DE102021208096A1

DE102021208096A1 - Verfahren zur Kompensation eines Innenwiderstands eines Energiespeichers und System zur Kompensation des Innenwiderstands

Info

Publication number: DE102021208096A1
Application number: DE102021208096.0A
Authority: DE
Inventors: Mickael Segret; Patrick Roeder; Andreas Gonser; Christoph Klee; Andreas FRIESE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-07-27
Filing date: 2021-07-27
Publication date: 2023-02-02
Also published as: CN117730463A; WO2023006330A1; EP4378047A1

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

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Innenwiderstands eines Energiespeichers sowie ein System zur Kompensation des Innenwiderstands nach dem Obergriff der nebengeordneten Ansprüche.
Stand der Technik
Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit wieder aufladbaren Energiespeichern betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel bestehen derartige Energiespeicher aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Betriebsspannung bzw. -kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithiumlonen-Zellen (Li-lon) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine sehr hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen. Derartige Energiespeicher bzw. Energiespeicherzellen sind jedoch besonders empfindlich gegenüber einer Tiefentladung, 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 entsprechendes Ersatzschaltbild in Reihe mit einer ideal widerstandslosen Energiespeicherzelle geschaltet ist. Wird dem Energiespeicher Strom entnommen oder zugeführt, 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 Circuit 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 Überwachungseinheit den Spannungsabfall am Innenwiderstand errechnet und daraus eine neue Abschaltschwelle ableitet. Problematisch ist jedoch, dass der Innenwiderstand sehr von der Temperatur des Energiespeichers bzw. der Energiespeicherzelle 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 Verbraucher gibt es insbesondere bei elektrischen Verbrauchern mit hohen Stromverbräuchen und längeren Betriebszeiten, wie z.B. Elektrowerkzeugen, auch Energiespeicher, die als so genannte Wechselakkupacks ausgestaltet sind. Über eine elektromechanische Schnittstelle des Wechselakkupacks kann dieser werkzeuglos lösbar mit einer weiteren elektromechanischen Schnittstelle des elektrischen Verbrauchers oder des Ladegeräts gekoppelt werden. Dabei ist jeweils ein erster der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem ersten Bezugspotential, 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 Energiespeicherzellen ausgerüstet sein, die sehr unterschiedliche Innenwiderstände und Temperaturcharakteristiken aufweisen. Aus der DE 102016209822.5 ist eine Lösung bekannt, bei der der Innenwiderstand eines Wechselakkupacks über jeweils einen dritten, als Signal- oder Datenkontakt ausgebildeten Kontakt der elektromechanischen 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 Kompensation des Innenwiderstands eines Energiespeichers, insbesondere eine Wechselakkupacks, zu ermöglichen und somit die Betriebszeit des elektrischen Verbrauchers 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 Approximation erfolgt, deren Verlauf von der Temperatur und der Zellchemie der zumindest 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 Codierwiderstand aufweisenden Elektronikmoduls zur individuellen Anpassung an die Charakteristik der eingesetzten Energiespeicherzellen notwendig. Oftmals wird ein Codierwiderstand derart ausgelegt, dass er den kleinstmöglichen Innenwiderstand von allen für einen bestimmten Energiespeichertyp verwendbaren Energiespeicherzellen 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. Gegenüber der direkten Übertragung des Innenwiderstandwerts über den Signal- oder Datenkontakt ergibt sich der Vorteil, dass die Temperatur nicht im Energiespeicher gemessen und von einer dortigen Recheneinheit berechnet werden muss.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch ein System bestehend aus zumindest einem als Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeicher sowie einem elektrischen Verbraucher zum Entladen des Wechselakkupacks und/oder einem Ladegerät zum Aufladen des Wechselakkupacks durchgeführt, wobei der Wechselakkupack, der elektrische Verbraucher und das Ladegerät jeweils eine elektromechanische 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, beaufschlagbarer 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 notwendigen Daten.
