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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Erfassen und Auswerten der elektrochemischen Eigenschaften eines
im Test befindlichen Objekts und betrifft insbesondere, obgleich
nicht ausschließlich,
die Messung der elektrischen Betriebskapazität von eingeschalteten, abgedichteten
elektrochemischen Zellen und Blockbatterien.
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Die
Erfindung befasst sich insbesondere mit dem Testen von Batteriesystemen
des Typs, der verwendet wird, um ununterbrechbare Notstromversorgungen
in großen
Anlagen wie Computern, Lebensunterstützungsmaschinen und radargesteuerten
Sicherheitssystemen für
den Lufttransport bereitzustellen. Solche Notstrombatterien sind
erforderlich, da sie, wenn die Netzstromversorgung ausfallen sollte,
ihre kritischen Belastungen augenblicklich oder wenigstens in nicht
mehr als einer Millisekunde oder zwei mit elektrischem Strom versorgen
müssen.
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Solche
Batterien können
aus mehreren hundert Zellen aufgebaut sein, mit einer Entwurfslebensdauer von
bis zu 12 Jahren, und kosten vielleicht mehrere hundert oder mehrere
tausend Pfund.
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Das
Testen von solchen Batterien in situ ist ein wesentliches Erfordernis,
da solche Zellen in Reihe oder in Reihe parallel geschaltet werden
und da, wenn nur eine Zelle einer Standardbatterie fehlerhaft wird, die
gesamte Notstromversorgung ausfallen kann.
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Der
Ausfall von solchen Batteriesystemen ist ziemlich üblich und
verursacht beträchtlichen
Schaden an den kritischen Belastungen, die sie versorgen.
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Das
leitende Personal von großen
Computerzentren, Luftverkehrskontrollsystemen usw., die von solchen
Notstromversorgungen abhängig
sind, werden im allgemeinen nicht erlauben, dass ihre kritischen
Belastungen benutzt werden, um das System zu testen, weshalb konventionell
alle diese Tests, die an Reservebatterieversorgungen ausgeführt werden,
das vorübergehende
Abschalten von abhängigen
Systemen beinhalten, um eine daraus folgende Beschädigung zu
vermeiden, falls die Netzstromversorgung während des Tests ausfallen sollte.
Nach dem Abschalten wird die gesamte Notstrombatterie von der Anlage
getrennt und mit einer großen
Gleich strombelastungsgruppe verbunden und dann einem Standardentladungstest
unterzogen, der bis zu drei Stunden dauert. Diese Tests werden normalerweise
ein- oder zweimal pro Jahr ausgeführt, und das kann typisch erfordern,
dass die kritische Last für
bis zu drei Tage abgeschaltet ist. Darüber hinaus wird durch das herkömmliche
Testen typisch eine Leistung von vielen hundert Kilowatt verbraucht,
wobei die Energie als Wärme „verbrannt" wird, was zu beträchtlicher
Vergeudung an Zeit und Energieressource führt.
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Ein
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein tragbares Instrument
zu schaffen, das in der Lage ist, einzelne Zellen oder Blockbatterien
in situ zu testen, d. h. ohne Abtrennung der Notstromversorgung
und ohne Gefährdung
des abhängigen
Systems, falls die Netzstromversorgung während des Tests ausfallen sollte.
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Das
System sollte den Entladungstest einer einzelnen Zelle in einer
Batterie aus mehreren Zellen ermöglichen,
während
die Zelle noch eingeschaltet ist und ohne Unterbrechung für das On-line-System.
Vorzugsweise wird nach dem Testen einer gesamten Batterie und dem
Feststellen, dass sie als Ganzes in gutem Zustand ist, ein tertiäres Element
des Systems ermöglichen,
dass stichprobenweise Entladungstests an einer kleinen Zahl von
Zellen ausgeführt
werden können,
so dass der Zustand der gesamten Batterie extrapoliert werden kann,
wodurch die Notwendigkeit eines jährlichen Entladungstests vermieden
wird und merkliche Einsparungen für den Endbenutzer hinsichtlich
Abschaltzeit, Personaleinsatz und Energieaufwand erzielt werden. Die
Fähigkeit
eines Instruments, eine Verschlechterung in einer einzelnen Zelle
in Batterien aus vielen hundert Zellen identifizieren zu können, wird
einem Ingenieur ermöglichen,
sich nur mit schwachen oder versagenden Zellen befassen zu brauchen
und diese austauschen zu können,
wodurch die Lebensdauer der gesamten Batterie stark verlängert wird,
was nicht nur mit einer Einsparung an Kosten und Personaleinsatz
verbunden ist, sondern auch mit einer Einsparung an Energieverbrauch.
