DE19517709C1 - Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie - Google Patents
Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer wiederaufladbaren BatterieInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung
des Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie (eines
Akkus), die über einen Schalter mit einem Motor eines
Akkuwerkzeugs nach der Gattung des Hauptanspruchs verbunden
ist. Es ist schon bekannt, insbesondere bei
batteriebetriebenen Elektrowerkzeugen die Batteriespannung
zu überwachen und anzuzeigen. Während des Betriebes des
Elektrowerkzeuges entlädt sich die Batterie. Die noch
verfügbare Arbeitsdauer hängt somit von dem Ladezustand bzw.
der Restkapazität der Batterie ab. Diese kann jedoch nicht
ohne weiteres angezeigt werden, da die Restkapazität
einerseits nicht direkt meßbar ist und andererseits von
verschiedenen physikalischen Parametern abhängt.
Aus der DE 38 44 093 A1 ist ein Elektrohandwerkzeug bekannt, das über
zumindest zwei Akku-Packs versorgt wird, die in einer
Aufnahmevorrichtung am Maschinengehäuse austauschbar angeordnet
sind. Die Akku-Packs sind in Reihe geschaltet und mit dem
Antriebsmotor über einen Schutzschalter mit einem Steuerschaltkreis
verbunden. Bei Unterschreiten des minimal zulässigen Ladezustandes
eines der Akku-Packs wird im Steuerschaltkreis ein Schutzschalter
geöffnet, um eine Tiefentladung zu verhindern.
Der DE 31 08 844 A1 ist ein Verfahren zur Feststellung des
Erhaltungszustandes von Bleiakkumulatoren entnehmbar. Dabei wird die
Klemmenspannung des Akkus zu vier Zeitpunkten, nämlich vor, am
Beginn, am Ende und nach einer Belastung gemessen. Anhand dieser
Messungen wird eine Zeitkonstante berechnet, aus der auf den
Erhaltungszustand des Akkus geschlossen werden kann.
Beim Gegenstand der DE 26 10 536 B1 wird ebenfalls zur Feststellung
des Erhaltungs- und Ladezustands von Bleiakkus die Klemmenspannung
des Akkus gemessen. Die Klemmenspannung wird dabei zu vier
Zeitpunkten, nämlich, vor, am Ende und zweimal nacheinander kurz
nach einer Hochstrombelastung gemessen. Auch hier gibt der Verlauf
der Spannung während der Erholung nach der Belastung Aufschluß über
den Ladezustand des Akkus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zu
finden, bei dem der Ladezustand einer wiederaufladbaren Batterie
eines Elektrohandwerkzeuges überwacht werden kann. Diese Aufgabe
wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff mit den im Hauptanspruch
angegebenen, kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung des
Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie hat
demgegenüber den Vorteil, daß allein aus Spannungsmessungen
vor, zu Beginn, während und am Ende des Schraubvorganges auf
die Restkapazität der wiederaufladbaren Batterie geschlossen
werden kann. Da die induzierte Spannung der Drehzahl des
Ankers proportional ist, läßt sich somit die Drehzahl des
Motors während des Schraubvorganges überwachen.
Unterschreitet diese einen vorgegebenen Wert infolge zu
geringer Kapazität bzw. Restladung des Akkus, dann kann der
Akkuschrauber bzw. die Batterie für den nächsten Schraubfall
gesperrt werden, so daß dadurch Schäden an der
wiederaufladbaren Batterie und am Schrauber vermieden werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Verfahrens
möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß für eine
vereinfachte Bestimmung der induzierten Spannungen nur zwei
Spannungsmessungen erforderlich sind, die zu Beginn und
während des Schraubvorgangs durchgeführt werden. Die
Differenz der beiden Spannungen ist dann ein Maß für die
induzierte Spannung am Anker des Motors und somit auch ein
Maß für die Drehzahl des Ankers.
Für eine genauere Bestimmung der induzierten Spannung wird
nach dem Abschalten des Schraubvorganges eine weitere
Messung durchgeführt, so daß sich auch unter
Berücksichtigung dieser Messung nach einem vorgegebenen
Algorithmus die induzierte Spannung ohne weitere Parameter
berechnen läßt.
