DE102014206470A1

DE102014206470A1 - Verfahren zur Depassivierung einer Lithium-Thionyl-Batterie, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und eine Batterievorrichtung

Info

Publication number: DE102014206470A1
Application number: DE102014206470.8A
Authority: DE
Inventors: René Klewer; Ansgar Schmidt; Thomas Schneider
Original assignee: MSA Europe GmbH
Current assignee: MSA Europe GmbH
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2015-10-08
Also published as: EP3127178A1; US10141581B2; EP3127178B1; CN106165166A; WO2015150393A1; CN106165166B; US20170025686A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Depassivierung einer Lithium-Thionyl-Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens eine Strom-Testlast (LAST) an eine Elektrode der Batterie (10) angelegt wird (101), wobei die Form, Größe und / oder die Zeitpunkte des Anlegens der mindestens einen Strom-Testlast (LAST) in Abhängigkeit von einer Messung eines zeitabhängigen Antwortsignals (u(t), du(t)) an der Batterie (10) erfolgt und Energie der Strom-Testlast (LAST) der Batterie (10) selbst entnommen wird, b) ein Vergleich des Antwortsignals (u(t), du(t)) der Batterie (10) auf die mindestens eines Strom-Testlast (LAST), mit mindestens einem vordefinierten Kriterium (102) erfolgt und anschließend die c) Herstellung des Betriebszustandes (12) in Abhängigkeit von der Erfüllung des mindestens einen Kriteriums (103) erfolgt. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Depassivierung einer Lithium-Thionyl-Batterie mit dem Anspruch 1, einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und eine Batterievorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 18.
In den an sich bekannten, nicht-wiederaufladbaren Lithium-Thionyl-Batterien finden Reaktionen nach folgendem Schema statt:
Positive Reaktion:

2SOCl₂ + 4Li⁺ + 4e^– -> 4LiCl + S + SO₂

Negative Reaktion:

Li -> Li⁺ + e^–

Summenreaktion:

2SOCl₂ + 4Li -> 4LiCl + S + SO₂

Die Lithium-Thionyl-Batterien verfügen über eine sehr geringe Selbstentladungsrate, so dass sie auch nach langer Lagerzeit einsatzbereit sind. Der Grund für die geringe Selbstentladungsrate ist die Ausbildung einer Passivierungsschicht mit LiCl-Kristallen (siehe rechte Seite der Summenreaktion) auf der Lithiumanode.
Wenn eine Last an die Lithium-Thionyl-Batterie gelegt wird, erfolgt ein relativ starker Abfall der Spannung, was nachteilig ist. Dieser Spannungsabfall wird auch als Transient Minimum Voltage (TMV) bezeichnet. Dieser Spannungsabfall kann dabei so groß werden, dass die Spannung zumindest zeitweise unterhalb der jeweiligen Grenzspannung (cut-off voltage) fällt.
Es besteht daher die Aufgabe, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, die auch unter Last ein gutes Betriebsverhalten zeigen.
Dies wird mit einem Verfahren zur Depassivierung einer Lithium-Thionyl-Batterie gemäß Anspruch 1 erreicht.
Dabei wird zunächst mindestens eine Strom-Testlast an eine Elektrode der Batterie angelegt, wobei die Form, Größe und / oder die Zeitpunkte des Anlegens der mindestens einen Strom-Testlast in Abhängigkeit von einer Messung eines zeitabhängigen Antwortsignals u(t), du(t) an der Batterie erfolgt und Energie der Strom-Testlast der Batterie selbst entnommen wird. Durch die Entnahme der Energie aus der Batterie selbst ist es nicht zwingend notwendig, externe Energiequellen zu verwenden. Das Antwortsignal kann z.B. eine zeitabhängige Spannung u(t) oder auch eine abgeleitete Größe, wie eine Spannungsdifferenz du(t) sein.
Anschließend erfolgt der Vergleich eines Antwortsignals u(t), du(t) der Batterie auf die mindestens eine Strom-Testlast mit mindestens einem vordefinierten Kriterium.
Dann erfolgt in Abhängigkeit von der Erfüllung des mindestens einen Kriteriums die Herstellung des Betriebszustandes oder die Abgabe einer Fehlermeldung. Bei Anwendung in Verbindung mit einem Gassensor wird z.B. der Gassensor aktiviert, so dass er messen kann. Wird ein Fehler festgestellt, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Dabei kann bei einer Ausführungsform des Verfahrens die Strom-Testlast mindestens eine Impuls-Last einer Stromgröße, mindestens eine Sprung-Last einer Stromgröße, ein Wechselsignal einer Stromgröße und / oder mindestens eine Anstiegs-Last einer Stromgröße aufweisen. Unter Stromgröße kann hier sowohl eine Spannung als auch ein Stromfluss verstanden werden. Unter der Impuls-Last ist hier nicht die mathematische Definition des Impulses zu verstehen, sondern die technisch-physikalische, d.h. ein kurzes Signal mit einer hohen Amplitude. Unter einem Wechselsignal kann z.B. ein Sinus-Signal verstanden werden.
Auch kann in einer Ausführungsform das Antwortsignal du(t) der Batterie ermittelt werden, indem die Differenz der Antwort auf zwei Impuls-Lasten, eine vorbestimmte Anzahl von Strom-Testlasten, ein Level der angelegten Strom-Testlasten und / oder eine Unterschreitung eines Mindestwertes für eine Differenz von Spannungsabfällen ermittelt wird.
Dabei kann das mindestens eine Kriterium

