Genauer Akkustand ermitteln

[kritias]

Hier mein Problem:
An meinem Segway Nachbau möchte ich den genauen Akkustand ermitteln. Ist ja auch wichtig wenn man weis wie weit man noch kommt.
Ich habe das zuerst über die Spannung probiert. (Bleiakkus, 36V) Leider geht die Spannung je nach Stromabnahme in die Knie. Beim Bremsen und der entsprechenden Rückspeisung steigt diese stark an. Das bringt also nix.
Dann dachte ich, ich addiere einfach die entnommenen Wattsekunden auf. (je nach dem ob ich entnehme oder rückspeise mit anderem Vorzeichen.) Das hat eigentlich recht gut funktioniert. Die beiden Motorregler liefern ja 100 mal pro sekunde Spannung und Strom an die Hauptsteuerung zurück.
Ich habe aber dabei zwei Probleme erkannt:

1. Wenn ich 1Wh aus dem Akku entnehme mus ich 2.5Wh mit dem Ladegerät nachfüllen damit der wieder voll ist. War mir eigentlich klar. Nur so viel?

2. Da offensichtlich die Energie die in den Akku kommt nur zu einem gewissen Prozentsatz entnommen werden kann, ist meine Messung so ziemlich für den A... Während dem Balancieren wird ja auch ständig beschleunigt und gebremst und somit zwischen Entnahme und Rückspeisen gewechselt. Je nach Fahrstil sicher auch unterschiedlich.

Hat da jemand eine Idee wie ich das so hinkriege, daß meine Messung genau wird? Oder muss ich einfach einen Akkuwirkungsgrad beim Rückspeisen einkalkulieren und einen Fehler in Kauf nehmen wenn der sich mit der Zeit ändert...

[PICture]

Hallo kritias!

So weit ich weiss, bei den Bleiakkus ist die zu etnehmende Energie der zugeführter gleich. Ich vermute, dass deine Berechnungen nicht richtig sind, weil um die Energie zu berechnen muss man Spannung und Strom in entsprechender Zeit integrieren.

MfG

[ranke]

Wenn man an den Elektrolyt hinkommt, könnte man über die Konzentration der Schwefelsäure (z.B. Messung der Brechzahl) den Ladezustand messen. Sind aber wahrscheinlich geschlossene Zellen.
Die Bilanzrechnung, die Du jetzt gemacht hast, finde ich so schlecht nicht. Man kann den Sicherheitsfaktor noch etwas größer machen, quasi als "Reservetank". Hundertprozentig wird es nie, stell Dir vor, den letzten Kilometer geht es steil bergauf - da müsste Deine Anzeige schon hellsehen können. Bei meinem Auto ist das auch so. Wenn ich oben am Berg tanke und geruhsam herunterrolle, zeigt er mir Reichweiten über 1200 km an. Aus Erfahrung weiss ich, dass nach 650 km wieder tanken angesagt ist.

[kritias]

Ich bekomme 100 mal pro sekunde die Spannung und den Strom geleifert. Die multipliziere ich. Damit habe ich die entnommene Leistung in 1/100 Ws. Also das ganze noch durch 100 dividieren und immer aufaddieren. Das sind dann ja Ws oder Joule. 3600Ws sind dann eine Wh.

Die zu entnehmende Energie ist aber eben nicht gleich der zugeführten Energie. Sie ist IMMER geringer. Alles andere geht in Richtung Perpetoumdingsbums und ist somit bei Todesstrafe verboten. (Sich schämen bis zum Tode) Mich stört in meinem Fall nur, daß der Faktor 2,5 beträgt, und vermutlich je nach Stromstärke der Entnahme und Stromstärke der Rückspeisung auch noch unterschiedlich ist. Muss ich womöglich genaue Akku-Kennlinien bei verschiedenen Stromstärken aufnehmen um da zu einem genauen Ergebnis zu kommen? Da ist der Akku ja fertig bis ich alles gemessen habe.

[PICture]

Hallo!

@ kritias

Das mit dem dividieren verstehe ich leider nicht, weil bei numerischer Integration wird es immer nur multipliziert und addiert. Ich würde es eben 100 mal pro Sekunde multiplizieren und immer die Ergebnisse addieren.

MfG

[kritias]

@PICture

Das mit dem dividieren ist ja nur, weil ich sonst bei 100 Messwerten pro Sekunde nach einer Sekunde eben nicht Ws bekommen würde sondern den 100fachen Wert. Ich bekomme pro Messung eben 1/100Ws. Also U*I*1/100 oder halt U*I/100

[PICture]

Dann passt es schon, bloss aus deiner Beschreibung war es für mich nicht ganz klar. Für mich wäre es verstädlicher wenn du gesagt hättest, dass du jeden Ergebnis durch 0,01 s multiplizierst... :)

Ich bin kein Experte für Bleiakkus und wusste bisher auch nicht, dass es ein so großen Unterschied zwischen Theorie und Praxis gibt.