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Die
veröffentlichte
Druckschrift GB 21 75 700 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen
der Restkapazität
einer Batterie durch Anlegen eines quasistatischen Rauschspannungssignals
an die Klemmen der Batteriezelle und Vergleichen der Scheitelfrequenz
der Zelle mit einem ähnlichen
bekannten Frequenzwert in einem Kalibrierspeicher, um die Restkapazität der Zelle
zu bestimmen.
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Die
Patentschrift
US 5 598 098 beschreibt
ein analoges Verfahren zum Anlegen von Stufenimpulsen und zum Abtasten
der Spannungsstufe.
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Die
Patentschrift
US 4 697 134 beschreibt
eine Vorrichtung, die ein einfaches Impedanzsignal mit einer festen
Frequenz anlegt, um die einfache Wechselstromimpedanz einer Zelle
zu identifizieren.
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Keine
der obigen Druckschriften beschreibt eine Vorrichtung, die in der
Lage ist, mehrere einzelne elektrochemische Elemente der Zelle zu
bestimmen, wie es in einem aussagekräftigen Test erforderlich ist.
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Durch
die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Gewinnen
von Daten über
die elektrochemischen Eigenschaften einer elektrochemischen Zelle,
die eingeschaltet oder in einem Korrosionsprozess ist, in situ,
beinhaltend die Schritte Bereitstellen eines Instruments, das in
der Lage ist, die Zelle oder den Prozess vorübergehend mit einem gesteuerten
elektrischen Mehrfrequenzsignal zu beaufschlagen, Erfassen von zurückgesandten
Daten, die aus der Beaufschlagung resultieren, und Verwenden der
zurückgesandten
Daten mit Computersoftwarealgorithmen, um die Daten in wenigstens
drei ihrer elektrochemischen Bestandteile aufzulösen, welche einen Reihenmetallwiderstand,
einen elektrochemischen Widerstand und eine Parallelkapazität umfassen.
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Darüber hinaus
betrifft die Erfindung ein Instrument zum Ausführen des vorgenannten Verfahrens,
mit einem Generator für
ein elektrisches Mehrfrequenzsignal, einer Datenerfassungseinrichtung
und einem zweckgebundenen Computer mit maßgeschneiderter mathematischer
Algorithmussoftware.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung wird nun lediglich beispielshalber unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 ein
Schaltbild ist, das den inneren Widerstandskreis einer Batteriezelle
veranschaulicht;
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2 ein
Schaltbild ist, welches das herkömmliche
System zum Messen der einfachen Wechselstromimpedanz in einer Zelle
veranschaulicht;
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3 ein
Schaltbild ist, das ein System zum Messen des einfachen Gleichstromwiderstands
in einer Zelle veranschaulicht;
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4 ein
Schema ist, das die Hauptbestandteile eines Instruments zum Ausführen eines
Testverfahrens nach der Erfindung veranschaulicht;
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5 ein
Schaltbild eines Teils des Instruments ist;
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6 ein
Schaltbild eines weiteren Teils des Instruments ist; und
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7 ein
Schaltbild eines Hilfstestmoduls ist.
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Um
das Innovative an einem Instrument beurteilen zu können, das
gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, ist es notwendig, zwei herkömmliche
Verfahren zu betrachten, die zur Betriebskapazitätsmessung von verschlossenen
Säurezellen
und Blockbatterien benutzt werden. Diese bestehen hauptsächlich aus dem
Messen der Wechselstromimpedanz (oder der Wechselstromkonduktanz)
und des Gleichstromwiderstands von elektrochemischen Zellen. Diese
Parameter ändern
sich bekanntlich mit dem Alter und dem Ladezustand, und zwar allmählich ansteigend über der
Lebensdauer der Zelle oder steil ansteigend, wenn die Zelle das
Ende einer Entladung erreicht.
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Die
Ersatzschaltung für
den inneren Widerstand einer Zelle ist in 1 dargestellt,
auf die nun Bezug genommen wird, wo Rm der metallische Widerstand,
Re der elektrochemische Widerstand, C die Gesamtkapazität und WI
die Warburg- oder Massentransport-Impedanz der Zelle ist.
