DE60203171T2

DE60203171T2 - Verfahren zur vorhersage der verfügbaren energie einer batterie

Info

Publication number: DE60203171T2
Application number: DE2002603171
Authority: DE
Inventors: Steven Hoening; Harmohan Singh; G. Thirumalai PALANISAMY; Margaret Egan
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2001-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2022-05-03
Also published as: JP4250425B2; CA2446086A1; WO2002093187A2; DE60203171D1; ES2236580T3; US20020193953A1; CA2446086C; KR20030088515A; US6618681B2; EP1390772A2; ATE290699T1; EP1390772B1; WO2002093187A3; JP2004530882A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorhersagen der verfügbaren Energie einer Batterie und der verfügbaren verbleibenden Laufzeit für eine derartige Batterie in jedem Ladungszustand durch Verwendung einer nichtinvasiven Prüfprozedur.
Allgemeiner Stand der Technik
Es ist oftmals erwünscht, die eigentliche Kapazität einer Batterie, die üblicherweise in Amperestunden (Ah) gemessen wird, und insbesondere einer vom Typ eines Blei-Säure-Akkus, zu bestimmen. Herkömmliche Verfahren zum Bestimmen der Kapazität eines Blei-Säure-Akkus beinhalten das vollständige Laden der Batterie auf einen 100%igen Ladungszustand (SOC – state of charge) und dann vollständiges Entladen der Batterie mit einem konstanten Stromwert (Ampere). Die Batteriekapazität wird bestimmt, indem der Entladungsstromwert (in Ampere) mit der Entladezeit (in Stunden) multipliziert wird, die zum vollständigen Entladen der Batterie benötigt wird.
Nachdem die Batterie zum Bestimmen ihrer Kapazität entladen worden ist, muß sie wieder vollständig geladen werden, damit sie für den Gebrauch bereit ist. Wie man erkennen kann, ist dieses Verfahren mit einem erheblichen Ausmaß an Laden und Entladen verbunden und ist zeitraubend, da es relativ lange Zeit für jeden der Lade- und Entladezyklen benötigt. Dieses Wechselverfahren kann auch für die Gesundheit der Batterie abträglich sein. Beispielsweise kann es beim Überladen eines Blei-Säure-Akkus zu einer Gasbildung kommen, die Schäden verursacht. Außerdem kommt es zu Abnutzung an der Batterie aufgrund des Lade-/Entladewechsels.
Die vorausgegangene Prüfung liefert im Grunde eine Analyse des statischen Zustands einer Batterie und ist kein Maß für ihre zukünftige Leistung. Es ist oftmals sehr wichtig, die verfügbare Energie vorhersagen zu können, die eine Batterie liefern kann, wenn sie sich in einem gegebenen Ladungszustand befindet, wenn sie zum Beispiel vollständig geladen ist (100% SOC) oder weniger als 100% SOC aufweist. Die verfügbare Energie einer Batterie unterscheidet sich von ihrer Nennkapazität. Die Batteriekapazität ist die maximale Energiemenge, die gespeichert und aus der Batterie abgerufen werden kann. Die verfügbare Energie ist eine Funktion des Batterie-SOC. Das heißt, es wird angenommen, daß die Batteriekapazität der vom Hersteller angegebene Wert oder der zuletzt durch tatsächliches Entladungsprüfen wie oben beschrieben bestimmte Wert ist. Die Batterienennkapazität ist in allen Ladungszuständen gleich. Eine Batterie kann sich aber in verschiedenen Ladungszuständen (SOC) von 0% bis 100% befinden. Die Batterienennkapazität (Ah) mal dem Ladungszustand (SOC) bestimmt die verfügbare Energie, die von der Batterie geliefert werden kann. Es ist somit offensichtlich, daß die tatsächlich verfügbare Energie mit abnehmenden Ladungszuständen abnimmt.
Die verfügbare Energie vorhersagen zu können, kann beispielsweise bei einer missionskritischen Anwendung wichtig sein, wie etwa bei einer unterbrechungsfreien Stromquelle (UPS – uninterruptible power source), da dies die Zeit bestimmt, während der die Quellenbatterie ihre Funktion ausführen kann. Dies wird manchmal als die „verbleibende Laufzeit" der Batterie bezeichnet, was diejenige Zeit ist, die die Batterie in ihrer Anwendung bei einer gegebenen Stromentnahme auf der Basis der verfügbaren Energie bis zur vollständigen Entladung arbeiten kann. Dies wird auf der Basis der verfügbaren Energie der Batterie bei ihrem gegenwärtigen SOC und dem Entladestrom der Anwendung berechnet.
Es sollte offensichtlich sein, daß Wartungspersonal und Zeit erforderlich sind, um eine Batterie unter Verwendung des oben beschriebenen Lade-/Entladewechselverfahrens zu prüfen, um die Batterieistkapazität zu bestimmen. Dazu muß außerdem eine Batterie zum Prüfen abgeklemmt werden, wobei die Batterie während dieser Zeit nicht für ihre zugeordnete Anwendung zur Verfügung steht, wie etwa in einer UPS.
Ein weiteres Verfahren zum Bestimmen der Batteriekapazität wurde von dem Rechtsnachfolger dieser Anmeldung entwickelt, wie im US-Patent 5,049,803 beschrieben. Dieses Verfahren bestimmt die Batterieistkapazität durch aktives Prüfen einer vollständig geladenen (100% SOC) Batterie, ohne daß die Batterie entladen werden muß. Diese Prüfung ist wesentlich schneller als der oben beschriebene herkömmliche Lade-/Entladewechsel und hat keine schädliche Auswirkung auf die Batterie und ihre Leistung. Wenn die Batterieistkapazität, d.h. die verfügbare Energie, bekannt ist, kann die verbleibende Laufzeit berechnet werden, wenn die Geschwindigkeit der Stromentladung der Anwendung bekannt ist. Das in diesem Patent beschriebene Verfahren ist jedoch auf Batterien in einem vollständig geladenen Zustand beschränkt, d.h. 100% SOC.