• mindestens eine zeitliche Komponente, insbesondere den Ablauf einer voreingestellten Mindest- oder Maximaldauer,
• mindestens eine Lastkomponente, die sich auf Strom-Testlast und / oder
• mindestens eine Antwortkomponente, die sich auf das Antwortsignal u(t), du(t) bezieht

Wenn in einer Ausführungsform des Verfahrens ein erstes Kriterium geprüft wird, so kann ermittelt werden, ob der Ablauf einer vorbestimmten Zeit, eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen des Anlegens der Strom-Testlast und / oder ein vorbestimmter Wert oder Verlauf für das Antwortsignal u(t), du(t) erreicht ist.
In einer weiteren oder alternativen Ausführungsform kann aus dem Antwortsignal u(t), du(t) der Batterie eine Änderungsgröße ddu(t), insbesondere eine Differenz ddu(t) zweier Spannungsabfälle aus dem Antwortsignal du(t) berechnet werden: ddu(t₂) = du(t₂) – du(t₁).
Mit dieser Änderungsgröße kann z.B. ermittelt werden, ob das Antwortsignal gegen einen Grenzwert konvergiert.
Dabei kann insbesondere geprüft werden, ob die zeitliche Änderungsgröße ddu(t) einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat und / oder eine vorbestimmte Zeit abgelaufen ist.
In einer Ausführungsform wird in Abhängigkeit von der Erfüllung des mindestens einen Kriteriums, insbesondere des ersten Kriteriums und / oder des zweiten Kriteriums die Herstellung des Betriebszustandes erfolgen oder eine Fehlermeldung erzeugt.
In einer Ausführungsform erfolgt die Herstellung des Betriebszustandes oder die Erzeugung der Fehlermeldung in Abhängigkeit von der Strom-Testlast.
Das Verfahren kann autonom betrieben werden, wenn die gesamte Energie, die für die Durchführung des Depassivierungsverfahrens notwendig ist, ausschließlich der Batterie entnommen wird.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst, mit dem das Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 10 durchführbar ist. Die Vorrichtung weist ein Mittel zur gezielten Anlegung einer Strom-Testlast und ein Mittel zur Prüfung mindestens eines Kriteriums auf.
Insbesondere übernimmt in einer Ausführungsform der Vorrichtung eine Regelvorrichtung für eine Stromgröße, insbesondere eine Spannung, zusätzlich die Steuerung der Strom-Testlast. Dabei steuert die Regelvorrichtung die Ausgabe der Strom-Testlast nach Größe und / oder Zeit, wobei die Energie der Strom-Testlast nur aus der Batterie stammt.
In einer weiteren Ausführungsform ist insbesondere die Regelvorrichtung mit einer Beobachtervorrichtung zur Bestimmung einer Änderungsgröße ddu(t), insbesondere einer Differenz ddu(t) zweier Spannungsabfälle des Antwortsignals dU(t) ddu(t₂) = du(t₂) – du(t₁), gekoppelt.
Dabei sind Ausführungsformen der Vorrichtung mit einer Gasmesseinrichtung, einem Defibrillator, einem Herzschrittmacher, einer elektrischen Messeinrichtung (z.B. Toll-System, Wassermelder, Feuermelder, Strommelder) oder einer Notbeleuchtung gekoppelt. Alle diese Geräte müssen auch nach längerer Lagerzeit zuverlässig und schnell einsatzbereit sein. Es handelt sich dabei um elektrisch autarke Geräte.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist sinnvoll einen Stromgrößen-Level, insbesondere eine Stromstärke für eine Zeit zwischen 1 ms und 10 Minuten zu messen, insbesondere zwischen 1 ms und 30 ms und anschließend für eine vorbestimmte Zeit (T) zwischen 10 ms und 25 min, insbesondere zwischen 75 ms und 500 ms zu warten.
In einer autonomen Ausführungsform der Vorrichtung wird die Energieversorgung der Vorrichtung durch die Batterie allein bewerkstelligt.
Die Aufgabe wird auch durch eine Batterievorrichtung gelöst, die mit einer Vorrichtung zur Depassivierung gekoppelt ist. Dabei erfolgt die Energieversorgung für die Depassivierung und die Energieversorgung für den weiteren Betrieb der Batterievorrichtung autonom durch die Batterie. Während des Betriebs gibt die Batterievorrichtung nicht nur Energie ab, sondern benötigt auch etwas Energie für den eigenen Betrieb. So muss sichergestellt werden, dass z.B. bestimmte Grenzspannungen nicht unterschritten werden, was zu einem Zurücksetzen der Batterievorrichtung führen würde.
