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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Defekts bei einem elektrischen Akkumulator.
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Die Bedeutung von Akkumulatoren, also elektrischen Akkumulatoren zur Speicherung elektrischer Energie, als Energiespeicher stieg in den letzten Jahren verstärkt an. Dies gilt insbesondere für Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Die Vorteile solcher, insbesondere Lithium-Ionen-, Akkumulatoren sind: Sie weisen eine hohe Energiedichte auf, dadurch ein geringes Gewicht, eine hohe Zyklenfestigkeit und keinen Memoryeffekt. Die Nachteile dieser, insbesondere der Lithium-Ionen-, Technologie liegen im begrenzten Temperaturbereich, in dem die Akkumulatoren bzw. Zellen eingesetzt werden dürfen. Im Folgenden wird auch allgemein von einem Akkumulator gesprochen, wenn ein elektrischer Akkumulator gemeint ist.
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Insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren reagieren außerdem äußerst empfindlich auf Überladung sowie auf Tiefentladung. Im schlimmsten Fall können interne Kurzschlüsse zu hoher Erwärmung, bis hin zu Bränden führen. Bedingt ist dies hauptsächlich durch den Einsatz von hochreaktivem Lithium.
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Ein wichtiger Sicherheitsaspekt, insbesondere in der Luftfahrt, ist die Forderung, dass ein entsprechender Akkumulator unter keinen Umständen ein Feuer oder ähnliche Defekte während eines Fluges produzieren darf. Das Augenmerk in Bezug auf Lithium-Ionen-Akkumulatoren richtet sich daher immer mehr auf deren Betriebssicherheit.
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Aus der täglichen Praxis ist es bekannt, verschiedene Akkumulatorparameter, z. B. die Ladespannung, den in den Akkumulator fließenden Ladestrom, die Temperatur des Akkumulators oder dessen Innendruck zu überwachen. Bei Überschreitung entsprechender Grenzwerte für die jeweiligen Parameter werden geeignete Maßnahmen eingeleitet, insbesondere die Energiezufuhr zum Akkumulator unterbrochen. So wird zum Beispiel der Akkumulator von einem Ladekreis oder einem Verbraucher getrennt, wenn dieser eine bestimmte Grenztemperatur oder dessen Ladespannung einen bestimmten Spannungswert erreicht. Das bekannte Vorgehen ermöglicht eine gewisse Betriebssicherheit, sowohl bei einem normalen, das heißt nicht defekten Akkumulator als auch bei einem Akkumulator mit Defekt, zum Beispiel einem überalterten Akkumulator. Mit anderen Worten wird zum Beispiel ein Defekt eines Akkumulators erkannt, wenn ein bestimmter Akkumulatorparameter einen gegebenen Grenzwert überschreitet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Erkennung eines Defekts bei einem elektrischen Akkumulator anzugeben.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Akkumulator aufgeladen. Außerdem wird eine Verlaufsgröße für das Aufladen, also den Aufladevorgang, gewählt. Die Verlaufsgröße spiegelt den Verlauf des Aufladens des Akkumulators wieder. Die Verlaufsgröße beschreibt also oder ist ein Maß für das Fortschreiten des Auflagevorgangs des Akkumulators. In einem Verfahrensschritt a) wird während des Aufladens des Akkumulators eine aktuelle Steigung einer Kenngröße des Akkumulators über der Verlaufsgröße ermittelt. Die aktuelle Steigung wird aktuell an einem Verlaufspunkt während des Aufladens ermittelt. Der Verlaufspunkt ist insbesondere ein bestimmter Wert der Verlaufsgröße, zum Beispiel ein Zeitpunkt, wenn die Verlaufsgröße die Zeit ist. Der Verlaufspunkt kann dabei auch ein Intervall der Verlaufsgröße sein, z. B. die Einspeisung einer bestimmten Ladungsmenge in den Akkumulator, wenn die Verlaufsgröße die in den Akkumulator eingespeiste Ladungsmenge ist. Unter eine ”Einspeisung” ist hierbei die Zuführung einer Größe von außen zum Akkumulator zu verstehen, da z. B. eine tatsächlich im Akkumulator gespeicherte Ladungsmenge schwer oder gar nicht bestimmbar ist.
