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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur Messung von
Parametern von Sekundärbatterien,
ein Verfahren zur Steuerung der Aufladung/Entladung von Sekundärbatterien
unter Verwendung der gemessenen Parameter, ein Verfahren zur Bestimmung
der Lebensdauer von Sekundärbatterien
auf der Basis der gemessenen Parameter sowie auf eine Vorrichtung
zur Steuerung des Lade/Entladevorgangs von Sekundärbatterien
und ein elektrisches Energiespeichergerät bei dem diese Vorrichtung
Verwendung findet. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Sekundärbatterie-Parametermessverfahren,
mit dessen Hilfe sich die Parameter von Sekundärbatterien einfach und genau
messen lassen, ein Verfahren zur Steuerung der Aufladung/Entladung
einer Sekundärbatterie
derart, dass sich deren Lebensdauer effektiv vergrößern lässt, sowie
ein Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer einer Sekundärbatterie
unter Verwendung der gemessenen Parameter. Außerdem bezieht sich die Erfindung
auf eine Aufladungs/Entladungs-Steuereinrichtung
zur Durchführung
des Aufladungs/Entladungs-Steuerverfahrens sowie auf ein elektrisches
Energiespeichergerät,
bei dem diese Aufladungs/Entladungs-Steuereinrichtung Verwendung
findet.
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Sekundärbatterien
sind allgemein zur Speicherung (Aufladung) und Abgabe (Entladung)
von elektrischer Energie entwickelt worden, wobei sie sich hierbei
in Bezug auf Größe oder
Kapazität
und jeweiligem Anwendungszweck voneinander unterscheiden. Dies trifft
natürlich
im wesentlichen für sämtliche
Sekundärbatterien
zu, d. h., sowohl für
die üblichen
Sekundärbatterien
und Nickel- Cadmiumbatterien,
als auch für
die in den letzten Jahren entwickelten und ausgezeichnete Lade/Entlade-Eigenschaften
aufweisenden Nickel-Wasserstoff-Batterien und Lithium-Sekundärbatterien.
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Zur
Erzielung einer ständigen,
effizienten Steuerung der Lade/Entladezyklen zur Vergrößerung oder
Verlängerung
der Betriebslebensdauer einer Sekundärbatterie auf das mögliche Maximum,
ist es erforderlich, vorher genaue Informationen hinsichtlich der
Parameter der Sekundärbatterie
zu erhalten, wie z. B. bezüglich
des Polarisationswiderstands R (d. h., des Innenwiderstands bei
Auftreten einer Polarisation) und der Leerlaufspannung Voc. Die
in diesem Zusammenhang hier verwendeten Begriffe "Lebensdauer" oder "Betriebslebensdauer" soll die Anzahl
der effektiv wiederholbaren bzw. absolvierbaren Lade/Entladezyklen
der Sekundärbatterie
bis zum Erreichen des Lebensdauerendes bezeichnen. Die Lebensdauer
oder Betriebslebensdauer kann damit auch als effektive Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl oder
als Lebensdauer-Zyklenzahl, d. h., als sog. Zyklenfestigkeit, bezeichnet
werden.
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Im
allgemeinen stellt der Polarisationswiderstand R einer Sekundärbatterie
eine Funktion von Parametern, wie der Umgebungstemperatur, bei der die
Sekundärbatterie
betrieben wird, sowie der bisherigen Lade/Entladevorgänge, wie
der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC (d. h., der Anzahl der in der
Vergangenheit bisher erfolgten Aufladungen und Entladungen der Sekundärbatterie)
dar, wobei selbstverständlich
auch Art und Aufbau der Batterien in Betracht zu ziehen sind. Solange
jedoch die Änderung
des Polarisationswiderstands R von Sekundärbatterien des gleichen Typs
mit dem gleichen Aufbau betrachtet wird, kann der Polarisationswiderstand
R als im wesentlichen konstant und temperaturunabhängig angesehen
werden, mit Ausnahme des Falles, dass die Sekundärbatterie Umgebungsbedingungen
ausgesetzt ist, bei denen ungewöhnlich
starke Temperaturänderungen
auftreten.
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12 veranschaulicht in Form
einer Kennlinie den Verlauf eines bei einer Lithium-Sekundärbatterie
des Lithium-Ionen-Typs
tatsächlich
gemessenen Polarisationswiderstands R als Funktion von Änderungen
der Umgebungstemperatur. Hierbei ist die Umgebungstemperatur (Raumtemperatur)
der Lithium-Sekundärbatterie über der
Abszisse aufgetragen, während
ihr Polarisationswiderstand R (Ω) über der
Ordinate aufgetragen ist.
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Wie 12 zu entnehmen ist, liegt
die Änderung
des Polarisationswiderstands R im Bereich einer Änderung der Raumtemperatur
von ±5°C in der Größenordnung
von 0,1 Ω.
Für praktische
Anwendungen kann eine Änderung
des Polarisationswiderstands R in dieser Größenordnung als konstant angesehen
werden.
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Die
Beziehung zwischen der Leerlaufspannung Voc und einer Restkapazität Cr einer
Sekundärbatterie
lässt sich
ebenfalls experimentell bestimmen.
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13 zeigt eine Kennlinie,
die die Beziehung zwischen der Restkapazität Cr und der Leerlaufspannung
Voc einer Lithium-Sekundärbatterie veranschaulicht.
Hierbei ist die relative Restkapazität Cr (in Prozent) über der
Abszisse aufgetragen, während
die Leerlaufspannung Voc (in Volt) über der Ordinate aufgetragen
ist. Diese Kennlinie verdeutlicht, dass die Leerlaufspannung Voc
sich mit abnehmender Restkapazität
Cr verringert.
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Weiterhin
ist anzuführen,
dass die absolute, d. h., entnehmbare Entladekapazität Cd einer
Sekundärbatterie
mit steigender Wiederholzahl der Lade/Entladezyklen einer Sekundärbatterie
abnehmen kann.
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14 zeigt eine Kennlinie,
die die Beziehung zwischen der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC und der Entladekapazität
Cd (die im wesentlichen mit der Speicher- bzw. Ladekapazität Cc übereinstimmt) einer Sekundärbatterie
veranschaulicht. Hierbei ist die Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC über der
Abszisse aufgetragen, während
die spezifische Entladekapazität
Cd (%) der Sekundärbatterie über der
Ordinate aufgetragen ist.
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Wie 14 zu entnehmen ist, nimmt
die Entladekapazität
Cd mit steigender Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC ab. In Bezug
auf die Kennlinie gemäß 14 ist zu ergänzen, dass
eine Konstantstromladung und -entladung der Sekundärbatterie
erfolgt, indem ein oberer Grenzwert der Ladespannung vorgegeben
wird. Die Abnahme der Entladekapazität Cd kann damit begründet werden,
dass wiederholt eine unvollständige
Aufladung erfolgt, um die Sekundärbatterie
vor einer Überladung
zu schützen.
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Wie
den Kennlinien gemäß den 13 und 14 zu entnehmen ist, beinhaltet die Tatsache,
dass eine Sekundärbatterie
sowohl zu Beginn als auch am Ende einer Folge von mit einer vorgegebenen
Wiederholzahl erfolgende Lade/Entlade-Zyklen (d. h., einer Folge
von mit einer vorgegebenen Häufigkeit
erfolgenden Auflade- und Entladevorgängen der Sekundärbatterie)
die gleiche Leerlaufspannung Voc aufweist, nicht notwendigerweise,
dass auch die absolute Entladekapazität Cd und die Restkapazität Cr ihre
jeweiligen spezifischen Werte beibehalten.
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Es
sei z. B. angenommen, dass die Entladekapazität Cd nach 600 Lade/Entlade-Zyklen
auf ungefähr
50% abfällt
(siehe 14). In diesem
Falle ergibt sich eine Leerlaufspannung Voc von 4 V (siehe 13), die einer Restkapazität Cr von
10% entspricht. Die absolute Entladekapazität der betreffenden Sekundärbatterie
fällt jedoch
im Vergleich zu der Entladekapazität Cd (= 100%) zu Beginn der
Folge der mit der vorgegebenen Wiederholzahl erfolgenden Lade/Entladezyklen
auf ungefähr
die Hälfte
ab (siehe 14).
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Bezüglich des
Zustands von Sekundärbatterien
unmittelbar nach ihrer Herstellung lässt sich allgemein feststellen,
dass sich eine Bleibatterie im aufgeladenen Zustand befindet, während sich
eine Nickel-Wasserstoff-Batterie im entladenen Zustand befindet.
Somit hängt
es von der jeweiligen Art der Sekundärbatterie ab, ob ihr Lade/Entladezyklus
mit einem Aufladevorgang oder einem Entladevorgang beginnt.
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In
jedem Falle wird jedoch eine Sekundärbatterie wiederholt aufgeladen
und entladen. In diesem Zusammenhang ist ersichtlich, dass mit steigender Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC die Energiespeicherkapazität
einer Sekundärbatterie
in Abhängigkeit
von ihrer Zyklenfestigkeit bzw. Lebensdauer-Zyklenzahl oder effektiven
Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL abnimmt. Die Zyklenfestigkeit oder effektive Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL gibt somit den oberen Grenzwert der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC an, der verfügbar
bleibt.
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Als
spezifische Eigenfaktoren, die die Zyklenfestigkeit bzw. die effektive
Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NL einer Sekundärbatterie bestimmen, können im
allgemeinen bei den meisten Sekundärbatterien Überladung und Überentladung
genannt werden, obwohl auch dies sicherlich von der Art der jeweils
verwendeten Sekundärbatterie
abhängt.
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Bei
diesen Gegebenheiten ist daher eine Lade/Entladesteuerung zur Vermeidung
einer Überladung
sowie einer Überentladung
als effektive Maßnahme
zur Verlängerung
der Lebensdauer einer Sekundärbatterie,
d. h., zur Vergrößerung der
effektiven Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL, vorgeschlagen worden.
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In ähnlicher
Weise tritt eine sog. Sekundärreaktion
der Sekundärbatterie,
die sich von ihrer spezifischen Eigenreaktion unterscheidet und
als einer der die Lebensdauer bzw. die effektive Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL beeinträchtigenden
Faktoren angesehen wird, häufig
bei übermäßiger Polarisation auf.
Eine effektive Lade/Entladesteuerung zur Verhinderung des Auftretens
einer übermäßigen Polarisation
ist somit ebenfalls von Bedeutung.
