NO312390B1 - Metode for på et tidlig tidspunkt å finne defekte enkeltceller i ventilregulerte batterier - Google Patents

Description

Bakgrunn

Foreliggende oppfinnelse beskriver en fremgangsmåte for å bestemme kvalitet og estimere et snarlig sammenbrudd av en eller flere enkeltceller i et akkumula-torbatteri.

Vår oppfinnelse er spesielt interessant for kritiske nødstrømsbatterier som eksempelvis i et UPS-anlegg (UPS = Uninteruptable Power Supply). Her vil det være helt vesentlig å oppdage potensielt dårlige enkeltceller i batteriet, slik at man er sikker på at batteriet fungerer når et kritisk behov oppstår.

Kort om batteridrift

Felles for disse anvendelser er at mange enkeltceller er koblet sammen i en seriekobling. Batteriets totale egenskaper vil alltid begrenses av tilstanden i den "dårligste" celle.

Seriekobling av enkeltceller i et batteri bygger på den absolutte forutsetning at alle celler er identiske, og responderer likt på alle påvirkninger. Det er alltid den samme strøm som går gjennom alle cellene. Det et faktum at når en celle i et stort batteri feiler, så er hele batteriet defekt. Batteriet er ikke sterkere enn den svakeste celle. Videre vet man av erfaring at ca. 95-99% av cellene i et batteri vil være innenfor batterileverandørens spesifikasjoner, og innenfor det forventede levetidsestimat.

Det er akseptert at man etter ca 1/2 til 1 år etter idriftsettelse av et batteri ikke lenger kan skifte enkeltceller. Da har cellene endret seg betydelig fra de var nye, slik at en ny celle vil ikke kunne skiftes inn i denne seriekoblingen.

Det er de siste årene kommet målesystemer som på en kosteffektiv måte kan samle data fra samtlige enkeltceller i batteriet via et meget begrenset antall ledninger. Foreliggende oppfinnelse bygger på at man har tilgjengelig et slikt måle-system.

Oppfinnelsens hovedbruksområde

Battericellene som er mest interessante for angjeldende oppfinnelse, er i prinsippet gass- og væsketette. Når det oppstår et overtrykk inne i cellen, åpner en ventil seg, slik at trykkutjevning foregår. Derav navnet "ventilregulerte batterier". Det viser seg imidlertid at ventilregulerte blybatterier faktisk har en betydelig kortere levetid enn "tradisjonelle" batterier. De viser også en tendens til meget plutselige og tilsynelatende uforutsette sammenbrudd. Man vet av erfaring at ventilregulerte celler med nominell levetid på eksempelvis 5 år faktisk kan vise seg å ha en levetid på kun 3-6 mnd.

Oppfinnelsen omhandler primært sikring mot slike tilsynelatende uforutsette, plutselige sammenbrudd av ventilregulerte battericeller. Det vil selvfølgelig være meget viktig å ikke bare vite om man kan forvente en levetid som oppgitt av leve-randør, men man må få et varsel så snart som mulig, når en enkeltcelle er i ferd med å feile.

Om gassutvikling i batterier

Når et batteri lades, vil samme ladestrøm gå igjennom samtlige celler. I hver celle vil det foregå en kjemisk prosess der elektrisk energi omdannes, og lagres som kjemisk energi.

Under ladeprosessen vil det i hver celle utskilles gass. Trykket inne i cellen stiger, inntil det oppstår en likevekt, idet den utviklede gass gjenvinnes i prosessen. Dersom trykket skulle bli over en viss verdi, vil en ventil åpne, og gass slippe ut.

(Derav navnet ventil-regulerte batterier.) Den kjemiske prosessen er ikke 100%

effektiv, slik at noe gass vil alltid unnslippe gjennom ventilen. Den vanlige virknings-grad, med tanke på gassgjenvinning, ligger på 97-99%. Dette innebærer at selv for en helt optimal celle vil små gassmengder (vesentlig hydrogengass) unnslippe gjennom ventilen.

Norsk patentsøknad 1997 5165

Denne søknad beskriver teknikk der den absolutte mengde gass blir regi-strert og brukt som et mål på battericellens kvalitative egenskap, samt for kalkula-sjon av gjenværende levetid og restkapasitet. Denne teknikk stiller krav til generelle toleranser i batteriproduksjonen, samt et betydelig empirisk materiale rundt det aktuelle batteriet som skal overvåkes.

For eksempelvis brukt som del av et batteridriftsystem i eksempelvis gaffel-trucker er dette meget interessant, fordi man vil optimere en batteridrift, og få maksimalt ut av hver lading, og maksimalt "utbytte" mellom hvert batteriskift. I en slik applikasjon er det ingen katastrofe om plutselig batteriet feiler. Den nevnte patent-søknaden bruker den absolutte utviklede gassmengde som kvalitetsmål. Det fore-slåes også at som referanse på "normalt utsluppet gass" skal brukes et gjennomsnitt over alle celler.

