DE3920629C2 - Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines elektrischen Ni-Cd-Akkumulators und zur Ladung desselben - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines elektrischen Ni-Cd-Akkumulators und zur Ladung desselbenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Kapazität
eines elektrischen Ni-Cd-Akkumulators und zur Ladung desselben
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Bestimmung der tatsächlich eingeladenen Ladungsmenge eines
auswechselbaren Akkus, der weder mit einem Verbraucher noch mit
einem Ladegerät fest verbunden ist, ist sehr schwierig und zeitaufwendig.
Es gibt zwar die Möglichkeit, die Ladungsmenge eines
vollgeladenen Akkus durch definiertes Entladen zu bestimmen,
jedoch hat dieses Verfahren gleich zwei Nachteile:
Einmal ist der Akku nach der Prüfung leer, zum anderen wird wegen
der Kapazitätsbestimmung ein Lebenszyklus des Akkus unnötig
geopfert, was aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und des Umweltschutzes
nicht vertretbar ist.
Für feste Anordnung von Akku, Ladegerät und Verbraucher ist
zur Kapazitätsbestimmung eine Bilanzierungsmethode bekannt, die
in der europäischen Patentschrift 2 48 461 beschrieben ist.
Ferner gibt es ein Verfahren zum Laden und gleichzeitigen Überwachen
der eingeladenen Gesamtkapazität eines Nickel-Cadmium-
Akkus, das in der Patentschrift DE 32 27 522 C2 angegeben ist.
Bei diesem Verfahren wird der Akku zwar nicht entladen, sondern
geladen, aber die Aussage (Gut/Schlecht) kann frühestens nach
75 Minuten erfolgen. Außerdem gibt es nur eine sehr grobe Gut/Schlecht-Aussage,
die Gut nur dann anzeigt, wenn mehr als 90%
der Nennkapazität eingeladen werden konnte. Unterhalb dieser
Grenze erfolgt nur eine Schlecht-Anzeige.
Ein Verfahren zur Feststellung des Erhaltungs- und Ladezustands
von Blei-Akkumulatoren ist aus der DE-AS 26 10 536 bekannt. Dabei
wird in vier aufeinanderfolgenden Zeitschritten der dynamische
Spannungsverlauf des Akkumulators unter einer Hochstrombelastung
abgetastet. Die Meßwerte werden mit Referenzspannungen
verglichen. Hierzu ist einerseits der dynamische Spannungsverlauf
ausreichend genau im voraus zu kennen, andererseits erlaubt
diese Methode wiederum nur eine Gut- bzw. Schlechtanzeige
des Ladezustands dieses Akkumulators.
Bei einer Ladeschaltung nach der DE-OS 30 40 852 wird der Ladevorgang
mittels Spannungsmessungen überwacht. Dabei wird die
Tatsache genutzt, daß in einem Überladungsbereich, nach Überschreiten
der huntertprozentigen Akkumulatorkapazität die Zellenspannung
ein Maximum annimmt und danach abfällt. Dieses
Maximum wird detektiert und nach dessen Erreichen der Ladevorgang
abgebrochen. Ein hierzu verwendbarer Sensor zur Erkennung
eines derartigen rückläufigen Spannungsverlaufs ist in dem
DE-GM 89 00 155 beschrieben. Mit derartigen Anordnungen läßt
sich ein Akkumulator jedoch niemals nur teilweise, sondern
stets nur voll bzw. bis in den Überladebereich hinein aufladen.
Die nach Beendigung des Ladevorgangs gespeicherte Akkumulatorkapazität
ist mit dieser Methode nur ungenau voraussagbar, da
sie Alterungsprozessen des Akkumulators und Temperaturschwankungen
unterworfen ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile
zu beheben und ein Verfahren anzugeben, das innerhalb weniger
Minuten eine genauere Bestimmung der Kapazität eines Akkumulators beispielsweise in
10%-Stufen der Nennkapazität erlaubt. Ferner soll es mit dem
Verfahren möglich sein, einen alterungsbedingten Kapazitätsverlust
eines Akkus zu erkennen, sowie den Ladevorgang hinsichtlich
Akkuschonung und Wirtschaftlichkeit optimal durchzuführen.