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Als
eines der grundlegenden Aufladungsverfahren unter Berücksichtigung
einer Verlängerung der
Lebensdauer oder Vergrößerung der
effektiven Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL kann für
praktische Anwendungen ein Konstantspannungs/Konstantstrom-Verfahren
bei einer als Sekundärbatterie verwendeten
Bleibatterie in Betracht gezogen werden. Bezüglich der Einzelheiten sei
in diesem Zusammenhang z. B. auf die japanische Literaturstelle "KOUSEINOU DENCHI
NO SAISHIN GIJUTSU MANYUAL (MANUAL CONCERNING UP-TO-DATE TECHNOLOGY
OF HIGH PERFORMANCE BATTERY)",
veröffentlicht
von Sougou Gijutsu Center Co. of Japan, Seite 178, verwiesen. Gemäß diesem
bekannten Verfahren wird die Sekundärbatterie mit einem Konstantstrom
geladen, wenn die Klemmenspannung V der Bleibatterie kleiner als
ein vorgegebener Spannungswert ist, während, wenn die Klemmenspannung
V den vorgegebenen Spannungswert erreicht hat, der Ladestrom derart
gesteuert wird, dass die vorstehend genannte vorgegebene Spannung
nicht überschritten
wird, wodurch eine Aufladung der Sekundärbatterie für eine vorgegebene Zeitdauer
ermöglicht
wird.
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Bei
Verwendung einer Nickel-Cadmium-Batterie als Sekundärbatterie
kann ein Konstantstrom-Aufladungsverfahren in Betracht gezogen werden,
das auch als -ΔV-Verfahren
oder als Aufladungsverfahren mit Spannungsänderungsdetektion bekannt ist.
Weitere Einzelheiten können
der vorstehend genannten Literaturstelle, Seite 196, entnommen werden.
Gemäß diesem
bekannten Verfahren wird der Zeitpunkt der Beendigung der Aufladung
der Nickel-Cadmium-Batterie durch Ausnutzung einer Spannungsänderungserscheinung
ermittelt, die als charakteristische Eigenschaft einer Nickel-Cadmium-Batterie bekannt
ist und am Ende oder kurz vor Beendigung des Aufladungsvorgangs
auftritt. Wenn nämlich
der Aufladungsvorgang kurz vor dem Abschluss steht, fällt die
während
des Ladevorgangs progressiv ansteigende Klemmenspannung V der Nickel-Cadmium-Batterie
vorübergehend
ab und steigt sodann erneut wieder an. Diese Erscheinung wird als Spannungsänderungserscheinung
(-ΔV-Erscheinung)
bezeichnet.
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Wenn
dagegen eine kürzlich
entwickelte Lithium-Ionen-Batterie
(d. h., Lithium-Sekundärbatterie)
als Sekundärbatterie
verwendet wird, kann das vorstehend in Verbindung mit der Aufladung
der Bleibatterie beschriebene Konstantspannungs/Konstantstrom-Aufladungsverfahren
Anwendung finden. Einzelheiten können
in diesem Zusammenhang der japanischen Literaturstelle "Catalogue of Sony
Energetic Lithium Ion Type Battery" entnommen werden.
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Im
Zusammenhang mit dem Entladevorgang einer Sekundärbatterie wird dagegen allgemein
akzeptiert, dass ein Abfall der Klemmenspannung V auf einen vorgegebenen
Wert (einen unteren Grenzwert) den Zeitpunkt angibt, bei dem der
Entladevorgang der Sekundärbatterie
zu beenden ist, und zwar unabhängig
von der Art der jeweils verwendeten Sekundärbatterie.
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Der
vorstehend genannte vorgegebene Spannungswert ist jedoch bei einer
Sekundärbatterie mit
niedriger Entladungsrate auf einen hohen Wert im Vergleich zu demjenigen
einer Sekundärbatterie
mit einer hohen Entladungsrate eingestellt (d. h., einer Sekundärbatterie,
deren Entladung mit einem hohen Entladungsstrom erfolgt). Dies liegt
daran, dass der Spannungsabfall auf Grund des Polarisationswiderstands
R (Ω) im
Falle einer Sekundärbatterie
mit einer hohen Entladungsrate einen hohen Wert im Vergleich zu
dem Spannungsabfall einer Sekundärbatterie
mit einer niedrigen Entladungsrate aufweist und dass davon ausgegangen
wird, dass eine Sekundärbatterie
mit einer hohen Entladungsrate eine größere Restkapazität Cr (%)
als eine Sekundärbatterie
mit einer niedrigen Entladungsrate aufweist. Bei einer Sekundärbatterie
mit einer hohen Entladungsrate wird somit davon ausgegangen, dass
sie auch dann noch eine ausreichende Restkapazität Cr aufweist, wenn die Klemmenspannung
auf den vorgegebenen Wert für
eine Sekundärbatterie
mit niedriger Entladungsrate abfällt.
Das Entladungsvermögen
der ersteren Batterie wird als beendet angesehen, wenn deren Klemmenspannung
auf einen weiteren, niedrigeren vorgegebenen Wert abgefallen ist.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, wird bei der üblichen
Lade/Entladesteuerung einer Sekundärbatterie die Klemmenspannung V überwacht,
wobei die Lade/Entlade-Stromsteuerung für die Sekundärbatterie
ausgelöst
wird, wenn die Klemmenspannung V einen bestimmten Klemmenspannungswert
erreicht hat, der für
den jeweiligen Typ der verwendeten Sekundärbatterie vorgegeben ist.
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Die
Vermeidung einer Überladung
und/oder Überentladung
einer Sekundärbatterie
ist jedoch bei Verwendung der bekannten Steuerverfahren mit Schwierigkeiten
verbunden. Im einzelnen ist die während eines Lade/Entladevorgangs
auftretende Klemmenspannung V im wesentlichen durch die Summe der
auf die Restkapazität
Cr bezogenen Leerlaufspannung Voc und einer Überspannung gegeben, die dem
Produkt des Lade/Entladestroms I und des Polarisationswiderstands
R (Ω) entspricht.
Hierbei sei darauf hingewiesen, dass diese Überspannung nicht konstant
ist. Eine Überwachung
der Klemmenspannung V kann somit nicht zu einer Überwachung der Restkapazität Cr führen, die
mit der Leerlaufspannung Voc in Beziehung steht.
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Tatsächlich lässt sich
die Überspannung aber
messen und ist durch die Differenz zwischen der Leerlaufspannung
Voc und der Klemmenspannung V gegeben (d. h., Überspannung = Voc – V).
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Der
Grund, warum die Überspannung
nicht konstant ist, lässt
sich durch die Tatsache erklären, dass
der Polarisationswiderstand R von Sekundärbatterie zu Sekundärbatterie
unterschiedlich ist und dass er sich selbst bei der gleichen Sekundärbatterie mit
fortschreitenden Lade/Entladezyklen verändert.
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15 zeigt Kennlinien, die
die Veränderung
des Polarisationswiderstands R von zwei verschiedenen Sekundärbatterien
als Funktion der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC grafisch veranschaulichen. Hierbei zeigt 15 die durch tatsächlich erfolgte Messung des
Polarisationswiderstands R von zwei Sekundärbatterien erhaltenen Ergebnisse,
die sich voneinander in Bezug auf die Menge des Flüssigelektrolyten
für eine
Periode unterscheiden, die einer Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC von "0" bis "200" entspricht. In 15 bezeichnet die durchgezogene
Kurve die Kennlinie einer Sekundärbatterie
mit einer geringeren Menge des Flüssigelektrolyten, während die
strichpunktierte Kurve die Kennlinie einer Sekundärbatterie
mit der Standardmenge des Flüssigelektrolyten
bezeichnet. Der erstere Flüssigelektrolyt
dient zur Herbeiführung
eines Vergleichs mit dem letzteren Flüssigelektrolyten, in dem absichtlich
ein unterschiedlicher Polarisationswiderstand R im Vergleich zu
dem letzteren Flüssigelektrolyten
herbeigeführt
wird. Wie aus der durchgezogenen Kennlinie gemäß 15 ersichtlich ist, nimmt der Polarisationswiderstand
R mit steigender Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC ebenfalls größere Werte
an.
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In
Verbindung mit der Messung des Polarisationswiderstands R einer
Sekundärbatterie
während des
Lade/Entladevorgangs ist ein Verfahren bekannt, bei dem der Lade/Entladestrom
I absichtlich verändert
wird, um auf diese Weise den Polarisationswiderstand R durch Messung
des Ansprechens der Klemmenspannung V zu analysieren. In diesem
Zusammenhang kann z. B. auf die Literaturstelle A. Fujishima et
al. "DENKIKAGAKU
SOKUTEI HOU (ELECTROCHEMICAL MEASUREMENTS METHODS)", veröffentlicht
von Guhoudou Publishing Company of Japan, Seite 271, hingewiesen
werden. In Bezug auf die Schätzung
der Leerlaufspannung Voc einer Sekundärbatterie kann dagegen auf
ein Verfahren zum Analysieren einer Kurve hingewiesen werden, die
das Verhalten der Klemmenspannung V als Funktion der Zeit während einer
Unterbrechung der Aufladung/Entladung repräsentiert.
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Bei
den Messungen des Polarisationswiderstands R und der Leerlaufspannung
Voc besteht die Möglichkeit,
das Abfallen der Entladekapazität
Cd auf Grund der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC durch Einfügen
eines Messbetriebs zur ausreichenden Aufladung der Sekundärbatterie
zu unterdrücken.
Eine solche Einfügung
eines Messbetriebs bedeutet jedoch, dass der Lade/Entladevorgang
der Sekundärbatterie – wenn auch
nur für
eine kurze Dauer – unterbrochen
werden muss.
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Bei
den üblichen
Verfahren zur Messung der Parameter von Sekundärbatterien muss somit der Lade/Entladevorgang
unterbrochen und ein spezieller Messbetrieb eingefügt werden,
was wiederum die Parametermessung erschwert, die zur Steuerung der Vergrößerung der
Lebensdauer bzw. der effektiven Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL der Sekundärbatterie
erforderlich ist.
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Da
ferner ein auf den vorstehend beschriebenen Parametermessungen beruhendes
Aufladungs/Entladungs-Steuerverfahren
sowie Lebensdauer-Bestimmungsverfahren in Bezug auf die Möglichkeiten
einer einfachen Steuerung des Lade/Entladeablaufs sowie einer Bestimmung
oder Abschätzung
der Lebensdauer einer Sekundärbatterie
auf Grund der bei der Messung der den Polarisationswiderstand R
und die Leerlaufspannung Voc einschließenden Parameter bestehenden
Schwierigkeiten unzureichend sind, besteht auf Grund dieser Tatsache ein
weiteres Problem in Bezug auf eine effektive Vergrößerung der
Lebensdauer-Zyklenzahl NL einer Sekundärbatterie.
