DE102016201026B4

DE102016201026B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Restkapazität einer Blei-Säure-Batterie

Info

Publication number: DE102016201026B4
Application number: DE102016201026.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Hollas; Eugen Getzinger; Ingo Metge
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: CN106997026B; DE102016201026A1; CN106997026A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie (2) durch eine Impedanzmessung bei einer Frequenz, umfassend die Schritte:a) Bereitstellen einer Batterie (2) mit bekannter Nennkapazität, mit bekannter Temperatur und bekanntem Zeitpunkt nach letztem Lade-/Entladevorgang (2),b) Ermitteln eines Impedanzwertes (Z) bei genau einer Frequenz f,c) Ermitteln von zwei Auswertegrößen anhand der genau einen ermittelten Impedanz (Z), wobei als Auswertegrößen der Imaginärteil (Z“) und der Phasenwinkel (φ) bestimmt werden,d) Bestimmen eines SOH-Wertes der Batterie (2) anhand eines Vergleichs des Imaginärteils (Z“) mit mindestens einem Referenzwert,e) Bestimmen eines SOC-Wertes der Batterie (2) anhand eines Vergleichs des Phasenwinkels (φ) mit mindestens einem Referenzwert undf) Bestimmen der Restkapazität aus dem bestimmten SOH-Wert und dem bestimmten SOC-Wert unter Berücksichtigung der Nennkapazität der Batterie (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Restkapazität einer Blei-Säure-Batterie.
Die Kenntnis von Zustandsgrößen einer Batterie ist äußerst wichtig, beispielsweise um Betriebsstrategien und/oder deren Austausch festzulegen. Zunächst sollen daher einige Batteriekenngrößen kurz erläutert bzw. definiert werden.
Die Kapazität einer Batterie ist temperaturabhängig und wird in der Einheit Amperestunde [Ah] angegeben. Sie wird durch Entladung mit dem definierten Strom I₂₀= Nennkapazität/20 [A] bis zum Abschaltkriterium von U = 10,5 V bestimmt. (siehe auch DIN EN 50342-1). Im Folgenden werden definiert:
Nennkapazität K₂₀: Stellt die nominale Kapazität dar, die der Hersteller angibt. Sie ist die mindestens enthaltene Kapazität in [Ah], die in einer neuen Batterie gespeichert ist und bei zwanzigstündiger Entladung mit dem definierten Strom I₂₀ bei einer Temperatur von $T = (27_{- 2}^{+ 0}) ° C$
bis zum Abschaltkriterium von U = 10,5 V bereitgestellt werden kann.
Istkapazität K_IST: Bezeichnet die maximale Kapazität in [Ah] im aktuellen Alterungszustand der Batterie bei $T = (27_{- 2}^{+ 0}) ° C .$
Restkapazität K_REST: Die Restkapazität stellt die Kapazität in [Ah] dar, die im aktuellen Ladungs- und Alterungszustand (Betriebszustand) bei $T = (27_{- 2}^{+ 0}) ° C$
vorliegt. Sie ist kleiner oder gleich der Istkapazität.
Der Ladungszustand (SOC, State-of-Charge) einer Batterie ist wie folgt definiert: $SOC = \frac{K_{R E S T}}{K_{I S T}} \cdot 100 %$
Die Definition des Gesundheitszustands (SOH, State-of-Health) einer Batterie lautet: $SOH = \frac{K_{I S T}}{K_{20}} \cdot 100 %$
Der SOC kann maximal 100 % betragen, da K_IST die maximale Kapazität darstellt, wobei der Wert des SOHs > 100 % betragen kann, da die maximal mögliche Kapazität K_IST einer neuen Batterie meist die vom Hersteller angegebene Nennkapazität K₂₀ übersteigt.