Ausführungsformen zu den Verfahren und den Vorrichtungen werden im Zusammenhang mit den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 eine erste Ausführungsform eines Verfahrens;
2 eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens;
3 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung einer Depassivierung;
4 einen ersten Teil einer Ausführungsform des in 1 beschriebenen Verfahrens;
5 einen zweiten Teil der Ausführungsform des in 2 beschriebenen Verfahrens;
6 eine Darstellung eines sukzessiv ansteigenden Stromlasten-Levels;
7 eine Darstellung der zeitlichen Abnahme der Differenzen des Spannungsabfalls ddU;
8 eine zusammenfassende Darstellung des Verfahrens.
Die Passivierungsschicht auf einer Elektrode, insbesondere der Anode einer Lithium-Thionyl-Batterie 10, kann entfernt oder zumindest verringert werden, was als Depassivierung bezeichnet wird. Die Depassivierung kann unter Stromfluss stattfinden, wobei einerseits der Stromfluss hoch genug sein soll, um eine zeiteffiziente Depassivierung zu erreichen. Andererseits soll der Stromfluss so gering sein, dass der unerwünschte Spannungsabfall (TMV) das Betriebsverhalten nicht oder so wenig wie möglich negativ beeinflusst. Wenn hier ein Stromfluss (also die Wirkung einer angelegten Spannung) betrachtet wird, kann dieser alternativ auch in Form einer Spannung (d.h. der Ursache) ausgedrückt werden; beide werden hier auch als Stromgröße bezeichnet.
In 1 wird eine erste Ausführungsform eines Verfahrens beschrieben, mit dem eine effiziente Depassivierung ermöglicht wird. In 3 wird eine Vorrichtung beschrieben, in der eine Regelvorrichtung 301 vorgesehen ist, mit der diese erste Ausführungsform ausführbar ist.
Dazu wird in einem ersten Schritt 101 (Lastanlegeschritt) mindestens eine Strom-Testlast (LAST) an eine Elektrode der Batterie (10) angelegt, wobei die Form, Größe und / oder die Zeitpunkte des Anlegens der mindestens einen Strom-Testlast LAST in Abhängigkeit von einer Messung einer zeitabhängigen Stromgröße (Stromflussgröße oder Spannungsgröße), nämlich des Antwortsignals u(t), du(t), an der Batterie 10 erfolgt. Außerdem wird die Energie für die Strom-Testlast LAST der Batterie 10 selbst entnommen, so dass keine externe Stromversorgung erforderlich ist. Wenn hier eine Strom-Testlast LAST verwendet wird, kann dies eine Last in Form einer Spannung oder eines Stromflusses sein. Die Strom-Testlast LAST (d.h. ein Eingangssignal) kann dabei zeitliche kontinuierliche oder zeitlich diskontinuierliche Formen, wie z.B. Impulse, aufweisen.
Durch das Anlegen der zeitlich veränderlichen Strom-Testlast LAST, z.B. in Form eines Impulses, wird die Passivierungsschicht im Laufe der Zeit reduziert, wobei die restlichen Schritte des Verfahrens dazu dienen, zu bestimmen, wann der Abbau gestoppt werden kann. Andere mögliche Formen der Strom-Testlast LAST sind mindestens eine Sprung-Last einer Stromgröße und / oder mindestens eine Anstiegs-Last einer Stromgröße. Die Strom-Testlasten LAST können dabei in zeitlicher Folge untereinander kombiniert werden.
Nach dem Lastanlegeschritt 101 wird in einem Vergleichsschritt 102 das zeitliche Antwortsignal du(t) der Batterie 10 auf die mindestens eine Strom-Testlast LAST mit mindestens einem vordefinierten Kriterium verglichen. Das mindestens eine Kriterium kann eine Reihe von Komponenten aufweisen:

• Zeitliche Komponenten (z.B. Ablauf einer voreingestellten Mindest- oder Maximaldauer)
• Komponenten, die sich auf die Strom-Testlast LAST beziehen (z.B. Anzahl von Impulsen)
• Komponenten, die sich auf das Antwortsignal du(t) beziehen.