Ein Verfahren zum Diagnostizieren des Status einer Silber-Zink-Batterie unter Verwendung von Rampentechniken zum Entwickeln eines Algorithmus ist in dem US-Patent 6,215,312 beschrieben, das ebenfalls an den Rechtsnachfolger dieser Anwendung übertragen worden ist. Die Techniken und der darin gelehrte Algorithmus sind auf Batterien mit hohen und niedrigen Spannungsniveaus beschränkt, wie etwa die Silber-Zink-Batterien, und lassen sich nicht auf das Vorhersagen der verfügbaren Energie in einer Blei-Säure-Batterie anwenden, die kein Plateau in der Kurve Leerlauf als Funktion des Ladezustands aufweist.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an dem Vorhersagen der verfügbaren Energie einer Blei-Säure-Batterie über einen Bereich von SOC-Werten, ohne daß der Lade-/Entladewechsel durchgeführt oder die Batterie vollständig entladen werden muß. Wenn die verfügbare Energie bekannt ist, kann die verbleibende Laufzeit der Batterie, d.h. die Zeit, während der die Batterie erfolgreich in ihrer Anwendung betrieben werden kann, berechnet werden.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 zum Vorhersagen der verfügbaren Energie einer Blei-Säure-Batterie unabhängig von ihrem Ladungszustand (SOC), ohne daß die Batterie entladen werden muß, und um daraus die verbleibende Laufzeit zu bestimmen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das System einen programmierbaren Computer, der das Prüfen steuert.
Gemäß der Erfindung wird ein Vorhersagealgorithmus in Gleichungsform zunächst durch Prüfen einer Batterie entwickelt, um Daten der folgenden Batterieparameter zu erfassen: Eigenwiderstand (IR), Betriebstemperatur (T), Leerlaufspannung (OCV) und Gaspunktantwort sowohl auf einen ladenden als auch einen entladenden Strom. Die Werte dieser Parameter werden einer mathematischen Analyse unterzogen, um die Algorithmusgleichung zu entwickeln, die zahlreiche numerische Gewichtungsfaktoren für die Parameter aufweist. Die Gleichung kann auch einen numerischen Offsetwert enthalten.
Zum Vorhersagen der verfügbaren Energiebatterie, die geprüft wird, wird die Batterie geprüft, um Daten der Parameter zu erfassen. Um den Wert für IR zu erhalten, wird ein ladender Stromimpuls angelegt und der Batterieeigenwiderstand (IR) wird auf der Basis der Spannungsantwort bestimmt. Die Werte OCV und T werden direkt gemessen. Ein Rampenstrom wird an die Batterie angelegt, und die Spannungsantwort auf die Rampe wird überwacht, und aus diesen Daten werden die Parameter der Gaspunkte der Batterieladung und -entladung bestimmt. Die Werte der erfaßten Parameter der Batterie werden auf die Gleichung angewendet, und die Lösung ist die vorhergesagte verfügbare Energie. Die ganze Erfassung der Parameterdatenwerte und die Vorhersage der verfügbaren Energie erfolgt unter der Steuerung eines Computers und auf einer nichtinvasiven Basis, d.h., es besteht keine Notwendigkeit, auf die Batteriestruktur zuzugreifen, um etwa den Elektrolyten zu messen. Außerdem erfolgen Prüfen und Vorhersage auf schnelle Weise.
Die verfügbare Energie der Batterie kann in verschiedenen Ladungszuständen (SOC) vorhergesagt werden und hängt nicht davon ab, ob die Batterie vollständig geladen ist. Die Erfindung wurde erfolgreich entwickelt und geprüft für Blei-Säure-Batterien mit Kapazitäten im Bereich 2 Ah bis 25 Ah und läßt sich auf Batterien mit verschiedenen Kapazitätsbereichen anwenden.
Aufgaben der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Vorhersagen der Energie einer Blei-Säure-Batterie.
Eine weitere Aufgabe besteht in dem Bereitstellen eines Verfahrens zum Vorhersagen der verfügbaren Energie einer Blei-Säure-Batterie über einen Bereich von Batterie-SOC, ohne daß die Batterie entladen werden oder eine invasive Prüfung vorgenommen werden muß.
Noch eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Vorhersagen der verfügbaren Energie eines Blei-Säure-Akkus, indem er einer Stromprüfung vom Impuls- und Rampentyp unterzogen wird und verschiedene Parameter gemessen werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Vorhersagen der verfügbaren Energie einer Blei-Säure-Batterie durch nichtinvasive Prüfung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Kurze Beschreibung der mehreren Ansichten der Zeichnung
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende Spezifikation und die beigefügten Zeichnungen offensichtlicher. Es zeigen:
1 ein Schemadiagramm der Schaltung zum Ausführen der Erfindung;
2 eine graphische Darstellung, die die Strom- und Spannungsantwort einer Rampenprüfung zeigt;
3 eine graphische Darstellung, die die dV/dt des angelegten Stroms und die Stromantwort von 2 zeigt, und
4 eine graphische Darstellung, die einen Vergleich der vorhergesagten Batteriekapazität und der tatsächlich gemessenen Kapazität zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Weise(n) zum Ausführen der Erfindung
Die zu prüfende Batterie ist mit einem Lade- und Überwachungssystem verbunden. Das System kann eine selbständige Einheit oder eine von getrennten Komponenten sein. Jede Version des Systems enthält eine Stromversorgung, einen Computer, Datenerfassungssystem und/oder ein Spannungsmeßgerät. Es gibt viele Konfigurationen, die das System effektiv bilden können, und eine typische Konfiguration ist in 1 gezeigt.