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In einem Verfahrensschritt b) wird anschließend die Steigung anhand eines Auswertekriteriums ausgewertet. Die Auswertung geschieht dahingehend, ob der Akkumulator einen Defekt aufweist. Das Auswertekriterium ist insbesondere ein auf die Steigung angewandtes Prüfkriterium, das zu einer Defekt/kein-Defekt-Entscheidung führt. Insbesondere wird der Wert der Steigung mit einem Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des Grenzwertes ein Defekt festgestellt.
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Die Kenngröße und die Verlaufsgröße sind derart gewählt, dass eine Steigung der Kenngröße über der Verlaufsgröße bei einem Defekt des Akkumulators von einer entsprechenden Steigung bei einem Akkumulator ohne Defekt durch das Auswertekriterium feststellbar ist, z. B. voneinander abweichen.
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Insbesondere ist die Kenngröße eine mit dem Ladezustand des Akkumulators korrelierte Größe und/oder eine mit dem Fortschreiten der Aufladung des Akkumulators korrelierte Größe.
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Die Erfindung beruht auf folgenden Überlegungen:
Ein Akkumulator ist in der Lage, elektrische Energie aufzunehmen und zu speichern, sofern er dafür noch über Kapazität verfügt. Bei einer Überfüllung oder Überladung, wenn der Akkumulator also bezüglich seiner Kapazität zumindest nahezu vollständig mit elektrischer Energie gefüllt ist, wird überschüssige, nicht mehr speicherbare, zugeführte Energie in Wärme umgesetzt. Dadurch steigen in einem Akkumulator die Temperatur und gegebenenfalls auch dessen Innendruck an. Eine rechtzeitige Abtrennung des Akkumulators von der Energiezufuhr, also eine Beendigung des Aufladevorgangs, ist notwendig, um Überhitzung, Brand, Explosion usw. des Akkumulators zu vermeiden.
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Insbesondere kann stressbedingt ein Isolator zwischen Anode und Kathode des Akkumulators im Lauf der Zeit beschädigt werden. Eine entsprechende elektrochemische Reaktion im Akkumulator funktioniert dann nicht mehr richtig. Eine Folge davon ist beispielsweise ein stärkerer Anstieg von Akkumulatorparametern bereits während des Ladevorgangs, insbesondere der Temperatur, gegenüber einem unbeschädigten Akkumulator, also einem solchen ohne Defekt. Die oben genannte und bekannte reine Grenzwertüberwachung von entsprechenden Parametern (Spannung, Temperatur, Druck, ...) funktioniert hierbei nicht mehr zuverlässig. Denn bis die entsprechenden Grenzwerte erreicht werden, ist es unter Umständen schon zu spät, da zu viel Energie bereits in den Akkumulator gelangt ist.
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Die Erfindung beruht daher auf der Idee, bereits während des Aufladens des Akkumulators nicht nur zu überwachende Werte statisch auf das Überschreiten von Grenzwerten zu überprüfen, sondern dynamisches Verhalten des Akkumulators auszuwerten. Entspricht das dynamische Verhalten des Akkumulators nicht einem bekannt richtigen beziehungsweise erwarteten Verhalten, werden entsprechende Maßnahmen eingeleitet, insbesondere der Defekt des Akkumulators erkannt.