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Ferner
weisen eine übliche
Lade/Entlade-Steuereinrichtung für
Sekundärbatterien
sowie ein eine solche Einrichtung verwendendes elektrisches Energiespeichergerät gleichermaßen den Nachteil
auf, dass eine einfache und effektive Steuerung des Lade/Entladevorgangs
unter Vergrößerung der
Lebensdauer-Zykluszahl NL zur Erzielung einer Verlängerung
der Betriebslebensdauer einer Sekundärbatterie mit Schwierigkeiten
verbunden ist.
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Aus
der
JP 31 63375 ist
ein Anzeigesystem für
die Restkapazität
einer Sekundärbatterie
bekannt. Bei diesem System wird der Innenwiderstand einer Sekundärbatterie
zu einer beliebigen Zeit gemessen und das auf der Basis des Widerstandswertes
erhaltene Messergebnis als beim nächsten Betrieb zu berücksichtigende
Restkapazität
gespeichert.
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Aus
der WO 90/10242 ist weiterhin eine Überwachungseinrichtung für den Batteriezustand eines
Flugzeugs bekannt. Bei diesem System werden Strom-Spannungsdaten (I-V-Daten)
zur Bestimmung des Innenwiderstands und der Polarisation einer Batterie
analysiert. Hierbei erfolgt eine Bestimmung des Ladezustands sowie
eine Überprüfung von Störungen,
die auf korrodierten Anschlüssen
und einem niedrigen Elektrolytpegel beruhen.
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Der
Erfindung liegt demgegenüber
die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Steuerung
der Aufladung/Entladung einer Sekundärbatterie anzugeben, mit deren
Hilfe dennoch eine einfache und effektive Verlängerung der Betriebslebensdauer
einer Sekundärbatterie
erzielbar ist.
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Darüber hinaus
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Speicherung
elektrischer Energie anzugeben, die eine Speicherung von elektrischer
Energie oder Leistung unter Verwendung dieser Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung
ermöglicht.
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Diese
Aufgaben werden durch eine Vorrichtung zur Steuerung der Aufladung/Entladung
einer Sekundärbatterie
gemäß Patentanspruch
1 sowie durch eine Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie
gemäß Patentanspruch
3 gelöst.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Unteranspruch angegeben.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und zugehörige Vorteile der Erfindung
ergeben sich auch aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
erfolgt. Es zeigen:
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1 ein Ablaufdiagramm zur
Veranschaulichung eines Parametermessverfahrens für eine Sekundärbatterie
gemäß einem
Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist,
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2 eine Kennlinie, die die
Relation zwischen einem Polarisationswiderstand und einer Leerlaufspannung
veranschaulicht, deren Messung als Parameter unter Verwendung des
Verfahrens gemäß dem Beispiel
erfolgt ist, das nicht Teil der Erfindung ist,
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3 eine durch Darstellung
der Restkapazität
Cr einer Lithium-Sekundärbatterie
als Funktion ihrer Leerlaufspannung Voc erhaltene Kennlinie, die die
Beziehung der unter Verwendung des Parametermessverfahrens gemäß dem keinen
Teil der Erfindung darstellenden Beispiel erhaltenen Parameter Voc
und Cr veranschaulicht,
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4 ein Ablaufdiagramm zur
Veranschaulichung eines Aufladungs-/Entladungs-Steuerverfahrens
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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5 ein Blockschaltbild eines
Ausführungsbeispiels
einer Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung, die für einen
Betrieb auf der Basis einer Leerlaufspannung und einer Polarisationsspannung
ausgelegt ist, welche bei dem Steuerverfahren gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung Verwendung finden,
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6 Kennlinien einer Beziehung
zwischen Änderungen
einer Entladekapazität
und einer Lade-/Entlade-Zyklenwiederholzahl,
deren Bestimmung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung erfolgt,
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7 ein Ablaufdiagramm zur
Veranschaulichung eines Verfahrens zur Bestimmung bzw. Abschätzung der
Lebensdauer einer Sekundärbatterie gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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8 eine grafische Darstellung
zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Änderung
des Polarisationswiderstands von Sekundärbatterien und deren Zyklenfestigkeit
(Lebensdauer-Zyklenzahl),
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9 eine grafische Darstellung
zur Veranschaulichung einer Beziehung zwischen der Änderung
der Entladekapazität
von Sekundärbatterien und
der Lade-/Entlade-Zyklenwiederholzahl,
die bei dem Lebensdauer-Bestimmungsverfahren
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung Anwendung findet,
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10 ein Blockschaltbild des
Aufbaus einer Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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11 ein Blockschaltbild einer
Vorrichtung zur Speicherung elektrischer Energie gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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12 eine Kennlinie zur Veranschaulichung
tatsächlich
gemessener Änderungen
des Polarisationswiderstands einer Lithium-Sekundärbatterie
des Lithium-Ionen-Typs als Funktion veränderlicher Umgebungsbedingungen,
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13 eine Kennlinie zur Veranschaulichung
einer Beziehung zwischen der Restkapazität und der Leerlaufspannung
einer Lithium-Sekundärbatterie,
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14 eine Kennlinie zur Veranschaulichung
einer Beziehung zwischen der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl und
der Entladekapazität
einer Sekundärbatterie,
und
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15 Kennlinien zur Veranschaulichung
einer jeweiligen Änderung
des Polarisationswiderstands als Funktion der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl.
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Bei
der nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erfolgenden
Beschreibung eines Beispiels, das nicht Teil der Erfindung ist,
sowie bevorzugter oder typischer Ausführungsbeispiele der Erfindung
bezeichnen gleiche Bezugszahlen und Symbole gleiche oder entsprechende
Bauteile und Größen.
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Nachstehend
wird ein Parametermessverfahren für eine Sekundärbatterie
gemäß einem
Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen näher
beschrieben, in denen 1 ein
Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des Parametermessverfahrens
für eine
Sekundärbatterie
gemäß dem nunmehr
beschriebenen Beispiel, 2 Kennlinien
einer Beziehung zwischen einem Polarisationswiderstand R und einer
Leerlaufspannung Voc, die mit Hilfe des Verfahrens gemäß diesem
Beispiel gemessen worden sind, und 3 Kennlinien
zeigen, die grafisch Änderungen
der Leerlaufspannung Voc als Funktion einer Restkapazität Cr veranschaulichen.
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Gemäß der im
beschriebenen Parametermessverfahren für Sekundärbatterien verkörperten Lehre
kann ein Parameter, wie der Polarisationswiderstand R, der sich
sowohl in Abhängigkeit
von der jeweiligen Sekundärbatterie
als auch als Funktion der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC ändert, ohne
zusätzliche
Ausführung
eines spezifischen Messbetriebs während des Lade/Entladeverlaufs
gemessen werden. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, eine Klemmenspannung
V, einen Lade/Entladestrom I und eine Lade/Entladezeit T einer dem
Lade/Entladevorgang unterworfenen Sekundärbatterie mit Hilfe eines Mikrocomputersystems
zu messen und zu speichern, das eine Recheneinheit zur Ausführung verschiedener
arithmetischer Verarbeitungsvorgänge
sowie einen Speicher zur Speicherung der Ergebnisse der arithmetischen
Verarbeitungsvorgänge
sowie anderer Daten aufweist.
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Gemäß 1 wird ein Lade/Entladevorgang zumindest
einmal bei der dem Messverfahren unterworfenen Sekundärbatterie
durchgeführt,
um eine arithmetische Bestimmung einer integrierten Energiemenge
PS, einer integrierten Ladungsmenge QS und eines integrierten Zeitintervalls
TS vom Beginn des Lade/Entladevorgangs bis zu dessen Ende vorzunehmen
(Schritt S1 gemäß 1).
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Sodann
wird eine mittlere Klemmenspannung Vm arithmetisch bestimmt, indem
die integrierte Energiemenge PS durch die integrierte Ladungsmenge
QS dividiert wird, während
ein mittlerer Strom Im durch Division der integrierten Ladungsmenge
QS durch das integrierte Zeitintervall TS bestimmt wird (Schritt
S2).
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Hierbei
umfasst die mittlere Klemmenspannung Vm eine mittlere Klemmenspannung
Vcm im Ladevorgang und eine mittlere Klemmenspannung Vdm im Entladevorgang,
während
der mittlere Strom Im einen mittleren Ladestrom Icm und einen mittleren Entladestrom
Idm umfasst.
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Sodann
wird der Polarisationswiderstand R der Sekundärbatterie unter Verwendung
eines Batterie-Polarisationswiderstandsmodells
auf der Basis der mittleren Klemmenspannung Vcm im Ladevorgang,
der mittleren Klemmenspannung Vdm im Entladevorgang, des mittleren
Ladestroms Icm und des mittleren Entladestroms Idm arithmetisch
bestimmt (Schritt S3).
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Das
Batterie-Polarisationswiderstandsmodell kann in Form eines mathematischen
Ausdrucks gegeben sein, der eine Relation zwischen der mittleren
Klemmenspannung Vm, dem mittleren Strom Im und dem Polarisationswiderstand
R definiert. Im einfachsten Batterie-Polarisationswiderstandsmodell kann
der Polarisationswiderstand R als konstant angesehen werden. Die
mittlere Klemmenspannung Vm des Batterie-Polarisationswiderstandsmodells kann
daher durch folgende Gleichung (1) gegeben sein: Vm = Vocm + R·Im (1)wobei mit "Vocm" eine mittlere Leerlaufspannung
bezeichnet ist, die durch Mittelung der Leerlaufspannung Voc erhalten
wird. Andererseits kann der Polarisationswiderstand R auch als Funktion
von Parametern, wie der jeweiligen Art der Sekundärbatterie, deren
Aufbau, Umgebungstemperatur, bei der die Batterie betrieben wird,
und den bisherigen Lade/Entladeverlauf (z. B. die Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC) bestimmt sein. Die den Polarisationswiderstand R definierende
Funktion ist unabhängig vom
Typ der Sekundärbatterie
und deren Aufbau natürlich
unveränderlich,
solange die Änderung
des Polarisationswiderstands R ein und derselben Sekundärbatterie
betrachtet wird. Außerdem
kann die den Polarisationswiderstand R definierende Funktion in Bezug
auf die Umgebungstemperatur als konstant angesehen werden, solange
nicht bemerkenswerte Änderungen
der Umgebungstemperatur auftreten. Gemäß den vorstehend genannten
Bedingungen können
somit Änderungen
des Polarisationswiderstands R allein als Funktion der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC angesehen werden.
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Wie
vorstehend ausgeführt,
kann im Falle einer Lithium-Sekundärbatterie
der Polarisationswiderstand R für
praktische Anwendungen so lange als konstant angesehen werden, wie
die Änderung
der Umgebungstemperatur innerhalb eines Bereiches von ±5°C liegt (siehe 12). Die Verwendung eines einfachen
Sekundärbatterie-Polarisationswiderstandsmodells
in Form der vorstehend genannten Gleichung (1) stellt somit üblicherweise
kein Problem dar.