Gelöst wird diese Aufgabe der Erfindung durch die im Hauptanspruch
angegebenen Merkmale.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Gegenstandes
der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch die Erfindung wird der Vorteil erzielt, durch ein kombiniertes
Kapazitätsbestimmungs- und Ladeverfahren für NiCd-Akkuzellen,
derartige Akkus optimal zu nutzen und zu warten. Infolge
einer präzisen Kapazitätsbestimmung während eines Ladevorgangs,
der zu bestimmten Zeitpunkten zum Zwecke der Bestimmung der jeweils
eingelagerten Ladungsmenge unterbrochen wird, kann ein
Akku bis zum Erreichen seiner Akkumulierfähigkeitsgrenze aufgeladen
und dann sofort abgeschaltet oder der Ladevorgang auch
bei Erreichen eines vorgebbaren Wertes beendet werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines durch Zeichnungen
erläuterten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines kombinierten Prüf- und
Ladegerätes, das nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung betreibbar ist,
Fig. 2 ein Funktionsdiagramm für die Darstellung dreier
Betriebsarten,
Fig. 3 ein Kurvendiagramm zur Darstellung der Belastungsempfindlichkeit
einer NiCd-Akkuzelle und
Fig. 4 ein Kurvendiagramm, das die Zellenspannung eines
Akkus in Abhängigkeit seiner in ihm gespeicherten
Ladungsmenge zeigt.
Das in Fig. 1 dargestellte kombinierte Prüf-Ladegerät für Akkumulatoren,
vorzugsweise NiCd-Akkumulatoren gestattet an den Akkumulatoren
sowohl eine Kapazitätsmessung als auch eine schonende
und ökonomische Aufladung vorzunehmen. Dieses Gerät besteht
aus einzelnen Funktionsmodulen (2 bis 5 und 15), die über Verbindungsleitungen
und -elemente (6 bis 14, 16) zusammengeschaltet
sind. Der Prüfling (1), vorzugsweise ein NiCd-Akkumulator,
der an das Gerät angeschlossen werden kann, ist mit einer Spannungsmeßeinrichtung
(2) und einem Steuerwerk (4) direkt und mit
einer Ladeschaltung (5) über einen Schalter (6) und mit einer
Entladeschaltung (3) über einen Schalter (7) verbunden.
Das Steuerwerk (4), vorzugsweise ein Mikroprozessor oder Mikrorechner
ist über Datenleitungen (10) mit der Spannungsmeßeinrichtung
(2), mit Datenleitungen (11) mit dem Prüfling und mit
Datenleitungen (14) mit dem Eingabeteil der Eingabe- und Anzeigevorrichtung
(15) verbunden. Vom Steuerwerk (4) gehen auch
Steuerleitungen aus, und zwar Steuerleitungen (8) zur Einstellung
der Entladeschaltung (3), Steuerleitungen (9) zur Steuerung
der Ladeschaltung (5), eine Steuerleitung (12) zur Steuerung
des Schalters (6) und eine Steuerleitung (13) zur Steuerung
des Schalters (7) sowie Steuerleitungen (14) zur Steuerung
des Anzeigeteils der Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) und
eine Steuerleitung (16) zur Steuerung der Spannungsmeßeinrichtung
(2).
Durch die Kombination von Prüf- und Ladegerät sind mehrere Betriebsarten
möglich, die über den Eingabeteil der Eingabe- und
Anzeigevorrichtung (15) eingestellt werden können. Diese Betriebsarten
sind beispielsweise in Fig. 2 dargestellt.
Da ist einmal der reine Meßbetrieb (a), in welchem die Kapazität
des angeschlosseenen Prüflings gemessen und anschließend
angezeigt wird.
