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EP4378047A1 - Verfahren zur kompensation eines innenwiderstands eines energiespeichers und system zur kompensation des innenwiderstands - Google Patents

Verfahren zur kompensation eines innenwiderstands eines energiespeichers und system zur kompensation des innenwiderstands

Info

Publication number
EP4378047A1
EP4378047A1 EP22741730.0A EP22741730A EP4378047A1 EP 4378047 A1 EP4378047 A1 EP 4378047A1 EP 22741730 A EP22741730 A EP 22741730A EP 4378047 A1 EP4378047 A1 EP 4378047A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy storage
battery pack
internal resistance
cell
electrical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP22741730.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mickael Segret
Patrick Roeder
Christoph Klee
Andreas GONSER
Andreas Friese
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4378047A1 publication Critical patent/EP4378047A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/007188—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters
    • H02J7/007192—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature
    • H02J7/007194—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature of the battery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H01M10/443—Methods for charging or discharging in response to temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/46—Accumulators structurally combined with charging apparatus
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/00032—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries characterised by data exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with monitoring or indicating devices or circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0063—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
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    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25F—COMBINATION OR MULTI-PURPOSE TOOLS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; DETAILS OR COMPONENTS OF PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS NOT PARTICULARLY RELATED TO THE OPERATIONS PERFORMED AND NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B25F5/00—Details or components of portable power-driven tools not particularly related to the operations performed and not otherwise provided for
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    • H01M2220/00—Batteries for particular applications
    • H01M2220/30—Batteries in portable systems, e.g. mobile phone, laptop
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for compensating for an internal resistance of an energy store and a system for compensating for the internal resistance according to the preamble of the independent claims.
  • a large number of electrical consumers is operated with rechargeable Energyspei chern, which are discharged accordingly by the electrical consumer and can be recharged using a charger.
  • energy storage devices consist of a plurality of energy storage cells connected in series and/or in parallel in order to achieve a required operating voltage or capacity. If the energy storage cells are designed as lithium ion cells (Li-ion), for example, a very high power and energy density can be achieved with particular advantage.
  • Li-ion lithium ion cells
  • Such energy stores or energy storage cells are particularly sensitive to a deep discharge, which can lead to their destruction. It is therefore necessary for the electrical load to monitor the voltage of the energy store and to prevent further discharging when a lower threshold voltage is reached.
  • Each energy storage device has an internal resistance which is connected in series with an ideally resistance-free energy storage cell via a corresponding equivalent circuit diagram. If current is drawn from or supplied to the energy store, a voltage also drops across this internal resistance. This unwanted voltage drop leads to the electrical consumer switching off too early, although the actual voltage of the energy store (OCV: Open Circuit Voltage) would still be sufficient for further operation. That's why it is It is known to compensate for the internal resistance of the energy store in such a way that the electrical consumer calculates the voltage drop at the internal resistance with its knowledge by means of a monitoring unit and derives a new switch-off threshold therefrom. The problem, however, is that the internal resistance is very dependent on the temperature of the energy store or the energy store cell. The characteristic of the course of the internal resistance over the temperature is significantly influenced by the cell chemistry, which is different for different cell types.
  • a first of the electrical contacts of the interfaces is designed as a power supply contact that can be charged with a first reference potential, preferably a supply potential, and a second of the electrical contacts of the interfaces is designed as a power supply contact that can be charged with a second reference potential, preferably a ground potential.
  • exchangeable battery packs can be equipped with very different energy storage cells, which have very different internal resistances and temperature characteristics.
  • DE 102016209822.5 discloses a solution in which the internal resistance of a replaceable battery pack is transmitted to the electrical consumer via a third contact of the electromechanical interface designed as a signal or data contact, depending on a temperature measured in the replaceable battery pack.
  • the signal or data contact can also be used to estimate the internal resistance based on a coding resistor installed in the replaceable battery pack and a look-up table stored in the electrical consumer.
  • the internal resistance in an electrical consumer or charging device connected to the energy storage device is compensated for on the basis of an exponentially decreasing approximation, the course of which depends on the temperature and the cell chemistry of the at least one energy storage cell.
  • the method according to the invention is achieved by a system consisting of at least one energy store designed as a removable battery pack and an electrical consumer for discharging the removable battery pack and/or a Charger performed for charging the removable battery pack, the Wech selakkupack, the electrical consumers and the charger each having an electro-mechanical interface with a plurality of electrical contacts.
  • a first of the electrical contacts of the interface serves as a power supply contact that can be charged with a first reference potential, preferably a supply potential
  • a second of the electrical contacts of the interface as a power supply contact that can be charged with a second reference potential, preferably a ground potential
  • a third of the electrical contacts the interface as a signal or data contact for the transmission of the data necessary for the calculation of the exponentially decreasing approximation.
  • Electrical consumers in the context of the invention should be understood to mean, for example, electric tools operated with an energy store, in particular a replaceable battery pack, for machining workpieces using an electrically driven insert tool.
  • the power tool can be designed both as an electric hand tool and as a stationary electric tool machine.
  • Typical power tools in this context are handheld or drill presses, screwdrivers, impact drills, hammer drills, planers, angle grinders, orbital sanders, polishers, circular, table, crosscut and jigsaws or the like.
  • garden and construction equipment such as lawn mowers, grass trimmers, branch saws, motor and trench cutters, robot breaker and excavator or the like as well as household appliances such as vacuum cleaners, mixers, etc., which are operated with an energy storage device, in particular a replaceable battery pack, can also be used as electrical consumers .
  • the invention can also be applied to electrical consumers that are simultaneously supplied with a plurality of exchangeable battery packs.
  • the voltage of an energy store is usually a multiple of the voltage of an individual energy storage cell and results from the interconnection (in parallel or in series) of the individual energy storage cells.
  • An energy storage cell is typically formed as a galvanic cell having a structure in which one cell pole is at one end and another cell pole is at an opposite end.
  • the energy storage cher cell has a positive cell pole at one end and a negative cell pole at an opposite end.
  • the energy storage cells are preferably designed as lithium-based energy storage cells, eg Li-ion, Li-Po, Li-metal or the like.
  • the invention can also be used for energy stores with Ni-Cd, Ni-MH cells or other suitable cell types.
  • the invention is not dependent on the type and design of the energy storage cells used, but can be applied to any energy storage and energy storage cells, for example pouch cells or the like in addition to round cells.
  • the exponentially decreasing approximation is designed in such a way that it lies below correspondingly actually measured values of the internal resistance of the at least one energy storage cell for a majority, in particular for all, temperature values. This ensures that the real internal resistance is greater than or equal to the calculated values in order to enable reliable compensation.
  • the at least two parameters for specific temperature values are stored in a look-up table of a memory of the energy store. In this way, on the one hand, a very precise approximation of the internal resistance is possible, while on the other hand only a small amount of storage space is required in the memory of the energy storage device for storing the parameters.
  • the temperature of the energy storage device and/or the energy storage cell is measured, with a parameter value of the at least two parameters being sent to the electrical consumer or the charging device depending on the measured temperature value is transferred.
  • the transmission capacity of the signal or data contact of the electromechanical interface can be spared in order to possibly transmit further operating parameters or to verify the communication.
  • the method according to the invention provides that an approximation value of the internal resistance is calculated on the basis of the at least two transmitted parameter values for the measured temperature value.
  • a load current is measured in the electrical consumer or in the charger and, based on the measured load current, the calculated approximation value and a known no-load cut-off voltage of the energy storage cell, a cut-off voltage is calculated using the relationship
  • Ustop UstopOC - Rapp(Ti) I calculated.
  • the known no-load cut-off voltage of the energy storage cell is preferably 2.5 volts. The operation of the electrical consumer or the charging process of the charger is stopped when a measured cell voltage of the energy storage cell exceeds the calculated switch-off voltage.
  • a first parameter is in the range from 1 to 100, in particular from 20 to 50
  • a second parameter in the range from 0.01 to 0.1, in particular from 0.03 to 0.06
  • a third parameter in the range from 1 to 60, in particular from 5 to 30. In this way the dimension of the look-up table can be minimized.
  • the exponentially falling approximation is formed by a plurality of straight lines, each Is precisely defined by two parameter values, each resulting from a pair of values of a temperature value and the associated internal resistance of the energy storage cell.
  • the plurality of straight lines is particularly advantageously 2 to 100, in particular 3 to 7.
  • the number of parameter values to be stored or transmitted can be reduced if one of the two parameter values of two adjacent straight lines is identical. Thus, for N straight lines, only N+1 parameter values are required.
  • two associated parameter values are then selected from the look-up table on the basis of the measured temperature value and an approximation value via the relationship
  • Show it 1 a system comprising at least one energy store designed as a replaceable battery pack and at least one charger that can be connected to the replaceable battery pack for charging or an electrical consumer that can be connected to the replaceable battery pack for discharging the replaceable battery pack in a schematic representation,
  • Fig. 2 a block diagram of the system from Figure 1,
  • Fig. 5 a diagram of an inventive, exponentially decreasing approximation of the internal resistance of the energy store in a second embodiment
  • FIG. 1 shows an energy store 11 designed as a replaceable battery pack 10 with an electromechanical interface 14 having a plurality of electrical contacts 12 .
