DE102008056304A1 - Battery e.g. car battery, charging condition determining method, involves evaluating frequency dependent correlation between voltage and current, and deducing condition of inhomogeneity of components of battery from evaluation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.The The invention relates to a method according to the features of claim 1.
Es ist bekannt, dass die Ruhespannung (U00) mit dem Ladezustand (SOC) einer Batterie korreliert, daher wird oft U00 zur SOC-Bestimmung (z. Bsp. Kfz) eingesetzt. Die Ruhespannung wird jedoch nicht nur vom Ladezustand der Batterie beeinflusst, sondern auch von Faktoren wie Temperatur und Säureschichtung. Durch Berücksichtigung der Temperatur mittels einer Temperaturmessung kann dieser Faktor kompensiert werden, schwieriger wird es bei der Säureschichtung. Elektrolytschichtung entsteht bei Ladung von (insbesondere tiefer entladenen) Batterien mit einer fahrzeugüblichen Ladespannung < 14,5 V. Bei der Ladung entsteht Schwefelsäure, welche sich nicht vertikal homogen verteilt, sondern es bildet sich ein Schichtungsgradient, da Säure mit hoher Dichte auf den Boden der Batterie sinkt und Säure mit geringer Dichte oben schwimmt.It is known that the rest voltage (U00) with the state of charge (SOC) Therefore, U00 is often used for SOC determination (eg car) used. The rest voltage is not only from the State of charge of the battery influenced, but also by factors like temperature and acid stratification. By consideration the temperature by means of a temperature measurement can this factor be compensated, it is more difficult in acid stratification. Electrolyte stratification occurs when charging (especially deeper discharged) batteries with a usual vehicle charging voltage <14.5 V. In the Charge produces sulfuric acid, which is not vertical distributed homogeneously, but it forms a stratification gradient, high-density acid sinks to the bottom of the battery and low-density acid floats up.
Bekannte
Verfahren gehen z. B. aus der
Gemäß der Erfindung wurde erkannt, dass die Ruhespannung maßgeblich durch die unten liegende Säure mit höherer Dichte bestimmt wird, d. h. U00 (geschichtet) > U00 (ausgeglichen). Hierdurch wird ein höherer SOC vorgetäuscht, da die Säureschichtung von außen nicht zu erkennen ist. Elektrolytschichtung bedeutet aber auch Kapazitätsverlust, da die aktive Masse unten in der Batterie den überschüssigen Schwefel in der Säure nicht verbrauchen kann und die dünne Säure oben nicht ausreicht, um die aktive Masse oben in der Batterie zu entladen. Dies bedeutet, dass der durch U00 (geschichtet) bestimmte SOC vom realen Ladezustand, also der mit Nennstrom entladbaren Ladungsmenge, noch weiter entfernt ist als vom SOC (ausgeglichen). Im Labor lässt sich mit relativ geringem Aufwand die Säuredichte in einer Nassbatterie oben und unten messen, es gibt jedoch viele Bereiche der praktischen Anwendung (z. B. Kfz), wo die direkte Säuremessung nicht in Frage kommt und man sich auf eine U00-Messung verlassen muss.According to the Invention was recognized that the rest voltage relevant through the lower-lying acid with higher density is determined, d. H. U00 (stratified)> U00 (balanced). This will be a higher SOC simulated, because the acid stratification can not be seen from the outside. Electrolyte stratification means but also capacity loss, since the active mass below in the battery the excess sulfur in the Acid can not consume and the thin acid above is insufficient to the active mass at the top of the battery discharged. This means that the one determined by U00 (layered) SOC from the actual state of charge, that is to say the amount of charge which can be discharged at rated current, even farther away than from the SOC (balanced). Leave in the lab with relatively little effort, the acid density in one Measure wet batteries at the top and bottom, but there are many areas the practical application (eg motor vehicle), where the direct acid measurement is not in question and you have to rely on a U00 measurement.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Erkennung und Quantifizierung der Säureschichtung, das ohne die direkte Säuremessung auskommt, wird in Anspruch 1 angegeben.One advantageous method for the detection and quantification of acid stratification, that gets along without the direct acid measurement, will claim 1 indicated.