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Aus
der vorstehenden Gleichung (1) lassen sich somit die mittlere Klemmenspannung
Vcm im Ladevorgang und die mittlere Klemmenspannung Vdm im Entladevorgang
folgendermaßen
ableiten: Vcm = Vocm
+ R·Icm (1a) Vdm = Vocm + R·Idm (1b)
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Bei
den vorstehenden Gleichungen (1a) und (1b) fließen der mittlere Ladestrom
Icm und der mittlere Entladestrom Idm in entgegengesetzte Richtungen,
sodass der mittlere Entladestrom Idm einen Wert mit einem negativen
Vorzeichen aufweist. Bei Verwendung der Absolutwerte des mittleren
Ladestroms Icm und des mittleren Entladestroms Idm lässt sich
somit die Gleichung (1b) folgendermaßen ausdrücken: Vdm = Vocm – R·Idm (1c)
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Bei
den Gleichungen (1a) und (1c) kann die jeweilige mittlere Leerlaufspannung
Vocm im Ladevorgang und im Entladevorgang als im wesentlichen gleich
angesehen werden, wobei die mittlere Klemmenspannung Vcm im Ladevorgang
normalerweise höher
als die mittlere Leerlaufspannung Vocm ist, während die mittlere Klemmenspannung
Vdm im Entladevorgang normalerweise kleiner als die mittlere Leerlaufspannung
Vocm ist.
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Der
Polarisationswiderstand R lässt
sich somit durch Subtraktion des Ausdrucks (1c) von dem Ausdruck
(1a) in Form der folgenden Gleichung (2) wiedergeben: R = (Vcm – Vdm)/(Icm + Idm) (2)
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Der
mit Hilfe der Gleichung (2) erhaltene Wert des Polarisationswiderstands
R wird im Speicher abgespeichert, um bei der Messung der Leerlaufspannung
Voc im nächsten
Lade/Entladezyklus zur Verfügung
zu stehen.
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Unter
Verwendung des gespeicherten Polarisationswiderstands R und der
derzeit gemessenen Klemmenspannung V sowie des derzeit gemessenen Lade/Entladestroms
I der Sekundärbatterie
lässt sich somit
die Leerlaufspannung Voc durch Modifikation der Gleichung (1) arithmetisch
folgendermaßen
bestimmen: Voc =
V ± R·I (3)
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Bei
der vorstehenden Gleichung erfolgt die durch das Pluszeichen "+" bezeichnete Addition zur Bestimmung
der Leerlaufspannung Voc im Ladevorgang, während die durch "–" bezeichnete Subtraktion zur Bestimmung
der Leerlaufspannung Voc im Entladevorgang erfolgt.
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Auf
diese Weise können
der Polarisationswiderstand R und die Leerlaufspannungen Voc als
typische Parameter der Sekundärbatterie
einfach und genau bestimmt werden, ohne einen in Bezug auf die vorstehend
beschriebenen üblichen
Verfahren unterschiedlichen, unabhängigen Messbetrieb einfügen zu müssen.
-
Im
Rahmen der Erfindung wurden experimentell Konstantstrom-Lade/Entladezyklen
unter Verwendung einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie (der Größe 2/3A,
hergestellt von der Anmelderin) als die zu prüfende Sekundärbatterie
und eines im Handel unter der Bezeichnung "HJ201B" der Hokuto Denkou Company of Japan
erhältlichen
Lade/Entlade-Testgerätes
durchgeführt.
Auf die Ergebnisse dieses Experiments wird nachstehend näher eingegangen.
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Die
Versuche wurden unter folgenden Standardbedingungen durchgeführt: Bei
einer oberen Leerlauf-Grenzspannung VcL im Ladevorgang von 4,2 V
(Volt), einer unteren Leerlauf-Grenzspannung VdL
im Entladevorgang von 2,5 V, einem vorgegebenen Ladestrom Ici von
100 mA (Milliampere) des vorgegebenen Lade/Entladestroms Ii, und
einem vorgegebenen Entladestrom Idi von 200 mA.
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Zunächst wurden
die Klemmenspannung V und die Lade/Entladeströme I der Lithium-Sekundärbatterie
während
der Lade/Entladevorgänge
periodisch in Zeitintervallen von 30 s unter Verwendung eines im
Handel unter der Bezeichnung "TR2731" erhältlichen
Datenerfassungsgeräts
bzw. Datenschreibers der Advantest Company gemessen und auf einer
Magnetplatte aufgezeichnet. Auf der Basis der auf diese Weise erhaltenen
Daten wurden die integrierte Energiemenge PS, die integrierte Ladungsmenge
QS und das integrierte Zeitintervall TS arithmetisch bestimmt, und
zwar unter Verwendung eines Personalcomputers, der unter der Bezeichnung "PC-9801VM11" der NEC Corporation
of Japan im Handel erhältlich
ist.
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Sodann
wurde die mittlere Klemmenspannung Vm durch Teilung der integrierten
Energiemenge PS durch die integrierte Ladungsmenge QS berechnet,
während
der mittlere Strom Im durch Teilung der integrierten Ladungsmenge
QS durch die Integrationszeit TS berechnet wurde. Auf der Basis
der mittleren Klemmenspannung Vcm im Ladevorgang, der mittleren
Klemmenspannung Vdm im Entladevorgang, des mittleren Ladestroms
Icm und des mittleren Entladestroms Idm wurde der Polarisationswiderstand
R entsprechend der vorstehend genannten Gleichung (2) bestimmt,
während
die Leerlaufspannung Voc entsprechend der Gleichung (3) bestimmt wurde.
-
Aus
der vorstehenden Beschreibung ist somit ersichtlich, wie das Parametermessverfahren
gemäß diesem
Beispiel ausgeführt
werden kann.
-
Zur
Verifizierung der Effektivität
des Parametermessverfahrens gemäß diesem
Beispiel wurde ein übliches
Parametermessverfahren unter Verwendung der vorstehend genannten
Lithium-Ionen-Sekundärbatterie experimentell
ausgeführt.
Hierbei wurde der Lade/Entladezyklen-Test zur Messung der Leerlaufspannung
Voc und des Polarisationswiderstands R unter den gleichen Testbedingungen,
wie sie vorstehend beschrieben sind, ausgeführt, mit der Ausnahme, dass
im Verlauf des Lade/Entladevorgangs nach Ablauf von jeweils 10 min
eine Pause oder eine Unterbrechungsperiode von 10 min eingelegt
wurde. Dieses übliche
Parametermessverfahren wird nachstehend als Unterbrechungsverfahren
bezeichnet.
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Die
Leerlaufspannung Voc lässt
sich durch lineare Approximation bestimmen, indem die während der
Unterbrechungszeitdauer aufgezeichnete Änderung der Klemmenspannung
V als Kehrwert der Zeit aufgetragen wird. Hierbei wird die Spannung
am Nullpunkt der reziproken Zeitachse als Leerlaufspannung Voc festgelegt.
Der Polarisationswiderstand R lässt sich
dann bestimmen, indem die Differenz zwischen der erhaltenen Leerlaufspannung
Voc und der unmittelbar vor der Unterbrechung gemessenen Klemmenspannung
V durch den Lade/Entladestrom I dividiert wird.
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2 zeigt R-I-Kennlinien der
Lithium-Sekundärbatterie,
die durch Auftragen des Polarisationswiderstands R als Funktion
des Lade/Entladestroms I unter Verwendung des Parametermessverfahrens
gemäß diesem
Beispiel sowie unter Verwendung des üblichen Unterbrechungsverfahrens
erhalten wurden, wobei die durchgezogene Kurve die gemäß diesem
Beispiel erhaltene Kennlinie bezeichnet, während die gestrichelte Kurve
die mit Hilfe des üblichen
Verfahrens erhaltene Kennlinie bezeichnet.
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3 zeigt Voc-Cr-Kennlinien,
die durch Auftragen der Restkapazität Cr der Lithium-Sekundärbatterie
als Funktion der Leerlaufspannung Voc unter Verwendung des Parametermessverfahrens gemäß dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung sowie unter Verwendung des üblichen Unterbrechungsverfahrens
erhalten wurden, wobei die durchgezogene Kurve die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
der Erfindung gemessene Kennlinie der Lithium-Sekundärbatterie
und die gestrichelte Kurve die unter Verwendung des üblichen Unterbrechungsverfahrens
gemessene entsprechende Kennlinie bezeichnen.
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Wie
den 2 und 3 zu entnehmen ist, zeigen
die Ergebnisse der Messungen gemäß diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung (durchgezogene Kurve) und dem üblichen Unterbrechungsverfahren sowohl
in Bezug auf den Polarisationswiderstand R als auch die Leerlaufspannung
Voc eine gute Übereinstimmung,
was wiederum bedeutet, dass sich der Polarisationswiderstand R und
die Leerlaufspannung Voc unter Anwendung der Lehre der Erfindung
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
genau und auf einfache Weise erhalten lassen, ohne einen separaten Messbetrieb
wie im Falle des üblichen
Verfahrens einfügen
zu müssen.
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Obwohl
bei der vorstehenden Beschreibung von der Annahme ausgegangen worden
ist, dass es sich bei der geprüften
Sekundärbatterie
um eine Lithium-Sekundärbatterie
mit ausgezeichneten Lade/Entlade-Eigenschaften handelt, lassen sich
natürlich ähnliche
vorteilhafte Ergebnisse gleichermaßen auch bei anderen Sekundärbatterien
erzielen.
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Ausführungsbeispiel 1
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Das
vorstehend beschriebene Beispiel bezieht sich auf die Bestimmung
von Parametern der Sekundärbatterie
wie dem Polarisationswiderstand R und der Leerlaufspannung Voc.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird hingegen die Realisierung eines Aufladungs/Entladungs- Steuerverfahrens
für eine
Sekundärbatterie
in Betracht gezogen, durch das die Lebensdauer-Zyklenzahl bzw. die
vorstehend definierte effektive Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NL vergrößert werden
kann, und zwar auf der Basis der unter Verwendung des Parametermessverfahrens
gemäß dem vorstehend
beschriebenen Beispiel gemessenen Werte des Polarisationswiderstands
R und der Leerlaufspannung Voc in Verbindung mit einer oberen Leerlauf-Grenzspannung
VcL im Ladevorgang, einer unteren Leerlauf-Grenzspannung VdL im
Entladevorgang und einer Polarisations-Grenzspannung dEL, deren
Werte vorgegeben sind.