  • the charging device 16 and the electrical loads 18 each have a further electromechanical interface 20 having a plurality of electrical contacts 12 .
  • FIG. 1 is intended to illustrate that the invention is suitable for various electrical loads 18 .
  • a battery-powered vacuum cleaner 22, a battery-powered impact wrench 24 and a battery-powered lawn trimmer 26 are examples shown. In the context of the invention, however, a wide variety of power tools, garden tools and household appliances can be used as electrical consumers 18.
  • the invention is equally applicable to electrical consumers 18 that are supplied with an energy store 11 designed as a replaceable battery pack 10 or as a permanently integrated battery (not shown).
  • the exchangeable battery pack 10 comprises a housing 28 which has the electromechanical interface 14 for detachable connection to the further electromechanical interface 20 of the charger 16 or the electrical consumer 18 on a side wall or on its upper side 30 .
  • the electromechanical interfaces 14 serve to detachable connection to the further electromechanical interface 20 of the charger 16 or the electrical consumer 18 on a side wall or on its upper side 30 .
  • the electromechanical interfaces 14 serve to detachable connection to the further electromechanical interface 20 of the charger 16 or the electrical consumer 18 on a side wall or on its upper side 30 .
  • the electromechanical interfaces 14 serve
  • the electromechanical interfaces 14, 20 primarily for discharging the removable battery pack 10, while they are used in conjunction with the charger 16 to charge the removable battery pack 10.
  • the precise design of the electromechanical interfaces 14, 20 depends on various factors, such as the voltage class of the removable battery pack 10 or the electrical load 18 and various manufacturer specifications. For example, three or more electrical contacts 12 can be provided for energy and/or data transmission between the replaceable battery pack 10 and the charger 16 or the electrical load 18.
  • a mechanical coding is also conceivable, so that the replaceable battery pack 10 can only be operated on specific electrical loads 18 . Since the mechanical configuration of the electromechanical interface 14 of the exchangeable battery pack 10 and the further electromechanical interface 20 of the charging device 16 or of the electrical consumer 18 is irrelevant for the invention, it should not be discussed further in detail here. Both a specialist and an operator of the exchangeable battery pack 10 and the charging device 16 or the electrical consumer's 18 will make the appropriate selection in this regard.
  • the replaceable battery pack 10 has a mechanical locking device 32 for locking the positively and/or non-positively releasable connection of the electromechanical interface 14 of the replaceable battery pack 10 to the corresponding mating interface 20 (not shown in detail) of the electrical load 18.
  • the locking device 32 designed as a spring-loaded pusher 34, which is operatively connected to a locking member 36 of the exchangeable battery pack 10 . Due to the springiness of the pusher 34 and/or the locking member 36, the locking device 32 automatically engages when the removable battery pack 10 is inserted into the counter-interface 20 of the electrical load 18. If an operator presses the handle 34 in the direction of insertion, the lock is released and the operator can remove or eject the replaceable battery pack 10 from the electrical load 18 counter to the direction of insertion.
  • the battery voltage of the exchangeable battery pack 10 usually results from a multiple of the individual voltages of the energy storage cells (see FIG. 2) depending on how they are connected (in parallel or in series).
  • the energy storage cells are preferably lithium-based energy storage cells, e.g. Li-Ion, Li-Po, Li-Metal or the like.
  • the invention can also be used for removable battery packs with Ni-Cd, Ni-MH cells or other suitable cell types.
  • FIG. 2 shows a block diagram consisting of the energy store 11 designed as a replaceable battery pack 10 on the left-hand side and a charging device 16 or electrical consumer 18 on the right-hand side.
  • the exchangeable battery pack 10 and the charger 16 or the electrical consumer 18 have the mutually corresponding electromechanical interfaces 14 and 20 with a plurality of electrical contacts 12, with a first of the electrical contacts 12 of the interfaces 14, 20 being connected to a first Reference potential Vi, preferably a supply potential V + , energy supply contact 38 that can be acted upon, and a second of the electrical contacts 12 of the interfaces 14, 20 as an energy supply contact 40 that can be acted upon with a second reference potential V2, preferably a ground potential GND.
  • the first and the second power supply contact 38, 40 of the removable battery pack 10 can be charged on the one hand by the charger 16 with a charging current and on the other hand by the electrical consumer cher 18 are discharged with a discharge current.
  • the current strengths of charging and discharging current can differ significantly from each other.
  • the discharge current can be up to 10 times higher than the charging current of the charger 16 with appropriately designed electrical consumers 18.
  • the replaceable battery pack 10 has a plurality of energy storage cells 42, which are shown in Figure 2 as a series circuit, but alternatively or additionally can also be operated in a parallel circuit, with the series circuit supplying the voltage U ßatt des Removable battery packs 10 defined, while a parallel switching device of individual energy storage cells 42 increases the capacity of the removable battery packs 10 primarily.
  • individual cell clusters consisting of energy storage cells 42 connected in parallel can also be connected in series in order to achieve a specific voltage U.sub.Batt of the exchangeable battery pack with a simultaneously increased capacity.
  • the capacity of common exchangeable battery packs can be 10 to 12 Ah or more.
  • the invention does not depend on the design, voltage, power supply capability, etc. of the energy storage cells 42 used, but can be applied to any exchangeable battery pack 10 and energy storage cell 42.
  • An SCM preliminary stage 44 (single cell monitoring) is provided for monitoring the individual energy storage cells 42 or cell cluster of the exchangeable battery pack 10 connected in series.
  • the SCM preliminary stage 44 has a multiplexer measuring device 46 which can be connected to corresponding taps 50 of the poles of the energy storage cells 42 or cell cluster via filter resistors 48 with high impedance.
  • the term energy storage cell should also include the cell cluster, as this only affects the capacity of the removable battery pack 10 have, but have the same cell voltage Uceii.
  • the filter resistors 50 which are designed in particular to have a high resistance, can prevent dangerous heating of the measuring inputs of the multiplexer measuring device 46.
  • the multiplexer measuring device 46 can be switched over via a monitoring unit 52 integrated in the exchangeable battery pack 10 or also directly within the SCM preliminary stage 44 .
  • switching elements 54 of the SCM preliminary stage 44 that are connected in parallel with the energy storage cells 42 can be closed or opened in this way in order in this way to achieve a so-called balancing of the energy storage cells 42 to achieve uniform charging or discharging states of the individual energy storage cells 42 cause.
  • the SCM preliminary stage 44 forwards the measured cell voltages Uceii to the monitoring unit 52, so that the actual measurement of the cell voltages Uceii is carried out directly by the monitoring unit 52, for example via a corresponding analog-to-digital converter (ADC).
  • ADC analog-to-digital converter
  • the monitoring unit 52 can be designed as an integrated circuit in the form of a microprocessor, ASICs, DSPs or the like. It is also conceivable that the monitoring unit 52 consists of a plurality of microprocessors or at least partially of discrete components with appropriate transistor logic. In addition, the first monitoring unit 52 has a memory 55 for storing operating parameters of the replaceable battery pack 10, such as the voltage Ußatt, the cell voltages Uceii, a temperature T, the load current I or the like.
  • the charging device 16 or the electrical load 18 also has a monitoring unit 56 which can be designed in accordance with the monitoring unit 52 of the exchangeable battery pack 10 .
  • the monitoring unit 56 controls a load 58 which is connected to the first and the second energy supply contact 38, 40 of the further interface 20 and to which the exchangeable battery pack voltage Ußatt is present.
  • the load 58 can be designed, for example, as a power output stage, which changes the speed and/or torque of an electric motor with a pulse width modulated signal applied, which has a direct impact on the load current I of the exchangeable battery pack 10 has.
  • another load converting power 58 is also conceivable. Numerous variants of possible electrical or electromechanical loads are known to a person skilled in the art, so that there is no need to go into further detail here.
  • the replaceable battery pack 10 plugged into a charger 16 can be charged with the load current I and the voltage Ußatt corresponding to the replaceable battery pack 10 .
  • the charging device 16 or its mains part 60 is provided with a mains connection, not shown.
  • the voltage Ußatt present at the energy supply contacts 38, 40 can be measured via a voltage measuring device 62 in the charger 16 and evaluated by the monitoring unit 56.
  • the voltage measuring device 62 can also be fully or partially integrated in the monitoring unit 56 of the charging device 16, for example in the form of an integrated ADC.
  • the exact configuration of the power pack 60 of the charging device 16 is known to the person skilled in the art and is of secondary importance for the invention. Therefore, it will not be discussed further here.
  • the removable battery pack 10 temperature sensor 64 which is preferably designed as an NTC and is in close thermal contact with at least one of the energy storage cells 42.
  • the temperature T measured in this way can be detected by means of a measuring circuit 66 integrated in the replaceable battery pack 10 and evaluated by the monitoring unit 52 of the replaceable battery pack 10 .