In 1 befindet sich ein Computer A von einem beliebigen geeigneten herkömmlichen Mikroprozessor- oder Microcontroller-Typ, der eine Dateneingabeeinrichtung, z.B. eine Tastatur (nicht gezeigt), und Ausgabeeinrichtung, z.B. einen Drucker und/oder Display (nicht gezeigt), enthält. Der Computer A enthält ein Anwendungsprogramm mit den notwendigen Anweisungen zum Steuern des Ladens und Entladens der Batterie und zum Durchführen verschiedener Messungs-, Berechnungs- und Diagnosefunktionen, wie unten beschrieben. Das Anwendungsprogramm kann in einem Festwertspeicher (ROM) oder in einer geeigneten Einrichtung wie etwa einem PROM, das umprogrammiert werden kann, eingebettet sein. Der Computer A enthält außerdem den üblichen Speicher vom RAM-Typ, Datenverarbeitungseinheit und Recheneinrichtungen. Er weist außerdem seine eigene interne Uhr auf, die mit dem Anwendungsprogramm gekoppelt ist. Der Computer ist außerdem so gezeigt, daß er ein Datenerfassungsmodul(DAQ)-12 aufweist, das die Daten von verschiedenen Quellen eingibt, wie unten beschrieben.
Ladender Strom wird der Batterie F, die geprüft wird, von einer programmierbaren Quelle C mit veränderlichem Strom (Stromversorgung) zugeführt, dessen Ausgabe von analogen Spannungssignalen über Leitung 21 von einem dem Computer A zugeordneten Digital-Analog-Wandler(DAC)-11 gesteuert werden kann. Das heißt, das Computeranwendungsprogramm erzeugt die Signale zum Steuern der Stromquelle. Die Stromquelle C kann von jedem herkömmlichen Typ sein, der von einem Computer A so gesteuert werden kann, daß er eine variable Ausgabe aufweist. Beispielsweise kann für die Quelle C ein Hewlett Packard Modell HP 6032A verwendet werden.
Der Stromweg von Quelle C zu einer der Pole der Batterie F, hier als der positive gezeigt, ist über ein Relais D, das ebenfalls unter der Steuerung des Computers A steht, wie oben erörtert. Die Batteriestromversorgungsschaltung enthält außerdem eine Schutzdiode D, die zwischen dem gemeinsamen Ausgang der Stromquelle C und dem negativen Pol der Batterie in Reihe geschaltet ist, um die Quelle C vor einem etwaigen Rückstrom von der Batterie zu schützen. Gegebenenfalls können umgekehrte Polaritätsverbindungen verwendet werden.
Bezugszeichen B zeigt eine Signalaufbereitungssystemeinheit wie etwa ein National Instrument, der einen Dateneingabeabschnitt und einen Steuerabschnitt aufweist und zur bidirektionalen Kommunikation mit dem Computer A verbunden ist. Die Einheit B enthält ein Relaissteuermodul 15, um die von dem Computer kommenden Signale über die Leitung 77 zu liefern, um das Öffnen und Schließen des Kontakts von Relais D zu steuern. Einheit B enthält außerdem ein Spannungsmeßgerät 16, dessen Eingangsleitungen 14 an den positiven und negativen Pol der Batterie angeschlossen sind, um ihre Spannung während der Zustände des Ladens, Entladens und des Leerlaufs (keine Ladung oder Entladung) zu messen. Einheit B empfängt außerdem Temperaturdaten über Leitung 13 von einem Thermoelement 12, das an einer beliebigen geeigneten Stelle wie etwa dem Gehäuse der Batterie F angeordnet ist.
Strom in der Batterielade-/-entladeschaltung wird von der Einheit B gesteuert gemessen, indem die Spannung an einem Meßwiderstand E gemessen wird. Zum Messen des Stroms kann jede andere geeignete Technik verwendet werden, beispielsweise eine Hall-Effekt-Einrichtung. Die gemessene Spannung, der gemessene Strom und die gemessene Temperatur werden jeweils als eine analoge Größe durch ein Analog-/Digital-Wandlermodul (ADC) 29 in Einheit B in eine digitale Form umgewandelt, und die digitalen Daten dieser Parameter werden dem Computer A zugeführt.
Die Einheit B enthält somit einen Digital-Analog-Wandler(DAC)-11, der analoge Steuersignale aus den von dem Computer A gelieferten digitalen Signalen erzeugt, wie von seinem Anwendungsprogramm angewiesen. Der Digital-Analog-Wandler im Steuerabschnitt von Einheit B reagiert auf digitale Ausgangssignale vom Computer A und erzeugt das analoge Signal auf Leitung 21 zum Steuern der Ausgabe der Stromquelle C. Wie unten beschrieben wird die Quelle C so betrieben, daß sie eine Stromabgabe eines Impulses und einen Fluß von variierendem Rampentyp erzeugt, der zwischen zwei Werten zunimmt und abnimmt.
Einheit B steuert das Relais D durch Anlegen eines Kontaktschließsteuersignals über Leitung 17, um die Batterie in den Ladekreis und aus diesem heraus zu schalten. Während des Ladens und der Analyse der Batterie F ist das Relais D geschlossen. Wenn Relais D offen ist, wird die Batterie F aus dem Kreis herausgenommen, d.h., keine Ladung kann angelegt werden. Zu diesem Zeitpunkt kann die Batterieleerlaufspannung gemessen werden.
Das Verfahren und das System zum Durchführen der Diagnose der Batterie erfolgt unter der Steuerung des Anwendungsprogramms des Computers A, damit die ganze Diagnoseprüfung einer Batterie F durch die Verwendung des Computers A und des Datenerfassungs- und Ausgabesteuerabschnitts von Einheit B automatisch durchgeführt wird. Der Computer steuert die ganze Ladungs- und Diagnoseprüfung der Batterie. Die Funktionsweise des Systems und das Verfahren der Analyse ist unten beschrieben.
Bei Anwendung der Erfindung besteht der erste Schritt in der Entwicklung eines Algorithmus in Gleichungsform, dessen Lösung die verfügbare Energie einer Batterie ist. Nachdem dies erfolgt ist, besteht der zweite Schritt in der Erfassung von Daten von verschiedenen Parameterwerten einer zu prüfenden Batterie und dem Anwenden dieser Werte auf die Gleichung. Beide Schritte verwenden eine übliche Analyse, wie unten beschrieben.