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Die
einfache Wechselstromimpedanz ist leichter in situ genau zu messen
als der Gleichstromwiderstand. Es ist bekannt, dass sich die Zellenwechselstromimpedanz
mit dem Verlust an Ladung und Kapazität ändert, und es sind gegenwärtig Instrumente
verfügbar,
welche die Wechselstromimpedanz benutzen, um den Zustand von Zellen
im Betrieb zu erfassen und vorherzusagen.
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2 veranschaulicht
die Hauptmerkmale eines bekannten Instruments zum Erfassen der Wechselstromimpedanz,
wo eine Wechselstromsignalquelle an die Batterie als Ganzes angeschlossen
ist und das Messinstrument an jede Zelle oder Blockbatterie der
Reihe nach angeklemmt wird. Die entkoppelte Wechselspannung und
der Strom in der Zelle werden dann gemessen, und die einfache Impedanz
wird berechnet. Da das Signal ein Wechselstromsignal ist, gibt es
insgesamt keinen Stromfluss. Systeme, die auf diese Art und Weise
arbeiten, werden als auf plus oder minus 5% genau angesehen, aber
es gibt mehrere Nachteile bei diesem Typ von Ausrüstung, wie
sie im Folgenden angegeben sind. Messungen der einfachen (nicht
komplexen) Impedanz von Zellen werden durch viele Faktoren beeinflusst,
die hinsichtlich der Abschätzung
der Kapazität Verwirrung
hervorrufen können.
Diese können
so beträchtlich
sein, dass in einigen Fällen
die einfache Impedanz nur eine indirekte Beziehung zu der Fähigkeit
einer Zelle hat, ihren verlangten Strom zu liefern. Zum Beispiel,
Dendritenwachstum auf den Platten der Zelle kann eine Absenkung
der Zellenimpedanz bewirken, die dazu tendiert, den erhöhten Widerstand
einer alternden Zelle zu verschleiern, so dass die Zelle gesünder erscheint,
als sie tatsächlich
ist.
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Darüber hinaus
ist die Zellenkapazität überraschend
groß,
in einigen Fällen
mehr als 1,5 Farad pro 1 Ah in einigen Fällen, und ändert sich in weit größerem Maße als die
Zellenwiderstandskomponente mit den Lade-/Entladezyklen, die während der
Lebensdauer der Zelle auftreten.
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Die
Warburg-Impedanz (Massentransport-Impedanz) ist während einer
Niederfrequenzmessung präsent.
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Wenn
diese Komponenten nicht identifiziert und berücksichtigt werden, was unter
Verwendung einer Einfachimpedanzmessung nicht möglich ist, dann kann die Glaubwürdigkeit
der Messungen beeinträchtigt werden.
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Sehr
wenige Batteriehersteller liefern Impedanzwerte für ihre allgemeinen
Zellentypen, so dass die Kapazität
oder die verbleibende Lebensdauer nicht ohne weiteres mit bekannten
Daten berechnet werden kann, sondern nur gültig ist, wenn ein Vergleich
mit mehreren Zellen aus derselben Batterie erfolgt, wobei eine Zelle
als verdächtig
angesehen wird, wenn sie von dem Normalzustand um plus oder minus
25 bis 30% abweicht.
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In
empfindlichen Anlagen kann es unerwünscht sein, ein Wechselstromsignal
an die Gleichstromklemmen einer Batterie anzulegen, da das den Wechselrichter
oder das Belastungssystem beeinflussen kann, und tatsächlich werden
viele Systemingenieure nicht erlauben, dass dieser Typ von Test
ohne Abtrennung der Belastung durchgeführt wird. Darüber hinaus
ist Netzstrom für
ein Wechselstromtestinstrument erforderlich, was es ungeeignet macht,
wenn der Netzzugang schwierig ist.