Dieses Verfahren dient dazu, in praktischen Bereichen z. B. Kfz, wo eine konventionelle Säuredichtemessung nicht möglich ist, Säureschichtung zu erkennen und zu quantifizieren. Untersuchungen haben ergeben, dass der Polarisationswiderstand (Rct) einer nassen Blei-Säure-Batterie mit dem Grad der Säureschichtung korreliert, d. h. der Wert für Rct wird bei zunehmender Säureschichtung größer. Vorgehensweise: Im Labor wird für eine Batterietype im ungeschichteten Zustand bei Raumtemperatur und verschiedenen Ladezuständen (SOC) eine Rct-U00-Kennlinie aufgenommen, welche später als Referenzkurve dient. Das Ermitteln von Rct kann mit Hilfe der Impedanzspektroskopie realisiert werden, dazu wird ein Wechselsignal (z. B. Wechselspannung) bei verschiedenen Frequenzen auf die Batterie aufgeprägt und das Antwortsignal (Wechselstrom) gemessen. Aus den beiden Signalen kann dann die komplexe Impedanz in Abhängigkeit der Frequenz berechnet werden. Durch das Fitten der Impedanz an ein elektrochemisches Ersatzschaltbild (ESB), z. B. das von Randels, kann dann der Polarisationswiderstand bestimmt werden. Erhält man nun Messwerte (U00 und Rct) einer Batterie gleichen Typs aber unbekanntem Zustand, können diese mit der Referenzkurve verglichen werden. Liegen die Messwerte über der Kurve, liegt Säureschichtung vor. Über den Abstand zwischen Messwert und Referenzkurve kann dann der Grad der Säureschichtung bestimmt werden. Ein Spezialfall liegt vor, wenn die gemessene Ruhespannung einen ermittelten SOC von 100% zur Folge hat. Bei einer ungeschichteten Batterie bei 100% SOC ist ihr Rct unverhältnismäßig groß (bei einer 90 Ah Batterie ca. Rct > 6 mOhm), d. h. es sollte ein SOC von 100% berechnet worden sein und der ermittelte Rct << 6 mOhm liegt auch Schichtung vor. Weiterhin muss der Einfluss der Temperatur auf den Polarisationswiderstand berücksichtigt und kompensiert werden.This The method serves in practical areas such. B. Automotive, where a conventional acid density measurement not possible is to recognize and quantify acid stratification. Investigations have shown that the polarization resistance (Rct) a wet lead-acid battery with the degree of acid stratification correlates, d. H. the value for Rct is increasing Acid stratification larger. Method: In the lab is used for a battery type in the uncoated Condition at room temperature and different states of charge (SOC) a Rct-U00 characteristic recorded later serves as a reference curve. Determining Rct can be done with the help of Impedance spectroscopy be realized, this is an alternating signal (eg AC voltage) at different frequencies on the battery imprinted and the response signal (AC) measured. From the two signals can then the complex impedance in dependence the frequency can be calculated. By fitting the impedance an electrochemical equivalent circuit (ESB), z. Eg that of Randels, then the polarization resistance can be determined. receives but now measurements (U00 and Rct) of a battery of the same type but Unknown condition, these may be with the reference curve be compared. If the readings are above the curve, acid stratification is present. About the distance between Measured value and reference curve can then be the degree of acid stratification be determined. A special case exists when the measured rest voltage results in a determined SOC of 100%. In an uncoated one Battery at 100% SOC, their Rct is disproportionate large (with a 90 Ah battery approx. Rct> 6 mOhm), d. H. it should be an SOC of 100% calculated and the determined Rct << 6 mOhm is also stratification. Furthermore, the influence of temperature on the polarization resistance be taken into account and compensated.