In dieser Betriebsart wird die Ladeschaltung (5) und der Schalter
(6) nicht benötigt. Wird ein Prüfling (1) eingesteckt und
von dem Steuerwerk (4) über eine Datenleitung (11), die entweder
den Temperaturfühler, die Akkuspannung oder beides feststellt,
erkannt, dann beginnt eine Spannungsmessung durch die
Spannungsmeßeinrichtung (2). Die Meßwerte werden laufend an das
Steuerwerk (4) übergeben. Sind diese Meßwerte bereits digitalisiert,
dann können sie vom Steuerwerk (4) direkt verarbeitet
werden. Erreichen sie das Steuerwerk (4) in analoger Form, dann
müssen sie im Steuerwerk selbst oder einem vorgeschalteten Analog-Digitalwandler
noch digitalisiert werden. Entsprechend dem
gemessenen Spannungsverlauf, Spannung steigend, fallend oder
gleichbleibend, ermittelt der Mikrorechner im Steuerwerk, mit
welchem Belastungsstrom (hoher/kleiner Ladestrom) der Prüfling
(1) entladen werden soll. Die Entscheidungskriterien über die
Höhe des Laststromes werden im Zusammenhang mit der Erläuterung
des Steuerwerks (4) noch näher beschrieben. Durch die mittels
der Entladeschaltung (3) über den Schalter (7) an dem Prüfling
(1) angelegte Belastung (Belastungs- oder Entladestrom) ergibt
sich ein der Kapazität des Akkus entsprechender Spannungsverlauf
mit negativem Spannungsgradienten. Die Bewertung der Gradienten
erfolgt nach einer bestimmten Vorschrift, die ebenfalls
im Zusammenhang mit der Erläuterung des Steuerwerkes (4) näher
beschrieben wird.
Während des Kapazitätstests, der wenige Minuten benötigt, wird
der Benutzer hierüber vom Steuerwerk (4) mittels einer Meldung
informiert, die über den Anzeigeteil der Eingabe- und Anzeigevorrichtung
(15), beispielsweise als "Messung läuft", ausgegeben
wird. Die Meldung kann sowohl statisch als auch dynamisch
(blinken) mit z. B. stetig sich ändernder Blinkfrequenz entsprechend
dem Fortgang der Messung dargestellt werden.
Nach Beendigung des Kapazitätstests wird als Ergebnis der Messung
die im Prüfling vorhandene Ladungsmenge über den Anzeigeteil
der Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) ausgegeben. Fig. 2a
zeigt, daß nach der Kapazitätsbestimmung (KAP-B) nun noch
die Anzeige (ANZ) der verfügbaren Ladungsmenge folgt. Damit ist
die Funktion "Meßbetrieb" abgeschlossen.
Der Ladebetrieb besteht, wie Fig. 2b zeigt, ausschließlich aus
der Lade- (LAD) und Anzeigefunktion (ANZ). Im reinen Ladebetrieb
wird nur die Ladeschaltung (5), das Steuerwerk (4), der
Schalter (6) und die Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) benötigt.
Der Ladebetrieb kann hierbei je nach Zellentyp des Akkumulators
(A) oder vorhandenem Temperaturfühler (T) unterteilt
werden in Schnelladen, beispielsweise eine Stunde, beschleunigtes
Laden, beispielsweise drei Stunden und Erhaltungsladen ohne
zeitliche Begrenzung. Der Ladebetrieb ist an sich in vielen Variationen
bekannt, so daß hier auf diese Betriebsart nicht näher
eingegangen werden muß. Ergänzend kann der Ladebetrieb gemäß
der kennzeichnenden Verfahrensschritte des Anspruches 3
durch zwischenzeitliche Meß- und Kapazitätsanzeigevorgänge unterbrochen
sein.
Der Meß- und Ladebetrieb läßt wie Fig. 2 zeigt, zwei Varianten
(c1 und c2) zu, wobei in der ersten Variante (c1) eine Ladung
durchgeführt wird, die zu bestimmten Zeiten zum Zwecke einer
Kapazitätsbestimmung (KAP-B) und Speicherung des Meßwertes unterbrochen
und beendet wird, wenn keine Zunahme der gespeicherten
Ladungsmenge mehr feststellbar ist. Mit dieser Betriebsart
wird der Prüfling bis zu seiner effektiven Maximalkapazität
aufgeladen, die dann angezeigt wird.