Die induzierte Spannung kann während des Schraubvorgangs zu
jedem Zeitpunkt bestimmt werden. Da die induzierte Spannung
der Drehzahl des Ankers proportional ist, kann daraus auch
die Drehzahl bestimmt werden.
Besonders vorteilhaft ist, beispielsweise die induzierte
Spannung am Ende des Schraubvorganges, wenn der Motor sein
maximales Drehmoment abgibt, zu bestimmen, weil diese
Spannung dann ein Maß für die Restkapazität der
wiederaufladbaren Batterie ist. Ist diese Spannung groß,
dann ist die Restkapazität ebenfalls groß. Im umgekehrten
Fall kann bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes
die Batterie bzw. das Akku-Werkzeug abgeschaltet werden.
Dieser Schaltzustand kann auf einer Anzeige ausgegeben
werden, so daß der Bediener des Akku-Werkzeugs über den
Ladezustand der Batterie informiert ist und rechtzeitig die
Batterie aufladen oder auswechseln kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild,
Fig. 2 zeigt einen Stromlaufplan und
Fig. 3a bis d zeigen Strom-
und Spannungsdiagramme.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild mit einer
wiederaufladbaren Batterie (Akku) 1, die über einen Schalter
3 und einen weiteren Schalter 2 mit einem Motor 5 eines
Akku-Werkzeuges, vorzugsweise eines Akku-Schraubers,
verbunden ist. Der Schalter 3 ist beispielsweise als
Transistorschalter und der weitere Schalter 2 ist als
Hauptschalter ausgebildet. Diese Anordnung ist vorgesehen
für Elektromotoren, insbesondere für Motoren mit
Schraubvorrichtungen (Akku-Schrauber). Alternativ ist
vorgesehen, die Schalter 3 als Relais vorzusehen. Parallel
zur Batterie 1 ist eine Meßeinrichtung 4, vorzugsweise für
Spannungsmessungen, geschaltet, deren Ausgang mit einer
Auswertevorrichtung 6 verbunden ist. Ein Ausgang der
Auswertevorrichtung 6 ist mit dem Steuereingang des
Schalters 3 verbunden. Desweiteren ist ein Ausgang mit einer
Anzeige 9 verbunden.
Die Funktionsweise dieser Anordnung wird anhand der Fig.
2 und 3 näher erläutert. Fig. 2 zeigt das Ersatzschaltbild mit
der Spannungsquelle 1 und dem Batterieinnenwiderstand 11,
der zum Innenwiderstand 12 des Motors 5 in Reihe geschaltet
ist. Die Erfindung beruht darauf, die Drehzahl des Motors
beim Verrichten des Arbeitsvorganges, beispielsweise eines
Schraubvorganges zu überwachen. Aus der Drehzahl, die durch
die induzierte Ankerspannung Uimot bestimmt wird, kann
direkt oder indirekt geschlossen werden, ob der nächste
Schraubvorgang noch durchgeführt werden kann oder ob der
Stromfluß zum Elektromotor 5 unterbrochen werden muß. Wie
aus Fig. 2 ersichtlich ist, kann jederzeit die
Klemmenspannung UK gemessen werden. Ist der Strom Null, dann
entspricht die Klemmenspannung UK der Ersatzspannung des
Akkus U₀ bzw. der induzierten Ankerspannung des Motors
Uimot. Die Klemmenspannung UK ändert sich dabei je nach
Belastung des Motors in Abhängigkeit vom Stromfluß über die
Widerstände 11, 12.
Die Diagramme der Fig. 3a, 3b zeigen den Stromverlauf
während eines Schraubvorganges und die Fig. 3c, 3d zeigen
den entsprechenden Spannungsverlauf. Der Unterschied a
zwischen dem Strom beim Einschalten und Beenden des
Schraubvorganges gemäß den Fig. 3a und 3b bzw. der
Spannungsunterschied a = U₃-U₂ gemäß den Fig. 3c und
3d ist ein Maß für die Restkapazität der wiederaufladbaren
Batterie. Derartige Kurven sind beispielsweise bei
Nickelcadmium (NiCd) oder Nickelhydrid-Akkus (NiH) bekannt.