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Es
wird nun die Alternative für
die Verwendung des Gleichstromwiderstands zum Testen der Zellen
einer Batterie betrachtet, die als das Verfahren erscheinen sollte,
welches das beste Einzelstück
von Information über
die Zelle liefert, da von ihr hauptsächlich angenommen wird, dass
sie sich mit dem Verlust an aktiver Oberfläche auf der positiven Platte
verändert
und somit mit der Fähigkeit
der Zelle, ihre Nenn kapazität
zu liefern. Darüber
hinaus liefern viele Batteriehersteller Widerstandswerte für ihre allgemeinen
Zellentypen. Es ist nicht möglich,
das Herstellerverfahren zum Messen des Zelleninnenwiderstands anzuwenden,
da die im Test befindliche Zelle eingeschaltet ist, aber ein alternatives
Verfahren, wie es in 3 veranschaulicht ist, beinhaltet
das Anschließen
der Klemmen eines Instruments an die Klemmen einer einzelnen Zelle
oder Blockbatterie und das Anschließen eines niedrigen Widerstands
(praktisch eines Kurzschlusses), der sich innerhalb des Instruments
befindet, an die Zelle für
mehrere Sekunden, wodurch die scheinbare Gleichstromklemmenspannung
der Zelle absinkt und die Zelle beansprucht wird. Der Strom und
die Spannung werden in dem Augenblick vor dem Abtrennen des Widerstands
gemessen und erneut in dem Augenblick danach. Die Änderung
der Zellenspannung über
dem Strom wird betrachtet, um eine Angabe über den Zelleninnenwiderstand
zu liefern. Die Ansprüche
an die Genauigkeit dieses Verfahrens sind begrenzt auf die Wiederholbarkeit,
die mit plus oder minus 5% angegeben wird.
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Die
Genauigkeit des Gleichstromwiderstandsmessverfahrens ist von einer
Anzahl von Faktoren abhängig,
zu denen nicht der Innenwiderstand gehört, beispielsweise der Klemmenleerlaufspannung.
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Der
Gleichstromwiderstand selbst kann jedoch eine Anzeige entweder über den
Ladezustand der Zelle oder über
deren allgemeinen Zustand liefern, es kann aber nicht zwischen diesen
Zuständen
unterschieden werden, sofern nicht Messungen über lange Zeitspannen vorgenommen
werden, in welchen Trends ausgemittelt werden können. Das System hat jedoch
den Vorteil, dass es an einer internen Batterie betrieben werden kann,
was es flexibler macht als das Impedanzinstrument.
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Probleme,
die bei diesem Verfahren zum Messen unter Verwendung des einfachen
Gleichstromwiderstands auftreten, sind z. B., dass alle Kondensatoren
einen Ableitwiderstand haben, und die elektrochemische Zelle ist
keine Ausnahme. In 1 ist zu erkennen, dass, wenn
der Kondensator C einen Gleichstromableitwiderstand hat, der von
dem Wert der Kapazität
abhängig
ist, dann wird der Gesamtwiderstand der Zelle beeinflusst, und insbesondere
der elektrochemische Widerstand, der der wichtigste Teil sein dürfte, da
er, wenn er korrekt analysiert wird, Zustände anzeigen kann wie Austrocknung,
Dendritenwachstum und Plattenkorrosion aufgrund von Alterung.
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Zurück zu dem
Gleichstromwiderstandsverfahren, – wenn die Zelle während des
Tests beansprucht wird, indem 50 bis 100 A aus ihr entnommen werden,
gibt es einen Gesamtstromverlust und eine chemische Änderung
in der Zelle. Das hat zur Folge, dass die Leerlaufspannung an den
verbleibenden Zellen der Batterie ansteigt und dass es, wenn der
Test weitergeht, einen merklichen Anstieg in der einzelnen Zellenklemmenspannung
gibt, was die Spannungsmessung an den später getesteten Zellen ungültig macht.
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Weiter,
das Verfahren berücksichtigt
nicht die Kapazität,
die sich radikaler ändert
als der Gleichstromwiderstand für
eine gegebene chemische Differenz und ein wichtiger Indikator sowohl
der Kondition als auch des Ladezustands sein kann.
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Die
Schlussfolgerung ist, dass die herkömmlichen Verfahren beide etwas
unzufriedenstellend sind. Die Wechselstromimpedanzmessung ist das
bevorzugte Verfahren zum Gewinnen von Zellendaten, weil sie potenziell
weit mehr Information liefern kann als die einfache Gleichstromwiderstandsmessung
und eine echte Analyse der verschiedenen beteiligten Faktoren erlaubt
und weil, da es keinen Gesamtstromfluss gibt, die im Test befindliche
Zelle und die übrigen
Zellen in der Batterie durch resultierende chemische Änderungen
nicht beeinflusst werden. Ein solches Instrument würde beträchtlich
verbessert werden, wenn es sein Quellensignal nicht an die gesamte
Batterie anlegen würde.
Die einfache Impedanz ist jedoch nicht in der Lage, ausreichend Information
zu liefern, um genaue Beurteilungen des Zustands der im Test befindlichen
Zelle machen zu können.