Diese Maximalkapazität wird nur bei einem neuen oder unbeschädigten
Akkumulator seiner Nennkapazität entsprechen. Ansonsten
hängt die Maximalkapazität des Prüflings von seiner "Lebensgeschichte"
ab.
In der Betriebsartenvariante (c2) wird über den Eingabeteil der
Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) eine gewünschte Ladungsmenge
eingegeben (KAP-E) und der Ladevorgang (LAD) gestartet,
der ebenfalls zu bestimmten Zeiten jeweils zur Kapazitätsbestimmung
(KAP-B) unterbrochen wird, wobei jeweils ein Vergleich
dieses Wertes mit dem voreingestellten Wert der Ladungsmenge
durchgeführt wird. Wenn beide Werte übereinstimmen, dann wird
der Ladungsvorgang beendet.
Diese Betriebsartenvariante (c2), die für den eiligen Anwender
gedacht ist, erlaubt die teilweise Ladung auf einen voreinstellbaren
Wert, beispielsweise auf 50% der Nennkapazität. Das
Steuerwerk (4) führt hierbei eine Bestimmung der im Akku vorhandenen
Ladungsmenge durch. Aus der Differenz der eingegebenen
zur vorhandenen Ladungsmenge kann ferner die voraussichtliche
Ladezeit errechnet und auf dem Anzeigeteil der Eingabe- und Anzeigevorrichtung
(15) dargestellt werden (ANZ).
Falls nun der vorgewählte Ladungsteil über der Akkumulierfähigkeitsgrenze
liegt, was erst beim Laden des Akkus erkannt
werden kann, wird eine entsprechende Meldung an die Eingabe-
und Anzeigevorrichtung (15) ausgegeben. In einem solchen Fall
würde die Ladung gemäß der Betriebsartenvariante (c1) beendet
werden.
Ladegeräte sind üblicherweise so an die Prüflinge (1) angepaßt,
daß ein größeres Ladeangebot zur Verfügung steht, als es der
Nennkapazität des Prüflings entsprechen würde. Das Ladungsangebot
soll aus Wirtschaftlichkeitsgründen nicht beliebig größer
sein, sondern gerade so viel, wie es unter Berücksichtigung des
Ladewirkungsgrades erforderlich ist.
Bei zunehmender Alterung des Akkumulators nimmt dessen akkumulierfähig
Ladungsmenge ab, d. h. daß das Ladegerät dem angeschlossenen
Prüfling im Laufe seiner Alterung immer mehr für
die Energiespeicherung unverwertbare Energie zuführt, die zu
einer unnötigen Erwärmung des Akkus und letztlich zu einem noch
schnelleren Altern des Akkus führt.
Durch die Kapazitätsbestimmung ist das Steuerwerk (4) jedoch in
der Lage zu erkennen, ob beim Laden eine Steigerung der eingeladenen
Kapazitätsmenge erfolgt. Wie bereits erwähnt wurde, unterbricht
das Steuerwerk die definierte Ladung in entsprechenden
Zeitabschnitten (festgelegte Ladungsintegralabschnitte) und
führt eine Kapazitätsbestimmung durch. Wenn hierdurch festgestellt
wird, daß durch die Ladung die Ladungsmenge im Akkumulator
nicht mehr ansteigt, dann ist das Ende seiner Akkumulierfähigkeit
erreicht. Der Ladevorgang wird dann automatisch beendet.
Das Ladungsende sowie die Ladbarkeitsgrenze wird durch die Eingabe-
und Anzeigevorrichtung (15) entsprechend angezeigt.
Es sind insbesondere diese beiden zuletzt genannten Betriebsartvarianten
(c1/c2) die eine besonders wirtschaftliche und
umweltschonende Ladung von NiCd-Akkumulatoren ermöglichen.
Als Prüflinge kommen vorzugsweise alle NiCd-Akkus in Frage, von
der Einzelzelle bis zum Zellenverbund mit mehreren Zellen, beispielsweise
10. Eine grundsätzliche Beschränkung der Zellenzahl
ist vom vorgeschlagenen Verfahren her nicht gegeben, jedoch
werden die Anforderungen an das Auflösungsvermögen und den Meßbereich
der Spannungsmeßeinrichtung (2) bei einer größeren Zellenzahl
entsprechend höher.