Bevor mit der Analyse für einen der Schritte begonnen wird, werden aus den bekannten Batteriecharakteristiken sichere Spannungs- und Stromgrenzen festgelegt. In der Regel liefert der Batteriehersteller diese Informationen. Das heißt, die Batteriespannung und der zugeführte Strom werden so eingestellt, bevorzugt folgeschadensicher gemacht, so daß die Spannungs- und Stromgrenzen nicht überschritten werden.
Der Analysezyklus umfaßt zwei getrennte Stufen. Er wird bezüglich der Entwicklung des Algorithmus beschrieben, wird aber auch beim Erfassen von Datenwerten für eine Batterie verwendet, die geprüft wird.
Stufe 1
Während dieser Stufe wird unter Anleitung durch den Computer A von der Stromversorgung C ein Stufen- oder impulsförmiger Ladestrom an die Batterie F angelegt und die Batterieantwortspannung wird vom Spannungsmeßgerät 14 gemessen. Die gemessene Spannung wird in digitale Form umgewandelt, und die Daten werden im Computerspeicher gespeichert. Der Strom wird auch gemessen, indem die Spannung am Meßwiderstand E gemessen wird, und auch diese Daten werden gespeichert. Das Spannungsmeßgerät kann multiplexiert werden, um abwechselnd Strom und Spannung zu messen.
Der von der Quelle C an die Batterie angelegte Stromimpuls beginnt bei 0 A und steigt bevorzugt so schnell, wie die Stromversorgung in der Lage ist, auf einen vorbestimmten Pegel von beispielsweise 1,5 A an. Der Strom wird über eine vorbestimmte Zeit von beispielsweise 2 Sekunden bei dieser Amplitude gehalten, wonach er im wesentlichen sofort auf 0 A zurückkehrt. Die Spannung und der Strom werden während des Anlegens des Impulses ständig gemessen, und diese Daten werden im Computerspeicher gespeichert.
Unter Verwendung der gespeicherten Parameterdaten gemessene Spannung (V) und Strom (I) wird der Eigenwiderstand (IR) der Batterie vom Computer berechnet. Der IR wird während des ansteigenden Abschnitts des Spannungsimpulses als dV/dI definiert. Der Computer A berechnet dV/dI unter Verwendung der erfaßten Meßdaten. Dies kann beispielsweise jeweils der Wert der Spannung und des Stroms zu Beginn, Wert 0 A, und am Ende, Wert 1,5 A, des Stromimpulses sein. Der berechnete Eigenwiderstandswertparameter wird gespeichert, bis er in Stufe 2 benötigt wird.
Stufe 2
Vor der Anwendung dieser Stufe werden die Batterieleerlaufspannung (OCV) und die Temperatur (T) gemessen, und diese Daten werden gespeichert. Die Anwendungsprogramme des Computers A öffnet das Relais D, um die OCV-Messung durch das Spannungsmeßgerät 14 zu gestatten. Die Temperatur T wird von dem Thermoelement 22 erfaßt. Diese beiden Messungen ergeben analoge Daten, die von dem DAC 11 in digitale Form umgewandelt werden.
Während dieser Stufe der Prüfung wird nach Anleitung durch den Computer ein linear zunehmender Ladestrom von der Quelle C an die Batterie angelegt, und die Batterieantwortspannung wird gemessen und die Daten werden im Computerspeicher gespeichert. Der Strom beginnt bei 0 A und steigt linear an, bis entweder der Rampenstrom einen vorbestimmten Spannungspegel von beispielsweise 5 A erreicht oder die Batteriespannung eine voreingestellte Grenze von beispielsweise 2,5 V multipliziert mit der Anzahl der in Reihe geschalteten Batteriezellen erreicht.
Die Geschwindigkeit, mit der der Strom erhöht wird, wird auf der Basis der gewünschten Prüfzeit, der gewünschten Genauigkeit, Auflösung und der Nennkapazität der Batterie gewählt. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, daß eine Steigung von 0,033 A/s ein angebrachter Wert für Blei-Säure-Batterien mit einer Nennkapazität von bis zu 25 Ah ist. Wenngleich ein linearer Stromanstieg bevorzugt wird, braucht der Anstieg nicht linear zu sein, solange er monoton ansteigt.
Nachdem der höchste Strompunkt der positiven Rampe erreicht worden ist, wird der Strom dann mit der gleichen, aber negativen Steigung reduziert, bis er 0 A erreicht. Die Batteriespannung wird ständig gemessen, und die digitalen Daten werden während der Prüfung im Computerspeicher gespeichert.
2 zeigt einen typischen Stromrampenprüfungszyklus und die Spannungsantwort. Wie man in 2 sehen kann, wird der Strom I (Linie 35) als eine Rampe angelegt, die zuerst zunimmt und dann abnimmt. Die Zeit ist auf der horizontalen Achse der graphischen Darstellung gezeigt und der Stromwert auf der linken vertikalen Achse. Die am Batteriepol als Reaktion auf diese Stromwellenform gemessene Spannung V wird von der Datenlinie 36 und dem Spannungswert auf der rechten vertikalen Achse gezeigt.
Die Steigung der Spannungsantwortkurve (dV/dt) wird vom Computer A anhand der gemessenen Spannungsdaten als Reaktion auf die angelegte positive und negative Stromrampe berechnet. 3 gibt die für die Spannungsantwort von 2 berechnete Spannungssteigung an. 3 zeigt auch die Spannungskurve (Linie 38). Der Steigungswert (Linie 39) wird vom Computer produziert, der während der Dauer der Stromrampen ständig dV/dt berechnet. Der Spannungswert befindet sich auf der linken vertikalen Achse der graphischen Darstellung und der Steigungswert auf der rechten vertikalen Achse. Eine Bestimmung der Steigung der Spannungskurve (dV/dt) erfolgt dadurch, daß der Computer anhand seiner gespeicherten Daten die Differenz bei aufeinanderfolgenden Spannungswerten über ein kleines Zeitintervall hinweg berechnet. Die Anzahl der vorgenommenen Berechnungen wird wie benötigt gewählt. Eine größere Anzahl von Berechnungen erhöht die Auflösung (Genauigkeit), erfordert aber auch eine Erhöhung der Computerverarbeitungsgeschwindigkeit und der Speicherkapazität.
