DE3108844A1

DE3108844A1 - Verfahren zur feststellung des erhaltungszustandes von bleiakkumulatoren

Info

Publication number: DE3108844A1
Application number: DE19813108844
Authority: DE
Inventors: Albert Ing. Maringer (Grad.); Robert 7500 Karlsruhe Pilz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-03-09
Filing date: 1981-03-09
Publication date: 1982-09-23
Also published as: DE3108844C2

Description

Verfahren zur Festellung des Erhaltungszustandes von
Bleiakkumulatoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Fesstellung des Erhaltungszustandes von Bleiakkumulatoren, bei dem eine Messung der Leerlaufklemmenspannung vor einer etwa 15 Sekunden dauernden Hochstromentladung des Akkumulators und gegen Ende der Entladung eine weitere Messung der Klemmenspannung sowie etwa 100 Millisekunden nach Abschalten der Entladung mindestens eine nochmalige Messung der Klemmenspannung vorgenommen wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-PS 26 10 536 .u entnehmen. Auch bei dem bekannten Verfahren liefert der Verlauf der Erholspannung einen wesentlichen Anhaltspunkt für den Erhaltungszustand der untersuchten Batterie. Der Verlauf der Erholspannung wird beim bekannten Verfahren durch zwei in einem bestimmten zeitlichen Abstand aufeinanderfolgende Messungen erfaßt und stellt so den Verlauf einer angenäherten Geraden dar.
Dem bekannten Verfahren gegenüber beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß die Erholspannung besser durch eine Exponentialfunktion abbildbar ist. Näheres dazu folgt noch in der eingehenderen Beschreibung. Vorweg sei nur angedeutet, daß der Erhaltungszustand einer Batterie wegen des zur Erreichung einer großen Kapazität notwendigen porösen Plattenaufbaus maßgeblich von der chemischen Reaktionsfähigkeit in der Plattentiefe bestimmt ist. Anders betrachtet erfolgt nach einer Hochstrombelastung eine Nachlieferung von Ladungsträgern aus der Plattentiefe, weil die Ladungsträger in den Poren der Platten nur mit einer gewissen Verzögerung nach außen gelangen. Die Auffassung, wonach der Verlauf der Erholspannung exponential erfolgt, läßt sich auch aus einem Ersatzschaltbild für die Batterie ableiten, wobei die Zeitkonstante der Exponentialfunktion von einer Widerstandskapazitätskombination herrührt, die weiter unten anhand des Ersatzschaltbildes noch erläutert werden wird.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, an geeigneten Zeitpunkten des Verfahrens Meßwerte zu gewinnen, die eine Berechnung der Zeitkonstanten der Exponentialfunktion, nach der die Erholspannung verläuft, ermöglichen.
Erschwert wird die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß der Fußpunkt der Exponentialfunktion wegen der Steilheit ihres anfänglichen Anstieges nicht genau meßbar ist. Außerdem muß sichergestellt werden, daß während der Entladung der Batterie die Abhängigkeit ihres Innenwiderstandes von der jeweils herrschenden Stromdichte ausgeschaltet wird.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem eingangs beschriebenen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die geschickte Wahl eines zusätzlichen Meßpunktes gelingt es, die Parameter der Exponentialfunktion ohne genaue Kenntnis des Fußpunktes dieser Funktion zu ermitteln. Die Konstanthaltung des Entladungsstromes sorgt während der Messung für einen gleichbleibenden Innenwiderstand der Batterie.
Mit Vorteil wird die Entladung der Batterie mit einem ein 480stel ihrer Nennkapazität betragenden Stromzeitwert vorgenommen.
Zur Konstanthaltung des Entladestromes dient ein mindestens schrittweise steuerbarer Lastwiderstand.
Zweckmäßig findet die zusätzliche Messung der Klemmenspannung zu Beginn der Entladung etwa 100 Millisekunden nach Entladungsbeginn statt.
Die Erfindung wird anhand zweier Figuren erläutert.
Figur 1 stellt ein Ersatzschaltbild eines Bleisammlers dar.
Die Figur 2 ist ein Spannungs-Zeit-Diagramm der Klemmenspannung eines Bleiakkumulators vor Beginn, während und nach einer Hochstromentladung.
In Figur 1 ist ein Bleiakkumulator als Zusammenschaltung einer Urspannungsquelle 0, deren einer Pol über eine Reihenschaltung aus einer Parallelkombination eines Widerstandes RiQ und einer Kapazität CQ' und einem Widerstand Ri mit der einen Ausgangsklemme des Bleiakkumulators verbunden ist, dargestellt. Der andere Pol der Urspannungsquelle E0 liegt an der anderen Ausgangsklemme des Akkumulators. Zwischen dieser Klemme und dem Verbindungspunkt der beiden Widerstände Ri und RiQ liegt eine zweite Kapazität CQ. Es wurde vorstehend schon erwähnt, daß die Platten der Batterie einen sehr porösen Aufbau haben, damit die effektive Oberfläche der Platten und damit die Ladungsspeicherkapazität der Batterie groß wird.