  • the measured temperature T can also be transmitted via a contact 12 of the electromechanical interfaces 14, 20 designed as a signal or data contact 68 to the charging device 16 or the electrical load 18 for evaluation by means of the monitoring unit 56 located there.
  • the removable battery pack 10 has at least one first switching element 70, which is controlled by the Monitoring unit 52 can be closed to interrupt the load current I and opened to enable the load current I.
  • the at least one first switching element 70 is arranged in the ground path (low side) between the second contact 12 embodied as a power supply contact 40 of the electromechanical interface 14 and a ground contact point 62 of the SCM precursor 44 .
  • the at least one first switching element 70 it is also conceivable for the at least one first switching element 70 to be arranged in the supply path (high side) between the first contact 12 designed as an energy supply contact 38 and the tap 50 of the SCM preliminary stage 44 designed as a supply contact point.
  • At least one first switching element 70 can be provided both in the supply path and in the ground path.
  • the at least one first switching element 70 is preferably configured as a MOSFET.
  • other switching elements such as a relay, an IGBT, a bipolar transistor or the like are also conceivable.
  • the replaceable battery pack 10 or its energy storage cells 42 has an internal resistance R, which leads to an unwanted voltage drop, so that the electrical consumer 18 would switch off too early, although the open circuit voltage of the energy storage is still sufficient for another operation would be.
  • the internal resistance R of the replaceable battery pack 10 must therefore be compensated in such a way that the electrical load 18, knowing this, uses the monitoring unit 56 to calculate the voltage drop Uceii at the internal resistance R, taking into account a currently measured temperature value T and the cell chemistry of the energy storage cell 42, and calculates a derives a new cut-off voltage Ustop.
  • FIG. 3 shows an example of the curve of the internal resistance R of a Li-ion energy storage cell 42 over the temperature T.
  • the points represent actually measured resistance values R as a function of discrete temperature values T while the solid line represents a derived, exponentially decreasing approximation R app (T), the course of which depends on the temperature T and the cell chemistry of the energy storage cell 42 .
  • the three parameters a, b, c are stored in a look-up table in the memory 55 of the monitoring unit 52 of the replaceable battery pack 10 for individual temperature values T1.
  • the first parameter a is preferably in the range from 1 to 100, in particular from 20 to 50
  • the second parameter b in the range from 0.01 to 0.1, in particular from 0.03 to 0.06
  • the third parameter c is in the range from 1 to 60, in particular from 5 to 30.
  • the dimension of the look-up table can thus be minimized accordingly.
  • the parameter values a i , bi , q can also be selected from the outset in such a way that the calculated approximation values R a (Ti ) for all temperature values T i are always below the actually measured values of the internal resistance Ri(T i ). In other words, the line shown in FIG. 3 is then shifted downwards by a certain offset.
  • FIG. 4 shows a flow chart of the method based on the exponentially decreasing approximation R a (T) shown in FIG.
  • a first procedural step 74 an operating mode on the electrical load 18 is first entered. provided and the electrical consumer 18 started.
  • the subsequent process step 76 communication is established with the removable battery pack 10 via the signal or data contact 68 of the electromechanical interfaces 14, 20 and the temperature T of the removable battery pack 10 and/or the at least one energy storage cell 42 is measured using the temperature sensor 64 and the measuring device 66 measured.
  • a method step 78 the three parameters a, b, c stored in the memory 55 of the replaceable battery pack 10 are queried and, depending on the measured temperature value T, an associated parameter value a, b, q of the three parameters a, b, c transferred to the electrical load 18's.
  • the approximation value R ap (Ti) of the internal resistance (R) for the measured temperature value T 1 is then calculated by means of the monitoring unit 56 in method step 80 .
  • method steps 76 and 78 are interchanged.
  • communication is first established in method step 76 between the electrical load 18 and the replaceable battery pack 10 via the signal or data contact 68 in order to find all parameter values a, bi, q stored in the look-up table of the memory 55 for the three parameters a, b, c to the monitoring unit 56 of the electrical load 18 to transmit.
  • the temperature T of the replaceable battery pack 10 or the at least one energy storage cell 42 is then first measured and the measured temperature value T is transmitted via the signal or data contact 68 to the monitoring unit 56 of the electrical consumer 18 so that the monitoring unit 56 then selects the associated parameter value a,, bi, q.
  • the electrical consumer 18 measures the load current I using the monitoring unit 56 and uses the measured load current I, the approximation value R app (Ti) calculated in method step 80 and a known no-load cut-off voltage Usto oc of the energy storage cell 42 to calculate the cut-off voltage Usto by means of the relationship
  • the known no-load cut-off voltage Us topoc of the energy storage cell 42 can be 2.5 volts, for example. Depending on the type and cell chemistry of the energy storage cell 42, however, deviating no-load cut-off voltages Us top oc are also conceivable.
  • the method according to the invention provides that the exponentially decreasing approximation R ap (T) is formed by a plurality N of straight lines G n , each straight line G n being defined by two parameter values S n ( T n , R n ), S n+i (T n+i , R n+i ), each consisting of a pair of values of a temperature value T n , T n+i and the associated internal resistance R n , R n +i of the energy storage cell 42 result.
  • the exponentially decreasing approximation R ap (T) is formed by a plurality N of straight lines G n , each straight line G n being defined by two parameter values S n ( T n , R n ), S n+i (T n+i , R n+i ), each consisting of a pair of values of a temperature value T n , T n+i and the associated internal resistance R n , R n +i of the energy storage
  • Ss(T 5 , R 5 ) of two adjacent straight lines Gi,..., G 5 are identical, so that the straight lines Gi,..., G 5 are at these interpolation points S 2 (T 2 ,R 2 ),.. ., SeCTs.Rs) cut.
  • N+1 support points In order to calculate the temperature-dependent compensation of the internal resistance R via N straight lines, only N+1 support points must be stored in the memory 55 of the exchangeable battery pack 10 or transmitted to the electrical consumer 18 or the charger 16. Furthermore, the memory requirement in the memory 55 of the exchangeable battery pack 10 and the power demand on the monitoring unit 56 of the electrical consumer 18 or the charger 16 are kept as small as possible if the plurality N of straight lines G n is limited to 2 to 100, particularly preferably to 3 to 7.
  • interpolation points S n (T n , R n ), S n+i (T n+i , R n+i ) are designed in such a way that the calculated straight lines G n are always below for all measured temperature values Ti of the real internal resistance values R of the energy storage cells 42 run. This ensures that the internal resistance R is always greater than or equal to the calculated values in order to achieve reliable compensation.
  • a further advantage of the second embodiment is that non-exponential curve profiles can also be approximated via the straight line G n in order to be able to take into account future cell chemistries with possibly different temperature-dependent resistance profiles.
  • FIG. 6 shows a flow chart of the second embodiment of the method according to the invention for compensating for the internal resistance R of the replaceable battery pack 10 or the at least one energy storage cell 42.
  • the method steps that are identical to the first exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4 have the same reference symbols.
  • an operating mode is first set on the electrical load 18 and the electrical load 18 starts ge.
  • the electrical consumer 18 then establishes communication with the removable battery pack 10 via the signal or data contact 68 of the electromechanical interfaces 14, 20 in order to use the measuring device 66 and the temperature sensor 64 to measure the temperature T of the removable battery pack 10 or the at least one energy storage cell 42 and to transmit the measured temperature value T via the signal or data contact 68 to the monitoring unit 56 of the electrical load 18.
  • the two reference points S n (T n , R n ), S n +i ( T n+ i , R n+i ) selected from the look-up table and transmitted to the electrical consumer 18 .
  • R apP (Ti) Rn + (Rn+l - Rn) * (Ti - Tn) / (T n+1 - T n ).
  • method step 76 communication is first established between the electrical load 18 and the replaceable battery pack 10 via the signal or data contact 68 in order to find all the interpolation points Si(Ti, Ri), S N+ stored in the look-up table of the memory 55 I (T N + I, R N + I) to the moni monitoring unit 56 of the electrical load 18 to transmit.
  • the temperature T of the replaceable battery pack 10 or the at least one energy storage cell 42 is then first measured and the measured temperature value T is transmitted via the signal or data contact 68 to the monitoring unit 56 of the electrical load 18.
  • the monitoring unit 56 selects an associated temperature window T n , T n+i on the basis of the transmitted temperature value T i in order to, in method step 94, on the basis of the associated support points S n (T n , R n ),
  • step 86 a decision is made as to whether the operation of the electrical load 18 must be stopped in step 88 or not. If he doesn't have to be stopped, it jumps

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Innenwiderstands (R) eines Energiespeichers (11), insbesondere eines Wechselakkupacks (10), mit zumindest einer Energiespeicherzelle (42). Es wird vorgeschlagen, dass die Kompensation des Innenwiderstands (R) in einem mit dem Energiespeicher (11) verbundenen elektrischen Verbraucher (18) oder Ladegerät (16) auf Grundlage einer exponentiell abfallenden Approximation (Rapp(T)) erfolgt, deren Verlauf von einer Temperatur (T) und der Zellchemie der zumindest einen Energiespeicherzelle (42) abhängt. Zudem betrifft die Erfindung ein System bestehend aus zumindest einem als Wechselakkupack (10) ausgebildeten Energiespeicher (11) sowie einem elektrischen Verbraucher (18) zum Entladen des Wechselakkupacks (10) und/oder einem Ladegerät (16) zum Aufladen des Wechselakkupacks (10), wobei der Wechselakkupack (10), der elektrische Verbraucher (18) und das Ladegerät (16) jeweils eine elektromechanische Schnittstelle (14, 20) mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) zur Durchführung des Verfahrens aufweisen.