Das Verfahren gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, dass es die Säureschichtung in einer Batterie erkennt, ohne direkt die Säuredichte zu messen. Auch mögliche irreversible Veränderungen aufgrund einer früher bestehenden Säureschichtung können erkannt werden. Als Eingangsgrößen werden nur elektrische Werte (Spannung, Strom und Frequenz) sowie die Temperatur verwendet. Im einfachsten Fall wird eine binäre Aussage vorgenommen, ob Säureschichtung vorliegt oder nicht vorliegt. In einer weiterführenden Ausführung wird eine Quantifizierung der aktuellen Säureschichtung vorgenommen, d. h. eine Maßzahl ermittelt, die den Grad der Inhomo genität der Säuredichte angibt. Beide Aussagen können dann z. B. als Basis für eine Bestimmung des Zustandes und der aktuellen Leistungsfähigkeit der Batterie dienen, oder einer Beurteilung der bisherigen Betriebsbedingungen, oder einer Vorhersage des zukünftigen Verhaltens unter angenommenen zukünftigen Betriebsbedingungen.The method according to claim 1 has the advantage that it recognizes the acid stratification in a battery without directly measuring the acid density. Also possible irreversible changes due to a previously existing acid stratification can be detected. The input variables are only electrical values (voltage, current and frequency) and the temperature. In the simplest case, a binary statement is made as to whether acid stratification is present or not present. In a further embodiment, a quantification of the current acid stratification is carried out, ie a measure determined that indicates the degree of Inhomo genity of acid density. Both statements can then z. B. serve as a basis for determining the condition and the current performance of the battery, or an assessment of the previous Operating conditions, or a prediction of future behavior under assumed future operating conditions.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The Invention will become apparent from the following drawings explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Bei
der Blei-Säure-Batterie handelt es sich um ein elektrochemisches
System, welches sich z. B. durch das in
Die darin angegebenen Parameter bedeuten:
- L:
- Induktivität (Kopfblei, Zuleitungen)
- Ri:
- Innenwiderstand der Batterie
- Rct:
- Polarisationswiderstand
- W:
- Warburg (Diffusionsprozesse)
- C:
- Doppelschichtkapazität
- L:
- Inductance (head lead, leads)
- Ri:
- Internal resistance of the battery
- RCT:
- polarization resistance
- W:
- Warburg (diffusion processes)
- C:
- Double layer capacitance
Die Parameter unterliegen den gleichen Einflüssen wie die Batterie: Temperatur, SOC, Alterung usw. Die Ermittlung einzelner Parameter kann auf verschiedene Arten erfolgen, z. B. Messbrückenabgleich, Impedanzspektroskopie, etc.The Parameters are subject to the same influences as the battery: Temperature, SOC, aging, etc. The determination of individual parameters can done in different ways, eg. B. measuring bridge adjustment, Impedance spectroscopy, etc.
Es besteht ein batteriespezifischer und temperaturabhängiger Zusammenhang zwischen U00 und Rct, der im Vorfeld für den vorgesehenen Batterietyp bestimmt werden muss. Dieser Zusammenhang bzw. eine U00-Rct-Kennlinie mit Fallunterscheidungen wird hinterlegt und dient bei späteren Messungen als Referenz. Trifft dieser Zusammenhang im Feld nicht mehr zu, dann liegt Säureschichtung vor.It There is a battery-specific and temperature-dependent Relationship between U00 and Rct, leading up to the provided battery type must be determined. This connection or a U00-Rct characteristic with case distinctions is stored and serves as a reference for later measurements. Meets this Connection in the field no longer, then lies acid stratification in front.
Das erfindungsgemäße Verfahren und alle dazu nachstehenden Ergebnisse basieren auf Impedanzmessungen und einen anschließenden Adaptieren der Spektren an das obige ESB. Die Versuchsergebnisse wurden gewonnen an einer Starter-Batterie 90 Ah PAG bei Raumtemperatur mit Schichtung, bzw. bei verschiedenen Temperaturen ohne Schichtung, um den Einfluss der Temperatur auf den Rct zu beobachten.The inventive method and all the following Results are based on impedance measurements and a subsequent one Adapting the spectra to the above ESB. The test results were obtained on a starter battery 90 Ah PAG at room temperature with stratification, or at different temperatures without stratification, to observe the influence of temperature on the Rct.
Definition Säureschichtung: Im Folgenden wird das Vorliegen von Säureschichtung angenommen, wenn die Differenz der Säuredichten oben und unten ≥ 0,020 g/cm3 beträgt. Untersuchungen haben ergeben, dass der Polarisationswiderstand (Rct) direkt von der reinen Elektrolytschichtung abhängt.Definition Acid stratification: The following assumes the presence of acid stratification if the difference in acid densities at the top and bottom is ≥ 0.020 g / cm 3 . Investigations have shown that the polarization resistance (Rct) depends directly on the pure electrolyte stratification.
Während einer stromlosen Standzeit von 5 Wochen bei Raumtemperatur baut sich der Dichteunterschied durch Ausgleichsvorgänge auf einen geringen Wert von < 0,01 g/ml ab. Dennoch stellt sich ein gegenüber dem Ausgangszustand signifikant erhöhter Rct-Wert von 2,78 mOhm ein.While an electroless life of 5 weeks at room temperature builds the difference in density is due to balancing processes a low value of <0.01 g / ml. Nevertheless, it turns against the initial state significantly increased Rct value of 2.78 mohms.