Aus diesen Komponenten können komplexe Kriterien gebildet werden, um den geeigneten Moment für die Beendigung der Depassivierung zu finden. Im Folgenden werden dazu noch Beispiele gebracht.
In einem Abschlussschritt 103 erfolgt die Herstellung des Betriebszustandes 12 in Abhängigkeit von der Erfüllung des mindestens einen Kriteriums 103. Sollte die Depassivierung aus irgendeinem Grund nicht erfolgreich gewesen sein, wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
Mit einem solchen Verfahren kann eine Depassivierung in-situ durchgeführt werden.
In der 2 wird schematisch eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens beschrieben, mit dem eine effiziente Depassivierung ermöglicht wird. Dabei werden vier Schritte 201, 202, 203, 204 durchgeführt und insbesondere zwei Kriterien geprüft
In einem ersten Schritt 201 (Lastanlegeschritt) werden mindestens zwei Stromlasten als Strom-Testlasten LAST in zeitlichem Abstand an die Anode der Batterie 10 angelegt, wobei insbesondere die zweite Stromlast höher ist als die vorhergehende Stromlast oder alle vorhergehenden Stromlasten. Damit ergibt sich eine treppenartige Ausbildung von Strom-Testlasten LAST.
Dabei werden die Zeitpunkte für das Anlegen der mindestens zwei Stromlasten in Abhängigkeit von einem gemessenen Antwortsignal du(t), wie z.B. einer Spannung, einer Spannungsdifferenz oder einem Stromfluss, bestimmt.
Das Anlegen der Stromlasten an die Anode erfolgt aber so lange (erster Vergleichsschritt 202), bis ein erstes Kriterium erreicht ist. Wie im Zusammenhang mit 4 im Detail erläutert wird, kann dieses erste Kriterium u.a. eine Maximalzahl von angelegten Stromlasten beinhalten. Das erste Kriterium kann zusätzlich oder alternativ auch das Erreichen bestimmter Spannungsgrenzen umfassen.
Allerdings wird der Betriebszustand (Abschlussschritt 204) nicht schon nach Erfüllung des ersten Kriteriums hergestellt, sondern es wird noch ein zweites Kriterium (zweiter Vergleichsschritt 203) aus dem zeitlichen Verlauf des Spannungsabfalls du(t) (siehe z.B. 7) gebildet. Dabei ist eine Erhöhung der Performance der Batterie 10 speziell unter Randtemperaturbereichen (sehr kalt/warm) möglich. Auch kann eine Verlängerung der Repassivierungzeit der Batterie 10, und somit aussagekräftigere Batteriestatusanzeige für den Nutzer erreicht werden.
Dies wird in Zusammenhang mit der 5 näher beschrieben.
In 3 wird eine Ausführungsform beschrieben, mit der Ausführungsformen des Verfahrens durchführbar sind.
In der dargestellten Ausführungsform wird eine Regelvorrichtung 301 dazu verwendet, die Spannung u(t), die an der Batterie 10 anliegt, innerhalb eines bestimmten Bandes zu halten.
Die Regelvorrichtung 301 dient ferner dazu, das Anlegen der Strom-Testlast LAST zu steuern. Die Energie für die Strom-Testlast LAST wird dabei der Batterie 10 entnommen. Wenn die Strom-Testlast LAST (z.B. eine Folge von Stromimpulsen) an die Batterie 10 angelegt, so antwortet diese mit dem zeitabhängigen Antwortsignal du(t). Die Form, Größe und / oder den Zeitpunkt des Anlegens der Strom-Testlast LAST erfolgt in Abhängigkeit von einer Messung einer zeitabhängigen Stromgröße, nämlich des Antwortsignals du(t) an der Batterie 10.
Dieses Antwortsignal du(t) wird auch als Ausgangsgröße der Regelvorrichtung 301 bereitgestellt.
Grundsätzlich – wie z.B. in Zusammenhang mit 1 dargestellt – ist es möglich, dass allein auf Grund der Prüfung des Antwortsignals du(t) und einem Vergleich mit einem vordefinierten Kriterium die Depassivierung gesteuert wird. So kann das Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes des Antwortsignals du(t) innerhalb einer bestimmten Zeit und / oder das Anlegen einer bestimmten Anzahl von Lastimpulsen als Kriterium dienen.
Grundsätzlich läuft die Regelvorrichtung 301 immer weiter, wobei die Ansteuerung der Strom-Testlast LAST unter der Maßgabe des ersten Kriteriums erfolgt.
Der Aufbau der Vorrichtung gemäß der 3 ist etwas komplexer, da zusätzlich zur Regelvorrichtung 301 diese mit einer Beobachtervorrichtung 302 gekoppelt ist, die als Eingangswerte das Antwortsignal du(t) hat. Dabei verwendet die Beobachtervorrichtung 302 ein Rechenwerk 304, um die Änderungsgröße ddu(t), z.B. Differenzwerte aus dem Antwortsignal du(t), zu berechnen. Eine mögliche Vorschrift für die Berechnung der Änderungsgröße ist: ddu(t₂) = du(t₂) – du(t₁).
Dies bedeutet, dass die Differenz des Antwortsignals du(t) zu zwei bestimmten Zeitpunkten t₁, t₂ berechnet wird. Wenn diese Differenz ddu(t) z.B. kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert X wird, dann kann die Depassivierung abgebrochen werden und die Betriebsbereitschaft hergestellt werden. Dies entspricht einem zweiten Kriterium, wie es z.B. im Zusammenhang mit der 2 beschrieben wurde. Alternativ oder zusätzlich kann auch das zweite Kriterium eine Zeitbedingung aufweisen, d.h. eine Maximaldauer.