Description

Verfahren zur Kompensation eines Innenwiderstands eines Energiespeichers und System zur Kompensation des Innenwiderstands
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Innenwiderstands eines Energiespeichers sowie ein System zur Kompensation des Innenwider stands nach dem Obergriff der nebengeordneten Ansprüche.
Stand der Technik
Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit wieder aufladbaren Energiespei chern betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel beste hen derartige Energiespeicher aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel ver- schalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Betriebsspan nung bzw. -kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium- lonen-Zellen (Li-Ion) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine sehr hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen. Derartige Energiespeicher bzw. Energiespeicherzellen sind jedoch besonders empfindlich gegenüber einer Tie fentladung, die zu ihrer Zerstörung führen kann. Daher ist es notwendig, dass der elektrische Verbraucher die Spannung des Energiespeichers überwacht und bei Erreichen einer unteren Schwellspannung das weitere Entladen verhindert.
Jeder Energiespeicher weist einen Innenwiderstand auf, der über ein entspre chendes Ersatzschaltbild in Reihe mit einer ideal widerstandslosen Energiespei cherzelle geschaltet ist. Wird dem Energiespeicher Strom entnommen oder zuge führt, fällt auch an diesem Innenwiderstand eine Spannung ab. Dieser ungewollte Spannungsabfall führt dazu, dass der elektrische Verbraucher zu früh abschalten würde, obwohl die tatsächliche Spannung des Energiespeichers (OCV: Open Cir cuit Voltage) noch ausreichend für einen weiteren Betrieb wäre. Deshalb ist es bekannt, den Innenwiderstand des Energiespeichers derart zu kompensieren, dass der elektrische Verbraucher unter dessen Kenntnis mittels einer Überwa chungseinheit den Spannungsabfall am Innenwiderstand errechnet und daraus eine neue Abschaltschwelle ableitet. Problematisch ist jedoch, dass der Innenwi derstand sehr von der Temperatur des Energiespeichers bzw. der Energiespei cherzelle abhängt. Die Charakteristik des Verlaufs des Innenwiderstands über die Temperatur wird maßgeblich von der Zellchemie beeinflusst, die für verschiedene Zelltypen unterschiedlich ist.
Neben einer festen Integration des Energiespeichers in den elektrischen Ver braucher gibt es insbesondere bei elektrischen Verbrauchern mit hohen Strom- verbräuchen und längeren Betriebszeiten, wie z.B. Elektrowerkzeugen, auch Energiespeicher, die als so genannte Wechselakkupacks ausgestaltet sind. Über eine elektromechanische Schnittstelle des Wechselakkupacks kann dieser werk zeuglos lösbar mit einerweiteren elektromechanischen Schnittstelle des elektri schen Verbrauchers oder des Ladegeräts gekoppelt werden. Dabei ist jeweils ein erster der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem ersten Be zugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt ausgebildet.
Wechselakkupacks können jedoch mit sehr unterschiedlichen Energiespeicher zellen ausgerüstet sein, die sehr unterschiedliche Innenwiderstände und Tempe raturcharakteristiken aufweisen. Aus der DE 102016209822.5 ist eine Lösung be kannt, bei der der Innenwiderstand eines Wechselakkupacks über jeweils einen dritten, als Signal- oder Datenkontakt ausgebildeten Kontakt der elektromechani schen Schnittstellen in Abhängigkeit von einer im Wechselakkupack gemessenen Temperatur an den elektrischen Verbraucher übertragen wird. Alternativ kann der Signal- oder Datenkontakt auch zum Abschätzen des Innenwiderstands auf Grundlage eines im Wechselakkupack verbauten Codierwiderstands und einer im elektrischen Verbraucher hinterlegen Look-Up-Tabelle genutzt werden. Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte zell- und temperaturabhängige Kompensa tion des Innenwiderstands eines Energiespeichers, insbesondere eine Wech selakkupacks, zu ermöglichen und somit die Betriebszeit des elektrischen Ver brauchers zu verlängern bzw. den Ladezyklus eines Ladegeräts zu optimieren.
Vorteile der Erfindung
Zur Lösung der gesellten Aufgabe ist vorgesehen, dass die Kompensation des Innenwiderstands in einem mit dem Energiespeicher verbundenen elektrischen Verbraucher oder Ladegerät auf Grundlage einer exponentiell abfallenden Appro ximation erfolgt, deren Verlauf von der Temperatur und der Zellchemie der zu mindest einen Energiespeicherzelle abhängt.
Gegenüber einer Lösung per Codierwiderstand ergibt sich auf diese Weise der Vorteil einer größeren übertragbaren Datenmenge zur präziseren Abschätzung des Innenwiderstand im elektrischen Verbraucher bzw. im Ladegerät. Zudem ist keine spezielle Ausgestaltung eines im Energiespeicher integrierten, den Codier widerstand aufweisenden Elektronikmoduls zur individuellen Anpassung an die Charakteristik der eingesetzten Energiespeicherzellen notwendig. Oftmals wird ein Codierwiderstand derart ausgelegt, dass er den kleinstmöglichen Innenwider stand von allen für einen bestimmten Energiespeichertyp verwendbaren Energie speicherzellen codiert. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet demgegenüber den Vorteil, dass die Errechnung des Spannungsabfalls keine mit einer gewissen Sicherheit beaufschlagten Annahme unterliegen muss, so dass dem Anwender letztlich mehr Leistung bzw. Kapazität zur Verfügung gestellt werden kann. Ge genüber der direkten Übertragung des Innenwiderstandwerts über den Signal oder Datenkontakt ergibt sich der Vorteil, dass die Temperatur nicht im Energie speicher gemessen und von einer dortigen Recheneinheit berechnet werden muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch ein System bestehend aus zumin dest einem als Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeicher sowie einem elektrischen Verbraucher zum Entladen des Wechselakkupacks und/oder einem Ladegerät zum Aufladen des Wechselakkupacks durchgeführt, wobei der Wech selakkupack, der elektrische Verbraucher und das Ladegerät jeweils eine elektro mechanische Schnittstelle mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweist. Ein erster der elektrischen Kontakte der Schnittstelle dient dabei als ein mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlag barer Energieversorgungskontakt, ein zweiter der elektrischen Kontakte der Schnittstelle als ein mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt und ein dritter der elektrischen Kontakte der Schnittstelle als ein Signal- oder Datenkontakt zur Übertragung der zur Berechnung der exponentiell abfallenden Approximation not wendigen Daten.
Als elektrische Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen beispielweise mit ei nem Energiespeicher, insbesondere einem Wechselakkupack, betriebene Elekt rowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetrie benen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das Elektrowerkzeug sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugma schine ausgebildet sein. Typische Elektrowerkzeuge sind in diesem Zusammen hang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohr hämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch mit einem Energiespeicher, insbesondere Wechselakkupack, betriebene Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Roboter- Breaker und -Bagger oder dergleichen sowie Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc. in Frage. Ebenso ist die Erfindung auf elektrische Verbraucher anwendbar, die gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Wechselakkupacks versorgt werden.
Die Spannung eines Energiespeichers ist in der Regel ein Vielfaches der Span nung einer einzelnen Energiespeicherzelle und ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicher zelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespei- cherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegen den Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzelle, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder derglei chen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Energiespeicher mit Ni-Cd-, Ni- MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-Ion- Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rund zelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energie speicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Energiespeicher und Ener giespeicherzellen, z.B. neben Rundzellen auch Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die exponentiell abfallende Approximation derart ausgestaltet, dass sie für eine Mehrzahl, insbesondere für alle, Tempera turwerte unterhalb entsprechend real gemessener Werte des Innenwiderstands der zumindest einen Energiespeicherzelle liegt. Damit kann sichergestellt wer den, dass der reale Innenwiderstand größer oder gleich der errechneten Werte ist, um eine sichere Kompensation zu ermöglichen.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die exponentiell abfallende Approximation mittels zumindest zweier Parameter berechnet wird, wobei die zumindest zwei Parame ter die Zellchemie der zumindest einen Energiespeicherzelle charakterisieren. Dabei sind die zumindest zwei Parameter für bestimmte Temperaturwerte in ei ner Look-Up-Tabelle eines Speichers des Energiespeichers hinterlegt. Auf diese Weise ist einerseits eine sehr genaue Approximation des Innenwiderstands mög lich, während andererseits nur wenig Speicherplatz im Speicher des Energiespei chers zum Hinterlegen der Parameter erforderlich ist.