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Gemäß der Erfindung wird daher nicht nur der aktuelle Wert der Kenngröße selbst, sondern deren Steigung über der Verlaufsgröße ermittelt und die Steigung auf Hinweise bezüglich eines Defektes untersucht. Hierzu wird ein geeignetes Auswertekriterium verwendet. Die Verlaufsgröße spiegelt dabei das Fortschreiten der Energieaufladung des Akkumulators wieder. Zum Beispiel indem diese die während des Aufladens verstreichende Zeit, die in den Akkumulator zugeführte Ladungsmenge, den zugeführten Ladestrom, ein Ansteigen der Ladespannung oder Ähnliches wiederspiegelt. Die ermittelte Steigung bildet also insbesondere ein Verhältnis zwischen der Veränderung der Kenngröße und der Veränderung der Energieaufladung. Dieses Verhältnis ist ein Indikator für den „Gesundheits-„ beziehungsweise Defektzustand des Akkumulators. Im Rahmen des Auswertekriteriums wird beispielsweise eine Abweichung der Steigung von für unbeschädigte (ohne Defekt) Akkumulatoren typischen Werten überwacht. Bei einer zu starken Abweichung, das heißt Überschreitung eines Grenzwertes, werden Maßnahmen zur Verhinderung weiterer Energiezufuhr notwendig beziehungsweise ausgelöst, jedenfalls ein Defekt des Akkumulators erkannt.
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Das Auswertekriterium kann hierbei während des Verlaufs der Aufladung variieren. Z. B. weist ein Aufladevorgang für einen bekannt guten Akkumulator – unter ”bekannt gut” ist hierbei ein Akkumulator ohne Defekt zu verstehen – andere typische Steigungswerte für bestimmte Kenngrößen zu Beginn als bei weiter fortgeschrittenem Aufladevorgang auf.
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Gegenüber dem bekannten Verfahren ergibt sich also der Vorteil, dass während des Aufladens nicht nur das Erreichen eines bestimmten augenblicklichen z. B. Spannungs-, Temperatur- oder Druckwertes überwacht wird, sondern bereits eine ungewöhnliche Veränderung, das heißt ein ungewöhnlicher Anstieg oder Abfall einer entsprechenden Größe, im Vergleich zu einem für einen intakten Akkumulator bekannten Anstieg oder Abfall der entsprechenden Größe erkannt wird, lange bevor ein entsprechend kritischer Grenzwert erreicht wird. Somit ist eine deutlich frühere Erkennung des Defekts und damit eine deutlich frühere Einleitung von Gegenmaßnahmen beziehungsweise Schutzmaßnahmen für den Akkumulator ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung ist also eine vorzeitige Erkennung eines beschädigten Akkumulators, d. h. eines Akkumulators mit Defekt, möglich. Das Verhältnis zwischen einer Veränderung von Parameterwerten und der Veränderung der Energieaufladung bzw. Energiezuladung gibt Auskunft über den Zustand des Akkumulators. Ein beschädigter Akkumulator kann dadurch vorzeitig erkannt werden. Durch die vorzeitige Erkennung des Defekts können Gegenmaßnahmen eingeleitet werden und eine Zerstörung des Akkumulators verhindert werden. So ergibt sich eine Erhöhung der Betriebssicherheit.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird als Auswertekriterium die Steigung auf einen Grenzwert hin überprüft und ein Defekt erkannt, wenn der Grenzwert überschritten ist. Unter eine Überschreitung ist hierbei ein Überschreiten in beide Richtungen, das heißt zu größeren oder kleineren Werten hin zu verstehen, je nachdem ob es sich beim Grenzwert um eine Unter- oder Obergrenze für die entsprechende Steigung handelt. Die Grenzwerte können hierbei während des Verlaufs der Aufladung variieren, so sind z. B. am Beginn eines Ladevorgangs stärkere Steigungen bestimmter Kenngrößen über der Zeit möglich und erlaubt als zu einem späteren Zeitpunkt der Aufladung.
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Eine Überwachung auf Grenzwerte ist als besonders einfaches Auswertekriterium implementierbar.