Wenn die Steigung durch ein Maximum geht, zeigt dies den Übergang bei der Batterie von einer Ladungsreaktion zu einer Überladungsreaktion in dem hochgefahrenen angelegten Strom und von einer Überladungsreaktion zu einer Ladungsreaktion in dem heruntergefahrenen angelegten Strom an. Bei wäßrigen Batterien wie etwa vom Blei-Säure-Typ ist die Überladungsreaktion die Entwicklung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas. Der Computer A bestimmt die Punkte des größten Steigungswerts. Die Strom- und Spannungspegel, bei denen dies auftritt, werden im Folgenden jeweils als der Gasstrom (I_gas) und Gasspannung (V_gas) bezeichnet.
Eine typische Batterieantwort auf diesen Prüfungszyklus weist ein dV/dt-Maximum sowohl an den ansteigenden als auch abfallenden Abschnitten der angelegten Stromrampen auf. Die dem Übergangspunkt auf dem zunehmenden Abschnitt der Rampe entsprechenden Strom- und Spannungswerte werden als I_up und V_up bezeichnet, während die entsprechenden Werte auf dem abnehmenden Abschnitt der Rampe als I_dn und V_dn bezeichnet sind. Die Werte der Strom- und Spannungsparameter, an denen die Gaspunkte auftreten, werden berechnet und dann vom Computer gespeichert.
Die berechneten Steigungsdaten werden bevorzugt einem Mittelwertbildungsprozeß unterzogen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat sich herausgestellt, daß eine Sieben-Punkt-Mittelwertbildungstechnik durch die Elektronikschaltungen verursachtes Rauschen ausreichend eliminiert. Wenn zur Mittelwertbildung weniger Punkte verwendet werden, kann dies zu einer unzureichenden Rauschunterdrückung führen, während mehr Punkte aufzunehmen die Schärfe der dV/dt-Daten unterdrücken kann.
Es hat sich herausgestellt, daß jeder der oben beschriebenen gemessenen Parameter OCV und T und berechneten Parameter I_up, V_up, I_dn, V_dn und IR proportional den Wert der verfügbaren Batterieenergie wiedergeben. Es hat sich herausgestellt, daß die Kombination aus jedem dieser in einem Algorithmus (Gleichung) verwendeten sieben Parameter einschließlich entsprechender Gewichtung ihrer Terme mit einer Vorhersage der verfügbaren Batterieenergie in präziser Korrelation steht. Die Zahlenwerte der für eine Batterie erhaltenen sieben Parameter wie oben beschrieben werden als Eingaben verwendet, um einen Energievorhersagealgorithmus zu entwickeln.
Um den Algorithmus zu entwickeln, werden eine Reihe von Batterien durch die oben beschriebenen Prüfungen geschickt, um Daten von jeder einzelnen für die sieben Parameter zu erfassen. Ein Algorithmus kann für Batterien von nur einer Größe entwickelt werden, beispielsweise einer Nennkapazität von 5 Ah, oder über einen größeren Bereich von beispielsweise 5 Ah bis 20 Ah. Im letzteren Fall werden an verschiedenen Größen von Batterien innerhalb des Bereichs Sätze von Prüfungen vorgenommen, beispielsweise 5 Ah, 10 Ah und 20 Ah. Die für jede der geprüften Batterien erfaßten Datenpunkte wird aufgetragen. Die Ergebnisse der verschiedenen Tests werden nicht gemittelt. Daten, die abzuweichen scheinen, werden verworfen. Der Algorithmus wird aus diesen Daten bestimmt, wobei beispielsweise ein Linearabschätzungsalgorithmus verwendet wird, wie er beispielsweise in dem Microsoft-Softwareprogramm Excel gefunden wird. Andere ähnliche Techniken können verwendet werden. Der Algorithmus erzeugt eine Gleichung vom linearen Typ, dessen allgemeine Form in Gleichung (1) gezeigt ist. verfügbare Energie = OCV·(a) + T·–(b) + IR·–(c) + Iup·(d) + Vup·–(e) + Idn·–(f) + Vdn·(g) – (h) GL. 1wobei (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) und (h) jeweils ein Zahlenwert ist.
Wie man sehen kann, weist jeder der Parameter als Teil des Algorithmus einen numerischen Gewichtungswert auf, und es existiert ein konstanter Offsetwert. Diese Gewichtungen charakterisieren linear die Korrelation zwischen den sieben Parametern, um verfügbare Energie vorherzusagen.
Tabelle 1 zeigt die resultierenden Gewichtungen der sieben Eingabeparameter und einen Offset für die Gleichung für eine Batteriegröße und einen Batterietyp. Der Ausdruck Größe bezieht sich hier auf den Bereich 2–25 Ah, und der Typ bezieht sich auf die Batteriestruktur (d.h. Plattenkonstruktion, Elektrolyt, Gel, usw.).
Für dieses Spektrum an Batterien ergibt sich die folgende Gleichung für die Vorhersage der verfügbaren Energie aus den obigen Gewichtungen: verfügbare Energie = (OCV)·1,872 + T·–0,184 + IR·–0,062 + up·1,415 + Vup·–0,485 + Idn·–1,632 + Vdn·0,5498 – 36,13 GL. 2
Um die verfügbare Energie einer Batterie vorherzusagen, die geprüft wird und deren tatsächliche Nennkapazität innerhalb des Bereichs liegt, für den der Algorithmus entwickelt wurde, werden die Zahlenwerte der sieben Parameter für die Batterie wie oben für das Prüfen von Stufe 1 und Stufe 2 bestimmt. Diese Werte werden dann in Gleichung (2) eingesetzt, um die verfügbare Energie für die Batterie vorherzusagen. Die Lösung zu Gleichung (2) wird automatisch von dem Computer auf der Basis der Werte der sieben Parameter berechnet, die er erfaßt und im Computerspeicher speichert. Die berechnete Vorhersage der verfügbaren Energie kann in Form von Ah auf einer von dem Computer A angesteuerten geeigneten Displayeinrichtung vorgelegt werden. Es kann auch die Entladungsgeschwindigkeit angezeigt werden.