Handelt es sich um schnelladefähige Zellen, dann muß für den
Schnelladebetrieb von einer Stunde ein Temperaturfühler eingebaut
sein. Da das Verhalten der unterschiedlichen Zelltypen
unterschiedlich ist, muß dem Steuerwerk (4), beispielsweise
über die Eingabe- und Anzeigevorrichtung (15) mitgeteilt werden,
welcher Zellentyp (auch Hersteller) und welche Zellenzahl an
das Gerät angeschlossen werden, damit die dem angeschlossenen
Prüfling entsprechende Auswertemethode selektiert werden kann.
Wie bereits zuvor angedeutet wurde, ist das Auflösungsvermögen
und der Meßbereich der Spannungsmeßeinrichtung (2) von gewisser
Bedeutung, wenn es darum geht, Akkupacks zu verwenden, die mehr
als 10 Zellen beinhalten. Bei einem Meßbereich der Spannungsmeßeinrichtung
von 15 Volt und einer digitalen Codierung der
Meßwerte mit 12 Bit, ergibt sich eine Auflösung von 3,7 Millivolt.
Der Betrieb der Spannungsmeßeinrichtung (2) wird vom
Steuerwerk (4) über eine Steuervorrichtung (16) derart gesteuert,
daß sie, wenn sie zur Kapazitätsbestimmung Spannungsmeßdaten
benötigt, diese anfordert und über die Datenleitung (10)
übernimmt. Spannungen und Spannungsverläufe bei Ladung und Entladung
können somit gemessen und beobachtet werden.
Die Entladeschaltung (3), welche die Entlade- oder Belastungwiderstände
an den Prüfling anlegt, ist als eine an sich bekannte
geregelte Stromsenke ausgelegt, die entsprechend einem
vorgewählten Sollwert des Stromes einen Laststrom einprägt. Die
Belastung kann dabei stufenweise so erfolgen, daß Lastströme
von 1 C bis 10 C und mehr fließen, die den Prüfling entsprechend
schnell entladen (1 C ist dabei der Entladestrom, der bei
der Nennkapazität des Akkus diesen in einer Stunde entlädt).
Die jeweils erforderliche Belastung des Prüflings durch die
Entladungsschaltung (3) wird vom Steuerwerk (4) über Steuerleitungen
(8) eingestellt, wobei bei einer Codierung des Steuersignals
mittels 8 Bit eine Auflösung von 256 Stufen erreicht wird.
Bei einer Maximalbelastung entsprechend 10 C ergeben sich Belastungsstufen
entsprechend etwa 0,04 C.
Um eine Beeinflussung der Spannungsmessung in der Spannungsmeßeinrichtung
(2) durch Leckströme oder parasitäre Ströme infolge
von Isolationsmängeln zu verhindern, wird die Entladeschaltung
über den Schalter (7), gesteuert vom Steuerwerk, über die Steuerleitung
(13) von der Spannungsmeßeinrichtung (12) für die
Dauer der Messung abgetrennt.
Dem Steuerwerk (4) fallen also wichtige Aufgaben zu, die im
folgenden eingehender erläutert werden. Seine Arbeit beginnt
damit, daß entsprechend der über die Eingabe- und Anzeigevorrichtung
(15) ausgewählten Betriebsart der zeitliche Ablauf von
Steuer-, Datenübernahme- und Rechenfolgen festgelegt wird, um
zu der gewünschten Kapazitätsbestimmung und/oder dem gewünschten
Ladebetrieb zu kommen. Für eine Kapazitätsbestimmung (Bestimmung
der eingelagerten Ladungsmenge) wird am Prüfling zunächst
zweimal die Leerlaufspannung (U0) gemessen. Wird bei der
zweiten Messung festgestellt, daß die Spannung gegenüber der
ersten Messung angestiegen ist, so muß daraus geschlossen werden,
daß der Akku vorher belastet wurde. In diesem Falle ist es
erforderlich, durch weitere Messungen festzustellen, wann sich
der Akku beruhigt hat und die Leerlaufspannung (U0) konstant
bleibt. Nur bei einer konstanten Leerlaufspannung ist es möglich,
zuverlässige Kapazitätsbestimmungen durchzuführen.