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Deshalb
wird gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung ein Instrument geschaffen, das so ausgebildet ist,
dass es tragbar ist, d. h. eine ausreichend geringe Masse hat, um
während
des Testens über
längere Zeitspannen
und ohne Beanspruchung für
die Bedienungsperson getragen werden zu können. Ein solches Instrument
ist in 4 dargestellt und wird betrieben durch Befestigen
seiner Anschlussleitungen an den Klemmen einer im Test befindlichen
Zelle, während
die Zelle noch eingeschaltet ist, unter Pufferungsbedingungen. Innerhalb
des Instruments ist ein Bauteil, das dafür ausgebildet ist, ein quasi-statisches
Verbundrausch- oder zyklisches Wellenformsignal zu erzeugen, das
an die Klemmen der Zelle angelegt wird. Die Reaktion der Zelle wird
gemessen, und ein originaler komplexer mathematischer Algorithmus
kombiniert mit Computersoftware, die in dem Instrument installiert
ist, wird benutzt, um aussagekräftige
Daten über
die elektrischen Bestandteile der Zelle zu gewinnen. Die Daten werden
gespeichert, zusammen mit der Gleichstromklemmenspannung, dem Leerlaufstrom
und Zellenumgebungstemperaturmesswerten, und werden in einem Modell
nach dem Test benutzt, um die Kapazität der Zelle anzuzeigen und
ihre verblei bende Lebensdauer vorherzusagen. Diese Information wird
sowohl numerisch auch als graphisch geliefert.
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Eine
aktive Last, die in das Instrument integriert sein kann, wird ermöglichen,
Probezellen durch Entladen zu testen, um Parameter zu extrahieren,
welche die Fähigkeit
der Zelle, die kritische Last zu tragen, wenn sie dazu aufgerufen
wird, absolut bestimmen werden. Die Daten können zur weiteren Auswertung
und Archivierung anschließend
auf eine Diskette herunter geladen werden.
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Das
Instrument benutzt bei dem Erzeugen von quasi-statischem Rauschen
oder einer Mehrfrequenzwellenform eine Technik, die auf diesem Gebiet
bislang nicht benutzt worden ist und eine präzise Messung der elektrochemischen
Bestandteile der Zelle ermöglichen
wird und die Analyse ermöglichen
wird zum Bestimmen des Ausmaßes
der Plattenkorrosion und der Erschöpfung des Elektrolyten. Das
Testsignal wird, wenn es mit einem ultraschnellen analogen Meßsystem
und einem originalen Algorithmus kombiniert wird, der schlussfolgernde
mathematische Messtechniken und andere verwendet, individuelle ohmsche
und kapazitive Komponenten aus der präzise gemessenen Rückführung liefern.
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Die
Bedienungsperson wird nicht immer in der Lage sein, die gemessenen
Rohdaten so zu interpretieren, dass der Zellenstatus und Lebensdauerkriterien
bestimmt werden können.
Deshalb wird, um eine autoritative Anzeige des Zellenzustands und
der wahrscheinlichen Lebensdauer zu liefern, ein zweites mathematisches
Modell bereitgestellt, das auf komplexen Impedanzwerten und anderen
Werten wie Gleichstrom und Temperatur basiert, so dass zusätzlich zu
der Fähigkeit,
Daten und graphische Darstellungen der Zelleneigenschaften zu sehen,
eine einfache graphische Interpretation der tatsächlichen Kapazität geliefert
wird.
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Das
Testsignal, mit dem der elektrochemische Prozess beaufschlagt wird,
kann irgendein oszillierendes strom- oder spannungsgesteuertes angelegtes
Signal sein, das z. B. sinusförmig,
rechteckförmig,
sägezahnförmig, stufen-
oder rampenförmig
ist. Das gewonnene Signal wird hinsichtlich Strom und Spannung gleichzeitig
gemessen.
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Wenn
das verwendete Testsignal ein oszillierendes Signal ist, ermöglicht eine
elektrische Schaltung, die als „fliegende Brücke" bekannt ist, die
Batterie innerhalb des Instruments so zu benutzen, dass insgesamt null
Gesamtenergieübertra gung
(ausschließlich
Verlust) zwischen der im Test befindlichen Zelle und der inneren
Batterie des Instruments stattfindet.
