Kapazitätsbestimmung

Kapazitätsbestimmung
Problemstellung:
Zu jedem Zeitpunkt während der Entladung Bestimmung der
• noch verbleibenden Nutzungszeit oder
• noch zur Verfügung stehenden Energiemenge
unter den weiteren Betriebsbedingungen der Anwendung
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3. 12. 2006
Dr. Heinz Wenzl – Beratung für Batterien und Energietechnik; Am Bergwäldchen 27, 37520 Osterode; [email protected]
Ladezustandsbestimmung
Die Bestimmung des Ladezustands (SOC state of charge) beim Entladen ist im
Prinzip einfach: :
SOC = "Restkapazität / Betriebskapazität nach der letzten Volladung"
Wie genau ist die Betriebskapazität nach der letzten Volladung bekannt?
Die Restkapazität hängt von der zukünftigen Nutzung (Stromamplitude und
Temperatur) ab!
Beim Laden muss der Gasungsstrom berücksichtigt werden, der aber nicht direkt
gemessen werden kann, sondern nur durch ggf. separate Messung der Sauerstoffund Wasserstoffgasentwicklung. Der Gasungsstrom wird mittels der Spannungslage
der Batterie und der Temperatur berechnet. Im Normalfall wird vernachlässigt, dass
die Gasentwicklung der beiden Elektroden ungleichmäßig ist, und der Ladezustand
der beiden Elektroden deshalb unterschiedlich werden kann.
IGasung = Io,Gasung x exp(αnF x (E-Eo,Gasung)/RT) x exp(kT)
IHR = IBatterie - IGasung .
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Ladezustandsbestimmung
Ladezustand (SOC- State of Charge), Entladegrad (DOD – Depth of Discharge,
Alterungszustand (SOH – State of Health)
Entladeschluss
Vollladezustand
Nennkapazität
aktuelle Kapazität (auch über 100% der Nennkapazität)
nutzbare Kapazität
In vielen Fällen ist nur die “noch entnehmbare“ Kapazität (Ah), die Restlaufzeit
oder die Startfähigkeit interessant.
Für die Steuerung der Betriebsbedingungen ist der Ladezustand entscheidend.
Datum: 07.01.2003
3. 12. 2006
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Ladezustandsbestimmung
Im Betrieb entscheidend ist die aktuelle, messbare Kapazität unter Nennbedingungen
CMessung (CM) nach einer Volladung.
Ladungsbilanz QB ist die nach einer Volladung bis zum Zeitpunkt T netto aus der Batterie
entnommene Ladungsmenge (Bestimmung ist nur einfach, wenn keine Ladungsphasen
enthalten sind und damit der Gasungsstrom vernachlässigt werden kann bzw. der
Hauptreaktionsstrom mit dem Batteriestrom gleichgesetzt werden kann). Ladungsbilanz
= Kapazität bei Konstantstromentladung bis zur Entladeschlussspannung bei der
jeweiligen Stormamplitude.
t
QB = ∫IHRdt
0
Der Entladegrad (DOD = depth of discharge) ist das Verhältnis von Ladungsbilanz zu
Nennkapazität: QB/CN.
Der Ladegrad ist 1 – DOD entsprechend (CN – QB)/CN
Der Ladezustand SOC) ist der auf die aktuelle, messbare Kapazität bezogene Ladegrad:
t
SOC = (CM – QB)/CM = 1 – 1/CM ∫IHRdt
0
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Kapazitätsbestimmung
Pulsentladung mit 500 Hz Rechteckpulsen
Strom
Bestimmung der Restnutzungsdauer
Zeit
Annahme: Weitere Nutzung
entspricht bzgl. Durchschnittsstrom
und Lastschwankungen dem
bisherigen Verlauf der Entladung
Abhängigkeit der Spannungslage von den
Details des Entladestroms. Durchschnittlicher
Entladestrom ist bei 2,5 A (5A) Konstantstromund 5 A (10A) Pulsentladung gleich.
3. 12. 2006
Bei bekanntem Lastprofil (z.B. USVAnlage für Geräte mit konstantem
Lastprofil) ist der Vergleich der
Spannungslage mit der
Spannungslage während der
Abnahme aussagekräftig.
Einfache Messung der Spannung ist
nur bei konstanter Entladung
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aussagekräftig.
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Kapazitätsbestimmung
Messung der Kapazität bei schwankenden Lasten
● Einfache Spannungsmessung
unbrauchbar
● Auswertung der Spannung
- nur bei Last
- Mittelung der Meßwerte
- Berücksichtigung der Anwendung
(z.B. durchschnittlicher Entladestrom)
Minütlich abgetastete Batteriespannung
(Durchschnittswerte) beim Fahrbetrieb
eines Elektrofahrzeugs in Abhängigkeit
vom Entladegrad
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● Amperestundenmessung
- teuer (großer Messbereich und hohe
Genauigkeitsanforderung)
- tatsächliche Kapazität der Batterie
unbekannt
● Komplexe Messung (A, Ah, V, t, T)
teuer aber hervorragende Ergebnisse
im Traktionsbereich
● Berücksichtigung von Zwischenladungen - Ladewirkungsgrad vom
Ladezustand abhängig
● Rücksetzen auf volle Kapazität 6
Fehleraddition gravierend
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Kapazitätsbestimmung
Messung der Kapazität bei schwankenden Lasten
Bei Berechnungen:
t1
SOC(t1) = SOC(to) + 1/CM ∫IHRdt
to
Ladezustandsänderung ist relativ genau messbar, allerdings nimmt die Genauigkeit am Ende der
Ladung ab, weil der Gasungsstrom einen immer größeren Anteil des Batteriestroms ausmacht.