Die Beobachtervorrichtung 302 verwendet keine Informationen über die Strom-Testlast LAST.
Die eigentliche Entscheidung über die Herstellung des Betriebszustandes erfolgt in einer Entscheidungseinrichtung 303 in der die Informationen über die Erfüllung / Nichterfüllung des zweiten Kriteriums und Informationen über die Strom-Testlast LAST zusammenkommen.
Die Entscheidungsvorrichtung 303 prüft dabei, ob die Strom-Testlast LAST größer oder gleich der Mindestleistungsfähigkeit der Batterie 10 ist (Nbat > Ngood). Ferner wird (Schritt 302) geprüft, ob die Mindestanzahl an Testlastzyklen durchlaufen wurde mit dem positiven Ergebnis aus der Beobachtervorrichtung.
In 4 wird eine Ausführungsform der ersten beiden Schritte 101, 102 der 1 und der Schritte 201, 202 der 2 im Detail beschrieben.
Dazu wird in einem ersten Schritt 401 die Depassivierung gestartet und die Spannung U₀ (Spannung ohne Anlegung einer Strom-Testlast LAST; open-loop Spannung) gemessen.
Im Schritt 402 wird ein Mindestwert W für eine Anzahl von Messzyklen (hier eine Fenstergröße von W = 300) und ein Stromstärke-Level N für die Stromlasten (hier N = 0) festgelegt. Des Weiteren werden andere, im Folgenden noch benötigte Parameter gesetzt.
In alternativen Ausführungsformen kann der Stromstärke-Level N für die Stromlasten auch bei einem Wert N ungleich 0 starten. Im Rahmen des hier beschriebenen Depassivierungsverfahrens wird der Stromlasten-Level sukzessiv gesteigert, wie dies z.B. in 6 dargestellt ist. Es wird festgelegt, dass z.B. mindestens ein Ngood = 6 erreicht werden muss, um den Betriebszustand herzustellen (siehe Schritt 413 in 5). Dies stellt technisch gesehen den Level N dar, der in der späteren Applikation real auftreten kann und muss somit erfüllt sein. Also: Level N > Nbat = 6 (siehe Schritt 411 in 5). Anderenfalls wird der Fehlerzustand in Schritt 414 der 5 ausgelöst.
Die Steigerung wird dabei durch die in 4 und 5 dargestellten Schritte gesteuert.
In der dargestellten Ausführungsform kann der Wert für Stromstärke-Level 0 bis Nmax = 10 annehmen.
Im Schritt 403 wird ein Zähler für die Anzahl der aufzubringenden Stromlasten C für jeden Messzyklus auf null gesetzt. Ein Messzyklus umfasst das Aufbringen von Stromlasten eines bestimmten Stromstärke-Levels N.
Im Schritt 404 wird die Spannung Uk für den jeweils eingestellten Stromstärke-Level N gemessen und zwar für 10 ms. Der Zeitbereich für die Messung können z.B. zwischen 1 ms und 10 min liegen.
Dieser Messwert wird als Uk(C) bezeichnet. Anschließend wird für eine vorbestimmte Zeit T gewartet. Hier ist T = 200 ms. Die Wartezeit kann zwischen 10 ms und 24 h liegen.
Nach der Wartezeit wird in Schritt 405 der gemessene Wert Uk mit einem Gutwert U_GOOD verglichen. Zusätzlich wird noch geprüft, ob ein Maximalwert Nmax (hier Nmax = 10) für den Stromstärke-Level N erreicht ist und ob der aktuelle Zählerstand C größer ist als der minimale Zählerstand Cmin.
In der dargestellten Ausführungsform werden alle drei Bedingungen als ein erstes Kriterium aufgefasst. Wenn alle drei Bedingungen zusammen erfüllt sind (d.h. das erste Kriterium ist erfüllt), erfolgt in Schritt 406 eine Erhöhung des Stromlast-Levels N und ein Rücksprung zum Schritt 403, d.h. es wird ein neuer Messzyklus eingeleitet.
In alternativen Ausführungsformen kann auch jede der drei genannten Bedingungen im Schritt 405 alleine oder eine beliebige Unterkombination als erstes Kriterium dienen. Dabei kann auch die Umgebungstemperatur als Kriterium mit einfließen.
Wenn das erste Kriterium im Schritt 405 nicht erfüllt ist, wird geprüft, ob die aktuell gemessene Spannung Uk(C) kleiner ist als eine Minimalspannung U_LOW (hier U_LOW = 1,9 V) und der Stromlast-Level N größer als Null ist. Falls beide Bedingungen erfüllt sind, wird der Stromlast-Level N im Schritt 408 um eine Stufe gesenkt, wobei anschließend ein Rücksprung zu Schritt 403 erfolgt, d.h. ein neuer Messzyklus wird eingeleitet.
Wenn die aktuell gemessene Spannung Uk(C) größer ist als die Minimalspannung U_LOW (hier U_LOW = 1,9 V) und der Stromlast-Level N größer als Null ist, wird im Schritt 409 geprüft, ob der Zähler C größer als ein Maximalzählerstand Cmax ist. Hier ist C = 5000 gesetzt.
Die bisher beschrieben Schritte können z.B. in der Regelvorrichtung 301 implementiert sein, die in der 3 beschrieben ist; d.h. diese Schritte kommen ohne die Beobachtervorrichtung 302 aus.
Die Regelvorrichtung 301 ist hier mit einer Entscheidungsvorrichtung 303 verknüpft, mit der weitere Schritte 411, 413, 414 durchführbar sind.