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In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird der Grenzwert als tolerierbarer Abstand von einem typischen Wert der Steigung gewählt. Ein typischer Wert ist ein solcher, der bei einem Ladevorgang eines durchschnittlichen bekannt guten Akkumulators vorliegt. Tolerierbare Abstände erlauben Schwankungen der Steigungen für individuelle Akkumulatoren ohne Defekte. Mit anderen Worten ist für eine gegebene Kombination aus Kenngröße und Verlaufsgröße ein typischer Wert für eine Steigung bekannt, welcher bei bekannt guten Akkumulatoren in der Regel erreicht wird. Der typische Wert kann hierbei auch ein Wertebereich sein. In bekannter und nicht näher erläuterter Weise wird daher zum Wert beziehungsweise Wertebereich ein entsprechendes Toleranzband hinzugefügt und Grenzwerte an den entsprechenden Grenzen der Toleranzbänder definiert. Die Überschreitung der betreffenden Grenzwerte wird dann überwacht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Verfahrensschritte a) und b) während des Aufladens wiederholt, insbesondere in regelmäßigen Intervallen, ausgeführt. Ein Intervall ist hier beispielsweise ein Zeitintervall oder ein Intervall einer eingespeisten Ladungsmenge. Die Wiederholung erfolgt insbesondere zyklisch bezüglich der Verlaufsgröße, zum Beispiel in zyklischen Zeitintervallen oder pro gleichen dem Akkumulator zugeführten Ladungsmengen. Somit ist eine permanente, insbesondere zyklische und dauerhafte, Überwachung des Aufladevorgangs des Akkumulators mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht.
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In einer Variante dieser Ausführungsform werden die Schritte a) und b) in den oben genannten regelmäßigen Intervallen ausgeführt. Ein regelmäßiges Intervall ist beispielsweise eine Ausführung einmal pro 1, 2, 3, 5 oder 10, usw. Sekunden, Minuten oder Stunden oder einmal pro eingespeister dem Akkumulator zugeführter 1, 2, 3, 5, 10 usw. Amperesekunden oder Milliamperesekunden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Steigung als Differenzenquotient der Kenngröße zur Verlaufsgröße ermittelt. Mit anderen Worten werden zu zwei Zeitpunkten oder Punkten oder in einem Intervall der Verlaufsgröße deren Werte, also Start- und Endwert, voneinander subtrahiert. Entsprechend, insbesondere gleichzeitig werden zwei zugehörige Werte der Kenngröße ermittelt und auch subtrahiert. Die beiden Differenzen werden als Differenzenquotient mit der Kenngröße im Zähler und der Verlaufsgröße im Nenner ausgewertet.
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Ein Differenzenquotient lässt sich z. B. im Vergleich zu einer differenziellen Steigung, besonders einfach ermitteln.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Kenngröße die Ladespannung am Akkumulator, der in den Akkumulator führende Ladestrom, der Innenwiderstand des Akkumulators, der Innendruck des Akkumulators oder die Temperatur des Akkumulators gewählt.
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Die entsprechenden Größen bieten sich alle für ein entsprechendes Überwachungsverfahren zur Erkennung eines Akkumulatordefekts an und sind besonders aussagekräftig.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Verlaufsgröße die Zeit oder die beim Aufladen dem Akkumulator zugeführte Ladungsmenge gewählt. Auch diese beiden Größen bieten sich besonders als Verlaufsgrößen an, da diese besonders gut den Verlauf der Aufladung des Akkumulators widerspiegeln bzw. ein Maß für diese darstellen. Die dem Akkumulator zugeführte Ladungsmenge lässt sich besonders einfach durch externe Größen am Akkumulator, nämlich den in den Akkumulator gespeisten Strom und die entsprechende Akkumulatorspannung ermitteln.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Akkumulator ein Lithium-Ionen-Akkumulator verwendet beziehungsweise aufgeladen. Insbesondere für Lithium-Ionen-Akkumulatoren ist eine besonders zuverlässige Überwachung auf Defekte notwendig, wie oben erläutert wurde. Da wie oben erläutert die bekannte statische Grenzwertüberwachung oft erst zu einem zu späten Zeitpunkt erfolgt, bietet das erfindungsgemäße Verfahren gerade hier besondere Vorteile, da der Defekt durch die dynamische Überwachung – nämlich eines Maßes der Veränderung der Kenngröße in Form der Steigung – frühzeitig erkannt werden kann, bevor eine nachträgliche Zerstörung beziehungsweise ein Brand des Akkumulators stattfindet.