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Gemäß 5,
auf die nun Bezug genommen wird, arbeitet die fliegende Brücke folgendermaßen. Wenn
das Testsignal, das an die im Test befindliche Zelle 10 angelegt
werden soll, z. B. eine Sinusschwingung ist, wird die positive Halbwelle
aus der internen Batterie 11 des Instruments über den
Brückentransistor 13 entnommen
und an die Zelle 10 angelegt, und die negative Halbwelle
wird aus der Zelle 10 über
den Transistor 12 entnommen und an die interne Batterie 11 des
Instruments angelegt. Da die im Test befindliche Zelle oder Blockbatterie
eine Spannung zwischen 1 und 12 Volt haben kann und da die interne
Batterie eine feste Spannung haben muss, vielleicht in der Mitte
des vorgenannten Bereiches, müssen
programmierbare Ladungspumpen 14 und 15 verwendet
werden, um die Spannungswerte der beiden abwechselnden Quellen zu ändern und der
internen Batterie 11 zu ermöglichen, Strom durch die im
Test befindliche Zelle hindurchzuleiten, und umgekehrt.
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Das
System bietet eine Möglichkeit
für die
Batterie, aus der im Test befindlichen Zelle „mikrowiederaufgeladen" zu werden, nach
den Testserien, ohne den Test über
länger
als 8 Sekunden auszudehnen. Darüber
hinaus wird dasselbe System in der Lage sein, die interne Batterie 11 über einer
ausgedehnten Zeitspanne vollständig
wiederaufzuladen.
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Es
wird von einer neuen und originalen, Schlussfolgerungen ermöglichenden
Messtechnik (einem mathematischen Algorithmus) Gebrauch gemacht,
um die zurückgeleiteten
gemessenen Daten der komplexen Impedanz in die elektrischen Bestandteile
ihrer Ersatzschaltung aufzulösen,
aus einem Signal, das an die externen Klemmen der Zelle angelegt
wird. Ein Beispiel eines mathematischen Algorithmus für diesen
Zweck ist im Folgenden angegeben.
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Es
ist gezeigt worden, dass das dynamische Verhalten einer Zelle durch
die Ersatzschaltung von Randles dargestellt werden kann. Die Übergangsfunktion
derselben lautet:
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Das
zu lösende
Problem ist die explizite Identifikation dieser Ersatzschaltungsparameter.
Zum Erzielen derselben muss die Laplace-Übertragungsfunktion in eine
Form umgewandelt werden, die zur Identifikation geeignet ist. ν(t) + ν(t)RtCdls = (Rt + RΩ)i(t)
+ RtRΩCdlsi(t) (2)
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Umgeordnet
ergibt sich daraus: ν(t) = –ν(t)RtCdls + (Rt + RΩ)i(t) + RtRΩCdlsi (3)
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Die
Identifikation erfordert, dass Messungen von Eingangs-/Ausgangsdaten gemacht
werden. Dadurch wird die stichprobenweise Überprüfung in das System eingeführt, und
das Modell muss in eine diskrete Form umgewandelt werden, um den
Effekt der stichprobenweisen Überprüfung einzubringen.
Der Delta-Operator
ist bei dieser Arbeit angewandt worden statt des Verschiebungsoperators,
weil er überlegene
numerische Eigenschaften hat und weil die Koeffizienten in einem
Delta-Modell dazu tendieren, eine engere Ähnlichkeit mit den Koeffizienten
in dem kontinuierlichen Modell zu zeigen (was eine leichtere Interpretation
von Ergebnissen erlaubt), verglichen mit der Verwendung eines Modells,
das auf dem Verschiebungsoperator basiert.
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Wir
definieren so den Delta(Differenz)-Operator
wobei Δ definiert ist als die Stichprobennahmezeit
zwischen Messungen.
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Wenn
der Laplace-Operator (s) durch den Delta-Operator δ(t) in Gleichung
(3) ersetzt wird ν(t) = –δν(t)RtCdl + (Rt + RΩ)i(t) + RtRΩCdlδi(t) (5)
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Definiert
sei: K = Rt + RΩ τ1 = RtRΩCdl und τ2 =
CdlRt was auf
ein Modell führt,
das aus Eingangs-/Ausgangsdaten identifiziert werden kann. v(t) = –δv(t)τ2 +
Ki(t) + τ1δi(t) (6)
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Statistische
Abschätztechniken
können
dann benutzt werden, um die Parameterwerte (τ1, τ2K)
des Modells aus den Eingangs-/Ausgangsdaten abzuschätzen, die
erzeugt werden, indem ein Stromtestsignal an die Zelle angelegt
wird und die resultierenden Spannungsausgangsdaten aufgezeichnet
werden.