Die Genauigkeit der Vorhersagegleichung wurde geprüft. 4 ist eine graphische Darstellung der Lösung von Gleichung (2), der berechneten oder vorhergesagten verfügbaren Energie, aufgetragen als Funktion der eigentlichen Energiemenge (eigentlichen Kapazität) bei Messung durch tatsächliches Entladungsprüfen für eine Reihe von (beispielhaft dreizehn) Probeprüfungen. Die linke vertikale Linie bezeichnet die tatsächliche gemessene Batteriekapazität. Die tatsächliche verfügbare Energie wurde durch eine Entladung mit konstantem Strom bei einer Geschwindigkeit von 2C bestätigt (das Doppelte der nominellen Nennkapazität der Batterie). Entladungskapazitätsergebnisse sind deshalb niedriger als die Nennergebnisse. Die Datenpunkte (Punkte) sind die Ergebnisse beim Vorhersagen der verfügbaren Energie für jede Prüfung auf der Basis der Bestimmung der Zahlenwerte der sieben Parameter und der Anwendung von Gleichung (1). Die resultierenden Datenpunkte werden als Funktion der durch die Entladungsprüfung gemessenen tatsächlichen Kapazität aufgetragen. Ergebnisfehler (Abweichung von der gepunkteten Linie) gegenüber tatsächlichen ergaben im Mittel einen Fehler unter 4%. Dies bestätigt die Genauigkeit des Vorhersageverfahrens.
Die von Gleichung (2) dargestellte lineare Abschätzung wird für den Bereich der Batterienennkapazität von 2–25 Ah optimiert. Sie ist für Batterien mit einer größeren Nennkapazität möglicherweise nicht so genau. Eine allgemeine Gleichung kann entwickelt werden, die einen oder mehrere der obigen Parameter involviert, indem mit Batterien aller Größen und Zustände in dem gewünschten Gesamtbereich experimentiert und der Algorithmus gewählt wird, der über diesen Bereich hinweg die beste Vorhersagegenauigkeit zeigt.
Während ein Algorithmus entsprechend einem großen Bereich von Batteriegrößen entwickelt werden kann, wird dieser einzelne Algorithmus nicht so präzise sein wie mehrere feine abgestimmte. Das heißt, für eine bessere Präzision ist eine separate Gleichung mit den sieben Parametern im allgemeinen für Batterien mit mehreren verschiedenen Bereichen der Nennkapazität ratsam. Beispielsweise kann es eine Gleichung für Batterien im Bereich 2–25 Ah geben, eine andere für Batterien im Bereich 25–50 Ah, eine dritte für den Bereich 50–100 Ah usw. Ein Algorithmus kann für jeden anderen Kapazitätsbereich entwickelt werden, wobei die oben beschriebene Vorgehensweise verwendet wird.
Es ist möglich, daß die Rampenprüfung unter Verwendung von verschiedenen Prüfparametern durchgeführt wird, z.B. Rampensteigung. Es ist jedoch wichtig anzumerken, daß eine andere Kalibrierungskurve, wie etwa entsprechend Gleichung (1), die für diese Steigung spezifisch ist, erzeugt und für die Prüfung verwendet werden muß. Parameter können nur in einem bestimmten Grad geändert werden. Wegen der Nichtlinearität der Rampenprüfungsantwort haben außerdem Änderungen an Parametern keine proportionale Auswirkung auf Änderungen bei den Prüfungsantwort- und Kalibrierungskurvenergebnissen. Es wird im Grunde nicht erwartet, daß sie lineare Auswirkungen auf Parameteränderungen aufweist. Wenn beispielsweise die Spannungsgrenzen um 10% angehoben werden, führt dies nicht dazu, daß jeder Parameter um einen gewissen Faktor davon verstellt wird. Das Gewicht der OCV kann sich um 5% ändern, während sich das Gewicht von I_up um 10% ändern kann, usw. Außerdem bewirkt auch eine Verdoppelung des Impulsstroms keine Verdoppelung des Spannungsanstiegs. Die Batteriereaktionen sind nichtlinear.
Es ist auch möglich, daß die Impulsprüfung unter Verwendung anderer Prüfungsparameter durchgeführt wird, z.B. Impulsamplitude, Impulsdauer. Anstelle der oben beschriebenen Impulsprüfung könnte außerdem ein unabhängiges Mittel zum Messen des Eigenwiderstands verwendet werden. Wie zuvor müßte jedoch eine andere Kalibrierungskurve erzeugt werden, um die anderen Mittel zum Berechnen des Batterieeigenwiderstands zu berücksichtigen. Hier wären die Änderungen minimal, und sie würden wahrscheinlich nur das Gewicht des IR beeinflussen, aber dennoch würden Änderungen vorliegen.
Die Vorhersage der verfügbaren Energie der Batterie wie oben beschrieben, ist kein unabhängiger Wert, sondern wird abhängig von der Entladungsgeschwindigkeit entwickelt. Dies bedeutet, daß eine niedrigere Entladungsgeschwindigkeit eine höhere verfügbare Energie gestattet. Der Algorithmus der oben beschriebenen Gleichung (2) würde beispielsweise auf der Basis eines Werts 2C, das Doppelte der Nennkapazität, Entladungsgeschwindigkeit, entwickelt. Für Batterien, die mit 2C Ampere entladen werden, ist die Gleichung recht präzise.