Als elektrische Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen beispielweise mit einem Energiespeicher, insbesondere einem Wechselakkupack, betriebene Elektrowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das Elektrowerkzeug sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Elektrowerkzeuge sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, 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 Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle und ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle 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 Energiespeicherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzelle, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Energiespeicher mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-lon-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 Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Energiespeicher und Energiespeicherzellen, 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, Temperaturwerte unterhalb entsprechend real gemessener Werte des Innenwiderstands der zumindest einen Energiespeicherzelle liegt. Damit kann sichergestellt werden, 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 Parameter die Zellchemie der zumindest einen Energiespeicherzelle charakterisieren. Dabei sind die zumindest zwei Parameter für bestimmte Temperaturwerte in einer Look-Up-Tabelle eines Speichers des Energiespeichers hinterlegt. Auf diese Weise ist einerseits eine sehr genaue Approximation des Innenwiderstands möglich, während andererseits nur wenig Speicherplatz im Speicher des Energiespeichers zum Hinterlegen der Parameter erforderlich ist.
In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens wird die Temperatur des Energiespeichers und/oder der Energiespeicherzelle gemessen, wobei in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert jeweils ein Parameterwert der zumindest 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 Kommunikation zu verifizieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass auf Grundlage der zumindest zwei übertragenen Parameterwerte für den gemessenen Temperaturwert ein Approximationswert des Innenwiderstands berechnet wird. In einem weiteren Verfahrensschritt wird ein Laststrom im elektrischen Verbraucher oder im Ladegerät gemessen und anhand des gemessenen Laststroms, des berechneten Approximationswerts und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung der Energiespeicherzelle eine Abschaltspannung mittels der Beziehung $U_{Stop} = U_{StopOC} - R_{app} (T_{i}) * I$
berechnet. Dabei beträgt die bekannte Leerlauf-Abschaltspannung der Energiespeicherzelle bevorzugt 2,5 Volt. Der Betrieb des elektrischen Verbrauchers oder der Ladevorgang des Ladegeräts wird gestoppt, wenn eine gemessene Zellspannung der Energiespeicherzelle die berechnete Abschaltspannung überschreitet.
Die exponentiell abfallende Approximation kann mittels dreier die Zellchemie charakterisierender Parameter über den Zusammenhang $R_{app} (T) = a*exp (- b*T) + c$
berechnet werden. Um Speicherplatz im Energiespeicher zu sparen, liegt ein erster 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 abfallende Approximation durch eine Mehrzahl von Geraden gebildet wird, wobei jede Gerade durch zwei Parameterwerte definiert ist, die sich jeweils aus einem Wertepaar eines Temperaturwerts und des zugehörigen Innenwiderstands der Energiespeicherzelle ergeben. Durch die Verwendung von lediglich zwei Parametern kann der Aufwand für die Berechnung der Approximation im elektrischen Verbraucher 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. Somit sind für N Geraden lediglich N + 1 Parameterwerte erforderlich. In einem Verfahrensschritt des Verfahrens werden dann auf Grundlage des gemessenen Temperaturwerts zwei zugehörige Parameterwerte aus der Look-Up-Tabelle ausgewählt und ein Approximationswert über den Zusammenhang $R_{app} (T_{i}) = R_{n} + (R_{n+1} - R_{n}) * (T_{i} - T_{n}) / (T_{n + 1} - T_{n})$
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 Widerstandsverläufen berücksichtigt zu können.