Sollte die maximale Anzahl der Stromlasten Cmax erreicht worden sein, wird im Schritt 411 geprüft, ob ein Batterielevel NBat erreicht ist (hier Ngood = 6). Wenn dies zutrifft, wird der Betriebszustand im Schritt 413 hergestellt. Anderenfalls wird eine „Bat Error“ Meldung ausgegeben (Schritt 414).
Sollte die maximale Anzahl der Stromlasten Cmax noch nicht erreicht worden sein (C < Cmax), so wird eine weitere Berechnung durchgeführt, die im Zusammenhang mit 5 näher beschrieben wird.
Um die Einbettung in das Gesamtverfahren deutlich zu machen sind in 5 die Schritte 401, 402, 403, 409, 411, 413, 414 aus der 4 hier nochmals dargestellt. In 5 werden die Schritte 404, 405, 406, 407, 408 aus der 4 als Schritt 500 zusammengefasst.
Wenn in Schritt 409 die aktuelle Anzahl der Stromlasten C gleich Cmax ist, dann wird – wie in 4 beschrieben – mit Schritt 411 und der Prüfung N > NBat weiter verfahren.
Wenn im Schritt 409 die aktuelle Anzahl der Stromlasten C kleiner als Cmax ist, dann wird in Schritt 501 eine Variable ddU für die Ausgangsgröße ddU = max_int (im Prozessrechner maximal verfügbare Ganzzahl) gesetzt.
Anschließend wird in Schritt 502 geprüft, ob die aktuelle Anzahl der Stromlasten C größer als die Anzahl der Messzyklen W ist.
Wenn dies zutrifft, wird in Schritt 503 die Variable ddU nach folgender Bestimmungsgleichung ddU = MAX(0, dU(C – W) – dU(C)) berechnet. Somit wird die Differenz zweier Spannungsabfälle unter Stromlast berechnet, nämlich zwischen dem Spannungsabfall dU(C – W) und dem Spannungsabfall dU(C). Die Funktion MAX stellt sicher, dass diese Differenz – wenn sie größer als Null ist – als neue Variable ddU gesetzt wird. Das Fenster W stellt sicher, dass mit einer Mindestanzahl der aktuellen Laststufe N gearbeitet wird und erst dann (z.B. nach 300 Zyklen) der ddU Wert ausgewertet wird, um ein aussagekräftiges Ergebnis für die Beurteilung zu erhalten. Grund dafür ist, dass die Änderung des ddU Wertes sehr gering über die Anzahl der Messungen ist.
Anschließend wird in Schritt 504 geprüft, ob ddU kleiner als ein Abbruchkriterium L (zuvor gesetzt) ist, das hier 0,7 mV gesetzt wurde. Passivierte Anoden zeigen eine steigende Batteriespannung bei gleichbleibenden Lastpegel, so dass ddU in diesem Fall größer als L sein wird. Nahezu depassivierte Batterien zeigen eine ungefähr konstante Batteriespannung unter gleichen Lasten und die Differenzen der Spannungsabfälle werden mit der Zeit kleiner und kleiner (siehe 7).
Aus 7 wird deutlich, dass die Batteriespannung u(t) bei konstanter Last zu einem Wert konvergiert. Das führt zu einem sich stetig reduzierenden ddU was bei einer Prüfung gegen L zum Abbruch führt. Ist ddU am Ende eines 300 er Zyklus nicht kleiner als L, kann das daran liegen, dass die Batterie entladen ist und die Batteriespannung immer weiter sinkt oder die Batterie noch nicht ausreichend depassiviert wurde.
Wenn das Abbruchkriterium L unterschritten wird, dann ist die Differenz der Spannungsabfälle ddU klein genug, wird die Depassivierung verlassen und es erfolgt eine Entscheidung (siehe Schritt 411 in 4), ob der Betriebszustand aktiviert (Schritt 413) wird oder eine Fehlermeldung (Schritt 414) ausgegeben wird. Wenn L unterschritten wurde, gibt das eine Aussage dazu, ob die Zelle ausreichend depassiviert wurde, um benutzt werden zu können.
Die gleiche Prüfung findet statt, wenn die aktuelle Anzahl der Stromlasten C kleiner gleich W (Anzahl der Messzyklen) ist.
Anschließend wird in Schritt 505 der Zähler C für die Anzahl der Stromlasten erhöht und es erfolgt ein Rücksprung zu Schritt 500.
Die Schritte 501 bis 505 entsprechen dabei dem zweiten Vergleichsschritt 203 der 2. Gleichfalls können diese Schritte in eine Beobachtervorrichtung 302 implementiert werden, wie sie in 3 dargestellt ist.
In 8 sind die Verfahrensschritte aus den 4 und 5 noch einmal im Zusammenhang dargestellt, so dass im Wesentlichen auf die obige Beschreibung Bezug genommen werden kann.
Allerdings wird hier nach Schritt 404 noch eine weitere Prüfung im Schritt 415 durchgeführt, nämlich ob C = 2 ist. Wenn dies der Fall ist, wird im Schritt 416 eine weitere Prüfung durchgeführt, ob die Bedingung Uk(0) – Uk(1) < Lw erfüllt ist. Wenn das der Fall ist, dann wird die Variabel W für das Fenster erhöht: W = Cmin + 5. Anschließend erfolgt – genau wie im Fall, dass die Bedingung im Schritte 416 nicht erfüllt ist – ein Rücksprung zu Schritt 405. Mit diesen Zusatzschritten 415, 416, 417 ist es möglich, eine stark passivierte Batterie von einer wirklich entladenden Batterie zu unterscheiden, um dem Nutzer schnell und zuverlässig eine Rückmeldung zu geben.
Bezugszeichenliste