Zur Bestimmung der Restkapazität ohne Entladung müssen SOC und SOH bekannt sein. $K_{REST} = SOC \cdot SOH \cdot K_{20}$
Alterungseffekte von Blei-Säure-Batterien stellen irreversible Schäden dar, die sich negativ auf Bauteilfunktion und SOH auswirken. Der Verlust an aktiver Masse bewirkt beispielsweise eine geringere Istkapazität der Batterie und somit eine geringere Energiemenge, die in der Batterie gespeichert werden kann. Verursacht wird der Verlust der Istkapazität durch die zyklische Belastung der Batterie sowie durch Korrosion. Korrosion wird insbesondere durch längere Verweilzeit der Batterie in geringem Ladezustand insbesondere bei hohen Temperaturen begünstigt. Die Folgen der Alterung durch Zyklisierung und Korrosion sind beispielsweise Abschlammung, Oberflächensulfatierung und Bruch von Stegen des stromableitenden Gitters der positiven Elektroden. Eine kostengünstige, schnelle und zuverlässige Bestimmung der aktuellen Restkapazität einer Batterie ist für den Einsatz im Industrie- und Konsumbereich von großer Bedeutung, insbesondere wenn die Batterie nur im Notfall Sicherheitssysteme einer Anlage oder eines Fahrzeuges versorgen muss. Übernimmt die Batterie keine weiteren Funktionen ist eine Überprüfung ihrer aktuellen Leistungsfähigkeit aufgrund der fehlenden, nicht bewertbaren Historie des Verhaltens unter Belastung bislang sehr unsicher oder zeit- und kostenintensiv.
Aus der DE 102 20 172 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes einer elektrochemischen Vorrichtung bekannt, bei dem mit Hilfe einer Messeinrichtung an Anschlüssen der elektrochemischen Vorrichtung eine Impedanz gemessen wird, wobei in einer Auswerteeinrichtung der Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung anhand der Größe eines Imaginärteils der gemessenen Impedanz überwacht wird. Dabei werden vorzugsweise Impedanzen bei wenigstens zwei Frequenzen gemessen. Durch die Messung der Impedanzen bei wenigstens zwei Frequenzen kann eine Ortskurve der elektrochemischen Vorrichtung aufgenommen werden, die einen für den jeweiligen Betriebszustand charakteristischen Verlauf zeigt. Durch Auswerten der Impedanzen der Ortskurve bei verschiedenen Frequenzen kann dann auf den Betriebszustand der elektrochemischen Vorrichtung geschlossen werden. Dabei wird die Ortskurve vorzugsweise an den Stellen analysiert oder ausgewertet, an denen sich die Ortskurve auf eine für die jeweiligen Betriebszustände charakteristische Art und Weise ändert.
Aus der DE 10 2009 000 337 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung eines Alterungszustandes einer Batteriezelle bekannt, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Batteriezelle,
b) Aufnehmen eines Impedanzspektrums der Batteriezelle,
c) Ermitteln einer Auswertegröße anhand des gemessenen Impedanzspektrums,
d) Bestimmen eines Alterungszustandes der Batteriezelle anhand eines Vergleichs der Auswertegröße mit einem Referenzwert und Übertragung des Ergebnisses für eine Zelle auf die gesamte Batterie, wobei mögliche Unterschiede des Alterungszustandes einzelner Zellen unberücksichtigt bleiben

Die Auswertegröße A wird dabei durch Aufnahme von mindestens zwei Impedanzen oder eines Impedanzspektrums ermittelt. Dabei ist vorzugsweise die Auswertegröße der Betrag der gemessenen Impedanz in Ohm bei einer bestimmten Niederfrequenz und der Referenzwert eine reelle Zahl mit der Einheit Ohm. Als Niederfrequenz kann dabei jede Frequenz ≤ 10 Hz, bevorzugt ≤ 1 Hz, sein. Besonders bevorzugt wird eine Frequenz aus dem Bereich 0,1 Hz bis 0,3 Hz. Dabei wird in der Druckschrift die prinzipielle Anwendung für alle gebräuchlichen Akkumulatortechnologien beschrieben.
Allerdings hat sich in praktischen Versuchen ergeben, dass die SOH-Bestimmung bei Blei-Säure-Batterien mit den vorgeschlagenen Verfahrensschritten nicht zu befriedigenden Ergebnissen führt. Dabei ist anzumerken, dass das beschriebene Verfahren aus DE 10 2009 000 337 A1 keinen SOH als Ergebnis bereitstellt, da der SOH zu $\frac{K_{I S T}}{K_{20}} \cdot 100 %$
definiert ist. Es wird vielmehr eine restliche Lebenszeit in Tagen angegeben, die vom Ladungszustand (SOC) und der Temperatur abhängt.