In
Zur
Erkennung von Säureschichtung in einer Nassbatterie muss
vorab folgende Vorarbeit geleistet werden:
Erstellen einer
batteriespezifischen Kennlinie von Rct = f (U00 T) im ungeschichteten
Zustand
Creating a battery-specific characteristic of Rct = f (U00 T) in the unstratified state
Wird nun in der praktischen Anwendung ein Rct-Wert bei einer Ruhespannung U00 im Bereich 11,8 V bis ca. 12,7 V ermittelt, der oberhalb der Kennlinie liegt, so ist die Batterie geschichtet. Je weiter der Abstand, desto stärker ist die Ausprägung der Schichtung/Quantifizierung.Becomes now in practical application a Rct value at a rest voltage U00 in the range of 11.8 V to about 12.7 V, which is above the Characteristic lies, then the battery is layered. The further the Distance, the stronger the expression of the Layering / quantification.
Sonderfall bei Ermittlung von 100% SOC durch U00: Wenn die Batterie vollgeladen ist können die elektrochemischen Reaktionen nur in Entladerichtung ablaufen, d. h. in Laderichtung wäre der Rct theoretisch unendlich groß. Sollte ein SOC von 100% aufgrund von U00 ermittelt worden sein und ist der Wert von Rct nicht mindestens ≥ 5 mOhm, so liegt nach aller Wahrscheinlichkeit Säureschichtung vor. Ein Spezialfall ist der SOC von 100% bei nicht geschichteten Batterien, hier weisen die Werte für Rct einen außergewöhnlichen hohen Wert auf 5 mOhm < Rct (100% SOC) < 8 mOhm, d. h. ein Rct (12,7 V bis 13 V), der zwischen 3 mOhm und 5 mOhm liegt deutet auch auf Schichtung hin.special case when determining 100% SOC by U00: when the battery is fully charged is the electrochemical reactions only in the discharge direction to expire, d. H. in the loading direction the Rct would theoretically be infinite large. Should a SOC of 100% be determined based on U00 and the value of Rct is not at least ≥ 5 mOhm, so is in all likelihood acid stratification in front. A special case is the SOC of 100% in non-stratified Batteries, here the values for Rct have an extraordinary high value to 5 mOhms <Rct (100% SOC) <8 mOhm, d. H. a Rct (12,7 V to 13 V), which is between 3 mOhm and 5 mOhm is also indicative of stratification.
Da
der Polarisationswiderstand stark von der Temperatur abhängig
ist (vgl.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass bei der Batteriezustandserkennung der Ladezustand (SOC) der Batterie über die Ruhespannung (U00) ermittelt wird. Sollte die Batterie in Schichtung sein, wird der U00 verfälscht und es würde ein falscher SOC berechnet werden. Durch das Verfahren kann die Säureschichtung erkannt und quantifiziert werden, wodurch sich wieder der tatsächlich vorhandene SOC berechnen lässt.In summary can be said that the state of charge (SOC) during battery state detection the battery is determined by the quiescent voltage (U00). If the battery is stratified, the U00 will be corrupted and a wrong SOC would be calculated. By the Method, the acid stratification can be detected and quantified become, which again the actually existing SOC can be calculated.
Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind nachfolgend angegeben:
Der vollständige
Bereich der hinterlegten Referenz-Werte Rct(ref) = f (T, Uo) kann
durch Interpolation bzw. Extrapolation von Eckwerten bestimmt werden.
Die Interpolation der Abhängigkeit von T erfolgt vorteilhaft
durch einen exponentiellen Zusammenhang.Further advantageous developments of the method according to the invention are given below:
The complete range of the stored reference values Rct (ref) = f (T, Uo) can be determined by interpolation or extrapolation of basic values. The interpolation of the dependence on T is advantageously carried out by an exponential relationship.
Vorteilhaft kann zwischen einer Schichtung der Säure und einem inhomogenem Ladezustand unterschieden werden, bzw. im Wissen um früher vorhandene Säureschichtung ein mittelmäßig erhöhtes Rct nicht irrtümlich als mittlere Säureschichtung, sondern richtig als starke Schichtung des Ladezustandes über Bauhöhe aufgrund von inzwischen abgebauter Säureschichtung erkannt werden. Hierzu kann die Betriebsführung der Batterie mit berücksichtigt werden, insbesondere der Ladungsdurchsatz absolut und die Stromrichtung (Ladung/Entladung).Advantageous can be between a layering of the acid and an inhomogeneous one State of charge can be distinguished, or in the knowledge of earlier existing acid stratification a mediocre increased Rct not erroneously as middle acid stratification, but correctly as a strong layering of the state of charge Height due to meanwhile degraded acid stratification be recognized. For this purpose, the operation of the battery are taken into account, in particular the charge throughput absolute and the current direction (charge / discharge).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- - DE 102004005478 A1 [0003] - DE 102004005478 A1 [0003]
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Effective date: 20120601 |