Um den Notwendigkeiten zur Vorhersage von verfügbarer Energie bei unterschiedlichen Entladungsgeschwindigkeiten zu entsprechen, kann der Wert der verfügbaren Energie auf der Basis der Entladungsgeschwindigkeit verstellt werden. Dazu wird eine Tabelle der verfügbaren Energie und des Entladestroms erstellt. Die Werte kommen von einer der beiden Vorgehensweisen: (1) Ablesen von Datenpunkten aus dem Spezifikationsblatt des Batterieherstellers oder (2) wiederholte Wechselbelastung einer Batterie von 100% bis 0% SOC, aber mit verschiedenen Entladungsgeschwindigkeiten (z.B. C/10, C/5, C/3, C/2, C, 2C, 3C usw.). Je größer die Vielfalt der Geschwindigkeiten, um so besser. Diese Werte kommen in die Tabelle als Funktion der tatsächlichen, bei jedem Zyklusdurchlauf erzielten Entladekapazität.
Der obige Prozeß wird bevorzugt an mehreren Batterien wiederholt, um die Beziehung zu bestätigen. Es ist jedoch wichtig, die Daten innerhalb jeder Batterie zu beobachten, da das Hauptziel der Übung darin besteht, zu erkennen, wie Änderungen bei den Entladungsgeschwindigkeiten sich auf eine beliebige gegebene Batterie auswirken. Nachdem aus einem der obigen beiden Verfahren eine relationale Tabelle festgelegt ist, wird eine logarithmische Regressionskurve implementiert, um die Beziehung zwischen Geschwindigkeit der Entladung und Entladungsgeschwindigkeit zu approximieren. Die logarithmische Abschätzung wird verwendet, da das Verhalten inhärent logarithmisch ist. Ein Batterieleistungsalgorithmus, der die Entladungskapazität mit dem Entladestrom vergleicht, lautet: neue VE = alte VE – 1,8log(neue Entladungsgeschwindigkeit/alte Entladungsgeschwindigkeit) GL. 3wobei:
alt = der Pegel, bei dem der Algorithmus entwickelt wurde (2C Entladungsgeschwindigkeit);
neu = der neue aktive Pegel, der bestimmt wird;
VE = verfügbare Energie
Entladungsgeschwindigkeit = die Entladungsgeschwindigkeit
Alle obigen Berechnungen können von dem Computer A durchgeführt und die entsprechende Anzeige der Ergebnisse mit allen notwendigen Informationen vorgenommen werden.
Der berechnete vorhergesagte Wert der verfügbaren Energie der Batterie kann auch auf einem Display in Form einer verbleibenden Laufzeit angezeigt werden, wobei die verbleibende Laufzeit der Batterie anstelle eines Ah-Formats für verfügbare Energie als Stunden-/Minuten-Informationen dargestellt werden kann. Nachdem die Entladekapazität verstellt worden ist, um dem neuen Entladungsgeschwindigkeitszustand zu entsprechen, etwa durch Verwendung von Gleichung (3), besteht der zweite Schritt in der Umwandlung aus Ah-Form in Form der verbleibenden Laufzeit. Dies erfolgt durch Dividieren der vorhergesagten verfügbaren Energie durch den Entladestrom und Umwandeln des Ergebnisses in die gewünschte Zeitskala (Sekunden, Minuten, Stunden). Eine Gleichung dafür ist: verbleibende Laufzeit = verfügbare Energie/Entladungsgeschwindigkeit·Zeiteinheit GL. 4
Wenn bei dem Ausführen der Berechnung für die verbleibende Laufzeit die Entladungsgeschwindigkeit der Anwendung sich von der unterscheidet, bei der die Vorhersagegleichung entwickelt wurde, muß der Verstellfaktor etwa durch Einsatz von Gleichung (3) angewendet werden. Um eine kontinuierliche Genauigkeit aufrechtzuerhalten, wird veranlaßt, daß die verbleibende Laufzeit auf Änderungen beim Entladungsstrom reagiert. Die zweistufige Technik der ersten Verstellung zu einer anderen Entladungsgeschwindigkeit unter Verwendung von Gleichung (3) und nachfolgendes Verwenden der Gleichung (4) für die verbleibende Laufzeit muß konstant wiederholt werden, um die verbleibende verfügbare Energie zu verstellen. Dazu wird der Entladungsstrom innerhalb einer unendlichen Schleife ständig überwacht. Die letzte Aktion jedes Schleifenzyklus (nachdem der Strom gemessen worden ist) besteht darin, die verbleibende Laufzeit zu justieren, um dem neuen Stromverbrauch zu entsprechen. Dies alles geschieht durch den Computer A, wenn die erfaßten Daten aktualisiert werden.
Im Fall einer Nicht-Entladesituation, wie etwa einer UPS, wird die UPS-Last als eine Abschätzung für den Entladestrom verwendet, und der obige Prozeß verwendet eine geschätzte Umwandlung der UPS-Last um die verbleibende Laufzeit zu bestimmen. Dies bedeutet, daß die anfänglich vorhergesagte verfügbare Energie durch Überwachungstechniken wie etwa Coulomb-Zählen reduziert werden muß. Das Coulomb-Zählen wird erreicht durch Messen eines mittleren Stroms in (Laden) oder aus (Entladen) der Batterie heraus während eines Schleifenzyklus, multipliziert mit der Zyklusperiode. Diese neuberechnete verbleibende verfügbare Energie wird dem oben beschriebenen zweistufigen Prozeß unterzogen, um die verbleibende verfügbare Energie wieder auf den Entladestrom zu justieren und dann den Wert der verfügbaren Energie in die Form verbleibender Zeit umzuwandeln.