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Nachstehend
wird nun näher
auf dieses Sekundärbatterie-Steuerverfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingegangen, das eine Verlängerung oder Steigerung der
Lebensdauer einer Sekundärbatterie
unter Verwendung der oberen Leerlauf-Grenzspannung VcL im Ladevorgang, der
unteren Leerlauf-Grenzspannung VdL im Entladevorgang sowie der gemäß dem vorstehend
beschriebenen Verfahren bestimmten Werte des Polarisationswiderstands
R und der Leerlaufspannung Voc ermöglicht.
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Entsprechend
der Lehre der Erfindung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
wird ein vorgegebener Lade/Entladestrom Ii derart gesteuert, dass
die durch das Produkt des vorgegebenen Lade/Entladestroms Ii und
des Polarisationswiderstands R gegebene Lade/Entlade-Steuerspannung VC
eine Polarisations-Grenzspannung dEL nicht überschreitet.
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Hierbei
ist die Lade/Entlade-Steuerspannung VC eine Überspannung, die auf der Basis
des vorgegebenen Lade/Entladestroms Ii bestimmt werden kann. Wenn
diese Bestimmung korrekt ist, entspricht die Lade/Entlade- Steuerspannung VC
der durch die Differenz zwischen der Leerlaufspannung Voc und der
Klemmenspannung V gegebenen Überspannung.
Die Polarisations-Grenzspannung dEL stellt dagegen eine obere Grenzspannung
dar, und zwar unabhängig
davon, ob der Ladevorgang oder der Entladevorgang betrachtet wird,
da die Polarisationsspannung Vp als Absolutwert der Differenz zwischen
der Leerlaufspannung Voc und der Klemmenspannung V gegeben ist.
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Die
Aufladung/Entladung der Sekundärbatterie
wird innerhalb einer Lade/Entladezeit T beendet, die unter Verwendung
des vorgegebenen Lade/Entladestroms Ii und der auf der Basis der
Leerlaufspannung Voc bestimmten Restkapazität Cr derart festgelegt wird,
dass die Leerlaufspannung Voc während
des Entladevorgangs nicht unter die untere Leerlauf-Grenzspannung VdL
abfällt
und während des
Ladevorgangs die obere Leerlauf-Grenzspannung VcL nicht überschreitet.
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4 ist ein Ablaufdiagramm
zur Veranschaulichung des Aufladungs/Entladungs-Steuerverfahrens
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Gemäß 4 werden die unter Verwendung des
vorstehend beschriebenen Verfahrens gemessenen Werte des Polarisationswiderstands
R und der Leerlaufspannung Voc sowie die vorgegebene obere Leerlauf-Grenzspannung
VcL im Ladevorgang und die vorgegebene untere Leerlauf-Grenzspannung VdL
im Entladevorgang in einem Schritt S10 eingelesen, dem ein Schritt
S11 folgt, in dem der vorgegebene Lade/Entladestrom Ii derart gesteuert
wird, dass die Lade/Entlade-Steuerspannung VC (= Ii·R) die
Polarisations-Grenzspannung dEL nicht überschreitet.
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Die
vorgegebenen bzw. voreingestellten Werte der oberen Leerlauf-Grenzspannung
VcL im Ladevorgang, der unteren Leerlauf-Grenzspannung VdL im Entladevorgang
und der Polarisations-Grenzspannung dEL werden experimentell in
Abhängigkeit vom
jeweiligen Typ der Sekundärbatterie
bestimmt. So sind z. B. im Falle einer Lithium-Ionen-Sekundärbatterie
diese Werte gegeben durch:
VcL = 4,2 V
VdL = 2,5 V
dEL
= 0,5 V
-
In
diesem Zusammenhang ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die vorstehend
genannten, vorgegebenen bzw. voreingestellten Werte nicht für sämtliche
Lithium-Ionen-Sekundärbatterien
gleich sind, sondern in Abhängigkeit
von den bei der Herstellung verwendeten Materialien unterschiedlich
ausfallen können.
Tatsächlich
sind bisher eine Vielzahl von Materialien oder Werkstoffen zur Verwendung
bei Lithium-Sekundärbatterien
des Lithium-Ionen-Typs
vorgeschlagen worden.
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Sodann
wird in einem Schritt S12 die Restkapazität Cr auf der Basis der Leerlaufspannung
Voc berechnet, woraufhin in einem Schritt S13 eine Lade/Entlade-Restzeit
Tr auf der Basis der Restkapazität
Cr und des vorgegebenen Lade/Entladestroms Ii berechnet wird.
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Wie
vorstehend unter Bezugnahme auf die 13 und 14 beschrieben, wird die
Beziehung zwischen der Leerlaufspannung Voc und der Restkapazität Cr ebenfalls
experimentell bestimmt. Bei der absoluten Kapazität einer
Sekundärbatterie
wird von unterschiedlichen Werten zu Beginn und am Ende eines Lade/Entladezyklus
ausgegangen, auch wenn die Leerlaufspannung Voc den gleichen Wert
beibehält.
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Unter
diesen Umständen
ist es erforderlich, eine Korrektur der Beziehung zwischen der absoluten
Kapazität
und der relativen Kapazität
durch Speicherung der Leerlaufspannung Vocs zu Beginn eines Ladevorgangs
und der Leerlaufspannung Voce am Ende des Ladevorgangs im unmittelbar
vorhergehenden Lade/Entladezyklus vorzunehmen.
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Es
sei z. B. angenommen, dass s (%) die der Leerlaufspannung Vocs zu
Beginn eines Ladevorgangs entsprechende relative Kapazität und e
(%) die der Leerlaufspannung Voce am Ende des Ladevorgangs entsprechende
relative Kapazität
bezeichnen, wobei beide Werte sich aus der Beziehung gemäß 13 ergeben. Wenn ferner
mit Cc die Ladekapazität
zu dieser Zeit und mit Ca die einer relativen Kapazität e von
100% entsprechende absolute Kapazität bezeichnen, lässt sich
die absolute Kapazität
Ca gemäß folgender
Gleichung bestimmen: Ca
= Cc × 100/(e – s) (4)
-
Die
vorstehende Gleichung (4) gilt gleichermaßen auch für den Entladevorgang einer
Sekundärbatterie,
d. h., die absolute Kapazität
Ca im Entladevorgang kann durch Ersetzen der Ladekapazität Cc in
Gleichung (4) durch die Entladekapazität Cd bestimmt werden.
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Die
im Schritt S13 berechnete Lade/Entlade-Restzeit Tr lässt sich
unter Verwendung des vorgegebenen Lade/Entladestroms Ii und der
aus der Leerlaufspannung Voc bestimmten Restkapazität Cr folgendermaßen ausdrücken: Tr = Cr/Ii (5)
-
In
einem Schritt S14 wird schließlich
der Lade/Entladevorgang der Sekundärbatterie innerhalb der bestimmten
Lade/Entlade-Restzeit Tr abgeschlossen, sodass die Leerlaufspannung
Voc im Entladevorgang nicht unter die untere Leerlauf-Grenzspannung
VdL abfällt
und im Ladevorgang die obere Leerlauf-Grenzspannung VcL nicht überschreitet.
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Nachstehend
wird ein konkretes Ausführungsbeispiel
der beschriebenen Ausführungsform der
Erfindung unter Bezugnahme auf das Blockschaltbild gemäß 5 und die Kennlinien gemäß 6 näher beschrieben, wobei 5 ein Aufladungs/Entladungs-Testgerät zeigt
und 6 grafisch eine
Relation zwischen der Entladekapazität Cd und der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC veranschaulicht.
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Gemäß 5 umfasst das Aufladungs/Entladungs-Testgerät eine Steuereinheit 1 mit
einer Zentraleinheit (CPU), einem Speicher und anderen Bauteilen,
eine Last oder einen Verbraucher 10, der in Abhängigkeit
von der über
die Steuereinheit 1 erfolgenden Steuerung mit elektrischer
Energie versorgt wird, eine Sekundärbatterie 12 zur Zuführung elektrischer
Energie zu der Last 10, eine Konstantstromquelle 14 zur
Zuführung
eines Konstantstroms zu der Last 10 und der Sekundärbatterie 12 in
Abhängigkeit von
der über
die Steuereinheit 1 erfolgenden Steuerung, ein zwischen
die Sekundärbatterie 12 und
die Konstantstromquelle 14 zur Ermittlung des Lade/Entladestroms
I geschaltetes Amperemeter 15 sowie ein zwischen beide
Elektrodenklemmen der Sekundärbatterie 12 geschaltetes
Voltmeter 16. Der vom Amperemeter 15 ermittelte
Lade/Entladestrom I und die vom Voltmeter 16 ermittelte
Klemmenspannung V der Sekundärbatterie 12 werden
in die Steuereinheit 1 als Daten eingegeben.
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Die
im Test verwendete Sekundärbatterie 12 war
eine Lithium-Sekundärbatterie
des Lithium-Ionen-Typs (hergestellt von der Anmelderin). Als die zusammen
mit der Steuereinheit 1 das Aufladungs/Entladungs-Testgerät bildende
Konstantstromquelle wurde eine im Handel unter der Bezeichnung "PAX16-20" der Kikusui Electronic
Company of Japan erhältliche
Konstantstromquelle verwendet. Für
die Last 10 wurde eine im Handel unter der Bezeichnung "PLZ-153W" erhältliches
elektrisches Verbraucherbauteil dieser Firma verwendet, während als Steuereinheit 1 zur
Steuerung des Lade/Entladevorgangs ein Personal-Computer diente,
der im Handel unter der Bezeichnung "PC-9801DA" der NEC Corporation erhältlich war.
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Wie
im Falle des keinen Teil der Erfindung bildenden und in Verbindung
mit den 1 bis 3 beschriebenen Beispiels
waren die obere Leerlauf-Grenzspannung VcL im Ladevorgang auf 4,2
V, die untere Leerlauf-Grenzspannung VdL im Entladevorgang auf 2,5
V, der vorgegebene Ladestrom Ici auf 100 mA und der vorgegebene
Entladestrom Idi auf 200 mA eingestellt. Unter diesen Standardbedingungen
wurde der Lade/Entladezyklustest unter Verwendung des vorstehend
unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen
Aufladungs/Entladungs-Steuerverfahrens durchgeführt.
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Als
Ergebnis des Lade/Entladetests kann eine Kennlinie der Entladekapazität Cd der
Sekundärbatterie 12 erhalten
werden, wie sie in 6 durch
eine durchgezogene Kurve dargestellt ist, die eine experimentell
erhaltene Beziehung zwischen der Entladekapazität Cd und der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC veranschaulicht. 6 lässt sich
entnehmen, dass im Falle des Aufladungs/Entladungs-Steuerverfahrens
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung der Entladestrom bzw. die Entladekapazität Cd der
Sekundärbatterie 12 unabhängig von
der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC
im wesentlichen konstant ist.