Aus der DE 692 29 805 T2 ist ein Verfahren zur Bestimmung der verbleibenden Kapazität einer Akkumulatorzelle bekannt. Dabei werden mindestens zwei Impedanzen der Zelle gemessen, wobei jede der Impedanzen mit einer verschiedenen Frequenz in einem ungefähren Bereich von 0,001 bis 1,0 Hz gemessen wird. Dabei wird eine ungefähre Steigung einer durch die Erfassungen des Imaginärteils der Impedanz als Funktion des Realteils der Impedanz definierten Linie. Die verbleibende Kapazität der Zelle wird durch Vergleich der bestimmten Steigung mit einer Eichkurve der Steigung als Funktion der verbleibenden Kapazität bestimmt, wobei die Eichkurve durch Messen für mindestens zwei Zellen bekannter Kapazität mit verschiedenen Werten der verbleibenden Kapazität mindestens zwei Impedanzen je Zelle bei verschiedenen Frequenzen gemessen wird. Die Frequenzen liegen dabei wieder im Bereich zwischen 0,001 bis 1,0 Hz.
Aus der US 2003/0074335 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung des SOH-Wertes einer Nickel-Metall-Hydrid-Batterie bekannt, wobei mindestens ein Impedanz-Wert erfasst wird und mittels eines Fuzzy-Systems dem Impedanz-Wert ein SOH-Wert zugeordnet wird.
Aus der US 2 984 762 A ist ein Verfahren zur Bestimmung des SOC-Wertes einer Batterie bekannt, wobei der Phasenwinkel einer Impedanz der Batterie hierzu ausgewertet wird.
Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein einfaches, robustes und kostengünstiges Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität einer Blei-Säure-Batterie zur Verfügung zu stellen sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung zu schaffen.
Die Lösungen des technischen Problems ergeben sich durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität umfasst die Verfahrensschritte des Bereitstellens einer Blei-Säure-Batterie mit bekannter Temperatur und bekanntem Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung sowie des Ermittelns genau eines Impedanzwertes bei genau einer Frequenz f. Aus der ermittelten Impedanz wird der Imaginärteil der Impedanz als Auswertegröße ermittelt, wobei die Bestimmung eines SOH-Wertes der Batterie anhand eines Vergleichs der Auswertegröße mit mindestens einem Referenzwert erfolgt. Dabei wird ausgenutzt, dass Untersuchungen gezeigt haben, dass sich der Realteil der Impedanz insbesondere von Blei-Säure-Batterien in Abhängigkeit vom SOH-Wert nicht-linear verändert und daher messtechnisch nur schwer auswertbar ist. Dies führt dazu, dass auch bei Auswertungen der Gesamtimpedanz die Unterschiede durch den schlecht differenzierenden Realteil abgeschwächt werden. Erfindungsgemäß wird die Unterscheidung an dem sehr viel prägnanteren Imaginärteil vorgenommen, was eine signifikante Verbesserung bei der Bestimmung der SOH-Werte bewirkt. Vorzugsweise erfolgt der Vergleich mit mehreren Referenzwerten, um den SOH-Wert möglichst genau zu bestimmen. Die Referenzwerte werden dabei empirisch bestimmt und abgelegt und zur Definition von SOH-Bereichen zusammengefasst. Der Begriff SOH-Wert oder SOC-Wert soll daher auch einen Bereich wie beispielsweise SOC = 60 - 70 % umfassen, wenn nicht aus dem Kontext hervorgeht, dass genau ein Wert gemeint ist, wie beispielsweise SOC = 100 %. Liegt dann beispielsweise ein Imaginärteil Z“ zwischen zwei Referenzwerten, so wird diesem ein SOH-Bereich zugeordnet. Dabei ist zu beachten, dass die Referenzwerte bei vergleichbaren Bedingungen aufgenommen werden wie die Imaginärteile zur Bestimmung des SOH-Bereiches eines Prüflings. So ist beispielsweise die Impedanz und auch deren Imaginärteil von der Temperatur, dem Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung der Batterie und von der Frequenz abhängig. Die Frequenz kann dabei sehr einfach konstant gehalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren der SOH-Bestimmung erweist sich in dem bevorzugten Frequenzbereich von f < 10 Hz als unabhängig vom SOC, sodass hauptsächlich Temperatur und Zeitpunkt nach letzter Ladung/Entladung zu berücksichtigen sind. Dies kann auch durch Korrekturterme erfolgen. Bevorzugt wird die Probe bei der gleichen Temperatur wie die Referenz vermessen. Ferner erfolgen die Vermessung der Probe und der Referenz bevorzugt im Ruhezustand der Batterie, d.h. min. 0,5 Stunden, bevorzugt 5 bis 12 Stunden, nach letzter Ladung/Entladung. Als Ruhezustand einer Blei-Säure-Batterie wird die Abwesenheit signifikanter Diffusionsprozesse, die unmittelbar nach Lade-/ Entladevorgängen über min. 0,5 Stunden aufgrund von Säuredichteunterschieden in den Elektroden und im freien Elektrolyten ablaufen, definiert.