Ausführungsbeispiele
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 6 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: ein System umfassend zumindest einen als Wechselakkupack ausgestalteten Energiespeicher und zumindest ein mit dem Wechselakkupack verbindbares Ladegerät zum Laden bzw. einen mit dem Wechselakkupack verbindbaren elektrischen Verbraucher zum Entladen des Wechselakkupacks in einer schematischen Darstellung,
2: ein Blockschaltbild des Systems aus 1,
3: ein Diagramm einer erfindungsgemäßen, exponentiell abfallenden Approximation des Innenwiderstands des Energiespeichers in einer ersten Ausführungsform,
4: ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform,
5: ein Diagramm einer erfindungsgemäßen, exponentiell abfallenden Approximation des Innenwiderstands des Energiespeichers in einer zweiten Ausführungsform und
6: ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen als Wechselakkupack 10 ausgestalten Energiespeicher 11 mit einer, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechanischen 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 weitere, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisende elektromechanische Schnittstelle 20 auf. 1 soll veranschaulichen, dass die Erfindung für verschiedene elektrische Verbraucher 18 geeignet ist. So sind exemplarisch ein Akkustaubsauger 22, ein Akkuschlagschrauber 24 und ein Akkurasentrimmer 26 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerkzeuge, Gartengeräte und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 18 in Frage kommen. Zudem ist die Erfindung gleichermaßen auf elektrische Verbraucher 18 anwendbar, die mit einem als Wechselakkupack 10 oder als fest integrierten 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 Ladegeräts 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 genaue 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 Herstellerspezifikationen. 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 hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen 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 elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupack 10 an der entsprechenden 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. Aufgrund der Federung des Drückers 34 und/oder des Arretierglieds 36 rastet die Arretiervorrichtung 32 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die Gegenschnittstelle 20 des elektrischen Verbrauchers 18 automatisch ein. Drückt ein Bediener 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 Wechselakkupacks 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Einzelspannungen der Energiespeicherzellen (siehe 2) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
In 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 Wechselakkupack 10 und das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 weisen 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 V₁, vorzugsweise einem Versorgungspotential V+, beaufschlagbarer 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 Energieversorgungskontakt 40 dient. Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 38, 40 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät 16 mit einem Ladestrom geladen und andererseits durch den elektrischen Verbraucher 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 Wechselakkupack 10 versorgbaren elektrischen Verbrauchers 18 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektrischen Schnittstellen 14, 20. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 16.
Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 42 auf, die zwar in 2 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder ergänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung die über die Energieversorgungskontakte 38, 40 abfallende Spannung U_Batt des Wechselakkupacks 10 definiert, während eine Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 42 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen 42 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung U_Batt des Wechselakkupacks bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen 42 mit einer Zellspannung U_Cell von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 38, 40 eine Wechselakkupack-Spannung U_Batt = V₁ - V₂ von 5 · 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 42 kann die Kapazität gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfindung 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-Messvorrichtung 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 umfassen, da diese lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 haben, aber die gleiche Zellspannung U_Cell aufweisen. Die insbesondere hochohmig ausgestalteten Filterwiderstände 50 können im Fehlerfall eine gefährliche Erwärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 46 verhindern.
Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 46 kann über eine im Wechselakkupack 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 Balancing der Energiespeicherzellen 42 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen 42 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 44 die gemessenen Zellspannungen U_Cell an die Überwachungseinheit 52 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen U_Cell 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 oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem weist die erste Überwachungseinheit 52 einen Speicher 55 zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung U_Batt, den Zellspannungen U_Cell, 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 Energieversorgungskontakt 38, 40 der weiteren Schnittstelle 20 verbundene Last 58, an der die Wechselakkupack-Spannung U_Batt anliegt. Die Last 58 kann beispielsweise als eine Leistungsendstufe ausgebildet sein, die einen Elektromotor zu dessen Drehzahl- und/oder Drehmomentänderung mit einem pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt, was unmittelbaren Einfluss auf den Laststrom I des Wechselakkupacks 10 hat. Es ist aber auch eine andere Leistung umsetzende Last 58 denkbar. Dem Fachmann sind zahlreiche Varianten möglicher elektrischer bzw. elektromechanischer Lasten bekannt, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden soll.