Die wirksame Oberfläche beträgt ein Vielfaches der geometrischen Abmessungen der Platten. Daraus ist zu schließen, daß bei einer guten Batterie der größte Teil der Ladungsträger in der Tiefe der Platten gespeichert ist.
Bei einer plötzlich einsetzenden Entladung der Batterie mit einem hohen Strom wird der Strom zunächst von den an der geometrischen Plattenoberfläche zur Verfügung stehenden Ionen getragen. Dann stellt sich jedoch ein Potentialgefälle zwischen der geometrischen Plattenoberfläche und der Oberfläche in der Tiefe der Poren ein, das auch dort die Ladungsträger abzieht. Dieser Vorgang ist mit einer Zeitverzögerung verknüpft, weil die Beweglichkeit der Ladungsträger in der Tiefe sehr stark von der Temperatur des Elektrolyten und der chemischen Beschaffenheit der Porenoberfläche abhängt.
Die Trägheit der Ladungsträger in der Tiefe ist im Ersatzschaltbild durch den Widerstand RiQ abgebildet.
Die unmittelbar verfügbaren Ladungsträger sitzen dagegen in der Kapazität CQ.
Im Falle eines Potentialunterschiedes zwischen der geometrischen Plattenoberfläche und der Oberfläche in der Tiefe der Poren verhält sich die Platte kapazitiv, was sich im Ersatzschaltbild in der Kapazität CQ' ausdrückt.
Diese Kapazität wird durch den allmählichen landungsträgerausgleich zwischen der Porenoberfläche im Innern der Platte und der geometrischen Plattenoberfläche entladen.
Parasitäre Widerstände und der Widerstand des Plattenmaterials sind durch den Innenwiderstand Ri abgebildet.
Die Figur 2 zeigt ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Klemmenspannung einer Batterie, die zur Feststellung ihres Erhaltungszustandes einer Hochstromentladung unterzogen wird. Bei der Hochstromentladung wird der Batterie über einen Lastwiderstand ein 480stel ihrer Nennkapazität entnommen. Bei einer Batterie mit einer Kapazität von 300 Ampere stunden entspricht das einem während 15 Sekunden fließenden Entladestrom von 150 Ampere. Wesentlich ist während der Entladung auch, daß der Laststrom konstantgehalten wird, vor allem, um den Innenwiderstand der Batterie, der stromdichteabhängig ist, während der Messung konstantzuhalten. Dies kann durch einen Lastwiderstand geschehen, der beispielsweise so abgestuft ist, daß der Entladestrom mit einer 5 Ampere-Stufung eingestellt werden kann.
In der Figur 2 sind vier Meßpunkte 1 bis 4 durch Kreuze auf der Klemmenspannungskurve eingezeichnet. Im Meßpunkt 1 wird vor der Belastung in ausgeruhtem Zustand der Batterie die Ruhespannung U1 gemessen. Der Wert entspricht der Urspannung E0 in Figur 1, solange die Batterie im Innern keinen Zellenschluß aufweist oder unmittelbar vor der Messung eine extreme Entladung oder Aufladung stattgefunden hat. Weil im wesentlichen stromlos gemessen wird, sind die Werte von Ri und RiQ unerheblich. Im Meßpunkt 2, dem ersten Meßpunkt nach Beginn der Entladung, wird eine Span- nung U2 gemessen. Die Differenzspannung zwischen U1 und U2, #U1 dividiert durch den Entladestrom IL, ergibt den Innenwiderstand Ri; denn der ertn Entladestrom wird nahezu ausschließlich von den an der geometrischen Oberfläche der Batterieplatten zur Verfügung stehenden Ladungsträgern getragen. Das sind nach dem Ersatzschaltbild der Figur 1 die in der Kapazität CQ gespeicherten Ladungsträger.
Während der Lastphase wird - wie schon erwähnt - der Entladestrom IL konstantgehalten, so daß ein Absinken der Batteriespannung keine Auswirkungen hat.
Gegen Ende der 15 Sekunden dauernden Entladung wird am Meßpunkt 3 die Spannung U3 gemessen. Der Spannungsunterschied zwischen U1 und U4, der #U2 genannt wird, ergibt, wenn er durch den Entladestrom Il dividiert wird, die Summe der beiden Widerstände RiQ und R..
Nach Abschalten des Entladestroms steigt die Spannung zuerst sprungartig an und verläuft dann nach einer Exponentialfunktion, die nach einiger Zeit wieder in die Leerlaufklemmenspannung übergeht. Der exponentielle Zweig der Erholspannung wird in einem Meßpunkt 4 erfaßt. Dort wird die Spannung U4 gemessen. Um die Zeitkonstante des exponentiellen Teils der Erholspannung zu ermitteln, ist es notwendig, für die Exponentialfunktion eine zweite Zeitachse einzuführen, die in der Figur 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Der Abstand dieser zweiten Zeitachse zur ursprünglichen Zeitachse ist nicht unmittelbar einer Messung zugänglich, weil in diesem Teil die Erholspannung sehr steil verläuft. Trotzdem ist es möglich, dafür einen Wert aus den anderen Meßpunkten abzuleiten und so schließlich die Zeitkonstante des Ladungsausgleichs zwischen der Urspannungsquelle E0 und den Kapazitäten CQ1 und CQ über den Widerstand RiQ zu ermitteln.