Zur Bestimmung des SOC der Batterie wird bei der gleichen Frequenz der Phasenwinkel φ der gemessenen Impedanz als weitere Auswertegröße ermittelt und mit mindestens einem Referenzwert verglichen und ein SOC-Wert zugeordnet. Auch hier gilt, dass vorzugsweise mehrere Referenzwerte vorhanden sind, denen jeweils ein SOC-Bereich zugeordnet ist.
Mittels der so bestimmten SOH- und SOC-Werte kann dann unter Berücksichtigung der bekannten Nennkapazität die Restkapazität bestimmt werden. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass keine frequenzvariable Strom- oder Spannungsquelle zur Verfügung gestellt werden muss und auch keine Steigungen oder Ortskurven ermittelt werden müssen. Dies vereinfacht sowohl den Aufbau als auch den Rechenaufwand. Daher kann das Verfahren bzw. die Vorrichtung auch on-board in einem Kraftfahrzeug zur Bestimmung der Restkapazität einer Batterie eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform wird als Vorschritt der Imaginärteil der Impedanz bei der bestimmten Frequenz f mit einem Schwellwert verglichen. Unterschreitet der negative Imaginärteil den Schwellwert, so liegt der SOC bei 100 %. Bei einer bevorzugten Frequenz von f = 10 mHz liegt der Schwellwert bei Blei-Säure-Batterien beispielsweise bei „-0,14 mΩ“. Wird die bestimmte Frequenz so gewählt, dass diese kleiner als f = 10 mHz ist, wird ein kleinerer Schwellwert definiert. Wird der Schwellwert hingegen nicht unterschritten, so wird nachfolgend der SOC über Auswertung des Phasenwinkels φ bestimmt.
In einer Ausführungsform ist die Frequenz f kleiner als 10 Hz, da oberhalb dieser Frequenz auch die Unterschiede im Imaginärteil sehr gering sind.
Dabei hat sich gezeigt, dass die Unterschiede im Imaginärteil mit sinkender Frequenz prägnanter werden. Allerdings nimmt dann entsprechend die Messzeit zu. Daher wird in einer Ausführungsform die Frequenz f kleiner als 50 mHz und größer als 0,1 mHz gewählt, besonders bevorzugt 10 mHz.
Die Vorrichtung umfasst hierzu eine Wechselspannungs- oder -stromquelle, mittels derer eine Spannung oder ein Strom auf die Blei-Säure-Batterie aufprägbar ist, wobei die Aufprägung eines Stromes bevorzugt wird. Die Wechselspannung oder der Wechselstrom ist dabei vorzugsweise sinusförmig. Weiter umfasst die Vorrichtung Mittel zur phasengerechten Erfassung von Spannung und Strom sowie eine Auswerteeinheit, wobei diese derart ausgebildet ist, dass diese aus Spannung und Strom die Impedanz und daraus den Imaginärteil und den Phasenwinkel als Auswertegrößen ermittelt. Weiter ist die Auswerteeinheit derart ausgebildet, dass durch Vergleich der Auswertegrößen mit jeweils mindestens einem Referenzwert ein SOH- und SOC-Wert bestimmt werden. Mittels des SOH- und SOC-Wertes sowie der Nennkapazität ermittelt dann die Auswerteeinheit eine Restkapazität der Batterie.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 ein schematisches Blockschaltbild zur Ermittlung einer Impedanz einer Blei-Säure-Batterie,
2 ein elektrisches Ersatzschaltbild einer Blei-Säure-Batterie,
3 einen beispielhaften Verlauf der Impedanz (Nyquist-Diagramm) einer Blei-Säure- Batterie,
4 eine Darstellung des Verlaufs des Realteils über der Frequenz für unterschiedliche SOH-Werte bzw. Istkapazitäten,
5 eine Darstellung des Verlaufs des Imaginärteils über der Frequenz für unterschiedliche SOH-Werte bzw. Istkapazitäten und
6 eine Darstellung des Verlaufs des Phasenwinkels φ über der Frequenz für unterschiedliche SOC-Werte.