Alternativ kann der in ein Ladegerät 16 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem Laststrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung U_Batt geladen werden. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 16 bzw. dessen Netzteil 60 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen. Die an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegende Spannung U_Batt kann über eine Spannungsmessvorrichtung 62 im Ladegerät 16 gemessen und von der Überwachungseinheit 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 Energiespeicherzellen 42 dient ein im Wechselakkupack 10 angeordneter Temperatursensor 64, der vorzugsweise als NTC ausgebildet ist und im engen thermischen Kontakt mit mindestens einer der Energiespeicherzellen 42 steht. Die derart gemessene Temperatur T kann mittels einer im Wechselakkupack 10 integrierten Messschaltung 66 erfasst und von der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 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 Überwachungseinheit 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 Ausführungsbeispiel 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 Massekontaktpunkt 62 der SCM-Vorstufe 44 angeordnet. Es ist aber auch denkbar, dass das zumindest eine erste Schaltelement 70 im Versorgungspfad (High-Side) zwischen 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. Bevorzugt ist das zumindest eine erste Schaltelement 70 als ein MOSFET ausgebildet. 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 Energiespeicherzellen 42 einen Innenwiderstand R auf, der zu einem ungewollten Spannungsabfall führt, so dass sich der elektrische Verbraucher 18 zu früh abschalten 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 U_Cell am Innenwiderstand R unter Berücksichtigung eines aktuell gemessenen Temperaturwertes T_i und der Zellchemie der Energiespeicherzelle 42 errechnet und daraus eine neue Abschaltspannung U_Stop ableitet.
Nachfolgend soll ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation des Innenwiderstands R des Wechselakkupacks 10 anhand der 3 und 4 erläutert werden. Dabei ist der Wechselakkupack 10 mit dem elektrischen Verbraucher 18 über die elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 in der oben beschriebenen Art und Weise verbunden. 3 zeigt exemplarisch den Verlauf des Innenwiderstands R einer Li-Ion Energiespeicherzelle 42 über die Temperatur T. Dabei stellen die Punkte tatsächlich gemessene Widerstandswerte R_i in Abhängigkeit diskreter Temperaturwerte T_i dar, während die durchgezogene Linie eine daraus abgeleitete, exponentiell abfallende Approximation R_app(T) repräsentiert, deren Verlauf von der Temperatur T und der Zellchemie der Energiespeicherzelle 42 abhängt.
Die exponentiell abfallende Approximation R_app(T) kann nun mittels dreier die Zellchemie charakterisierender Parameter a, b, c über den Zusammenhang $R_{app} (T) = a * exp (- b*T) + c$
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_i 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_i, der nicht direkt in der Look-Up-Tabelle existiert, die Parameterwerte a_i, b_i, c_i, für den nächst geringeren, abgelegten Temperaturwert T_i heranzuziehen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die exponentiell abfallende Approximation R_app(T) für eine Mehrzahl der Temperaturwerte T_i unterhalb der real gemessenen Werte des Innenwiderstands R_i(T_i) der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 liegt, so dass der reale Innenwiderstand R_i(T_i) größer oder gleich der errechneten Approximationswerte R_app(T_i) ist, um eine sichere Kompensation zu ermöglichen. Die Parameterwerte a_i, bi, c_i, können aber auch von vornherein so gewählt werden, dass die errechneten Approximationswerte R_app(T_i) für alle Temperaturwerte T_i stets unterhalb der real gemessenen Werte des Innenwiderstands R_i(T_i) liegen. Sprich, die in 3 gezeigte Linie verschiebt sich dann um einen gewissen Offset nach unten.
4 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens auf Grundlage der in 3 gezeigten exponentiell abfallenden Approximation R_app(T). In einem ersten Verfahrensschritt 74 wird zunächst eine Betriebsart am elektrischen Verbraucher 18 eingestellt und der elektrische Verbraucher 18 gestartet. Im nachfolgenden Verfahrensschritt 76 wird eine Kommunikation zu dem Wechselakkupack 10 über den Signal- oder Datenkontakt 68 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 aufgebaut und die Temperatur T des Wechselakkupacks 10 und/oder der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 mittels des Temperatursensors 64 und der Messvorrichtung 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_i jeweils ein zugehöriger Parameterwert a_i, b_i, c_i, der drei Parameter a, b, c an den elektrischen Verbraucher 18 übertragen. Auf Grundlage der drei übertragenen Parameterwerte a_i, b_i, c_i erfolgt dann mittels der Überwachungseinheit 56 im Verfahrensschritt 80 die Berechnung des Approximationswerts R_app(T_i) des Innenwiderstands (R) für den gemessenen Temperaturwert T_i.