In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens wird die Temperatur des Energiespeichers und/oder der Energiespeicherzelle gemessen, wobei in Abhän gigkeit von dem gemessenen Temperaturwert jeweils ein Parameterwert der zu mindest zwei Parameter an den elektrischen Verbraucher oder das Ladegerät übertragen wird. Mit besonderem Vorteil kann dadurch die Übertragungskapazität des Signal- oder Datenkontakts der elektromechanischen Schnittstelle geschont werden, um ggf. weitere Betriebsparameter zu übertragen oder die Kommunika tion zu verifizieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass auf Grundlage der zumindest zwei übertragenen Parameterwerte für den gemessenen Temperaturwert ein Ap proximationswert des Innenwiderstands berechnet wird. In einem weiteren Ver fahrensschritt wird ein Laststrom im elektrischen Verbraucher oder im Ladegerät gemessen und anhand des gemessenen Laststroms, des berechneten Approxi mationswerts und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung der Energiespei cherzelle eine Abschaltspannung mittels der Beziehung
Ustop = UstopOC — Rapp(Ti) I berechnet. Dabei beträgt die bekannte Leerlauf-Abschaltspannung der Energie speicherzelle bevorzugt 2,5 Volt. Der Betrieb des elektrischen Verbrauchers oder der Ladevorgang des Ladegeräts wird gestoppt, wenn eine gemessene Zellspan nung der Energiespeicherzelle die berechnete Abschaltspannung überschreitet.
Die exponentiell abfallende Approximation kann mittels dreier die Zellchemie cha rakterisierender Parameter über den Zusammenhang
Rapp(T) = a * exp(-b * T) + c berechnet werden. Um Speicherplatz im Energiespeicher zu sparen, liegt ein ers ter Parameter im Bereich von 1 bis 100, insbesondere von 20 bis 50, ein zweiter Parameter im Bereich von 0,01 bis 0,1, insbesondere von 0,03 bis 0,06, und ein dritter Parameter im Bereich von 1 bis 60, insbesondere von 5 bis 30. Auf diese Weise kann die Dimension der Look-Up-Tabelle minimiert werden.
In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die exponentiell abfal lende Approximation durch eine Mehrzahl von Geraden gebildet wird, wobei jede Gerade durch zwei Parameterwerte definiert ist, die sich jeweils aus einem Wer tepaar eines Temperaturwerts und des zugehörigen Innenwiderstands der Ener giespeicherzelle ergeben. Durch die Verwendung von lediglich zwei Parametern kann der Aufwand für die Berechnung der Approximation im elektrischen Ver braucher und/oder im Ladegerät weiter reduziert werden. Zudem werden weniger Speicherplatz im Energiespeicher und weniger Bandbreite für den Signal- oder Datenkontakt benötigt bzw. der Signal- oder Datenkontakt kann zur Übertragung weiterer Betriebsparameter genutzt werden. Mit besonderem Vorteil beträgt die Mehrzahl von Geraden 2 bis 100, insbesondere 3 bis 7. Weiterhin lässt sich die Anzahl zu speichernder bzw. zu übertragender Parameterwerte reduzieren, wenn einer der beiden Parameterwerte zweier benachbarter Geraden identisch ist. So mit sind für N Geraden lediglich N + 1 Parameterwerte erforderlich. In einem Ver fahrensschritt des Verfahrens werden dann auf Grundlage des gemessenen Temperaturwerts zwei zugehörige Parameterwerte aus der Look-Up-Tabelle aus gewählt und ein Approximationswert über den Zusammenhang
Rapp(Ti) = Rn + (Rn+l - Rn) * (Ti - Tn) / (Tn+1 - Tn) berechnet. Vorteilhaft an der alternativen Ausgestaltung ist zudem, dass über die Geraden auch nicht-exponentielle Kurvenverläufe approximiert werden können, um somit zukünftige Zellchemien mit anderen temperaturabhängigen Wider standsverläufen berücksichtigt zu können.
Ausführungsbeispiele
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 6 beispielhaft erläu tert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit ei ner gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen Fig. 1: ein System umfassend zumindest einen als Wechselakkupack ausgestalteten Energiespeicher und zumindest ein mit dem Wechselakkupack verbindbares Ladegerät zum Laden bzw. ei nen mit dem Wechselakkupack verbindbaren elektrischen Ver braucher zum Entladen des Wechselakkupacks in einer schema tischen Darstellung,
Fig. 2: ein Blockschaltbild des Systems aus Figur 1,
Fig. 3: ein Diagramm einer erfindungsgemäßen, exponentiell abfallen den Approximation des Innenwiderstands des Energiespeichers in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 4: ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 5: ein Diagramm einer erfindungsgemäßen, exponentiell abfallen den Approximation des Innenwiderstands des Energiespeichers in einer zweiten Ausführungsform und
Fig. 6: ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt einen als Wechselakkupack 10 ausgestalten Energiespeicher 11 mit einer, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechani schen Schnittstelle 14. Der Wechselakkupack 10 kann mittels eines Ladegeräts 16 geladen und durch diverse elektrische Verbraucher 18 entladen werden. Dazu weisen das Ladegerät 16 und die elektrischen Verbraucher 18 jeweils eine wei tere, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisende elektromechanische Schnittstelle 20 auf. Figur 1 soll veranschaulichen, dass die Erfindung für ver schiedene elektrische Verbraucher 18 geeignet ist. So sind exemplarisch ein Ak kustaubsauger 22, ein Akkuschlagschrauber 24 und ein Akkurasentrimmer 26 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerk zeuge, Gartengeräte und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 18 in Frage kommen. Zudem ist die Erfindung gleichermaßen auf elektrische Verbrau cher 18 anwendbar, die mit einem als Wechselakkupack 10 oder als fest inte grierten Akku (nicht gezeigt) ausgebildeten Energiespeicher 11 versorgt werden.
Der Wechselakkupack 10 umfasst ein Gehäuse 28, das an einer Seitenwand bzw. an seiner Oberseite 30 die elektromechanische Schnittstelle 14 zur lösbaren Verbindung mit der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladege räts 16 bzw. der elektrischen Verbraucher 18 aufweist. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 18 dienen die elektromechanischen Schnittstellen 14,
20 primär dem Entladen des Wechselakkupacks 10, während sie in Verbindung mit dem Ladegerät 16 dem Aufladen des Wechselakkupacks 10 dienen. Die ge naue Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 und diversen Her stellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 12 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 10 und dem Ladegerät 16 bzw. dem elektrischen Verbraucher 18 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten elektrischen Verbrauchern 18 betreibbar ist. Da die mechanische Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 für die Erfindung unerheblich ist, soll hie rauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 16 bzw. des elektri schen Verbrauchers 18 werden diesbezüglich die geeignete Auswahl treffen.
Der Wechselakkupack 10 verfügt über eine mechanische Arretiervorrichtung 32 zur Arretierung der form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung der elekt romechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupack 10 an der entsprechen den Gegenschnittstelle 20 (nicht im Detail gezeigt) des elektrischen Verbrauchers 18. Dabei ist die Arretiervorrichtung 32 als ein gefederter Drücker 34 ausgebildet, der mit einem Arretierglied 36 des Wechselakkupacks 10 wirkverbunden ist. Auf grund der Federung des Drückers 34 und/oder des Arretierglieds 36 rastet die Ar retiervorrichtung 32 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die Gegen schnittstelle 20 des elektrischen Verbrauchers 18 automatisch ein. Drückt ein Be diener den Drücker 34 in Einschubrichtung, wird die Arretierung gelöst und der Bediener kann den Wechselakkupack 10 entgegen der Einschubrichtung aus dem elektrischen Verbraucher 18 entnehmen bzw. ausschieben.
Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Akkuspannung des Wechselakku packs 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Einzelspannungen der Energie speicherzellen (siehe Figur 2) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespei cherzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfin dung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
In Figur 2 ist ein Blockschaltbild bestehend aus dem als Wechselakkupack 10 ausgebildeten Energiespeicher 11 auf der linken Seite und einem Ladegerät 16 bzw. elektrischen Verbraucher 18 auf der rechten Seite dargestellt. Der Wech selakkupack 10 und das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 wei sen die zueinander korrespondierenden elektromechanischen Schnittstellen 14 und 20 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem ersten Bezugspotential Vi, vorzugsweise einem Versorgungspotential V+, beaufschlag barer Energieversorgungskontakt 38 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem zweiten Bezugspotential V2, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversor gungskontakt 40 dient. Über den ersten und den zweiten Energieversorgungs kontakt 38, 40 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät 16 mit einem Ladestrom geladen und andererseits durch den elektrischen Verbrau cher 18 mit einem Entladestrom entladen werden. Die Stromstärken von Lade- und Entladestrom können sich signifikant voneinander unterscheiden. So kann der Entladestrom bei entsprechend ausgelegten elektrischen Verbrauchern 18 bis zu 10 Mal höher sein als der Ladestrom des Ladegeräts 16. Im Folgenden soll trotz dieser Unterschiede zwischen Lade- und Entladestrom stets von einem Laststrom I gesprochen werden. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V+ und GND insbesondere im Falle eines mit einem Wech selakkupack 10 versorgbaren elektrischen Verbrauchers 18 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegen, sondern erst nach Verbin dung der elektrischen Schnittstellen 14, 20. Entsprechendes gilt für einen entla denen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 16.
Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 42 auf, die zwar in Figur 2 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder er gänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung die über die Energieversorgungskontakte 38, 40 abfallende Spannung Ußatt des Wechselakkupacks 10 definiert, während eine Parallelschal tung einzelner Energiespeicherzellen 42 primär die Kapazität des Wechselakku packs 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne aus parallel ver- schalteten Energiespeicherzellen 42 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung Ußatt des Wechselakkupacks bei gleich zeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-Ion-Energiespeicherzellen 42 mit einer Zellspannung Uceii von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 38, 40 eine Wechselakku- pack-Spannung Ußatt = Vi - V2 von 5 · 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in ei nem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 42 kann die Kapazi tät gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfin dung ist jedoch nicht von der Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 42 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 42 angewendet werden.
Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster des Wechselakkupacks 10 ist eine SCM-Vorstufe 44 (Single- Cell-Monitoring) vorgesehen. Die SCM-Vorstufe 44 weist eine Multiplexer-Mess- vorrichtung 46 auf, die über Filterwiderstände 48 hochohmig mit entsprechenden Abgriffen 50 der Pole der Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster verbindbar ist. Im Folgenden soll der Begriff Energiespeicherzelle auch das Zell-Cluster um fassen, da diese lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 haben, aber die gleiche Zellspannung Uceii aufweisen. Die insbesondere hochoh mig ausgestalteten Filterwiderstände 50 können im Fehlerfall eine gefährliche Er wärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 46 verhindern.
Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 46 kann über eine im Wech selakkupack 10 integrierte Überwachungseinheit 52 oder auch direkt innerhalb der SCM-Vorstufe 44 erfolgen. Zudem können auf diese Weise parallel zu den Energiespeicherzellen 42 geschaltete Schaltelemente 54 der SCM-Vorstufe 44 geschlossen oder geöffnet werden, um auf diese Weise ein so genanntes Balan- cing der Energiespeicherzellen 42 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entlade zustände der einzelnen Energiespeicherzellen 42 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 44 die gemessenen Zellspannungen Uceii an die Überwachungseinheit 52 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen Uceii direkt von der Überwachungseinheit 52, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.
Die Überwachungseinheit 52 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist denkbar, dass die Überwachungseinheit 52 aus mehreren Mikroprozessoren o- der zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transis torlogik besteht. Zudem weist die erste Überwachungseinheit 52 einen Speicher 55 zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie bei spielsweise der Spannung Ußatt, den Zellspannungen Uceii, einer Temperatur T, des Laststroms I oder dergleichen auf.
Neben der Überwachungseinheit 52 im Wechselakkupack 10 weisen auch das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 eine Überwachungseinheit 56 auf, die entsprechend der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 ausgebildet sein kann. Im Falle eines elektrischen Verbrauchers 18 steuert die Überwachungseinheit 56 eine mit dem ersten und dem zweiten Energieversor gungskontakt 38, 40 der weiteren Schnittstelle 20 verbundene Last 58, an der die Wechselakkupack-Spannung Ußatt anliegt. Die Last 58 kann beispielsweise als eine Leistungsendstufe ausgebildet sein, die einen Elektromotor zu dessen Dreh zahl- und/oder Drehmomentänderung mit einem pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt, was unmittelbaren Einfluss auf den Laststrom I des Wechselakku packs 10 hat. Es ist aber auch eine andere Leistung umsetzende Last 58 denk bar. Dem Fachmann sind zahlreiche Varianten möglicher elektrischer bzw. elekt romechanischer Lasten bekannt, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegan gen werden soll.
Alternativ kann der in ein Ladegerät 16 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem Laststrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung Ußatt geladen werden. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 16 bzw. dessen Netz teil 60 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen. Die an den Energie versorgungskontakten 38, 40 anliegende Spannung Ußatt kann über eine Span nungsmessvorrichtung 62 im Ladegerät 16 gemessen und von der Überwa chungseinheit 56 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 62 kann auch vollständig oder zum Teil in der Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 16 integriert sein, beispielsweise in Form eines integrierten ADC. Die genaue Ausgestaltung des Netzteils 60 des Ladegeräts 16 ist dem Fachmann bekannt und für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Daher soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.
Zur Messung einer Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der Energie speicherzellen 42 dient ein im Wechselakkupack 10 angeordneter Temperatur sensor 64, der vorzugsweise als NTC ausgebildet ist und im engen thermischen Kontakt mit mindestens einer der Energiespeicherzellen 42 steht. Die derart ge messene Temperatur T kann mittels einer im Wechselakkupack 10 integrierten Messschaltung 66 erfasst und von der Überwachungseinheit 52 des Wechselak kupacks 10 ausgewertet werden. Ergänzend oder alternativ kann die gemessene Temperatur T auch über einen als Signal- oder Datenkontakt 68 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 an das Ladegerät 16 bzw. den elektrischen Verbraucher 18 zur Auswertung mittels der dortigen Über wachungseinheit 56 übertragen werden.
Um den Laststrom I zur Erhöhung der Betriebssicherheit auch innerhalb des Wechselakkupacks 10 unterbrechen oder ermöglichen zu können, weist der Wechselakkupack 10 zumindest ein erstes Schaltelement 70 auf, das von der Überwachungseinheit 52 zum Unterbrechen des Laststroms I geschlossen und zum Ermöglichen des Laststroms I geöffnet werden kann. Im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel ist das zumindest eine erste Schaltelement 70 im Massepfad (Low- Side) zwischen dem zweiten als Energieversorgungskontakt 40 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 und einem Massekontakt punkt 62 der SCM-Vorstufe 44 angeordnet. Es ist aber auch denkbar, dass das zumindest eine erste Schaltelement 70 im Versorgungspfad (High-Side) zwi schen dem ersten als Energieversorgungskontakt 38 ausgebildeten Kontakt 12 und dem als Versorgungskontaktpunkt ausgebildeten Abgriff 50 der SCM- Vorstufe 44 angeordnet ist. Ebenso kann sowohl im Versorgungspfad als auch im Massepfad jeweils zumindest ein erstes Schaltelement 70 vorgesehen sein. Be vorzugt ist das zumindest eine erste Schaltelement 70 als ein MOSFET ausgebil det. Es sind aber auch andere Schaltelemente, wie beispielsweise ein Relais, ein IGBT, ein Bipolar-Transistor oder dergleichen denkbar.
Wie bereits eingangs erwähnt, weist der Wechselakkupack 10 bzw. dessen Ener giespeicherzellen 42 einen Innenwiderstand R auf, der zu einem ungewollten Spannungsabfall führt, so dass sich der elektrische Verbraucher 18 zu früh ab schalten würde, obwohl die Open Circuit Voltage des Energiespeichers noch ausreichend für einen weiteren Betrieb wäre. Deshalb muss der Innenwiderstand R des Wechselakkupacks 10 derart kompensiert werden, dass der elektrische Verbraucher 18 unter dessen Kenntnis mittels der Überwachungseinheit 56 den Spannungsabfall Uceii am Innenwiderstand R unter Berücksichtigung eines aktu ell gemessenen Temperaturwertes T, und der Zellchemie der Energiespeicher zelle 42 errechnet und daraus eine neue Abschaltspannung Ustop ableitet.
Nachfolgend soll ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah rens zur Kompensation des Innenwiderstands R des Wechselakkupacks 10 an hand der Figuren 3 und 4 erläutert werden. Dabei ist der Wechselakkupack 10 mit dem elektrischen Verbraucher 18 über die elektromechanischen Schnittstel len 14, 20 in der oben beschriebenen Art und Weise verbunden. Figur 3 zeigt exemplarisch den Verlauf des Innenwiderstands R einer Li-Ion Energiespeicher zelle 42 über die Temperatur T. Dabei stellen die Punkte tatsächlich gemessene Widerstandswerte R, in Abhängigkeit diskreter Temperaturwerte T, dar, während die durchgezogene Linie eine daraus abgeleitete, exponentiell abfallende Appro ximation Rapp(T) repräsentiert, deren Verlauf von der Temperatur T und der Zell chemie der Energiespeicherzelle 42 abhängt.
Die exponentiell abfallende Approximation Ra p(T) kann nun mittels dreier die Zellchemie charakterisierender Parameter a, b, c über den Zusammenhang
Rapp(T) = a * exp(-b * T) + c berechnet werden. Die drei Parameter a, b, c sind in einer Look-Up-Tabelle im Speicher 55 der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 für einzelne Temperaturwerte T, hinterlegt. Um Speicherplatz zu sparen, liegt vorzugsweise der erste Parameter a im Bereich von 1 bis 100, insbesondere von 20 bis 50, der zweite Parameter b im Bereich von 0,01 bis 0,1, insbesondere von 0,03 bis 0,06, und der dritte Parameter c im Bereich von 1 bis 60, insbesondere von 5 bis 30. Somit lässt sich die Dimension der Look-Up-Tabelle entsprechend minimieren.