In der 1 ist vereinfacht ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zur Ermittlung einer Impedanz einer Blei-Säure-Batterie 2 mit einer Wechselspannungsquelle 3 dargestellt, die eine Wechselspannung mit der Frequenz f erzeugt. Dabei ist in Reihe zur Wechselspannungsquelle 3 ein Amperemeter A und parallel zur Blei-Säure-Batterie 2 ein Voltmeter geschaltet, die phasengerecht Strom und Spannung erfassen, um daraus die Impedanz in einer Auswerteeinheit 4 zu ermitteln. Alternativ kann die Quelle auch als Wechselstromquelle ausgebildet sein. Die Auswerteeinheit 4 kann dann wie nachfolgend erläutert den SOH und den SOC und somit die Restkapazität der Blei- Säure-Batterie 2 ermitteln.
In der 2 ist ein häufig verwendetes Ersatzbild einer Blei-Säure-Batterie 2 dargestellt, deren Elemente kurz erläutert werden sollen. Der Innenwiderstand R_i einer Blei-Säure-Batterie setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Pole, Polbrücken, Zellverbinder (wenn mehrere Batterien in Reihe oder parallel verschaltet werden), Elektrodengitter, aktive Materialien und den Elektrolyten, wobei dieser den größten Anteil ausmacht. Eine Erhöhung des Innenwiderstands entsteht durch Korrosionseffekte, Verlust aktiver Masse, Veränderungen von Mikrostrukturen im Laufe der Zeit sowie Elektrolytkonzentration und -temperatur.
Induktive Effekte treten bei einer Batterie an Anschlussleitungen und deren Verschaltung, Polverbindern und der Massestruktur auf, was durch die Induktivität L ausgedrückt wird.
Innerhalb des Blei-Säure-Akkumulators findet die Energiespeicherung innerhalb des Elektrolyten statt. Bei Anlegen einer Überspannung verändert sich durch Stromfluss die Dichteverteilung der Ladungsträger aufgrund der Potentialverschiebung in der Doppelschicht Zum Erreichen eines neuen, stabilen Zustandes wird eine gewisse Zeit benötigt. Die Modellierung dieses physikalischen Verhaltens erfolgt über eine Kapazität C, hier benannt als C_dl' für „double layer“. Zum Verhalten in der Doppelschicht muss der dabei ebenfalls auftretende Durchtritt der Ladungsträger von fester Elektrode zu flüssigem Elektrolyten und der anschließende Ladungs-Transfer innerhalb der Doppelschicht als ein Widerstand, der den Ladungsträgern entgegenwirkt, modelliert werden. Dies kann durch die Parallelschaltung des Widerstandes R_ct zur Doppelschichtkapazität C_dl erfolgen. Der Index „ct“ steht dabei für „charge transfer“.
Die Kapazität C_D mit dem parallel geschalteten Widerstand R_D modelliert Diffusionsvorgänge. Diffusionsvorgänge sind dann relevant, wenn die Elektrodenreaktionen durch einen Mangel an Reaktionspartnern gehemmt sind. Dies tritt beispielsweise am Ende jeder Batterieladung auf, wenn nur noch wenig umsetzbares PbSO₄ auf den Elektrodenoberflächen vorhanden ist, sodass der Ladestrom durch die geringere Diffusionsrate der Blei-Ionen in die Doppelschicht bestimmt wird und auch bei Anhebung der Ladespannung kaum noch ansteigt.