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_i, b_i, c_i, 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 gemessen und der gemessene Temperaturwert T_i über den Signal- oder Datenkontakt 68 an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 übertragen, damit die Überwachungseinheit 56 anschließend den zugehörigen Parameterwert a_i, b_i, c_i, auswählt.
Im Verfahrensschritt 82 misst der elektrische Verbraucher 18 mittels der Überwachungseinheit 56 den Laststrom I und berechnet anhand des gemessenen Laststroms I, des im Verfahrensschritt 80 berechneten Approximationswerts R_app(T_i) und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung U_StopOC der Energiespeicherzelle 42 die Abschaltspannung U_Stop mittels der Beziehung $U_{Stop} = U_{StopOC} - R_{app} (T_{i}) * I$
im nachfolgenden Verfahrensschritt 84. Dabei kann die bekannte Leerlauf-Abschaltspannung U_StopOC der Energiespeicherzelle 42 beispielsweise 2,5 Volt betragen. Je nach Art und Zellchemie der Energiespeicherzelle 42 sind jedoch auch abweichende Leerlauf-Abschaltspannungen U_StopOC denkbar.
Im Verfahrensschritt 86 erfolgt dann eine Entscheidung, ob der Betrieb des elektrischen Verbrauchers 18 gestoppt werden muss oder nicht. Überschreitet die gemessene Zellspannung U_Cell der Energiespeicherzelle 42 die berechnete Abschaltspannung U_Stop, so wird der elektrische Verbraucher 18 im Verfahrensschritt 88 abgeschaltet. Andernfalls wird zum Verfahrensschritt 76 zurückgesprungen und die Temperatur T erneut gemessen, bis der elektrische Verbraucher 18 durch den Bediener abgeschaltet wird.
Die Berechnung einer Exponentialfunktion kann insbesondere in elektrischen Verbrauchern 18 oder Ladegeräten 16 mit einer leistungsschwächeren Überwachungseinheit 56 nicht oder nur schwer umsetzbar sein. Daher sieht das erfindungsgemäße Verfahren in einer alternativen Ausführungsform gemäß der nachfolgenden 5 vor, dass die exponentiell abfallende Approximation R_app(T) durch eine Mehrzahl N von Geraden G_n gebildet wird, wobei jede Gerade G_n durch zwei Parameterwerte S_n(T_n, R_n), S_n+1(T_n+1, R_n+1) definiert ist, die sich jeweils aus einem Wertepaar eines Temperaturwerts T_n, T_n+1 und des zugehörigen Innenwiderstands R_n, R_n+1 der Energiespeicherzelle 42 ergeben. So wird im gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß 5 die exponentiell abfallende Approximation R_app(T) durch insgesamt N = 5 Geraden G₁,..., G₅ mit den Stützpunkten S₁(T₁,R₁),..., S₆(T₆,R₆) gebildet. Dabei ist jeweils ein Stützpunkt S₂(T₂,R₂),..., S₅(T₅,R₅) zweier benachbarter Geraden G₁,..., G₅ identisch, so dass sich die Geraden G₁,..., G₅ an diesen Stützpunkten S₂(T₂,R₂),..., S₆(T₅,R₅) schneiden. Um die temperaturabhängige Kompensation des Innenwiderstands R über N Geraden zu berechnen, müssen somit nur N+1 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 G_n auf 2 bis 100, besonders bevorzugt auf 3 bis 7, beschränkt ist.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Stützpunkte S_n(T_n, R_n), S_n+1(T_n+1, R_n+1) derart ausgelegt sind, dass die berechneten Geraden G_n bei allen gemessenen Temperaturwerten T_i stets unterhalb der realen Innenwiderstandswerte R_i der Energiespeicherzellen 42 verlaufen. Damit ist sichergestellt, dass der Innenwiderstand R immer größer oder gleich der errechneten Werte ist, um eine sichere Kompensation zu erzielen. Ein weiterer Vorteil der zweiten Ausführungsform ist, dass über die Geraden G_n auch nicht-exponentielle Kurvenverläufe angenähert werden können, um somit auch zukünftige Zellchemien mit eventuell anderen temperaturabhängigen Widerstandsverläufen berücksichtigen zu können.