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Bei
den bekannten Verfahren ändert
sich dagegen der Entladestrom bzw. die Entladekapazität Cd im
Lade/Entladezyklus als Funktion der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC in der durch
die gestrichelte Kennlinie angegebenen Weise, die ebenfalls unter
den vorstehend genannten Standardbedingungen erhalten wurde (d.
h., bei einer oberen Leerlauf-Grenzspannung VcL im Ladevorgang von
4,2 V, einer unteren Leerlauf-Grenzspannung VdL im Entladevorgang
von 2,5 V, einem vorgegebenen Ladestrom Ici von 100 mA und einem
vorgegebenen Entladestrom Idi von 200 mA).
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Wie
dem Kennlinienfeld gemäß 6 zu entnehmen ist, fällt der
Entladestrom bzw. die Entladekapazität Cd im Lade/Entladezyklus
im Falle des üblichen
Steuerverfahrens mit größer werdender
Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC erheblich ab (gestrichelte Kennlinie).
Erfindungsgemäß kann demgegenüber der
Entladestrom bzw. die Entladekapazität Cd im Lade/Entladezyklus
auf einem hohen Wert bzw. einer hohen Kapazität über eine verlängerte Zeitdauer
gehalten werden, da die Sekundärbatterie
im Falle des Aufladungs/Entladungs-Steuerverfahren gemäß diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine ausreichende Aufladung ohne die Begleiterscheinung
einer Überladung
erfahren kann.
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Ausführungsbeispiel 2
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Bei
dem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird angestrebt, die Lebensdauer der Sekundärbatterie 12 durch
eine Steuerung zu verlängern, die
unter Verwendung der mit Hilfe des Verfahrens gemäß dem in
Verbindung mit den 1 bis 3 beschriebenen Beispiel
gemessenen Parametern erfolgt. Gleichermaßen besteht jedoch auch die
Möglichkeit,
die Lebensdauer der Sekundärbatterie 12 unter
Verwendung dieser gemessenen Parameter zu bestimmen bzw. abzuschätzen. Im einzelnen
kann hierbei durch Speicherung der Änderungen des bei jedem Lade/Entladezyklus
gemessenen Polarisationswiderstands R und Durchführung einer auf einer Fehlerquadratmethode
basierenden Polynom-Approximationsextrapolation
an der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC die Lebensdauer-Zyklenzahl (Lebensdauer) oder die Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC der Sekundärbatterie,
bei der der vorgegebene Polarisations-Grenzwiderstand RL erreicht wird,
in Form der zu diesem Zeitpunkt erwarteten effektiven Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL bestimmt bzw. geschätzt
werden.
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Nachstehend
wird ein unter Verwendung des vorstehend in Verbindung mit dem Beispiel
gemäß den 1 bis 3 beschriebenen Parametermessverfahrens
durchgeführtes
Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer einer Sekundärbatterie
unter Bezugnahme auf das in 7 dargestellte
Ablaufdiagramm näher
beschrieben.
-
Gemäß 7 wird in einem Schritt
S20 der im vorstehend beschriebenen Schritt S3 berechnete Polarisationswiderstand
R (siehe 1) ermittelt
und eingegeben, um die Änderungen
des Polarisationswiderstands R bei jedem Lade/Entladezyklus der
Sekundärbatterie 12 zu
speichern.
-
Sodann
wird in einem Schritt S21 eine auf einer Fehlerquadratmethode basierende
Polynom-Approximationsextrapolation
an der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC der Sekundärbatterie 12 vorgenommen,
um auf diese Weise die Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC zu dem
Zeitpunkt, bei dem der Polarisationswiderstand R den vorgegebenen
Polarisations-Grenzwiderstand RL erreicht hat, als die zu erwartende
effektive Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL (Lebensdauer oder Lebensdauer-Zyklenzahl)
der Sekundärbatterie 12 zu
bestimmen.
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Der
vorgegebene Wert des Polarisations-Grenzwiderstands RL kann sich
in Abhängigkeit von
der Definition der effektiven Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NL
und dem erwarteten mittleren Strom Im verändern. In diesem Zusammenhang
sei die Lebensdauer der Sekundärbatterie
als Lebensdauer definiert, während
der die Anfangskapazität (100%)
der Sekundärbatterie
progressiv auf 70% abfällt.
Wenn hierbei im einzelnen angenommen wird, dass bei einer relativen
Restkapazität
Cr von 70% die Leerlaufspannung Voc durch 4,0 V, der mittlere Strom
Im durch 200 mA, die obere Leerlauf-Grenzspannung VcL im Ladevorgang durch
4,2 V und die Polarisations-Grenzspannung dEL durch 0,5 V gegeben
sind, lässt
sich der Polarisations-Grenzwiderstand RL folgendermaßen bestimmen: RL = (4,2 – 4,0
+ 0,5)/0,2
= 3,5 (Ω)
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Im
Rahmen der Erfindung wurde ein Experiment bezüglich der Bestimmung der Lebensdauer
einer Sekundärbatterie
entsprechend der Lehre der Erfindung gemäß diesem Ausführungsbeispiel
durchgeführt,
auf das nachstehend unter Bezugnahme auf die Kennlinien gemäß den 8 und 9 näher
eingegangen wird.
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Bei
diesem Experiment wurden zwei verschiedene Lithium-Sekundärbatterien
des Lithium-Ionen-Typs (der Größe 2/3A,
hergestellt von der Anmelderin) als zu prüfende Sekundärbatterien 12 ausgewählt. Hierbei
wurde das im Handel unter der Bezeichnung "HJ201B" der Hokuto Denkou Company of Japan
erhältliche
Aufladungs/Entladungs-Testgerät verwendet.
Die Überprüfung wurde
durch Ausführung
von Konstantstrom-Lade/Entladezyklen wie im Falle des vorstehend
in Verbindung mit dem Beispiel gemäß den 1 bis 3 beschriebenen
Experiments durchgeführt.
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Unter
den Standardbedingungen einer oberen Leerlauf-Grenzspannung VcL im Ladevorgang von
4,2 V, einer unteren Leerlauf-Grenzspannung VdL im Entladevorgang
von 2,5 V, eines vorgegebenen Ladestroms Ici von 100 mA und eines
vorgegebenen Entladestroms Idi von 200 mA wurde der Lade/Entladevorgang
wiederholt, bis der Entladestrom bzw. die Entladekapazität Cd einen
70% der Nennkapazität
(100%) entsprechenden Wert erreicht hatte.
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Zunächst wurden
die Klemmenspannung V und die Lade/Entladeströme I der Sekundärbatterie 12 während der
Lade/Entladevorgänge
periodisch in Zeitintervallen von 30 s unter Verwendung des Datenerfassungsgeräts "TR2731" der Advantest Company
gemessen und die Messergebnisse auf einer Magnetplatte aufgezeichnet.
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Sodann
wurden unter Verwendung des Personal-Computers "PC-9801VM11" der NEC Corporation
die integrierte Energiemenge PS, die integrierte Ladungsmenge QS
und das integrierte Zeitintervall TS für jeden Lade/Entladezyklus
berechnet, wobei die mittlere Klemmenspannung Vm durch Teilung der integrierten
Energiemenge PS durch die integrierte Ladungsmenge QS und der mittlere
Strom Im durch Teilung der integrierten Ladungsmenge QS durch das
integrierte Zeitintervall TS bestimmt wurden. Schließlich wurden
der Polarisationswiderstand R und die Leerlaufspannung Voc entsprechend
den vorstehend genannten Gleichungen (2) und (3) auf der Basis der
mittleren Klemmenspannung Vm und des mittleren Stroms Im bestimmt.
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Hierbei
wurde im wesentlichen auf der Basis der als Funktion der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC auftretenden Änderung
des Polarisationswiderstands R die Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC
(= effektive Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NL) zu dem Zeitpunkt,
bei dem der Polarisationswiderstand R den Polarisations-Grenzwiderstand RL erreichte,
durch eine auf einer Fehlerquadratmethode basierenden Polynom-Approximationsextrapolation
bestimmt.
-
8 zeigt ein Kennlinienfeld,
das grafisch die Änderung
des Polarisationswiderstands R von zwei Sekundärbatterien 12 veranschaulicht,
die sich voneinander in Bezug auf die Menge des Flüssigelektrolyten
bei jedem Lade/Entladezyklus unterscheiden. In der Figur ist der
Polarisations-Grenzwiderstand
RL mit 3,5 Ω oder
dergleichen angegeben. Eine strichpunktierte Kurve repräsentiert
die Kennlinie für
eine Standardmenge des Flüssigelektrolyten, während eine
gestrichelte Kurve und eine durchgezogene Kurve Kennlinien für eine geringe
Menge des Flüssigelektrolyten
repräsentieren,
wobei die gestrichelte Kurve Ergebnisse repräsentiert, die tatsächlich durch
Messungen über
eine Periode erhalten wurden, die einer Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC
von 0 (Null) bis 200 entspricht, während die durchgezogene Kurve
nach Durchführung
einer auf einer Fehlerquadratmethode basierenden Polynom-Approximationsextrapolation
für eine
Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC von 0 (Null) bis 400 erhalten wurde. Die im Schritt S21 gemäß 7 auf der Basis der Fehlerquadratmethode
durchgeführte Polynom-Approximationsextrapolation
kann durch eine Funktion f n-ter
Ordnung gegeben sein, die eine Beziehung zwischen dem Polarisationswiderstand
R und der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC folgendermaßen
wiedergibt: R = f
(NC)
= A0 + A1·NC
+ A2·NC2 + A3·NC3 + A4·NC4
+ ... + An·NCn (6)wobei die
Werte der Variablen A0 bis An derart festgelegt sind, dass das Quadrat
einer Abweichung oder Differenz zwischen der Kennlinie (durchgezogene
Kurve gemäß 8) des auf der Basis der
Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC bestimmten Polarisationswiderstands
R und der Kennlinie des tatsächlich
gemessenen Polarisationswiderstands R einen Minimalwert annimmt.
Weiterhin sollte die Ordnung n des Polynoms (6) im Idealfall auf
einen Wert festgesetzt sein, der um 1 kleiner als die Anzahl der durch
die tatsächliche
Messung erhaltenen Daten ist. Für
praktische Zwecke ist jedoch eine Ordnung von höchstens n = "5" ausreichend.
-
Wie
dem Kennlinienfeld gemäß 8 zu entnehmen ist, wird
im Falle der eine kleinere Menge des Festelektrolyten enthaltenden
Sekundärbatterie 12 (siehe
die durchgezogene Kennlinie) geschätzt, dass der Polarisationswiderstand
R bei oder in der Nähe
der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC = 350 (= der effektiven
Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NL) erreicht werden wird.