Ladezustand unter 0 % ist möglich, Ladezustand über 100 % nicht und wird rechnerisch
zurückgesetzt.
Rücksetzungskriterium am Ende der Ladung, z.B. ab einem Ladezustand von 98 % wird von
einer vollgeladenen Batterie ausgegangen und der Wert auf 100 % gesetzt. Es muss immer ein
zusätzliches, unabhängiges Kriterium zur Erkennung des Vollladezustands vorhanden sein.
Selbstlernender Algorithmus:
1) Gasungsstrom wird langsam so verändert, dass Ladezustand bei Volladung gut stimmt.
2) Betriebskapazität wird verändert, wenn Gasungsstrom sonst zu klein würde oder ein sehr
geringer Ladezustand bei hoher Spannung berechnet würde.
3) Ladezustandwert wird mit Spannungswert und Strom verglichen, um Plausibilitätsgrenzen zu
haben, z.B.
Hoher Ladestrom und Spannung oberhalb eines Grenzwertes: SOC größer als Y %.
Entladestrom (geglättet) und Spannung unterhalb eines Grenzwertes: SOC kleiner als X %.
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Kapazitätsbestimmung
Entwicklung der Kapazität während der Lebensdauer
Zahl der Zyklen
Kapazität einer Batterie nimmt bei Zyklenbetrieb zu,
aber nicht unbedingt im Ladeerhaltungsbetrieb, z.B.
für USV-Anwendungen.
Bei Traktionsanwendungen: Kapazität muss bei
Auslieferung mindestens 80 % betragen und nach
10 Zyklen auf 100 % steigen.
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• Zunahme am Anfang der Lebensdauer durch Zyklisierung
Bleisulfat aus dem Produktionsprozess wird vollständig umgewandelt
• Mikrostruktur verbessert sich
Am Ende der Lebensdauer
• Abschlammung
• Elektrischer Kontakt innerhalb der
Masse - Teilbereiche werden
entkoppelt
• Korrosion
• Verschlechterung von Bestandteilen der negativen Masse
(Spreizmittel, etc.)
Kapazitätszunahme bei Zyklisierung
als Regel, in Anwendungen ohne
Zyklisierung erfolgt nicht immer eine
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Kapazitätszunahme.
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Kapazitätsbestimmung
Bestimmung der restlichen Überbrückungszeit von Batterien in USV-Anlagen
• Kennlinien der verwendeten Batterie
"Spannungsabnahme bei konstantem Strom/konstanter Last" sind
gespeichert.
• Vergleich der gemessenen
Spannungsabnahme während der
Nutzung mit der verstrichenen Zeit
und Auswahl der "richtigen"
Kennlinie
• Ablesen der Restnutzungsdauer von
der Kennlinie
Standard bei hochwertigen USV-Anlagen
Neue Batterie, 140 A Entladung
Gealterte Batterie, 140 A Entladung, Berechung
einer "tatsächlichen Betriebskapazität möglich!
3. 12. 2006
Verfahren berücksichtigt explizit den
jeweiligen Strom- bzw. Lastverlauf und
implizit das Alter/Zustand der Batterie.
Zum Abschalten wird nicht zwischen
schnellem Spannungsabfall wegen hohem
Strom oder wegen verbrauchter Batterie
unterschieden.
Bei zusätzlicher Strommessung kann eine
Abweichung genutzt werden, um die
Kapazität der Batterie einzuschätzen. 9
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Kapazitätsbestimmung
Kapazitätsbestimmung von Batterien in Flurförderzeugen mit Mikado/IBAT
Unterschied zu USV-Anlagen: Laden und Entladen, Stillstandszeiten
Zusätzliche Eingaben
• Batterietyp, Plattendimensionen, etc., damit
die Kennlinien vieler unterschiedlicher
Batterien abgedeckt werden können.
• Messungen der Temperatur, des Stroms
und der entnommenen Amperestunden
Kapazitätsbestimmung:
• Durch Messung der durchgesetzten
Ladungsmenge ist bekannt, auf welchem
Punkt der Kennlinie die Batterie sich bei
einem durchschnittlichem Entladestrom
befinden müsste. Eine höhere Spannung
als der erwartete Wert bedeutet, dass die
tatsächliche Kapazität der Batterie höher
als der angenommene Wert ist.
• Der Kapazitätswert wird so geändert, dass
gemessener und bei der entnommenen
Ladungsmenge erwarteter Spannungswert
gleich sind.
Problematik:
• Bildung von Durchschnittsstrom und Durchschnittsspannung, Schrittweite bei der
Anpassung der neu berechneten Kapazität an den jeweils letzten berechneten Wert.
• Regelmäßige Rekalibrierung durch Volladung erforderlich, ca. 20 % der Kapazität
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müssen entnommen werden, damit die Kapazität angepasst werden kann.
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Kapazitätsbestimmung
Steuerung der Betriebsbedingungen bei Batterie gestützten Energiesystemen
•
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Erfahrungen in erneuerbaren Energiesystemen haben gezeigt, dass die
Lebensdauer zunimmt, wenn die Entladung in Abhängigkeit vom Ladezustand
und nicht der Spannung verhindert wird bzw. Zusatzgeneratoren
eingeschaltet werden.
Bei Hybridfahrzeugen wird der Ladezustand berechnet und auf einem
bestimmten Wert gehalten, damit die Batterie zu jedem Zeitpunkt Energie
aufnehmen und abgeben kann.
Aus dem Ladezustand kann nichts über die Ladungsmenge /Energiemenge
ausgesagt werden, die abgegeben oder aufgenommen werden kann. Es muss
auch immer die Betriebskapazität CM bekannt sein.
t
SOC(t) = 1 - 1/CM ∫IHRdt
0
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