In 6 ist ein Flussdiagramm des zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation des Innenwiderstands R des Wechselakkupacks 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 gezeigt. Dabei weisen die zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß der 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 gestartet. Im Verfahrensschritt 76 wird sodann seitens des elektrischen Verbrauchers 18 eine Kommunikation zu dem Wechselakkupack 10 über den Signal- oder Datenkontakt 68 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 aufgebaut, um mittels der Messvorrichtung 66 und des Temperatursensors 64 die Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 zu messen und den gemessenen Temperaturwert T_i über den Signal- oder Datenkontakt 68 an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 zu übertragen. Im Verfahrensschritt 90 werden in Abhängigkeit des gemessenen Temperaturwerts T_i die beiden im Speicher 55 des Wechselakkupacks 10 zum entsprechenden Temperaturfenster T_n, T_n+1 gehörenden Stützpunkte S_n(T_n, R_n), S_n+1(T_n+1, R_n+1) aus der Look-Up-Tabelle ausgewählt und an den elektrischen Verbraucher 18 übertragen. Auf Grundlage der beiden übertragenen Stützpunkte S_n(T_n, R_n), S_n+1(T_n+1, R_n+1) und des gemessenen Temperaturwerts T; wird dann mittels der Überwachungseinheit 56 im Verfahrensschritt 92 der Approximationswerts R_app(T_i) des Innenwiderstands (R) mittels linearer Interpolation über den Zusammenhang $R_{app} (T_{i}) = R_{n} + (R_{n+1} - R_{n}) * (T_{i} - T_{n}) / (T_{n + 1} - T_{n})$
berechnet.
Analog zum ersten Ausführungsbeispiel können auch hier die beiden Verfahrensschritte 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 S₁(T₁, R₁), S_N+1(T_N+1, R_N+1) an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 zu übertragen. Im nachfolgenden Verfahrensschritt 90 wird dann zunächst die Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 gemessen und der gemessene Temperaturwert T_i über den Signal- oder Datenkontakt 68 an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 übertragen. Im Verfahrensschritt 92 wählt die Überwachungseinheit 56 anhand des übertragenen Temperaturwerts T_i ein zugehöriges Temperaturfenster T_n, T_n+1 aus, um im Verfahrensschritt 94 auf Grundlage der zugehörigen Stützpunkte S_n(T_n, R_n), S_n+1(T_n+1, R_n+1) den Approximationswert R_app(T_i) gemäß der obigen linearen Interpolation zu berechnen.
Die nachfolgenden Verfahrensschritte 82 bis 88 sind dann wieder identisch zu dem Verfahren der ersten Ausführungsform gemäß 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 Verfahrensschritt 94 berechneten Approximationswerts R_app(T_i) und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung U_StopOC der Energiespeicherzelle 42 die Abschaltspannung U_Stop mittels der Beziehung $U_{Stop} = U_{StopOC} - R_{app} (T_{i}) * I$
im nachfolgenden Verfahrensschritt 84. Im Verfahrensschritt 86 erfolgt eine Entscheidung, 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 Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 6 noch auf die darin gezeigte Art der Wechselakkupacks 10, Ladegeräte 16 oder elektrischen Verbraucher 18 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 46 und der damit 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 Anzahl der dargestellten Temperatursensoren, Schaltmittel, Überwachungseinheiten, etc.