-
Auf
diese Weise lässt
sich die Lebensdauer-Zyklenzahl bzw. die effektive Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL der Sekundärbatterie 12 durch die
auf dem Polynom (6) basierende Approximation bestimmen.
-
9 ist ein Kennlinienfeld,
das die Änderung
der Entladekapazität
Cd als Funktion der Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC im Bereich von 0 (Null) bis 400 veranschaulicht, wobei eine durchgezogene
Kurve die Kennlinie für
eine Sekundärbatterie
repräsentiert,
die eine geringe Menge des Flüssigelektrolyten
enthält,
während
eine strichpunktierte Linie die Kennlinie für eine Sekundärbatterie
repräsentiert,
die eine Standardmenge des Flüssigelektrolyten
enthält.
-
Wie 9 zu entnehmen ist, kann
im Falle der eine kleine Menge des Flüssigelektrolyten enthaltenden
Sekundärbatterie 12 (durchgezogene
Kurve) eine 70% der Nennkapazität
entsprechende Entladekapazität
Cd nicht länger
aufrecht erhalten werden, wenn die Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NC einen Wert von ungefähr
350 erreicht oder überschreitet,
was in der Praxis zu einem Absinken der Kapazität führt.
-
Ausführungsbeispiel 3
-
In
Verbindung mit dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
sind vorstehend ein Sekundärbatterie-Parametermessverfahren,
ein Verfahren zur Steuerung der Aufladung/Entladung einer Sekundärbatterie
sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer einer Sekundärbatterie
unter Verwendung des Parametermessverfahrens beschrieben worden.
Nachstehend wird nun eine Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung
zur Durchführung
dieser Verfahren näher
beschrieben.
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10 zeigt ein Blockschaltbild
des Aufbaus einer Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In der Figur bezeichnen die Bezugszahlen 1, 10 und 12 Bauteile,
die den mit den gleichen Bezugszahlen bezeichneten Bauteilen des
ersten Ausführungsbeispiels
gemäß 5 entsprechen oder äquivalent
sind.
-
Gemäß 5 umfasst die Steuereinheit 1 eine
Eingabeeinrichtung 2 mit einem Tastenfeld und dergleichen,
einen Analog-Digital-Umsetzer 3 (A/D-Umsetzer) zur Umsetzung
der die Sekundärbatterie 12 betreffenden
Messdaten wie der Klemmenspannung V und des Lade/Entladestroms I
in jeweilige Digitalsignale, eine Zentraleinheit CPU 4,
der die verschiedenen Signale über
die Eingabeeinrichtung 2 und den A/D-Umsetzer 3 zugeführt werden,
einen Zeitgeber 5 zur Zuführung von chronometrischen Zeitdaten
zu der Zentraleinheit CPU 4, einen Festspeicher ROM 6 zur
Speicherung von Programmen und anderen Informationen, die für den Betrieb
der Zentraleinheit CPU 4 erforderlich sind, einen Direktzugriffsspeicher
RAM 7 zur Speicherung von Daten für die Zentraleinheit CPU 4 oder
von Daten, die sich aus Rechenoperationen der Zentraleinheit CPU 4 ergeben,
eine Sicherungs-Magnetplatte 8, die als externe Speichereinrichtung
für die
Zentraleinheit CPU 4 dient, sowie eine mit der Zentraleinheit
CPU 4 verbundene Stromsteuereinheit 9 zur Steuerung
eines Stroms (d. h., eines vorgegebenen Lade/Entladestroms Ii) für die Last 10 in
Abhängigkeit
von der Steuerung durch die Zentraleinheit CPU 4.
-
Die
Zentraleinheit CPU 4 umfasst eine Messeinrichtung zur Messung
der Klemmenspannung V, des Lade/Entladestroms I und der Lade/Entladezeit
T der Sekundärbatterie 12 in
Wirkverbindung mit einer (nachstehend noch näher beschriebenen) Spannungs-/Strom-Detektoreinheit,
eine Speichereinrichtung zur Speicherung der Klemmenspannung V,
des Lade/Entladestroms I und der Lade/Entladezeit T, eine Steuereinrichtung
zur Steuerung des in die/aus der Sekundärbatterie fließenden,
vorgegebenen Lade/Entladestroms Ii sowie eine Recheneinrichtung zur
jeweiligen arithmetischen Bestimmung der Leerlaufspannung Voc der
Sekundärbatterie 12,
der Lebensdauer-Zyklenzahl bzw. Zyklenfestigkeit oder der effektiven
Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl
NL, der Lade/Entlade-Restzeit Tr und der Lade/Entlade-Steuerspannung
VC in Wirkverbindung mit der Stromsteuereinheit 9 auf der
Basis der Klemmenspannung V, des Lade/Entladestroms I, des vorgegebenen
Lade/Entladestroms Ii und der Lade/Entladezeit T.
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Außerdem sind
eine Stromquelle 11 für
die Stromsteuereinheit 9 und eine zwischen die Sekundärbatterie 12 und
die Stromsteuereinheit 9 geschaltete Spannungs-/Strom-Detektoreinheit 19 vorgesehen.
Die Spannungs-/Strom-Detektoreinheit 19 entspricht
dem Amperemeter 15 und dem Voltmeter 16, die vorstehend
unter Bezugnahme auf 5 beschrieben
worden sind, und dient zur Messung der Klemmenspannung V sowie des
Lade/Entladestroms I der Sekundärbatterie 12.
Die Spannungs-/Strom-Detektoreinheit 19 stellt eine mit
der in der Steuereinrichtung 1 enthaltenen Zentraleinheit CPU 4 in
Wirkverbindung stehende Messeinrichtung dar.
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Nachstehend
wird unter Bezugnahme auf 10 näher auf
die Wirkungsweise der Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung eingegangen. Die von der Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung
durchgeführten
einzelnen Rechenvorgänge sind
im übrigen
in den 1, 4 und 7 veranschaulicht.
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Gemäß 10 werden die Klemmenspannung
V und der Lade/Entladestrom I, die von der zwischen die Sekundärbatterie 12 und
die Stromsteuereinheit 9 geschalteten Spannungs-/Strom-Detektoreinheit 19 gemessen
werden, über
den Analog-Digital-Umsetzer 3 der Zentraleinheit CPU 4 zugeführt.
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Die
in der Zentraleinheit CPU 4 enthaltene Recheneinrichtung
berechnet die integrierte Energiemenge PS, die integrierte Ladungsmenge
QS und die Integrationszeit TS in der vorstehend beschriebenen Weise
unter Verwendung der vom Zeitgeber 5 zugeführten Zeitdaten
und der Klemmenspannung V sowie des über den Analog-Digital-Umsetzer 3 zugeführten Lade/Entladestroms
I. Die Ergebnisse dieser Berechnung werden in den Polarisationswiderstands-Direktzugriffsspeicher
RAM 7 und die Sicherungs-Magnetplatte 8 eingeschrieben.
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Außerdem liest
die in der Zentraleinheit CPU 4 enthaltene Recheneinrichtung
die in der Sicherungs-Magnetplatte 8 gespeicherten Daten
in den Direktzugriffsspeicher RAM 7 ein, um auf diese Weise die
Leerlaufspannung Voc auf der Basis des in den in den Direktzugriffsspeicher
RAM 7 eingelesenen Daten enthaltenen Polarisationswiderstands
R des unmittelbar vorhergehenden Zyklus sowie der derzeit gemessenen
Klemmenspannung V und des derzeit gemessenen Lade/Entladestroms
I zu berechnen. Die Ergebnisse dieses Rechenvorgangs werden in den
Direktzugriffsspeicher RAM 7 sowie die Sicherungs-Magnetplatte 8 eingeschrieben.
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Weiterhin
berechnet die in der Zentraleinheit CPU 4 enthaltene Recheneinrichtung
die Polarisationsspannung Vp (= I·R) auf der Basis des derzeit
gemessenen Lade/Entladestroms I und des derzeit gemessenen Polarisationswiderstands
R und vergleicht die Leerlaufspannung Voc und die derzeitige Klemmenspannung
V beim Ladevorgang mit der oberen Leerlauf-Grenzspannung VcL, beim
Entladevorgang mit der unteren Leerlauf-Grenzspannung VdL sowie mit
der Polarisations-Grenzspannung dEL, die von der Sicherungs-Magnetplatte 8 in
den Direktzugriffsspeicher RAM 7 eingelesen werden.
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Die
vorstehend beschriebene Recheneinheit vergleicht somit die Leerlaufspannung
Voc beim Entladevorgang mit der unteren Leerlauf-Grenzspannung VdL
und beim Ladevorgang mit der oberen Leerlauf-Grenzspannung VcL,
um auf diese Weise zu bestimmen, ob die durch den nachstehenden
Ausdruck gegebenen Bedingungen erfüllt sind oder nicht: VdL ≤ Voc ≤ VcL
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Sodann
wird die Klemmenspannung Vc (= Ii·R) beim Ladevorgang mit der
Polarisationsspannung Vp und der Polarisations-Grenzspannung dEL verglichen,
um hierdurch zu bestimmen, ob die folgende Bedingung erfüllt ist: Vp ≤ Vc ≤ dEL
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Auf
der Basis der Ergebnisse dieser Vergleiche wird der in die bzw.
aus der Sekundärbatterie 12 zu
fließende,
vorgegebene Lade/Entladestrom Ii bestimmt, woraufhin der Lade/Entladestrom
I derart gesteuert wird, dass der von der Stromsteuereinheit 9 gesteuerte
Strom Koinzidenz mit dem vorgegebenen Lade/Entladestrom Ii aufweist.
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Die
eine mit der Zentraleinheit CPU 4 zusammenwirkende Steuereinrichtung
darstellende Stromsteuereinheit 9 steuert den der Last 10 von
der Sekundärbatterie 12 zuzuführenden
Strom oder den der Sekundärbatterie 12 von
der Ladestromquelle 11 zuzuführenden vorgegebenen Ladestrom
Ii.
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Bei
Beendigung eines Lade/Entladezyklus berechnet die Zentraleinheit
CPU 4 den aktuellen Polarisationswiderstand R und ersetzt
hierdurch den im Polarisationswiderstands-Direktzugriffsspeicher RAM 7 gespeicherten
Polarisationswiderstandswert R durch den aktuellen Wert. In ähnlicher
Weise werden die in der Sicherungs-Magnetplatte 8 gespeicherten
entsprechenden Daten erneuert.