10: Batterie
12: Betriebszustandsflag (Ja / Nein)
101: Lastanlegeschritt
102: Vergleichsschritt
103: Abschlussschritt
201: Lastanlegeschritt
202: erster Vergleichsschritt
203: zweiter Vergleichsschritt
204: Abschlussschritt
301: Regelvorrichtung
302: Beobachtervorrichtung
303: Entscheidungsvorrichtung
304: Rechenwerk
C: Anzahl der Stromlasten pro Messzyklus
Cmin: Minimale Anzahl der Stromlasten
Cmax: Maximale Anzahl der Stromlasten
du(t): Antwortsignal, Spannungsabfall unter Last
ddu(t): Änderungsgröße
ddU: Änderungsgröße (Momentanwert)
L: Abbruchkriterium
LAST: Strom-Testlast
N: Stromstärke-Level
Ngood: Anzahl des mindestens zu erreichenden Strom-Test Levels
Nmax: maximaler Stromstärke-Level
Nmin: minimaler Stromstärke-Level
NBat: Batterielevel
u(t): Antwortsignal, Spannung
U₀: Spannung zu Beginn des Verfahrens
U_GOOD: Gutspannung
U_LOW: Minimalspannung
Uk(C): Spannung für den jeweiligen Stromstärke-Level
W: Anzahl der Messzyklen