Claims

Verfahren zur Kompensation eines Innenwiderstands (R) eines Energiespeichers (11), insbesondere eines Wechselakkupacks (10), mit zumindest einer Energiespeicherzelle (42), dadurch gekennzeichnet, 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 (R_app(T)) erfolgt, deren Verlauf von einer Temperatur (T) und der Zellchemie der zumindest einen Energiespeicherzelle (42) abhängt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die exponentiell abfallende Approximation (R_app(T)) für eine Mehrzahl, insbesondere für alle, Temperaturwerte (T_i) unterhalb entsprechend real gemessener Werte des Innenwiderstands (R(T_i)) der zumindest einen Energiespeicherzelle (42) liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die exponentiell abfallende Approximation (R_app(T)) mittels zumindest zweier Parameter (a, b, c; S_n, S_n+1) berechnet wird, wobei die zumindest zwei Parameter (a, b, c; S_n, S_n+1) die Zellchemie der zumindest einen Energiespeicherzelle (42) charakterisieren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Parameter (a, b, c; S_n,, S_n+1) für bestimmte Temperaturwerte (T_i) in einer Look-Up-Tabelle eines Speichers (55) des Energiespeichers (11) hinterlegt sind.
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_i) jeweils ein Parameterwert (a_i, b_i, c; S_n, S_n+1) der zumindest zwei Parameter (a, b, c; S_n„ S_n+1) an den elektrischen Verbraucher (18) oder das Ladegerät (16) übertragen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt () auf Grundlage der zumindest zwei übertragenen Parameterwerte (a_i, b_i, c_i; S_n, S_n+1) für den gemessenen Temperaturwert (T_i) ein Approximationswert (R_app(T_i)) des Innenwiderstands (R) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Verfahrensschritt () ein Laststrom (I) im elektrischen Verbraucher (18) oder im Ladegerät (16) gemessen wird und dass anhand des gemessenen Laststroms (I), des berechneten Approximationswerts (R_app(T_i)) und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung (U_StopOC) der Energiespeicherzelle (42) eine Abschaltspannung (U_stop) mittels der Beziehung $U_{Stop} = U_{StopOC} - R_{app} (T_{i}) * I$
berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bekannte Leerlauf-Abschaltspannung (U_StopOC) der Energiespeicherzelle (42) 2,5 Volt beträgt.
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 (U_Cell) der Energiespeicherzelle (42) die berechnete Abschaltspannung (U_Stop) überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die exponentiell abfallenden Approximation mittels dreier die Zellchemie charakterisierender Parameter (a, b, c) über den Zusammenhang $R_{app} (T) = a * exp (- b * T) + c$
berechnet wird.
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, insbesondere von 5 bis 30, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die exponentiell abfallende Approximation (R_app(T)) durch eine Mehrzahl (N) von Geraden (G_n) gebildet wird, wobei jede Gerade (G_n) durch zwei Parameterwerte (S_n(T_n, R_n), S_n+1(T_n+1, R_n+1)) definiert ist, die sich jeweils aus einem Wertepaar eines Temperaturwerts (T_n, T_n+1) und des zugehörigen Innenwiderstands (R_n, R_n+1) der Energiespeicherzelle (42) ergeben.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl (N) von Geraden (G) 2 bis 100, insbesondere 3 bis 7, beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Parameterwerte (S_n(T_n, R_n), S_n+1(T_n+1, R_n+1)) zweier benachbarter Geraden (G_n, G_n+1) identisch ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt () auf Grundlage des gemessenen Temperaturwerts (T_i) zwei zugehörige Parameterwerte (S_n(T_n, R_n), S_n+1(T_n+1, R_n+1)) aus der Look-Up-Tabelle ausgewählt werden und ein Approximationswert R_app(T_i) über den Zusammenhang $R_{app} (T_{i}) = R_{n} + (R_{n+1} - R_{n}) * (T_{i} - T_{n}) / (T_{n + 1} - T_{n})$
berechnet wird.
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 nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweisen, und wobei ein erster der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstellen (14, 20) als ein mit einem ersten Bezugspotential (V₁), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V₊), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (38), ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) der Schnittstellen (14, 20) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V₂), vorzugsweise einem Massepotential (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; S_n, S_n+1) dient.