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Außerdem führt die
in der Zentraleinheit CPU 4 enthaltene Recheneinrichtung
die auf einer Fehlerquadratmethode basierende Polynom-Approximationsextrapolation
gemäß Gleichung
(6) zur Berechnung der effektiven Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NL (Lebensdauer-Zyklenzahl
bzw. Zyklenfestigkeit) aus. Hierbei kann die Zentraleinheit CPU 4 zur Ausführung der
vorstehend beschriebenen Rechenvorgänge im Rahmen eines Zeitmultiplexverfahrens oder
im Rahmen einer Parallelverarbeitung ausgestaltet sein.
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Die
obere Leerlauf-Grenzspannung VcL im Ladevorgang, die untere Leerlauf-Grenzspannung VdL
im Entladevorgang, die Polarisations-Grenzspannung dEL und der Polarisations-Grenzwiderstand RL,
die als Steuerbedingungen Verwendung finden, werden dagegen z. B.
unter Verwendung eines Tastenfeldes der Eingabeeinrichtung 2 zur
Speicherung in dem Direktzugriffsspeicher RAM 7 und der
Sicherungs-Magnetplatte 8 eingegeben.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, kann durch Ausführung der
Verfahren zur Messung der Leerlaufspannung Voc und des Polarisationswiderstands
R sowie des Aufladungs-/Entladungs-Steuerverfahrens und des Verfahrens
zur Bestimmung der Lebensdauer-Zyklenzahl bzw. Zyklenfestigkeit
unter Verwendung des Parametermessverfahrens mit Hilfe der Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zur Durchführung
der Lade/Entladesteuerung der Sekundärbatterie 12 eine Überladung,
bei der die Leerlaufspannung beim Ladevorgang die obere Leerlauf-Grenzspannung
VcL überschreitet und
eine übermäßige Entladung,
bei der die Leerlaufspannung beim Entladevorgang unter die untere Leerlauf-Grenzspannung
VdL abfällt,
bei der Lade/Entladesteuerung der Sekundärbatterie 12 auch dann
zuverlässig
verhindert werden, wenn sich der für die Sekundärbatterie 12 spezifische
Wert des Polarisationswiderstands R während des Lade/Entladezyklus
verändert.
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Da
beim Ladevorgang zuverlässig
ausgeschlossen werden kann, dass die Polarisationsspannung die Polarisations-Grenzspannung dEL überschreitet
oder unterschreitet, kann auch das Auftreten von Sekundäreffekten
verhindert werden.
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Ausführungsbeispiel 4
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Bei
dem vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel wird der Typ
der verwendeten Sekundärbatterie 12 nicht
berücksichtigt.
Die Erfindung lässt
sich jedoch insbesondere bei einer Lithium-Sekundärbatterie sehr vorteilhaft
einsetzen, die unter anderem ausgezeichnete Lade-Entlade-Eigenschaften
aufweist.
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In
diesem Falle wird die obere Leerlauf-Grenzspannung VcL beim Ladevorgang
fest auf 4,2 Volt eingestellt, während
die untere Leerlauf-Grenzspannung VdL beim Entladevorgang auf 0,5
Volt und der Polarisations-Grenzwiderstand RL fest auf 3,5 Ohm eingestellt
werden. Diese Steuerzustandsdaten können vorher in den in der Steuereinrichtung 1 enthaltenen
Festspeicher ROM 6 eingeschrieben werden, so dass sich
in diesem Falle die Eingabeeinrichtung 2 erübrigt.
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Ausführungsbeispiel 5
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In
Verbindung mit dem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist vorstehend lediglich die Beschreibung einer Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung
für eine
Sekundärbatterie
erfolgt. In diesem Zusammenhang ist jedoch anzuführen, dass eine elektrische
Energiespeichervorrichtung mit hohem Wirkungsgrad unter Verwendung
des der Vorrichtung gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung zugrundeliegenden Konzeptes erhalten werden kann.
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11 zeigt ein Blockschaltbild
einer elektrischen Energiespeichervorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel
der Erfindung. In 11 bezeichnen
die Bezugszahlen 1, 9 und 12 Bauteile, die
den mit gleichen Bezugszahlen bezeichneten Bauteilen der vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele
entsprechen oder äquivalent
sind.
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Wie 11 zu entnehmen ist, wird
eine Batterieanordnung 120 von einer Vielzahl einzelner
Sekundärbatterien 12 (z.
B. von 60 Sekundärbatterien) gebildet,
die miteinander in Reihe geschaltet sind. Eine Parameter-Recheneinheit 20 dient
zur arithmetischen Bestimmung des Polarisationswiderstands R und
der Leerlaufspannung Voc auf der Basis des Lade/Entladestroms I
und der Klemmenspannung V, die bei einer gegebenen Sekundärbatterie 12 der
Batterieanordnung 120 ermittelt werden. Die Parameter-Recheneinheit 20 wird
von der Zentraleinheit CPU 4, dem Direktzugriffsspeicher
RAM 7 und dergleichen gebildet (siehe 10). In diesem Zusammenhang ist anzuführen, dass
eine Messeinrichtung zur Messung der Klemmenspannung V und des Lade/Entladestroms
I jeweils in Verbindung mit den Ausgangsanschlüssen dieser Sekundärbatterie 12 vorgesehen
ist, obwohl die Messeinrichtung in 11 nicht
dargestellt ist.
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Ein
Wechselrichter 21 dient zur Umsetzung von Gleichstromleistung
in Wechselstromleistung und umgekehrt. Der Wechselrichter 21 ist
mit der in der Steuereinrichtung 1 enthaltenen Stromsteuereinheit 9 verbunden.
Eine Schutzeinrichtung 22 ist in Wirkverbindung mit dem
Inverter 21 vorgesehen, um eine übermäßige Energiezufuhr zu dem Wechselrichter 21 zu
verhindern. Ein Wechselstrom-Zuführungsnetzwerk,
d. h. ein Wechselstromnetz 23, ist mit der Schutzeinrichtung 22 verbunden,
so dass die Wechselstromleistung einer üblichen kommerziellen Wechselstromquelle
(Wechselstromnetz) dem Wechselrichter 21 über die
Schutzeinrichtung 22 zugeführt wird. Das Wechselstromnetz 23 dient
natürlich
auch als Last bzw. Verbraucher, der bzw. dem die vom Wechselrichter 21 abgegebene
Wechselstromleistung über
die Schutzeinrichtung 22 zugeführt wird.
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Der
Wechselrichter 21 setzt die vom Wechselstromnetz 23 zugeführte Wechselstromleistung
in Gleichstromleistung um, die sodann in der aus der Vielzahl von
Sekundärbatterien 12 bestehenden
Batterieanordnung 120 gespeichert wird. Andererseits wird
die in der Batterieanordnung 120 gespeicherte Gleichstromleistung
von dem Wechselrichter 21 in eine dem Wechselstromnetz 23 zuzuführende Gleichstromleistung
umgesetzt.
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Hierbei
dient die Steuereinrichtung 1 als Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung
der elektrischen Energiespeichervorrichtung.
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Bei
der elektrischen Energiespeichervorrichtung gemäß 11 setzt der Wechselrichter 21 in der
Nacht Wechselstromleistung in Gleichstromleistung um, die über die
Stromsteuereinheit 9 in der Batterieanordnung 120 gespeichert
wird. Während
eines am Tage erfolgenden Stromverbrauchs wird dagegen die in der
Batterieanordnung 120 gespeicherte Gleichstromleistung
von dem Wechselrichter 21 wieder in Wechselstromleistung
umgesetzt, die dem nun als Last oder Verbraucher wirkenden Wechselstromnetz 23 zugeführt wird.
Hierbei misst die in der Steuereinrichtung 1 enthaltene
Parameter-Recheneinheit 20 die Klemmenspannung V und den
Lade/Entladestrom I einer willkürlich
aus der Batterieanordnung 120 ausgewählten Sekundärbatterie 12,
wobei die Parameter-Recheneinheit 20 arithmetisch den Polarisationswiderstand
R und die Leerlaufspannung Voc auf der Basis der Klemmenspannung
V und des Lade/Entladestroms I bestimmt und damit der Stromsteuerschaltung 9 die
vorstehend beschriebene Steuerung ermöglicht.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung bilden Lithiumionen-Sekundärbatterien mit einer jeweiligen
Kapazität
von z. B. 70 Ah (Ampere-Stunden) die einzelnen Sekundärbatterien,
aus denen sich die Batterieanordnung 120 zusammensetzt,
wobei die zur Steuerung der Lithium-Sekundärbatterie vorgesehene Aufladungs-/Entladungs-Steuervorrichtung
als Steuereinrichtung 1 zur Steuerung der Batterieanordnung 120 verwendet
wird. Auf diese Weise lässt
sich eine elektrische Energiespeicherung mit hohem Wirkungsgrad
erzielen, ohne dass die Lebensdauer der Sekundärbatterien 12 beeinträchtigt wird.
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Da
außerdem
die Aufladungs-/Entladungssteuerung auf der Basis des Polarisationswiderstands
R und der Leerlaufspannung Voc erzielt werden kann, die auf einfache
Weise zu messen sind, kann die Lade/Entlade-Zyklenwiederholzahl NC der Sekundärbatterie 12 (d.
h. die Zyklenfestigkeit bzw. Lebensdauer der Lithium-Sekundärbatterie)
verlängert
werden.
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Die
vorstehend beschriebenen Steuerbedingungen sind unter der Annahme
festgelegt worden, dass die Sekundärbatterie 12 eine
Lithiumionen-Sekundärbatterie
ist. Selbstverständlich
sind somit Änderungen
dieser Steuerbedingungen in Abhängigkeit vom
Typ der jeweils verwendeten Sekundärbatterie 12 oder
unter Berücksichtigung
von zukünftigen
Steigerungen der Leistungsfähigkeit
der Sekundärbatterie 12 möglich. Auch
wenn somit die Verwendung von Sekundärbatterien 12 unterschiedlicher
Art in Betracht gezogen wird oder sich die Leistungsfähigkeit der
Sekundärbatterien
verbessert oder gesteigert wird, kann dies auf einfache Weise durch
entsprechende Änderung
der Steuerbedingungen oder durch Austausch des diese Steuerbedingungen
in Form einer Festspeicherung enthaltenden Festspeichers ROM 6 durch
einen mit aktualisierten Steuerbedingungen versehenen Festspeicher
berücksichtigt
werden.
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Da
viele Modifikationen und Änderungen
der Erfindung unter Einbeziehung der vorstehend beschriebenen Maßnahmen
möglich
sind, ist ersichtlich, dass die Erfindung innerhalb des Schutzumfangs
der Patentansprüche
in der Praxis auch anders ausgeführt
werden kann als dies vorstehend im einzelnen beschrieben worden
ist.