Zudem ist es möglich, bei einem gemessenen Temperaturwert T ,, der nicht direkt in der Look-Up-Tabelle existiert, die Parameterwerte a,, bi, q für den nächst gerin geren, abgelegten Temperaturwert T, heranzuziehen. Auf diese Weise ist sicher gestellt, dass die exponentiell abfallende Approximation Ra (T) für eine Mehrzahl der Temperaturwerte T, unterhalb der real gemessenen Werte des Innenwider stands Ri(Ti) der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 liegt, so dass der reale Innenwiderstand Ri(T,) größer oder gleich der errechneten Approximationswerte Ra (Ti) ist, um eine sichere Kompensation zu ermöglichen. Die Parameterwerte a,, bi, q können aber auch von vornherein so gewählt werden, dass die errechne ten Approximationswerte Ra (Ti) für alle Temperaturwerte T, stets unterhalb der real gemessenen Werte des Innenwiderstands Ri(T,) liegen. Sprich, die in Figur 3 gezeigte Linie verschiebt sich dann um einen gewissen Offset nach unten.
Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens auf Grundlage der in Figur 3 ge zeigten exponentiell abfallenden Approximation Ra (T). In einem ersten Verfah rensschritt 74 wird zunächst eine Betriebsart am elektrischen Verbraucher 18 ein- gestellt und der elektrische Verbraucher 18 gestartet. Im nachfolgenden Verfah rensschritt 76 wird eine Kommunikation zu dem Wechselakkupack 10 über den Signal- oder Datenkontakt 68 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 auf gebaut und die Temperatur T des Wechselakkupacks 10 und/oder der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 mittels des Temperatursensors 64 und der Mess vorrichtung 66 gemessen. Anschließend werden in einem Verfahrensschritt 78 die drei im Speicher 55 des Wechselakkupacks 10 hinterlegten Parameter a, b, c abgefragt und in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert T, jeweils ein zugehöriger Parameterwert a,, b,, q der drei Parameter a, b, c an den elektri schen Verbraucher 18 übertragen. Auf Grundlage der drei übertragenen Parame terwerte a,, bi, q erfolgt dann mittels der Überwachungseinheit 56 im Verfahrens schritt 80 die Berechnung des Approximationswerts Ra p(Ti) des Innenwider stands (R) für den gemessenen Temperaturwert T,.
Es ist ebenso denkbar, dass die Verfahrensschritte 76 und 78 vertauscht werden. In dem Fall erfolgt zunächst im Verfahrensschritt 76 ein Kommunikationsaufbau zwischen dem elektrischen Verbraucher 18 und dem Wechselakkupack 10 über den Signal- oder Datenkontakt 68, um sämtliche in der Look-Up-Tabelle des Speichers 55 hinterlegten Parameterwerte a,, bi, q der drei Parameter a, b, c an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 zu übertragen. Im nachfolgenden Verfahrensschritt 78 wird dann zunächst die Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 ge messen und der gemessene Temperaturwert T, über den Signal- oder Datenkon takt 68 an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 über tragen, damit die Überwachungseinheit 56 anschließend den zugehörigen Para meterwert a,, bi, q auswählt.
Im Verfahrensschritt 82 misst der elektrische Verbraucher 18 mittels der Überwa chungseinheit 56 den Laststrom I und berechnet anhand des gemessenen Last stroms I, des im Verfahrensschritt 80 berechneten Approximationswerts Rapp(Ti) und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung Usto oc der Energiespeicher zelle 42 die Abschaltspannung Usto mittels der Beziehung
Ustop — UstopOC Rapp(Ti) I im nachfolgenden Verfahrensschritt 84. Dabei kann die bekannte Leerlauf-Ab- schaltspannung Ustopoc der Energiespeicherzelle 42 beispielsweise 2,5 Volt be tragen. Je nach Art und Zellchemie der Energiespeicherzelle 42 sind jedoch auch abweichende Leerlauf-Abschaltspannungen Ustopoc denkbar.
Im Verfahrensschritt 86 erfolgt dann eine Entscheidung, ob der Betrieb des elektrischen Verbrauchers 18 gestoppt werden muss oder nicht. Überschreitet die gemessene Zellspannung Uceii der Energiespeicherzelle 42 die berechnete Abschaltspannung Ustop, so wird der elektrische Verbraucher 18 im Verfahrens schritt 88 abgeschaltet. Andernfalls wird zum Verfahrensschritt 76 zurückge sprungen und die Temperatur T erneut gemessen, bis der elektrische Verbrau cher 18 durch den Bediener abgeschaltet wird.
Die Berechnung einer Exponentialfunktion kann insbesondere in elektrischen Verbrauchern 18 oder Ladegeräten 16 mit einer leistungsschwächeren Überwa chungseinheit 56 nicht oder nur schwer umsetzbar sein. Daher sieht das erfin dungsgemäße Verfahren in einer alternativen Ausführungsform gemäß der nach folgenden Figur 5 vor, dass die exponentiell abfallende Approximation Ra p(T) durch eine Mehrzahl N von Geraden Gn gebildet wird, wobei jede Gerade Gn durch zwei Parameterwerte Sn(Tn, Rn), Sn+i(Tn+i, Rn+i) definiert ist, die sich je weils aus einem Wertepaar eines Temperaturwerts Tn, Tn+i und des zugehörigen Innenwiderstands Rn, Rn+i der Energiespeicherzelle 42 ergeben. So wird im ge zeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 die exponentiell abfallende Approxi mation Rapp(T) durch insgesamt N = 5 Geraden Gi,..., G5 mit den Stützpunkten Si(Ti,Ri),..., Se(T6,R6) gebildet. Dabei ist jeweils ein Stützpunkt S2(T2,R2),...,
Ss(T 5, R5) zweier benachbarter Geraden Gi,..., G5 identisch, so dass sich die Ge raden Gi,..., G5 an diesen Stützpunkten S2(T2,R2),..., SeCTs.Rs) schneiden. Um die temperaturabhängige Kompensation des Innenwiderstands R über N Gera den zu berechnen, müssen somit nur N+l Stützpunkte im Speicher 55 des Wechselakkupacks 10 hinterlegt bzw. an den elektrischen Verbraucher 18 oder das Ladegerät 16 übertragen werden. Des Weiteren können der Speicherbedarf im Speicher 55 des Wechselakkupacks 10 und die Leistungsanforderung an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 bzw. des Ladegeräts 16 möglichst gering gehalten werden, wenn die Mehrzahl N von Geraden Gn auf 2 bis 100, besonders bevorzugt auf 3 bis 7, beschränkt ist.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Stützpunkte Sn(Tn, Rn), Sn+i(Tn+i, Rn+i) derart ausgelegt sind, dass die berechneten Geraden Gn bei allen gemessenen Tempe raturwerten Ti stets unterhalb der realen Innenwiderstandswerte R, der Energie speicherzellen 42 verlaufen. Damit ist sichergestellt, dass der Innenwiderstand R immer größer oder gleich der errechneten Werte ist, um eine sichere Kompensa tion zu erzielen. Ein weiterer Vorteil der zweiten Ausführungsform ist, dass über die Geraden Gn auch nicht-exponentielle Kurvenverläufe angenähert werden können, um somit auch zukünftige Zellchemien mit eventuell anderen tempera turabhängigen Widerstandsverläufen berücksichtigen zu können.
In Figur 6 ist ein Flussdiagramm des zweiten Ausführungsform des erfindungsge mäßen Verfahrens zur Kompensation des Innenwiderstands R des Wechselakku packs 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 gezeigt. Dabei wei sen die zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 3 und 4 identischen Verfahrensschritte dieselben Bezugszeichen auf.
Im ersten Verfahrensschritt 74 wird wiederum zunächst eine Betriebsart am elektrischen Verbraucher 18 eingestellt und der elektrische Verbraucher 18 ge startet. Im Verfahrensschritt 76 wird sodann seitens des elektrischen Verbrau chers 18 eine Kommunikation zu dem Wechselakkupack 10 über den Signal- o- der Datenkontakt 68 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 aufgebaut, um mittels der Messvorrichtung 66 und des Temperatursensors 64 die Tempera tur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 zu messen und den gemessenen Temperaturwert T, über den Signal- oder Datenkontakt 68 an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 zu übertragen. Im Verfahrensschritt 90 werden in Abhängigkeit des gemesse nen Temperaturwerts T, die beiden im Speicher 55 des Wechselakkupacks 10 zum entsprechenden Temperaturfenster Tn, Tn+i gehörenden Stützpunkte Sn(Tn, Rn), Sn+i(T n+i, Rn+i) aus der Look-Up-Tabelle ausgewählt und an den elektrischen Verbraucher 18 übertragen. Auf Grundlage der beiden übertragenen Stützpunkte Sn(Tn, Rn), Sn+i(Tn+i, Rn+i) und des gemessenen Temperaturwerts T, wird dann mittels der Überwachungseinheit 56 im Verfahrensschritt 92 der Approximations werts Ra (Ti) des Innenwiderstands (R) mittels linearer Interpolation über den Zusammenhang
RapP(Ti) = Rn + (Rn+l - Rn) * (Ti - Tn) / (Tn+1 - Tn) berechnet.