I laboratorieoppstillinger kan man samle opp den avgitte gass, og måle volum og kjemisk sammensetning. Dette er kostbart, og vil selvfølgelig ikke kunne brukes som en praktisk anvendbar overvåkingsmetode i et nødstrømsbatteri. Men prinsipielt skulle denne utskilte gass kunne være et mål på en celles kvalitet og forventet resterende livslengde.

En målemetodikk basert på antallet ganger ventilen åpner seg som mål for den utviklede gassmengden kan være en enkel måte å estimere unnsluppet gassmengde på: Patentsøknad-5165 beskriver altså en statistisk analyse basert på momen-tane måleverdier, samt baserer seg på en stabil og reproduserbar kvalitet på både ventiler og batterikapslinger etc. for å estimere en levetid av batteriet.

Angjeldende oppfinnelse er derimot en metode basert på en trendanalyse, for så tidlig som mulig å gi et varsel om en potensielt dårlig enkeltcelle, slik at batteriet kan skiftes og havari unngås.

Angjeldende oppfinnelses idé:

I utgangspunktet legges batterifabrikantens levetidsdata til grunn for bereg-ning av forventet gjenværende levetid og tilgjengelig kapasitet.

Imidlertid kan man oppdage at en enkeltcelle kontinuerlig, over en tidsperiode, har en gassutskillelse større enn i forrige tidsperiode, så cellen er i ferd med å dø. Trenden har altså endret seg. Videre kan man også vurdere om enkeltceller har en trend som er vesentlig forskjellig fra den gjennomsnittlige trenden over alle celler.

For på en enkel måte, uavhengig av batteri og ventilparametere, å bruke utviklet gassvolum som en estimator, og til en pris som er akseptabel i markedet, kan man foreta en analyse som automatisk korrigerer for alle disse naturlige variasjoner.

Med henvisning til vedlagte kurver:

Figur 1 viser utviklet gassvolum pr. uke som funksjon av tiden. Hver kurve for de eksempelvis 24 cellene vil normalt ligge innenfor omhyllingskurvene. Figur 2 illustrerer tilsvarende totalt utviklet gassvolum over samme periode. Delkurve "b" i fig. 1 indikerer at en celle er i ferd med å komme utenfor om-hyllingskurven, og altså komme utenfor et bestemt avvik fra gjennomsnittet over alle celler. Det vil alltid være vanskelig å bestemme en grense, der en alarm om defekt batteri skal settes opp.

En alternativ metode, som denne oppfinnelse dreier seg om, er å se på trenden av gassutviklingen fra hver celle, i forhold til spredningen av måleverdiene. Delkurve "a" i fig. 1 indikerer en celle som plutselig begynner å endre seg, men fortsatt er godt innenfor et mulig akseptområde. Vår analysemetodikk går altså ut på å sette opp alarm for batteriskift når en slik plutselig og monoton endring oppstår.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for å bestemme kvalitet av ventilregulerte og halvtette lad-bare batterier bestående av flere enkeltceller hvor batteriet overvåkes med et data-oppsamlingssystem som kan måle parametere i hver enkeltcelle, eksempelvis mengden av den utskilte gass som kan registreres ved antall ganger ventilen åpner, og at de fra hver celle utskilte gassvolumers absolutte mengder sammenlignes mot hverandre, karakterisert ved at en påbegynnende monoton øking (trend) av gass-volumet over en tidsperiode, eksempelvis 1 uke til 1 mnd, for en eller flere celler, i forhold til de foregående tidsperioders trend, brukes til å gi varsel om denne celles eller disse cellers raskere eller plutselige nedbrytning og derved tilsvarende kortere levetid enn batterifabrikantens spesifikasjon.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en påbegynnende monoton øking (trend) av gass-volumet over en tidsperiode, eksempelvis 1 uke til 1 mnd, for en eller flere celler i forhold til alle cellers gjennomsnitt også brukes til å gi varsel om denne celles eller disse cellers raskere eller plutselige nedbrytning og derved tilsvarende kortere levetid enn batterifabrikantens spesifikasjon.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at også den absolutte mengde av det utviklede gassvolum brukes som en del av beregningsgrunnlaget for å bestemme batteri-kvaliteten.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at empiriske data for angjeldende batteri og ventiltype brukes til å forbedre estimatet av hvor mye levetiden er forkortet som følge av at gass er utviklet.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at antallet ganger det registreres et raskt trykkfall inne i cellen brukes som mål på den utviklede gassmengde.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at antall ganger ventilen åpner, brukes som estimat på volumet av den utviklede gassmengde.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at mengden av den utviklede gass brukes som mål for å estimere eksplosjonsfaren i rommet der batteriet er plassert.