Wiederholung der Schritte a), b) für verschiedene Ladezu stände der Gebrauchs-Batterie, insbesondere für den Zu stand der vollständigen Ladung,
d) Darstellung der ermittelten Durchtrittskapazitäten in Ab hängigkeit der jeweiligen Ladezustände zum Erhalt einer Meßreihe,
e) Erstellen einer Kennlinie auf der Grundlage der Meßreihe.

7. Verfahren zur Bestimmung eines Alterungskennfeldes für eine Gebrauchs-Batterie eines bekannten Alterungszustandes, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren nach Anspruch 6 für verschie dene Alterungszustände der Gebrauchs-Batterie durchgeführt wird.