Der Verlauf des exponentialen Zweigs der Erholkurve läßt sich allgemein durch beschreiben. Dabei ist Au ein augenblicklicher Amplitudenwert, der sich zu einer Zeit tu einstellt. A0 ist dabei der von der Exponentialkurve schließlich erreichte Endwert, welcher der Leerlaufklemmenspannung der Batterie entspricht. Wird die Gleichung (1) nach der Zeitkonstanten t aufgelöst, so ergibt sich Die Funktion des natürlichen Logarithmus in Reihendarstellung lautet wie folgt: Wird dabei x durch den Klammerausdruck aus Gleichung (2) ersetzt, also so wird aus dem ersten Glied der Reihe Für die Zeitkonstante ergibt sich also Zur Ermittlung der Parameter Ao und Au dient folgende Überlegung. A0, der Endwert der Exponentialfunktion, muß vom Fußpunkt der Funktion aus gemessen werden. Dieser liegt jedoch nicht als Meßwert unmittelbar vor. Es wird jedoch angenommen, daß die erste sprunghafte Erhöhung der Klemmenspannung nach Abschalten des Entladestromes etwa dem Spannungsunterschied U1 - U2 entspricht, weil im wesentlichen nach Abschalten der Entladung der Spannungsabfall am Widerstand Ri entfällt. Dann ergibt sich für Ao U1 - (U3 + U1 - U2) = A0 (7) Dabei ist der Klammerausdruck die Klemmenspannung des Fußpunktes des exponentiellen Teils der Erholkurve. Daraus wird U2 - U3 = A0 (8) Für den Parameter Au ergibt sich U4 -U1 + U2 - U3 = Au (9) Damit liegen die Parameter fest, aus denen die Zeitkonstante t bestimmt werden kann.
Die Relevanz der Zeitkonstanten für den Verlauf der Erholspannung und damit für den Erhaltungszustand einer Batterie wird an zwei Beispielen gezeigt, bei deren erstem eine sehr schnelle Erholung angenommen wird, bei der zum Meßpunkt 4 der Augenblickswert Au der Erholspannung schon den Endwert A0 erreicht hat. Wie erinnerlich, liegt der Meßpunkt 4 100 Millisekunden nach Abschalten der Entladung. Weil Au Ag ist, ergibt sich aus der Reihenentwicklung für die Zeitkonstante # Ausgerechnet ergibt sich daraus Beim zweiten angenommenen Beispiel soll zum Zeitpunkt des Meßpunktes 4, also 100 Millisekunden nach der Abschaltung der Entladung, der Augenblickswert der Klemmenspannung Au erst ein Zehntel des Endwertes E0 betragen. Dann ergibt sich für die Reihenentwicklung der Zeitkonstanten # und ausgerechnet # = 949,122 # 10-3 sec (13) Aus diesen beiden Beispielen ist zu ersehen, daß die Zeitkonstante in den beiden angenommenen Fällen um 900 Millisekunden unterschiedliche Werte ergibt. Die Beobachtung der Zeitkonstanten liefert also für die Begutachtung des Erhaltungszustandes einer Batterie eine sehr breite Skala.
4 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Feststellung des Erhaltungszustandes von Bleiakkumulatoren, bei dem eine Messung der Leerlaufklemmenspannung vor einer etwa 15 Sekunden dauernden Hochstromentladung des Akkumulators und gegen Ende der Entladung eine weitere Messung den Klemmenspannung sowie etwa 100 Millisekunden nach Abschalten der Entladung mindestens eine nochmalige Messung der Klemmenspannung vorgenommen wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß zwecks Bestimmung der Zeitkonstanten der nach der Entladung als Exponentialfunktion verlaufenden Klemmenspannung eine zusätzliche Messung der Klemmenspannung zu Beginn der mit mindestens annähernd konstantem Strom durchgeführten Entladung vorgenommen und die Parameter A0 bzw. Au der nach ihrer Zeitkonstanten aufgelösten Exponentialfunktion aus der Differenz zwischen dem zweiten und dritten Meßwert der Klemmenspannung bzw. aus der Differenz zwischen der Summe aus dem zweiten und vierten Meßwert und der Summe aus dem ersten und dritten Meßwert gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine zusätzliche Messung der Klemmenspannung etwa 100 Millisekunden nach Beginn der Entladung stattfindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Entladung der Batterie mit einem Stromzeitwert erfolgt, der ein 480stel ihrer Nennkapazität beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß zur Konstanthaltung des Entladestromes ein mindestens schrittweise steuerbarer Lastwiderstand dient.