MfG

[kritias]

Das wird sicher auch der Grund sein warum irgendwie alle Akkuanzeigen bei Handys oder sonstwas so ungenau sind. Eigentlich wollte ich ja nur den "Stand der Technik" anwenden und keine Forschung betreiben. Hoffentlich weis noch einer wies richtig gemacht wird.

[kolisson]

hallo ,

es ist sicherlich notwendig die strommesschaltung mal genau zu prüfen, ob sich da nicht messfehler einschleichen. es fliessen ja wohl hohe ströme und dabei entstehen ja schon grössere spannungsabfälle auf den leitungen.

wie misst du denn den strom ?
funktioniert die messung unter laborbedingungen z.b. mit nem starken netzteil. (definierten strom durch den fühler .. einmal rechtsrum einmal linksrum)

ansonsten lies mal hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Akkumulator#Energiedichte_und_Wirkungsgrad

da steht ja was von 60%

gruss klaus

[PICture]

Hallo!

@ kritias

So wie der kolisson schon erwähnt hat, ist dein Problem mit Energiebilansierung des Akkupack vor allem mit vielen in deinen richtigen Berechnungen nicht berücksichtigten und theoretisch messbaren Energiewandlungen (Innenwiderstand, Temperatur u.s.w.) verbunden.

Ich denke, das genaue Berücksichtigung allen möglichen Energiewandlungen praktisch unmöglich ist und man muss leider damit leben, dass man die genaue Energiebilansierung nicht erreichen könnte und von dir ermittelten Fehlerfaktor annehmen.

Mfg

[Hubert.G]

Ich nehme mal an des es sich um Bleigel-Akku handelt.
Bei diesen Akkus stimmt die angegebene Kapazität nur wenn dieser konstant mit 1/10 der Kapazität entladen wird. Also ein Akku mit 12Ah kann 10Std. mit 1,2A entladen werden.
Wird der gleiche Akku aber mit 12A entladen, dann hat er nur eine verfügbare Kapazität von 7,1Ah und damit eine Entladezeit von etwa 36min.
Bei 24A sind es nur mehr 5,1Ah und bei 72A wären es nur mehr 3,8Ah.
Entnommen aus einer Gebrauchsanweisung von Sonnenschein für Bleibatterien A400.
Ich nehme mal an das der Unterschied zu anderen Bleigel-Akku nicht sehr groß sein wird.

[kritias]

Habe mich jetzt auch noch weiter in die Theorie vertieft. Folgende Faktoren werfen mir dabei die Knüppel zwischen die Beine.
1. Der Wirkungsgrad des Akku. Da bin ich gerade dabei den für meinen Akku zu ermitteln.
2. So ein Bleiakku kann bei hohen Stömen weniger Wh abgeben als bei niedrigen.

Ich muss also Wirkungsgrad des Akkus (Laden/Entladen) in meiner Anwendung ermitteln. Damit sollte ich dann wenigstens etwas genauere Ergebnisse bekommen. Fehler werden aber immer bleiben.
Ich werde weiter berichten ob das was gebracht hat.

[kolisson]

hallöchen nochmal,

bei laptops gibt es doch auch so eine akku-kalibrierfunktion.

vielleich musst du mal ein paar (vlt. 3 stück)kennlinien bei verschiedenen lasten für deine akkus aufzeichnen und dann in abhängigkeit von deinem lastprofil aus diesen kennlinien eine art schätzwert bilden.

gruss klaus

[kritias]

Ich bin gerade dabei das für meine spezielle Anwendung zu machen.
Ich lade den Akku voll auf. Dann Fahre ich ein paar Minuten im Keller rum und lasse mir die Entnommenen und die Rückgespeisten Wh im EEprom protokollieren.
Danach lade ich den Akku auf und messe auch dabei so gut es geht die Wh die in den Akku gehen. Damit kann ich dann den Wirkungsgrad für genau meinen Anwendungsfall ermitteln.

Wirkungsgrad=Entnommene Energie/(Energie vom Ladegerät+Energie vom Bremsen)

Damit sollte sich das ganze dann etwas genauer berechnen lassen. Ein gewisser Fehler wird bleiben...

[josua]

hey kritias,
ich muss sagen, gute arbeit! des hört sich echt klasse an. ich hoffe dass es ausreichend genau funktioniert!!!

viel erfolg! gruß josua

[kritias]

So, Ich habe jetzt gemessen. So genau ich irgendwie konnte.
Hier die Ergebnisse:
Die Motorregler haben 14589,15Ws entnommen und 2995,65Ws zurückgespeist. Mit dem Ladegerät musste ich dann 13923,55Ws nachladen.

Das entspricht einem Wirkungsgrad des Akkus von ca. 0.86

Das kommt mir jetzt wieder sehr günstig vor. Vor allem nach meiner ersten Beobachtung (ganz oben im Thread)
Möglich, daß da noch ein gutes Stück Messfehler mit drinsteckt. Beim laden mit dem Ladegerät muss ich das Multimeter beobachten. Der Strom sinkt dabei von 1,25A auf 0,62A ab. Ich konnte natürlich nur die Zeit stoppen und dann mit dem mittleren Strom rechnen. Entsprechend ungenau ist das halt...