Wird dagegen bei der zweiten Messung festgestellt, daß die
Leerlaufspannung zurückgegangen ist, so ist daraus zu schließen,
daß der Akku vorher geladen wurde. In diesem Fall wird der
Akku kurz belastet, wodurch sich die Ladespannung abbaut, und
es wird durch anschließende Messung der Leerlaufspannung
festgestellt, ob diese sich nicht mehr ändert, also ebenfalls
konstant ist.
Sobald dieser Zustand erreicht ist, wird mit der Reaktionsmessung
des Prüflings begonnen. Dabei wird er beispielsweise
mit etwa 10 C belastet, gegen die etwaige Störgrößen vernachlässigbar
klein sind. Ausgewertet wird der Spannungseinbruch
pro Zelle, dessen empirischer Zusammensetzung aus Fig. 3 hervorgeht.
In dieser Fig. ist längs der y-Achse die Empfindlichkeit
einer Zelle bei Belastung dargestellt, die beispielsweise als
das Verhältnis ihres Spannungseinbruchs (ΔU) zur Leerlaufspannung
(U0) definiert sein kann. Längs der x-Achse ist die
Ladungsmenge in Prozenten der Gesamtkapazität aufgetragen.
Es ist zu erkennen, daß leere Zellen, d. h. Zellen mit einer
Restkapazität unterhalb von 20% ihrer Gesamtkapazität, bei
einer Belastung mit 10 C starke Spannungseinbrüche erfahren.
Die Empfindlichkeit gegen Spannungseinbrüche ist auch bei
vollen Zellen, d. h. solche Zellen, deren gespeicherte Ladungsmenge
deutlich mehr als 70% der Gesamtkapazität beträgt,
relativ hoch. Eine brauchbare Auswertung ist daher im Bereich
zwischen 20 und 70% der Gesamtkapazität gegeben. Andererseits
ist es aber gerade dieser Bereich, in dem sich durch eine reine
Spannungsmessung keine praktisch sinnvolle Aussage machen läßt,
wie das Spannungs-/Belastungsdiagramm in Fig. 4 deutlich
erkennen läßt.
Es wird deshalb ein anderes Kapazitätsbestimmungsverfahren angewendet,
bei dem das Reaktionsverhalten des Prüflings anhand
von fünf schnellen aufeinanderfolgenden Belastungen ausgewertet
wird. Die Bestimmung der vorläufigen Ladungsmenge (Qi) erfolgt
gemäß der nachfolgenden Gleichung (1):
hierin bedeuten:
n die Zellenzahl;
TT die Temperatur des Prüflings in °K,
TN eine Nenntemperatur von 298°K,
K4 = 9 · 10-3 °K-1,
U0 die Zellen-Leerlaufspannung,
Ut die Zellen- (-Klemmen) Spannung bei der jeweiligen Belastung,
K1 bis K3 systemabhängige Konstanten, z. B. K1 = 32 mAh/V, K2 = 1,1 V², K3 = 32 mAh für einen 110 mAh Akkumulator mit einer Nennspannung von 9,6 V
n die Zellenzahl;
TT die Temperatur des Prüflings in °K,
TN eine Nenntemperatur von 298°K,
K4 = 9 · 10-3 °K-1,
U0 die Zellen-Leerlaufspannung,
Ut die Zellen- (-Klemmen) Spannung bei der jeweiligen Belastung,
K1 bis K3 systemabhängige Konstanten, z. B. K1 = 32 mAh/V, K2 = 1,1 V², K3 = 32 mAh für einen 110 mAh Akkumulator mit einer Nennspannung von 9,6 V
Diese Gleichung
repräsentiert den Kurvenverlauf der Fig. 3 wenigstens im
Bereich zwischen 20% und 70% hinreichend genau, wobei Qi den
prozentualen Anteil an der jeweiligen Maximalkapazität des
Akkumulators dargestellt, welche alterungsbedingt geringer sein
kann als seine Nennkapazität.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß in Gleichung
(1) nur solche Werte eingesetzt werden dürfen, die auch physikalisch
sinnvoll sind, beispielsweise kann die Zellenspannung
unter Belastung (U) nicht gleich oder größer sein als die Leerlaufspannung
(U0).