In der 3 ist nun ein beispielhafter Verlauf einer Impedanz Z = Z' + jZ“ einer Blei-Säure-Batterie dargestellt, wobei anzumerken ist, dass die negativen Z“-Werte auf der Y-Achse aufgetragen sind. Dabei sind die jeweils dominierenden Teile des Ersatzschaltbildes gemäß 2 eingezeichnet. Dabei ist Z' der Realteil und Z“ der Imaginärteil der Impedanz. Wird durch einen Impedanzwert eine Ursprungsgerade gelegt, so ist der Winkel zwischen Ursprungsgerade und X-Achse der Phasenwinkel φ.
In der 4 ist der Realteil Z' über der Frequenz für unterschiedlich gealterte Batterien im Ruhezustand dargestellt, wobei die Temperatur und der SOC jeweils gleich ist (T = 20°C und SOC = 40 %). Dabei ist zu erkennen, dass sich die Verläufe nur geringfügig im Bereich > 1000 Hz unterscheiden. Von 1000 Hz bis etwa 0,1 Hz besteht nur eine Unterscheidungsmöglichkeit der am stärksten zyklisierten Batterie K_IST = 22,15 Ah zu den anderen Batterien. Bei Frequenzen < 0,1 Hz differieren die Verläufe stärker voneinander, wobei der größte Unterschied bei f = 10 mHz zu erkennen ist. Dabei ist jedoch zu erkennen, dass die Istkapazität bei 10 mHz mit zunehmendem Realteil nichtlinear abnimmt.
In der 5 sind nun die Messergebnisse der gleichen Batterien dargestellt, wobei nunmehr der negative Imaginärteil Z“ über der Frequenz f dargestellt ist.
In der Darstellung ist erkennbar, dass der Imaginärteil bis zu einer Frequenz von etwa 10 Hz keine Unterscheidung der Istkapazitäten liefern kann. Ab Frequenzen < 10 Hz ist eine größere Differenz der Verläufe ersichtlich als bei der Darstellung in 4. Der größte Unterschied stellte sich ebenfalls bei der Frequenz 10 mHz ein. Dort ist zu erkennen, dass bei sinkendem Imaginärteil ebenfalls die Istkapazität sinkt. In diesem Fall in einer nahezu linearen Reihenfolge.
Dies wird nun erfindungsgemäß für eine Bestimmung des SOH-Wertes ausgenutzt, indem Bereichen von Werten des Imaginärteils Z“ SOH-Wertebereiche zugeordnet werden. Durch die Verwendung von ausreichend großen Bereichen stellen auch Messausreißer kein Problem dar. Dabei erfolgt der Vergleich zwischen Auswertegröße (Imaginärteil Z“) und Referenzwerten bei einer festen Frequenz (z.B. 10 mHz) und gleicher Temperatur im Ruhezustand der Batterie.
Die Auswertung erfolgt vorzugsweise in einer Auswerteeinheit, in der aus den Strom- und Spannungswerten der Imaginärteil Z“ bestimmt und verglichen wird, wobei die Referenzwerte in einem zugeordneten Speicher abgelegt sind. Der ermittelte SOH-Wert kann dann angezeigt werden und gegebenenfalls eine Empfehlung bei einem Batteriewechsel ausgegeben werden. Des Weiteren kann der ermittelte SOH-Wert weiteren Steuergeräten, beispielsweise einem Batterie-Management-System, zugeführt werden.
In der 6 ist der Phasenwinkel φ über der Frequenz f in Hz dargestellt, wobei die Frequenz f logarithmisch aufgetragen ist. Dabei sind verschiedene Phasenwinkelverläufe für unterschiedliche SOC-Werte aufgetragen. Aus diesen empirisch ermittelten SOC-Werten können Referenzwerte abgeleitet werden, was ebenfalls in der 6 dargestellt ist. So wird beispielsweise einem Phasenwinkelbereich von φ < -52° ein SOC-Wert von 100 %, einen Phasenwinkel φ -52° < φ < -48° ein SOC-Bereich von 80 bis 100 %, einen Phasenwinkel -48° < φ < -43° ein SOC-Bereich von 60 bis 80 %, einen Phasenwinkel von -43° < φ < -38° ein SOC-Wert von 40 bis 60 % und einen Phasenwinkel φ < -38° ein SOC-Wert von 40 % zugeordnet. Dabei kann vorgesehen sein, dass nur ein SOC-Bereich zugeordnet wird, was zu einer Bereichsangabe für die Restkapazität führt. Es ist aber auch möglich, dass den jeweiligen Phasenwinkeln im Bereich ein SOC-Wert zugeordnet wird. Beispielsweise wäre dann dem Phasenwinkel φ = -48° der SOC-Wert 80°, dem Phasenwinkel φ = -45,5° der SOC-Wert 70° und dem Phasenwinkel φ = -43° der SOC-Wert 60° zugeordnet, wobei die Zwischenwerte linear interpoliert werden. Dabei sei angemerkt, dass die empirisch ermittelten Referenzwerte nur bei der bestimmten Frequenz f (z.B. 10 mHz) ermittelt werden müssen. Der Imaginärteil Z“ kann zuvor mit einem Schwellwert S verglichen werden, wobei bei einer Unterschreitung des Schwellwertes S der SOC zu 100 % bestimmt wird und bei einer Überschreitung des Schwellwertes der SOC durch Vergleich des Phasenwinkels φ mit den Referenzwerten gemäß 6 erfolgt.