Claims

Verfahren zur Depassivierung einer Lithium-Thionyl-Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens eine Strom-Testlast (LAST) an eine Elektrode der Batterie (10) angelegt wird (101), wobei die Form, Größe und / oder die Zeitpunkte des Anlegens der mindestens einen Strom-Testlast (LAST) in Abhängigkeit von einer Messung eines zeitabhängigen Antwortsignals (u(t), du(t)) an der Batterie (10) erfolgt und Energie der Strom-Testlast (LAST) der Batterie (10) selbst entnommen wird, b) ein Vergleich des Antwortsignals (u(t), du(t)) der Batterie (10) auf die mindestens eines Strom-Testlast (LAST), mit mindestens einem vordefinierten Kriterium (102) erfolgt und anschließend die c) Herstellung des Betriebszustandes (12) oder die Abgabe einer Fehlermeldung in Abhängigkeit von der Erfüllung des mindestens einen Kriteriums (103) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom-Testlast (LAST) mindestens eine Impuls-Last einer Stromgröße, mindestens eine Sprung-Last einer Stromgröße, ein Wechselsignal einer Stromgröße und / oder mindestens eine Anstiegs-Last einer Stromgröße aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwortsignal (du(t)) der Batterie (10), die Differenz der Antwort auf zwei Impuls-Lasten, eine vorbestimmte Anzahl von Strom-Testlasten, ein Level der angelegten Strom-Testlasten (LAST) und / oder eine Unterschreitung eines Mindestwertes für eine Differenz von Spannungsabfällen ermittelt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kriterium mindestens eine zeitliche Komponente, insbesondere den Ablauf einer voreingestellten Mindest- oder Maximaldauer, mindestens eine Lastkomponente, die sich auf Strom-Testlast (LAST) und / oder mindestens eine Antwortkomponente, die sich auf das Antwortsignal (du(t)) bezieht aufweist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ein erstes Kriterium geprüft wird, ob der Ablauf einer vorbestimmten Zeit, eine vorbestimmte Anzahl von Zyklen des Anlegens der Strom-Testlast (LAST) und / oder ein vorbestimmter Wert oder Verlauf für das Antwortsignal (du(t)) erreicht ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Antwortsignal (u(t), dU(t)) der Batterie (10) eine Änderungsgröße (ddu(t)), insbesondere eine Differenz (ddu(t)) zweier Spannungsabfälle, aus dem Antwortsignal (du(t)) berechnet wird: ddu(t₂) = du(t₂) – du(t₁).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als ein zweites Kriterium geprüft wird, ob die zeitliche Änderungsgröße (ddu(t)) einen bestimmten Schwellenwert (X) erreicht hat und / oder eine vorbestimmte Zeit (T) abgelaufen ist.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Erfüllung des mindestens einen Kriteriums, insbesondere des ersten Kriteriums und / oder des zweiten Kriteriums, die Herstellung des Betriebszustandes (12) erfolgt oder eine Fehlermeldung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Betriebszustandes (12) oder die Erzeugung der Fehlermeldung in Abhängigkeit von der Strom-Testlast (LAST) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie für die Durchführung des Depassivierungsverfahrens ausschließlich der Batterie (10) entnommen wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Mittel zur gezielten Anlegung einer Strom-Testlast (LAST) und einem Mittel (301, 302) zur Prüfung mindestens eines Kriteriums.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelvorrichtung (301) für eine Stromgröße, insbesondere eine Spannung, zusätzlich die Steuerung der Strom-Testlast (LAST) übernimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelvorrichtung (301) die Ausgabe der Strom-Testlast (LAST) nach Größe und / oder Zeit steuert, wobei die Energie der Strom-Testlast (LAST) nur aus der Batterie (10) stammt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch eine Beobachtervorrichtung (302) zur Bestimmung einer Änderungsgröße (ddu(t)), insbesondere einer Differenz (ddu(t)), zweier Spannungsabfälle des Antwortsignals (du(t)): ddu(t₂) = du(t₂) – du(t₁).
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese mit einer Gasmesseinrichtung, einem Defibrillator, einem Herzschrittmacher, einer elektrischen Messeinrichtung, insbesondere einem Toll-System, einem Wassermelder, einem Feuermelder, einem Strommelder oder einer Notbeleuchtung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromgrößen-Level (N), insbesondere eine Stromstärke für eine Zeit zwischen 1 ms und 10 Minuten gemessen wird, insbesondere zwischen 1 ms und 30 ms und anschließend für eine vorbestimmte Zeit (T) zwischen 10 ms und 25 min, insbesondere zwischen 75 ms und 500 ms gewartet wird, bis eine weitere Interaktion erfolgt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Vorrichtung autonom durch die Batterie (10) erfolgt.
Batterievorrichtung gekoppelt mit einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Batterievorrichtung für Depassivierung und den weiteren Betrieb der Batterievorrichtung autonom durch die Batterie (10) erfolgt.