Ich werde mal 0,8 in der Software berücksichtigen.

[RoboHolIC]

Hallo kritias.

Wie wär's denn, wenn man nicht die energetische Betrachtung macht, sondern die verbrauchte/rückgespeiste Ladungsmenge misst. Ich !vermute!, daß in dieser Dimension betrachtet die Meßergebnisse viel weniger vom Lastprofil beeinflußt werden und daher bessere Prognosen ermöglichen. Schließlich werden Akkus grundsätzlich nach Ladungsmengen (mAh, Ah) klassifiziert verkauft und nicht nach Arbeitsvermögen (Wh).

Wenn du erstmal bei der Energiebetrachtung bleibst - kannst du nicht auch den Ladevorgang über deine Elektronik laufen lassen und dabei messen?

[kritias]

Daran hatte ich auch schon gedacht. Aber ich dachte einfach das 1A bei 33V eben doch was anderes ist wie 1A bei 38V. Ich weis das aber ehrlich gesagt auch nicht ob ich hier das richtige mache.

Das mit dem Laden über die Elektronik geht leider nicht. Der Strom wird im Motorregler gemessen. (Über einen Shunt + Opamp) Ich muss die Akkus zum Laden auch immer umklemmen. Ich habe nur ein besseres KFZ-Ladegerät. Und an die ganze Problematik mit der Akkuanzeige hatte ich beim Entwickeln der Motorregler und der Lageregelung auch nicht gedacht. Überhaupt ist das Balancieren bei so einem Segway-Nachbau anscheinend das einfachste. Die Motorregler waren weitaus aufwendiger in Hard und Software. Selbst die Akkuanzeige ist nicht ganz so einfach wie man sich das auf den ersten Blick vorstellt. Bin mal gespannt was noch auf mich zukommt wenns an Tacho und Kilometerzähler geht.

[avion23]

Google peukert effekt.

Google coulomb counter.

Prinzipien gibt es auch in Appnotes zu Energiekostenmessgeräten von atmel microchip & co. In RMS Multimetern steckt ähnliches Wissen.

Der Ladezustand von Akkus korreliert mit der Leerlaufspannung. Wenn du einen Betriebstzustand hast, der oft auftritt, kannst du mit diesem eine Kennlinie abfahren. Z.B. im idle werden 3A verbraucht -> Spannung nur bei ~3A betrachten, tiefpassen über mehrere Messungen und auf Sekundenbereich.
Die Spannung gibt dir auf jeden Fall ein Voll / Leer-Feedback welches du zum kalibrieren verwenden kannst.

[kritias]

So jetzt habe ich das nochmal überarbeitet.

RoboHolIC hat recht. Es reicht wenn man mit Ah oder mAh rechnet. Das liefert die genausten Ergebnisse. Der Akku-Wirkungsgrad beträgt dabei 0,85. Und es spart eine Multiplikation im Interrupt.

Auch Avion23 hat recht. Leider kann ich die Spannung für die Anzeige nicht benuzen weil die Im betrieb zu großen Schwankungen unterliegt. Aber direkt nach dem Einschalten liefert die Spannung ein realistisches Bild vom Akkuzustand.

Ich verwende jetzt die Spannung um festzustellen ob der Akku gerade geladen wurde, von da an werden die mAh nach und nach von der Gesamtkapazität abgezogen.

Die Gesamtkapazität kann dabei auch nicht einfach aus dem Datenblatt entnommen werden. Sie muss einmal unter realen Bedingungen ermittelt werden. Wegen dem oben erwähnten Peukert-Effekt.

Wenn nach dem Einschalten die Spannung schon an meiner Untergrenze angekommen ist, kann ich die Gesamtkapazität direkt an der im EEprom gespeicherten Entnahme ablesen. So kann ich diesen Wert auch während der Akku-Lebensdauer nachjustieren. So ein Akku wird mit der Zeit ja sicher nicht besser.

[kolisson]

hi,

das klingt ja schon einmal vielversprechend.
einen besonderen dank will ich mal dem AVION aussprechen, da er
den PEUKERT ins spiel brachte.
ich kenn soviele effekte aber den PEUKERT kannte ich nicht,
obwohl das ja mit dem K-FAKTOR auf jeder bleibatterie draufsteht.
mercie !

ich frage mich allerdings die ganze zeit schon,
ob du tatsächlich 100 messwerte je sekund benötigst.
was wäre mit einem hardware-integrator , der so auf 10tel sek integriert.
dann machst du nur noch 10 abfragen je sekunde und berechnest daraus per software den median.

gruss klaus

[kritias]

Natürlich brauche ich für den Akkustand keine 100 messwerte pro Sekunde. Ich muß aber die Motorleistung 100 mal pro Sekunde nachregeln. Die Motorregler liefern mir als Antwort dann immer Spannung und Strom zurück. So habe ich das Protokoll mal festgelegt und bin bisher recht gut damit zurechtgekommen.