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Unter
Verwendung der Standardschreibweise kann definiert werden: v(t) = xT(t)θ + e(t) (7)wobei θ der Vektor
von unbekannten Parametern ist, definiert durch: xT =
[τ1Kτ2] (8)und
e(t) der Regressionsvektor ist, der aus den gemessenen Eingangs-/Ausgangsdaten besteht,
definiert durch: xT(t) = [δv(t)i(t)δi(t)] (9)und wobei
e(t) eine unbeobachtbare Störung
durch weißes
Rauschen ist.
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Wir
möchten
aus den verfügbaren
Daten den Vektor θ der
wahren Systemparameter bestimmen. Es wird angenommen, dass ausreichend
Betriebsdaten aus dem System gesammelt worden sind, was erlaubt, Gleichung
(7) folgendermaßen
in Matrixform umzuschreiben:
wobei N die Zahl der Beobachtungen
ist und der Modellierungsfehler eine Kombination der Störung durch
weißes
Rauschen und der Differenz zwischen den tatsächlichen und geschätzten Parameterwerten
ist, d. h.
i. e. ê(f) = e(f)
+ xτ(t)(θ – θ ^) (11) -
Das
Ziel ist es, den Parametervektor θ unter Verwendung der kleinsten
Quadrate abzuschätzen.
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Das
Umschreiben der Gleichung (10) in gestapelter Darstellung ergibt:
V = XΘ ^ + Êwobei
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Es
kann gezeigt werden, dass durch Minimieren der Summe der Quadrate
der Modellierungsfehler der Estimator der kleinsten Quadrate für den unbekannten
Parametervektor ist: θ ^ =
[XTX]–1[XTV] (13)
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Relevante
Implementierungsfragen wie die Beeinflussung von Schätzwerten,
die aus nichtweißem Messrauschen
resultiert, und die Recheneffizienz, die aus rekursiven Implementierungen
der Gleichung (13) resultiert, werden, wo notwendig, in dem nächsten Fortschrittsbericht
betont, der sich auf die Anwendung des Identifizierers auf praktische
Daten, die aus einer tatsächlichen
Batterie erhalten werden, konzentriert.
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Aus
Gleichung (13) werden Werte für
die Parameter (τ1, τ2K) erzielt. Unter Verwendung eines Prozesses
der Rücksubstitution
werden Werte für
die Ersatzschaltungskomponenten erzielt aus (τ1, τ2,
K), d. h.
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Das
zu messende gewonnene Signal wird sowohl hinsichtlich Strom als
auch hinsichtlich Spannung gleichzeitig gemessen. Eine elektrische
Schaltung, die dem System ermöglicht,
jeglichen Gleichspannungsanteil aus der Messung zu entfernen, um
eine größere Wechselspannungsgenauigkeit
zu gewährleisten,
ist in 6 veranschaulicht.
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Gemäß 6,
auf die nun Bezug genommen wird, ist es erforderlich, dass einige
Mikrovolt an eingegebenem Wechselstromsignal gemessen werden können, wenn
die Gleichstromklemmenspannung der im Test befindlichen Zelle oder
Blockbatterie bis zu 15 Volt betragen kann. Deshalb ist eine originale
Schaltung zum Eliminieren der Gleichspannung definiert worden. Das
zu messende ankommende Signal wird an zwei ähnliche Differenzverstärker 16 und 17 angelegt,
die nur die Differenzen zwischen den Eingangssignalen durchlassen.
Eines der beiden resultierenden Wechselstrom-plus-Gleichstrom-Signale
wird direkt in eine zweite Differenzverstärkerstufe geleitet, während das
zweite Signal durch ein Tiefpassfilter 19 geleitet wird,
um die Wechselstromsignalspannung zu entfernen. Die zweite Differenzverstärkerstufe 18 erfasst
so Wechselstrom plus Gleichstrom an einem Eingang und reinen Gleichstrom
auf demselben Potential an dem anderen. Da nur die Differenz durchgelassen
wird, ist das endgültige
Ausgangssignal ein reiner Wechselstrom und kann zur Messung auf
dem üblichen
Wege verstärkt
werden. Diese Schaltung ist nicht nur zum Batterietesten wichtig, sondern
auch als ein Beispiel für
die Auswertung von katodischem Schutz gegen Systemkorrosion, wo
das installierte System mit einem kontinuierlichen Niederspannungsgleichstrom
für seine
Schutzeigenschaften arbeitet.