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Restkapazität einer Blei-Säure-Batterie (2) durch eine Impedanzmessung bei einer Frequenz, wobei die Restkapazität die Kapazität im aktuellen Ladungs- und Alterungszustand bei einer Temperatur von 27°C mit einer Abweichung von +0°C bis -2°C ist, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Blei-Säure-Batterie (2) mit bekannter Nennkapazität, mit bekannter Temperatur und bekanntem Zeitpunkt nach letztem Lade-/Entladevorgang (2), b) Ermitteln eines Impedanzwertes (Z) bei genau einer Frequenz f, c) Ermitteln von zwei Auswertegrößen anhand der genau einen ermittelten Impedanz (Z), wobei als Auswertegrößen der Imaginärteil (Z“) und der Phasenwinkel (φ) bestimmt werden, d) Bestimmen eines SOH-Wertes der Blei-Säure-Batterie (2) anhand eines Vergleichs des Imaginärteils (Z“) mit mindestens einem Referenzwert, e) Bestimmen eines SOC-Wertes der Blei-Säure-Batterie (2) anhand eines Vergleichs des Phasenwinkels (φ) mit mindestens einem Referenzwert und f) Bestimmen der Restkapazität aus dem bestimmten SOH-Wert und dem bestimmten SOC-Wert unter Berücksichtigung der Nennkapazität der Blei-Säure-Batterie (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Imaginärteil (Z“) der Impedanz (Z) mit einem Schwellwert (S) verglichen wird, wobei bei einer Unterschreitung des Schwellwerts (S) der SOC zu 100 % bestimmt wird und bei einer Überschreitung des Schwellwerts (S) der SOC durch Vergleich des Phasenwinkels (φ) mit dem mindestens einen Referenzwert bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz f kleiner als 10 Hz gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz kleiner als 50 mHz und größer als 1 mHz ist.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer Restkapazität einer Blei-Säure-Batterie (2), wobei die Restkapazität die Kapazität im aktuellen Ladungs- und Alterungszustand bei einer Temperatur von 27°C mit einer Abweichung von +0°C bis -2°C ist, umfassend eine Wechselspannungs- oderstromquelle (3), Mittel zur phasengerechten Erfassung von Spannung und Strom sowie eine Auswerteeinheit (4), wobei die Auswerteeinheit (4) derart ausgebildet ist, dass diese aus Spannung und Strom die Impedanz und daraus den Imaginärteil (Z“) und den Phasenwinkel als Auswertegrößen ermittelt und durch Vergleich der Auswertegrößen mit jeweils mindestens einem Referenzwert einen SOH-Wert, SOC-Wert und die Restkapazität der Blei-Säure-Batterie bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) derart ausgebildet ist, dass der Imaginärteil (Z“) der Impedanz (Z) mit einem Schwellwert (S) verglichen wird, wobei bei einer Unterschreitung des Schwellwerts (S) der SOC zu 100 % bestimmt wird und bei einer Überschreitung des Schwellwerts (S) der SOC durch Vergleich des Phasenwinkels (φ) mit dem mindestens einen Referenzwert bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Spannungs- oder Stromquelle (3) kleiner 10 Hz ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Spannungs- oder Stromquelle (3) kleiner 50 mHz und größer als 1 mHz ist.