Ein großer Abstand a (Fig. 3a, 3c) zeigt daher eine große
Restkapazität des Akkus, während einer kleiner Abstand a
(Fig. 3b, 3d), bezogen auf den Arbeitsfall, eine kleine
Restkapazität bedeuten.
Dieses prinzipiell bekannte Verhalten eines Akkus wird
genutzt, um einen Indikator für die Restkapazität bzw. den
Ladezustand des Akkus zu finden.
Für die Ladezustandsüberwachung der wiederaufladbaren
Batterie wird als Indikator die induzierte Ankerspannung
Uimot des Motors 5 verwendet. Da die induzierte
Ankerspannung Uimot nicht direkt gemessen werden kann, wird
sie gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nachfolgend
beschrieben. Zunächst wird beim Starten des Elektromotors
(Akku-Schrauber) 5 die unbelastete Batteriespannung U₁
mittels der Meßeinrichtung 4 gemessen, wenn der Schalter 2
geschlossen und bevor der Schalter 3 eingeschaltet ist, so
daß noch kein Strom in den Motor 5 fließen kann.
Anschließend wird der Motor mittels des Schalters 3 an die
Batterie 1 (Akku) geschaltet. Als Schalter 3 kann ein Relais
oder ein Halbleiter verwendet werden. Nach dem die Schalter
2, 3 eingeschaltet sind, fließt ein Startstrom I = IS (Fig.
3a, 3b). Parallel dazu bricht die Akkuspannung auf den Wert
U₂ (Fig. 3c, 3d) ein. Dieser minimale Spannungswert stellt
sich ein, wenn der Anker des Motors 5 im Stillstand ist,
d. h. wenn die induzierte Spannung Uimot Null ist. Wird das
Ersatzschaltbild der Fig. 2 zugrundegelegt, dann kann über
das Widerstandsverhältnis das Verhältnis der beiden
Spannungen bestimmt werden:
Mit Hilfe dieser Gleichung kann zu jedem späteren Zeitpunkt
festgestellt werden, ob sich der Motor noch dreht oder ob er
steht. Für die Klemmenspannung UK (Fig. 2) gilt für einen
beliebigen Zeitpunkt x:
wobei U₀ die Ersatzspannung der Batterie 1 ist.
Durch Einsetzen der Gleichung 1 in Gleichung 2 und Auflösen
der Gleichung 2 erhält man für die induzierte Ankerspannung
des Motors:
U₀ ist die Ersatzspannung des Akkus gemäß der Fig. 2. Diese
Spannung entspricht der Spannung U₁, die vor dem Einschalten
des Motors 5 gemessen wurde, wenn sie keiner zeitlichen
Änderung unterliegt. Die Spannung UKx entspricht der
Klemmenspannung zu jedem beliebigen Zeitpunkt auf der
Zeitachse t gemäß den Fig. 3a bis 3d. Somit kann zu jedem
Zeitpunkt t = tx eine Spannung UKx gemessen werden und
daraus nach der Gleichung 3 die induzierte Ankerspannung
Uimot berechnet werden. Da die induzierte Ankerspannung
Uimot proportional zur Drehzahl des Ankers des Motors 5 ist,
ergibt sich somit auch ein Wert für die Drehzahl des Motors
zum Zeitpunkt t = tx.
Wird die Spannung UKx zu dem Zeitpunkt gemessen, wenn der
Motor, beispielsweise eines Schraubwerkzeugs sein maximales
Moment abgibt, dann entspricht dieses der Spannung U₃.
Zur Berechnung der induzierten Ankerspannung Uimot ist noch
die Kenntnis der Ersatzspannung des Akkus U₀ erforderlich.
Es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß die
Ersatzspannung des Akkus U₀ sich während des Arbeitsgangs
nicht wesentlich ändert und daher der Spannung U₁ entspricht
(Fig. 3c, 3d). Dadurch kann zu jedem Zeitpunkt die Spannung
Uimot ermittelt und somit bestimmt werden, ob der Motor sich
dreht. Dreht der Motor sich nicht mehr, d. h. die induzierte
Spannung Uimot ist gleich oder kleiner 0 Volt, dann kann
diese Spannung für den Blockierfall ausgewertet werden und
gegebenenfalls durch eine Anzeige dem Bediener optisch
sichtbar gemacht werden. Das Abschalten des Stromflusses zum
Motor 5 kann dabei bei Unterschreiten eines vorgegebenen
Grenzwertes a zeitlich sofort oder verzögert erfolgen. Auch
kann der Abschaltvorgang erst ausgelöst werden, wenn
beispielsweise im Blockierfall der Anker eine gewisse Zeit
steht. Dadurch werden vorteilhaft kurzzeitige Störungen
unterdrückt.