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Weitere Merkmale, Wirkungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Dabei zeigen in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 Verlaufskurven von Kenngrößen für beispielhafte Ladevorgänge an einem bekannt guten und defekten Akkumulator.
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1 zeigt für beispielhafte Ladevorgänge eines nicht dargestellten Lithium-Ionen-Akkumulators den Verlauf verschiedener Kenngrößen K über der Zeit. Die Zeit t in Stunden ist im Diagramm auf der Abszisse angetragen und bildet die Verlaufsgröße VL für das erfindungsgemäße Verfahren. Ab der Zeit t = t0 = 0,1 h wird der nicht dargestellte Akkumulator durch Zuführung eines Ladestromes I aufgeladen. Der Ladestrom ist hierbei seitens der Aufladung bzw. eines nicht dargestellten Ladegerätes auf maximal 4 A begrenzt und im Diagramm auf der Ordinate in Ampere angetragen.
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Am Akkumulator stellt sich daraufhin eine Spannung U in Volt und eine Temperatur T in °C ein. Beide Größen sind als Kenngrößen K für das erfindungsgemäße Verfahren im Diagramm ebenfalls auf der Ordinate eingetragen.
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Die gestrichelten Linien zeigen zunächst einen Verlauf der Kenngrößen K für einen unbeschädigten, d. h. bekannt guten Akkumulator, das heißt einen solchen ohne Defekt. Im Verlauf von etwa 0,65 h steigt während des Ladevorgangs die Temperatur T von ca. 23°C auf ca. 28°C an. Der Ladestrom I steigt zunächst auf die vorgegebenen maximal 4 A an und fällt ab ca. t = 0,38 h kontinuierlich bis auf nahezu 0 A ab, wenn der Akkumulator voll geladen ist. Die Akkumulatorspannung steigt zunächst schnell, dann immer weniger schnell von ca. 2,4 V auf ca. 3,5 V an.
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In einem Überwachungsverfahren gemäß Stand der Technik werden die dargestellten Kenngrößen auf jeweilige statische Grenzwerte hin überwacht. Der Grenzwert für die Spannung beträgt Umax = 3,7 Volt, welcher beim defektfreiem Akku niemals erreicht wird. Für die Temperatur ist ein Grenzwert von Tmax = 120°C angegeben, welcher ebenfalls nicht erreicht wird.
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In 1 als durchgezogene Linien dargestellt sind Zeitverläufe der Kennwerte bei einem Akkumulator mit Defekt. Zu erkennen ist, wie ab etwa t = 0,55 h der Ladestrom nach einem nahezu regulären Abfall wieder auf seinen Maximalwert von 4 Ampere ansteigt. Zu erkennen ist auch, wie die Spannung U zunächst unterhalb der erwarteten Kurve verläuft und ab ca. t = 0,25 Stunden zu steigen beginnt, sich jedoch dann der Kurve des unbeschädigten Akkus annähert, ab ca. 0,55 Stunden jedoch wieder abfällt. Die Temperatur des Akkumulators steigt ab ca. 0,35 Stunden stark und ab ca. 0,55 Stunden sehr stark an.
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Auch hier werden die Grenzwerte Umax und Tmax gemäß Stand der Technik nicht erreicht, obschon der Akkumulator stark abweichendes Verhalten zeigt. Ein Defekt wäre also nicht erkannt worden.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden nun nicht die oben genannten Grenzwerte überwacht, sondern jeweilige Steigungen S der Kenngrößen U und T über der Verlaufsgröße t ermittelt und diese Steigungen S mit Hilfe eines Auswertekriteriums ausgewertet.