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Ein
Hauptproblem bei dem Testen von On-line-Zellen und -Blockbatterien
ist, was der Benutzer tut, wenn das Testinstrument anzeigt, dass
die Zellen nicht gesund sind. Sie können an der Grenze sein, und
der Ingenieur möchte wissen,
ob sie ausreichend lange durchhalten werden, um mit einem Austausch
bis zu der nächsten
Wartungsperiode zu warten. Deshalb wird gemäß 7, auf die
nun Bezug genommen wird, ein kleines aktives, tragbares Belastungssystem
bereitgestellt zum autonomen (Entladungs-)Test einer einzelnen Zelle
oder Blockbatterie, während
diese eingeschaltet ist, unter Pufferungsbedingungen.
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Mehrere
wichtige Gesichtspunkte machen das erfinderische Konzept aus, auf
welchem dieses Verfahren und dieses Instrument basieren. Diese können folgendermaßen ausgedrückt werden:
- 1. Das Anlegen eines elektrischen Stroms, der
z. B. aus maßgeschneidertem
quasi-stationären
Rauschen besteht, durch ein batteriegespeistes Instrument an eine
elektrochemische Zelle in situ;
- 2. das Anlegen dieses Signals, während die Zelle mit den anderen
Zellen unter Pufferungsbedingungen in Reihe geschaltet ist;
- 3. die Verwendung von aussagekräftigen mathematischen Messtechniken
und anderen zum Auflösen
der zurückgeleiteten
gemessenen Daten mit der komplexen Impedanz in deren elektrische
Bestandteile aus einem Signal, das an die externen Klemmen der Zelle
angelegt wird;
- 4. umwandeln der aufgelösten
Daten in Kombination mit anderen Daten wie einer Gleichstromklemmenspannung,
der Zellenumgebungstemperatur und des Zellengleichstromentladungsstroms
in eine definitive Angabe über
die Leistungsfähigkeit
und die Zuverlässigkeit
der Zelle;
- 5. die Möglichkeit,
einen Entladungstest einer einzelnen Zelle durchzuführen, während diese
eingeschaltet ist, unter Pufferungsbedingungen. Das wird eng kontrolliert,
und der Entladestrom, die Klemmenspannung und die Zellenumgebungstemperatur
werden durch das Instrument überwacht
und aufgezeichnet. Die Entladung wird ausreichend lange dauern,
und das Instrument wird die resultierenden Daten analysieren und eine
definitive Anzeige über
die Kapazität
der Zelle, ihren verlangten Strom für eine bestimmte Zeitspanne zu
liefern, geben. Die Belastung wird die Fähigkeit haben, die Zelle auf
innerhalb von 80% der Werte vor dem Test wiederaufzuladen, bevor
in situ das Erhaltungsladesystem übernimmt; und
- 6. die Fähigkeit
des Instruments, seine interne Batterie aus der im Test befindlichen
Zelle wiederaufzuladen, während
die Zelle eingeschaltet ist. Das wird für zwei oder drei Sekunden während des
Tests automatisch erfolgen, kann aber später mit einer Versorgung für eine ausgedehnte
Zeitspanne für
eine vollständige
Wiederaufladung gekoppelt werden.
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Das
Verfahren nach der Erfindung und das Instrument, das zum Ausführen desselben
entworfen worden ist, haben sich zwar aus der Notwendigkeit ergeben,
verschlossene Säurebatteriezellen
in situ und eingeschaltet genau zu testen, trotzdem können das
Verfahren und ein Instrument, das zum Ausführen desselben richtig entworfen
ist, auch bei vielen anderen Zwecken wie dem Erfassen der Verschlechterung
(Korrosion) von metallischen Wasserleitungen und dgl., Metall in
Beton, Metall in Lösung
und Metallschutzüberzügen angewandt
werden. Es ist auch verständlich,
dass das Verfahren bei der Messung von elektrochemischer Verschlechterung
von irgendeinem Objekt angewandt werden kann, bei dem die Möglichkeit
besteht, einen elektrischen Strom zuzuführen, wobei bei dem Verfahren
die Messung der komplexen Wechselstromimpedanz durch Einleiten eines
passenden Signals angewandt wird.