Beispiel:
Folgendes ist ein Beispiel für den Einsatz der Erfindung für einen Blei-Säure-Akku mit 24 V und 18 Ah, der durch 4 Panasonic-Zellen LC-R129P1 gebildet ist, die in einer seriellen, parallelen Konfiguration geschaltet sind. Die Batterie wurde aus einem UPS-System entfernt und an den Batterieprüfstand angeschlossen. Die Batterie wurde einem 1,5 A-Ladeimpuls ausgesetzt. Der Eigenwiderstand wurde als 65,4 Milliohm bestimmt. Die Batterie wurde dann der Stromrampenprüfung unterzogen. Die Leerlaufspannung der Batterie wurde bei 25,21 V gemessen. Es wurden zwei Gaspunkte detektiert, einer auf der ansteigenden Hälfte der Rampe und einer auf der absteigenden Hälfte der Rampe. Der Gas-Hoch-Punkt trat bei 1.9 A, 29,01 V auf. Der Gas-Hinunter-Punkt trat bei 0,99 A, 27,63 V auf. Die Batteriegehäusetemperatur wurde bei 24,38°C gemessen.
Mit diesen Werten in der oben angegebenen Bestimmungsformel (2) für die verfügbare Energie wird die verfügbare Energie vorhergesagt als: verfügbare Energie = 25,21·1,872 + 24,38·(–0,184) + 65,4·(–0,062) + 1,9·1,415 + 29,01·(–0,485) + 0,99·1,632 + 27,63·0,5498 – 36,13
Dies ist gleich 4,69 Ah für eine Geschwindigkeit 2C. Das Ergebnis der vorhergesagten verfügbaren Energie wurde durch eine vollständige Entladung der Batterie bestätigt, die bei einer Geschwindigkeit 2C durchgeführt wurde.
Die verfügbare Energie für die Batterie wurde in die verbleibende Laufzeit umgewandelt: verbleibende Laufzeit = verfügbare Energie/Strom·60 = 7,23 Minuten
Um dies zu bestätigen, wurde die Batterie an ein UPS-System angeschlossen, das Netzleistung verwendet. Der Strom wurde danach entfernt. Bei einer an die Batterie angelegten 75%igen Last wurde das System arbeiten gelassen, bis die Einheit sich selbst am Punkt der vollständigen Batterieentladung für den entsprechenden Entladestrom abschaltete. Das Abschalten geschah bei 7,25 Minuten. Dies war ein Fehler von 2 Sekunden, was die Gleichung für die verfügbare Energie bestätigte.

Claims

Verfahren zum Vorhersagen der verfügbaren Energie einer zu prüfenden Blei-Säure-Batterie unabhängig vom Ladungszustand der Batterie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: Bestimmen des Eigenwiderstands (IR) der zu prüfenden Batterie; Messen der Leerlaufspannung (OCV) und der Temperatur (T) der zu prüfenden Batterie; Berechnen der Spannungs- und Strompunkte (V_gas und I_gas), bei denen die Batterie einen Übergang von einem Ladungszustand zu einem Überladungszustand oder einem Überladungszustand zu einem Ladungszustand als Reaktion auf die Batterieladung oder Batterieentladung aufweist, wobei der Schritt des Berechnens von V_gas und I_gas folgendes umfaßt: Anlegen eines Rampenstroms (I) in jeder der positiven und negativen Richtung an die Batterie Überwachen der Spannungsantwort (V) auf den angelegten Strom (I) und Bestimmen der Maximalpunkte der Steigung; Entwickeln eines Algorithmus der Vorhersage der verfügbaren Energie als Funktion der Batterieparameter und Anwenden der erfaßten Werte der Batterieparameter der zu prüfenden Batterie auf den Algorithmus zum Vorhersagen der verfügbaren Energie der zu prüfenden Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Maximalpunkte von V_gas und I_gas der Steigung an der positiven Stromrampe V_up und I_up am Übergang von Ladung zu Überladung und an der negativen Rampe V_dn und I_dn am Übergang von Überladung zu Ladung sind; der Schritt des Entwickelns des Algorithmus die Verwendung der Batterieparameter OCV, T, IR, V_up, I_up, V_dn und I_dn umfaßt, und der Schritt des Anwendens der erfaßten Werte der Batterieparameter ihr Anwenden auf Werte der Batterieparameter OCV, T, IR, V_up, I_up, V_dn und I_dn der zu prüfenden Batterie auf den Algorithmus zum Vorhersagen der verfügbaren Energie der zu prüfenden Batterie umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Entwickelns des Algorithmus weiterhin den Schritt des Entwickelns von Gewichtungsfaktoren für jeden der Parameter OCV, T, IR, V_up, I_up, V_dn und I_dn umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Entwickelns numerischer Gewichtungsfaktoren das Unterziehen der Daten von OCV, T, IR, V_up, I_up, V_dn und I_dn einer Analyse zum Erzeugen einer linearen Gleichung mit einem numerischen Wert als ein jedem der Parameter zugeordneter Gewichtungsfaktor umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Analyse eine lineare Regression umfaßt und der erzeugte Algorithmus einen numerischen Einleitungswert enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Gleichung des Algorithmus in folgender Form vorliegt: Verfügbare Energie = OCV·(a) + T·–(b) + IR·–(c) + Iup·(d) + Vup·–(e) + Idn·–(f) + Vdn·(g) – (h)wobei (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g) und (h) jeweils ein numerischer Wert ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Algorithmus lautet: Verfügbare Energie = OCV·1,872 + T·–0,184 + IR·–0,062 + Iup·1,415 + Vup·–0,485 + Idn·–1,632 + Vdn·0,5498 – 36,13
Verfahren nach Anspruch 3, das weiterhin den Schritt des Bestimmens der verbleibenden Laufzeit zum Entladen einer zu prüfenden Batterie auf der Basis der vorhergesagten verfügbaren Energie gemäß der Gleichung umfaßt: Verbleibende Laufzeit = Verfügbare Energie/Entladungsrate·Zeiteinheit.
Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin mit dem Wiederholen der Schritte des Bestimmens der verleibenden Laufzeit über einen Zeitraum, während der Batterie Strom entzogen wird, durch Subtrahieren des der Batterie entzogenen Stroms zwischen aufeinanderfolgenden Bestimmungen der verbleibenden Laufzeit und unter Verwendung des Ergebnisses der Subtraktion beim Wiederberechnen der verfügbaren Energie für letztere Bestimmung der verbleibenden Laufzeit.