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Als Auswertekriterium werden ausgehen von den gestrichelt dargestellten typischen Werten Toleranzen addiert und als Grenzwerte definiert. Mit anderen Worten werden als Grenzwerte also die jeweiligen bekannt guten Steigungen S der Verlaufskurven von U und T für den ordnungsgemäßen Akkumulator gewählt und mit einer entsprechenden Toleranzgrenze versehen bzw. erhöht. Es ergeben sich die beispielhaft eingezeichneten Grenz-Steigungen Gu1, 2, 3 für die Spannung U und Gt1, 2, 4 für die Temperatur T. Da die Temperatur als Kenngröße permanent nahezu gleichmäßig ansteigt, ist für die gesamte dargestellte Zeitspanne die gleiche Grenzsteigung Gt1 = Gt2 = Gt3 definiert. Diese Grenzsteigung wird zum Zeitpunkt t4 = 0,35 h von der tatsächlichen bzw. aktuellen Steigung At4 der Temperatur T über der Zeit t erreicht beziehungsweise überschritten, sodass zu diesem Zeitpunkt ein Defekt des Akkumulators erkannt wird.
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Im Beispiel beträgt die tatsächliche Steigung der Temperatur T für einen bekannt guten Akkumulator S = 28°C–23°C/0,65 h = 7,69°C/h. Die Toleranzgrenze beträgt 100°C/h, so dass sich die jeweilige Grenzsteigung Gt1 = Gt2 = Gt3 zu 107,69°C/h ergibt.
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Da die Spannung U über der Zeit t bereits beim regulären Akkumulator verschiedene Steigungen S aufweist, ist auch die jeweilige Grenzsteigung in Abhängigkeit der Zeit t bzw. des Fortschreitens des Ladevorgangs veränderlich. Beispielhafte Grenzsteigungen sind für die Zeitpunkte t1 = 0,25 h als Gu1, t2 = 0,5 h als Gu2 und t3 = 0,28 h als Gu3 eingetragen. Zu keinem der Zeitpunkte t1 oder t2 erreicht die tatsächliche Steigung der Spannung U die entsprechenden Grenzsteigungen. Zum Zeitpunkt t3 = 0,28 Stunden erreicht die aktuelle Steigung Au3 der Spannung den Grenzwert GU3. Zu diesem Zeitpunkt wird damit anhand der Kenngröße K der Spannung U ebenfalls ein Defekt im Akkumulator diagnostiziert. Zu keinem dieser Zeitpunkte sind die Grenzwerte gemäß Stand der Technik erreicht, sodass die entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen in diesem Fall nicht gegriffen hätten.
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Im Beispiel werden die Verfahrensschritte a) und b) zyklisch alle Δt = 0,01 h in regelmäßigen Intervallen ausgeführt. Die entsprechenden Steigungen S werden als Differenzenquotienten ermittelt, wobei die Kennwerte K zum Zeitpunkt t und zum Zeitpunkt t – 1 Sekunde ermittelt werden und die Differenz der Verlaufsgröße t damit 1 Sekunde beträgt.
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In einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform werden die Kenngrößen K nicht über der Zeit t, sondern über der in den Akkumulator gespeisten Ladungsmenge Q als Verlaufsgröße VL dargestellt. Diese berechnet sich zu Q = ∫ t / t0I(τ)dτ . Alternative nicht dargestellte Kenngrößen sind außerdem der Innenwiderstand Ri oder der Innendruck pi des Akkumulators.
- VL
- Verlaufsgröße
- K
- Kenngröße
- S
- Steigung
- t
- Zeit
- Δt
- Intervall
- T
- Temperatur
- I
- Strom
- U
- Spannung
- Ri
- Innenwiderstand
- pi
- Innendruck
- Q
- Ladungsmenge
- Au3, At4
- aktuelle Steigung
- Gu1, Gt1, ...
- Grenzwert