Analog zum ersten Ausführungsbeispiel können auch hier die beiden Verfahrens schritte 76 und 90 in ihrer Reihenfolge vertauscht werden.
In dem Fall erfolgt zunächst im Verfahrensschritt 76 ein Kommunikationsaufbau zwischen dem elektrischen Verbraucher 18 und dem Wechselakkupack 10 über den Signal- oder Datenkontakt 68, um sämtliche in der Look-Up-Tabelle des Speichers 55 hinterlegten Stützpunkte Si(Ti, Ri), SN+I(TN+I, RN+I) an die Überwa chungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 zu übertragen. Im nachfol genden Verfahrensschritt 90 wird dann zunächst die Temperatur T des Wech selakkupacks 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 gemessen und der gemessene Temperaturwert T, über den Signal- oder Datenkontakt 68 an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 übertragen. Im Verfahrensschritt 92 wählt die Überwachungseinheit 56 anhand des übertrage nen Temperaturwerts T, ein zugehöriges Temperaturfenster Tn, Tn+i aus, um im Verfahrensschritt 94 auf Grundlage der zugehörigen Stützpunkte Sn(Tn, Rn),
Sn+i(T n+i, Rn+i) den Approximationswert Rapp(Ti) gemäß der obigen linearen Inter polation zu berechnen.
Die nachfolgenden Verfahrensschritte 82 bis 88 sind dann wieder identisch zu dem Verfahren der ersten Ausführungsform gemäß Figur 4. Im Verfahrensschritt 82 misst der elektrische Verbraucher 18 mittels der Überwachungseinheit 56 den Laststrom I und berechnet anhand des gemessenen Laststroms I, des im Verfah rensschritt 94 berechneten Approximationswerts Ra (Ti) und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung Usto oc der Energiespeicherzelle 42 die Ab schaltspannung Usto mittels der Beziehung Ustop — UstopOC Rapp(Ti) I im nachfolgenden Verfahrensschritt 84. Im Verfahrensschritt 86 erfolgt eine Ent scheidung, ob der Betrieb des elektrischen Verbrauchers 18 in Verfahrensschritt 88 gestoppt werden muss oder nicht. Muss er nicht gestoppt werden, springt das
Verfahren zurück zum Verfahrensschritt 76, um die Temperatur T so lange zu messen, bis der elektrische Verbraucher 18 durch den Bediener abgeschaltet wird. Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungs beispiele weder auf die Figuren 1 bis 6 noch auf die darin gezeigte Art der Wech selakkupacks 10, Ladegeräte 16 oder elektrischen Verbraucher 18 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 46 und der da mit verbundenen Ausgestaltung der Multiplexer-Messvorrichtung 46. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen der Schnittstellen 14, 20 sowie die Anzahl ihrer
Kontakte 12 lediglich exemplarisch zu verstehen. Dies gilt auch für Art und An zahl der dargestellten Temperatursensoren, Schaltmittel, Überwachungseinhei ten, etc.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Kompensation eines Innenwiderstands (R) eines Energie speichers (11), insbesondere eines Wechselakkupacks (10), mit zumin dest einer Energiespeicherzelle (42), dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensation des Innenwiderstands (R) in einem mit dem Energiespei cher (11) verbundenen elektrischen Verbraucher (18) oder Ladegerät (16) auf Grundlage einer exponentiell abfallenden Approximation (Rapp(T)) erfolgt, deren Verlauf von einer Temperatur (T) und der Zell chemie der zumindest einen Energiespeicherzelle (42) abhängt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die expo nentiell abfallende Approximation (Ra (T)) für eine Mehrzahl, insbeson dere für alle, Temperaturwerte (T,) unterhalb entsprechend real gemes sener Werte des Innenwiderstands (R(T,)) der zumindest einen Energie speicherzelle (42) liegt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die exponentiell abfallende Approximation (Ra (T)) mittels zumindest zweier Parameter (a, b, c; Sn, Sn+i) berechnet wird, wobei die zumindest zwei Parameter (a, b, c; Sn, Sn+i) die Zellchemie der zumindest einen Energiespeicherzelle (42) charakterisieren.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumin dest zwei Parameter (a, b, c; Sn„ Sn+i) für bestimmte Temperaturwerte (Ti) in einer Look-Up-Tabelle eines Speichers (55) des Energiespeichers (11) hinterlegt sind.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einem Verfahrensschritt () die Temperatur (T) des Energiespeichers (11) und/oder der zumindest einen Energiespeicherzelle (42) gemessen und in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert (T,) jeweils ein Parameterwert (a,, bi, c; Sn, Sn+i) der zumindest zwei Parameter (a, b, c; Sn„ Sn+i) an den elektri schen Verbraucher (18) oder das Ladegerät (16) übertragen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt () auf Grund lage der zumindest zwei übertragenen Parameterwerte (a,, bi, q; Sn,
Sn+i) für den gemessenen Temperaturwert (T,) ein Approximationswert (Rapp(Ti)) des Innenwiderstands (R) berechnet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt () ein Last strom (I) im elektrischen Verbraucher (18) oder im Ladegerät (16) ge messen wird und dass anhand des gemessenen Laststroms (I), des be rechneten Approximationswerts (Ra p(Ti)) und einer bekannten Leerlauf- Abschaltspannung (Ustopoc) der Energiespeicherzelle (42) eine Ab schaltspannung (Ustop) mittels der Beziehung
Ustop = UstopOC — Rapp(Ti) I berechnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die be kannte Leerlauf-Abschaltspannung (Ustopoc) der Energiespeicherzelle (42) 2,5 Volt beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt () der Betrieb des elektrischen Verbrauchers (18) oder der Ladevorgang des Ladegeräts (16) gestoppt wird, wenn eine gemessene Zellspannung (Uceii) der Energiespeicherzelle (42) die berechnete Abschaltspannung (Ustop) überschreitet.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die exponentiell abfallenden Approximation mittels dreier die Zellchemie charakterisierender Parameter (a, b, c) über den Zusammenhang
Rapp(T) = a * exp(-b * T) + c berechnet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Parameter (a) im Bereich von 1 bis 100, insbesondere von 20 bis 50, ein zweiter Parameter (b) im Bereich von 0,01 bis 0,1, insbesondere von 0,03 bis 0,06, und ein dritter Parameter (c) im Bereich von 1 bis 60, ins besondere von 5 bis 30, liegt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die exponentiell abfallende Approximation (Rapp(T)) durch eine Mehrzahl (N) von Geraden (Gn) gebildet wird, wobei jede Gerade (Gn) durch zwei Parameterwerte (Sn(Tn, Rn), Sn+i(Tn+i,
Rn+i)) definiert ist, die sich jeweils aus einem Wertepaar eines Tempera turwerts (Tn, T n+i) und des zugehörigen Innenwiderstands (Rn, Rn+i) der Energiespeicherzelle (42) ergeben.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehr zahl (N) von Geraden (G) 2 bis 100, insbesondere 3 bis 7, beträgt.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 12 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, dass einer der beiden Parameterwerte (Sn(Tn, Rn),
Sn+i(T n+i, Rn+i)) zweier benachbarter Geraden (Gn, Gn+i) identisch ist.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt () auf Grundlage des ge messenen Temperaturwerts (T,) zwei zugehörige Parameterwerte (Sn(Tn, Rn), Sn+i(Tn+i, Rn+i)) aus der Look-Up-Tabelle ausgewählt werden und ein Approximationswert Ra (Ti) über den Zusammenhang
Rapp(Ti) = Rn + (Rn+1 - Rn) * (Ti - Tn) / (Tn+1 - Tn) berechnet wird.
16. System bestehend aus zumindest einem als Wechselakkupack (10) aus- gebildeten Energiespeicher (11) sowie einem elektrischen Verbraucher
(18) zum Entladen des Wechselakkupacks (10) und/oder einem Ladege rät (16) zum Aufladen des Wechselakkupacks (10), wobei der Wech selakkupack (10), der elektrische Verbraucher (18) und das Ladegerät (16) jeweils eine elektromechanische Schnittstelle (14, 20) mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisen, und wobei ein erster der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstellen (14, 20) als ein mit einem ersten Bezugspotential (Vi), vorzugsweise einem Versor gungspotential (V+), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (38), ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstellen (14, 20) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V2), vorzugsweise einem Masse potential (GND), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (40) und ein dritter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstellen (14, 20) als ein Signal- oder Datenkontakt (68) zur Übertragung der zumindest zwei Parameter (a, b, c; Sn, Sn+i) dient.
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