Der Bediener erhält somit ein optisches oder auch
akustisches Signal, wenn der Anker blockiert ist. Dieses
Signal kann auch dazu verwendet werden, den Motor nach einer
vorgegebenen Zeit, beispielsweise nach einigen hundert
Millisekunden stromlos zu schalten, um einerseits den Motor
zu schützen und andererseits die Batterie nicht unnötig zu
entladen.
Die Ersatzspannung U₀ kann jedoch auch dadurch ermittelt
werden, daß die Batteriespannung einige Millisekunden nach
Beendigung des Schraubvorganges und nach dem Abschalten des
Motors 5 gemessen wird. In diesem Fall entspricht die
Spannung
U₀ = U₁ (Gleichung 4)
Wird nun U₀ = U₁ in Gleichung 3 eingesetzt, dann vereinfacht
sich die Rechnung für die induzierte Ankerspannung Uimot
Uimot ∼ U₃-U₂ (Gleichung 5)
Je nachdem, wie groß diese Spannungsdifferenz a für die
induzierte Ankerspannung Uimot ist, läßt sich daraus auf die
Restkapazität der Batterie 1 gemäß den Fig. 3c, 3d
schließen. Eine große Differenz a bedeutet eine große
Restkapazität und eine kleine Differenz a bedeutet eine
kleine Restkapazität der Batterie 1.
Claims (9)
1. Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer
wiederaufladbaren Batterie (Akku), die über einen Schalter
mit einem Motor eines Akku-Handwerkzeuges, vorzugsweise
eines Akku-Schraubers verbunden ist, wobei eine
Meßeinrichtung die Batteriespannung erfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
- a) daß bei Betätigung des Motors (5) die Meßeinrichtung (4) vor dem Betätigen des Schalters (3) eine erste Messung (U₁) der Batteriespannung durchführt,
- b) daß die Meßeinrichtung (4) unmittelbar nach dem Betätigen des Schalters (3) zu einem Zeitpunkt, bei dem sich der Anker des Motors (5) noch im Stillstand befindet, eine zweite Messung (U₂) durchführt,
- c) daß die Meßeinrichtung (4) während der Betätigung des Motors (5) für eine zu berechnende Drehzahl eine dritte Spannungsmessung (U₃) durchführt,
- d) daß eine Auswertevorrichtung (6) aus den gemessenen Spannungen (U₁ bis U₃) nach einem vorgegebenen Algorithmus eine der Drehzahl proportionale Spannung (Uimot) berechnet,
- e) und daß abhängig von der berechneten Spannung (Uimot) der Schalter (3) für einen weiteren Arbeitsgang freigegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswertevorrichtung (6) die induzierte Spannung (Uimot)
nach der Formel
Uimot ∼ U₃-U₂bestimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßeinrichtung (4) nach dem Abschalten des Motors (5)
eine vierte Messung (U₄) durchführt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswertevorrichtung (6) die induzierte Spannung (Uimot)
nach der Formel
bestimmt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (4) die
dritte Spannung (U₃) bei Abgabe des während des Arbeits
ganges auftretenden maximalen Drehmomentes des Motors (5)
ermittelt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (6) bei
Unterschreiten eines Grenzwertes (a) für die induzierte
Spannung (Uimot) den Stromfluß zum Motor (5) mittels des
Schalters (2) nach einer vorgegebenen Zeitspanne sperrt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Auswertevorrichtung (6) bei Unterschreiten des
Grenzwertes (a) den Stromfluß zum Motor (5) sofort sperrt.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswertevorrichtung (6) bei anhaltender
Unterschreitung des Grenzwertes (a) den Stromfluß für einen
nächsten Arbeitsgang dauerhaft sperrt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Freigabe oder Sperrung des
Stromflusses auf einer Anzeige akustisch oder optisch
ausgegeben wird.
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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