Zur Bestimmung der endgültigen Kapazität wird über j (vorzugsweise
j=5) vorläufige Kapazitätsbestimmungen (Qi) der Mittelwert
gebildet:
Dieser Wert sei mit "erste Auswertung (QM(1))" bezeichnet. Anschließend
wird der Akkuzelle des Prüflings eine bestimmte Ladungsmenge
(Q*) in Prozent der Nennkapazität (QN), beispielsweise
entspricht Q* = 1 mAh für QN = 100 mAh einem Prozent, bei 1C
entnommen:
QM* = QM-Q* (3)
Aus den zuvor erläuterten Gründen wird die Reaktion des Akkus
erst nachdem er sich wieder erholt hat, erneut getestet. Dabei
erwartet man einen um die entnommene Ladungsmenge (Q*) geringeren
Betrag der Ladungsmenge (QM). Auch dieses Verfahren wird
m-mal (vorzugsweise m=5) wiederholt, um die endgültige Kapazität
einer Prüflingszelle zu bestimmen:
Mit dieser Methode wird sichergestellt, daß sich aus dem Alterungs-
und Erinnerungseffekt ergebende akkuspezifische Fehler
ausgeglichen werden. Denn einerseits entspricht die entnommene
Ladungsmenge einem bekannten Prozentsatz mQ* der Nennkapazität,
andererseits ergibt sie sich durch die Differenz der ersten
(QM*(1)) und der letzten (QM*(m)) Messung als ein Prozentsatz
(QM*(1) - QM*(m)) der Maximalkapazität des Akkumulators. Der
Quotient in Gl. (4) beschreibt also gerade den (altersbedingten)
Korrekturfaktor als Verhältnis von Nenn- zu Maximalkapazität,
mit dem die Meßwerte zu multiplizieren sind, um die gespeicherte
Ladungsmenge Qk als Prozentsatz der bekannten Nennkapazität
zu erhalten, z. B. Qk = 50% · QN für einen mit halber Nennkapazität
geladenen Akkumulator.
Claims (8)
1. Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines elektrischen
Ni-Cd-Akkumulators, derart, daß ein Meßbetrieb
(a), durch den die im Akkumulator (1) gespeicherte
Ladungsmenge (Qi) zum Zeitpunkt des Meßvorgangs
bestimmbar ist, nach folgenden Verfahrensschritten
durchgeführt wird:
- d1) es wird geprüft, ob der Akkumulator (1) angeschlossen ist;
- d2) ein ggfs. stattfindender Ladevorgang wird unterbrochen;
- d3) es wird wiederholt eine Messung der Leerlaufspannung (U0) des Akkumulators (1) zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten durchgeführt;
- d4) es wird die Tendenz der Spannungsverläufe (steigend, fallend oder gleichbleibend) anhand der Meßwerte des Schrittes d3) festgestellt;
- d5.1) steigt die Leerlaufspannung an, wird nach definierten Wartezeiten die Messung solange wiederholt, bis die Leerlaufspannung konstant bleibt;
- d5.2) fällt die Leerlaufspannung ab, wird zu definierten Zeitpunkten der Akkumulator (1) belastet (mit x C), danach die Leerlaufspannung gemessen und dieses so oft wiederholt, bis die Leerlaufspannung konstant bleibt (vorzugsweise x=1);
- d6) nun wird eine Messung zur Feststellung des Spannungseinbruchs je Zelle bei hohem Entladestrom (mindestens 10 C) durchgeführt;
- d6.1) es wird jeweils die Ladungsmenge (Qi) nach der
Beziehung
bestimmt, wobei
n die Zellenzahl;
TT die Temperatur des Akkumulators in °K,
TN eine Nenntemperatur von 298°K,
U0 die Zellen-Leerlaufspannung und
Ut die Zellen-Belastungsspannung nach Belastungszeit t ist und
K¹ bis K⁴ systemabhängige Konstanten sind, die bei einer bevorzugten Ausführung für einen Akkumulator mit einer Nennkapazität von 110 mAh und einer Nennspannung von 9,6 V folgende Werte annehmen: K1 = 32 mAh/V, K2 = 1,1 V², K3 = 32 mAh und K⁴ = 9 · 10-3 °K-1.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
bei dem zur Korrektur des Meßergebnisses folgende
Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- d6.2) es werden in rascher Folge j Messungen mit Belastung durchgeführt (vorzugsweise j=5);
- d6.3) danach wird über die j Lademessungen (Qi) der Mittelwert gebildet:
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem zur Bestimmung einer fehlerkompensierten
Ladungsmenge (QK) folgende Verfahrensschritte durchgeführt
werden:
- d6.4) es wird eine bestimmte Ladungsmenge (Q*) dem Akkumulator (1) entnommen, so da dieser die Ladung QM* aufweist: QM* = QM-Q* (3)mit vorzugsweise Q* = 1 mAh bei 1 C, bezogen auf einen Akkumulator mit 110 mAh;
- d7) nachdem sich die aufgrund der Ladungsmengeentnahme nach d6.4) veränderte Zellenspannung beruhigt hat, wird erneut eine Messung nach den Schritten d6), d6.1) und d6.4), ggfs. zusätzlich nach d6.2) und d6.3) durchgeführt;
- d8) Schritt d7) wird m-mal wiederholt, und die ermittelten Werte werden gespeichert (vorzugsweise m=5);
- d9) schließlich wird die fehlerkompensierte Ladungsmenge Qk bestimmt mit:
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
bei dem zur Bestimmung der Kapazität des Akkumulators
(1) während eines Aufladevorganges folgende Verfahrensschritte
durchgeführt werden:
- e1) der Ladevorgang wird zu bestimmten Zeitpunkten zur Bestimmung der im Akkumulator (1) gespeicherten Ladungsmenge (Qk) unterbrochen;
- e2) sodann wird die Ladungsmenge (Qk) gemäß den Verfahrensschritten d1) bis d9) bestimmt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
bei dem der Akkumulator (1) bis zum Erreichen entweder
(Betriebsart c1)) seiner jeweiligen Akkumulierfähigkeitsgrenze
oder (Betriebsart C2)) einer vorwählbaren,
im Akkumulator (1) zu speichernden Ladungsmenge aufgeladen
wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem zur Durchführung der Betriebsart (c1) folgende
Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- f1) es werden nacheinander die Verfahrensschritte e1) und e2) durchgeführt;
- f2) der jeweils vorletzte Ladungsmengenwert wird gespeichert und mit dem zuletzt bestimmten verglichen;
- f3) wenn sich keine Änderung mehr ergibt, wird der Ladevorgang beendet und der Endwert, der der Akkumulierfähigkeitsgrenze des Akkumulators (1) entspricht, angezeigt.
7. Verfahren nach Anspruch 5,
bei dem zur Durchführung der Betriebsart (c2) folgende
Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- g1) es wird ein gewünschter Ladungsmengenwert vorgegeben;
- g2) danach wird Verfahrensschritt f1) ausgeführt;
- g3) der jeweils zuletzt bestimmte Ladungsmengenwert wird gespeichert und mit dem gewünschten Ladungsmengenwert verglichen;
- g4) bei Übereinstimmung beider Werte wird der Ladevorgang beendet und dieses zusammen mit dem erzielten Wert angezeigt.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß ferner die voraussichtliche Zeitdauer bis zum
Erreichen der gewünschten Ladungsmenge im voraus
ermittelt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3920629A DE3920629C2 (de) | 1989-06-23 | 1989-06-23 | Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines elektrischen Ni-Cd-Akkumulators und zur Ladung desselben |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3920629A DE3920629C2 (de) | 1989-06-23 | 1989-06-23 | Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines elektrischen Ni-Cd-Akkumulators und zur Ladung desselben |
Publications (2)
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