DE4402716A1 - System zur Leistungsversorgung eines Gerätes und Verfahren zur Abschätzung der Lebensdauer und der Kapazität eines Energiespeichers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Leistungsversorgung eines Gerätes, mit einem Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie, einem ersten Meßmittel zur Messung einer ersten elektrischen Größe des Energiespeichers und einem Zeitbestimmungsmittel zur Bestimmung einer Zeit bis ein erstes Niveau der ersten elektrischen Größe erreicht ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abschätzung der Lebensdauer und Kapazität eines Energiespeichers und findet Verwendung vorzugsweise in unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen und netzunabhängigen Systemen.

Unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme stellen heutzutage eine bedeutende Voraussetzung für den störungsfreien Betrieb, insbesondere von Datenverarbeitungsanlagen, dar. Kurzzeitige aber auch längere Netzausfälle in der primären Stromversorgung sind ein großes Problem für die Datenerhaltung und den Betrieb von Peripheriegeräten. Zum Ausgleich dieser Netzschwankungen werden häufig Batterien verwendet, die im Normalbetrieb vom Netz geladen werden und nur bei Netzschwankungen die Versorgung des Systems mitübernehmen.

Ein kritischer Punkt für die Verfügbarkeit der Batterien in solchen unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen oder in netzunabhängigen Systemen ist der Zustand und die Lebensdauer der Energiespeicher, insbesondere um Aussagen darüber treffen zu können, ob diese ausgetauscht werden müssen.

US-A-4 ,716,354 (Hacker) offenbart ein Batterieüberwachungssystem um z. B. die verbleibende Batteriekapazität zu ermitteln. Hierfür ist allerdings ein andauerndes Messen, Speichern und Berechnen der Batteriedaten sowie ein Tiefentladungszyklus bis zur in etwa vollständigen Entladung der Batterien notwendig. Ein Tiefentladungszyklus ist jedoch für viele Anwendungen zu vermeiden, um die Batterie nicht zu schädigen oder auch um noch genügend gespeicherte Energie zur Verfügung haben zu können. Auch für Notversorgungssysteme mit zum Teil beträchtlichen gespeicherten Energien ist eine solche Tiefentladung aus Energiespargründen nicht zweckmäßig.

US-A-4,918,368 (Baker et al.) beschreibt ein durch einen Mikroprozessor kontrolliertes Batterieladesystem, bei dem während dem Laden oder Entladen der Batterien periodisch die Batterieströme gemessen und gespeichert werden. Aus den gerade gemessenen Strömen und den gespeicherten, vorher gemessenen Strömen wird eine Batteriekapazität berechnet. Nachteilig bei diesem System ist, daß der Batteriestrom periodisch ermittelt werden muß, was sich insbesondere bei großen Batterieströmen als schwierig erweisen kann.

GB-A-22136000 (Elkoh Giken) offenbart eine Batterie- Testschaltung. Hierbei wird während einem Entladevorgang die Zeit ermittelt, bis die Batteriespannung ausgehend, von einem ersten Spannungswert einen zweiten erreicht hat. Die dabei ermittelte Zeit ergibt dann einen Hinweis auf die Batterielebensdauer. Voraussetzung für die Einsatzmöglichkeit dieser Erfindung ist jedoch ein immer konstanter Batterielaststrom um zu einer sinnvollen Aussage über die Batterielebensdauer kommen zu können. Die Lehre dieser Schrift bildet den Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein System zur Leistungsversorgung eines Gerätes und ein Verfahren zur Ermittlung der Lebensdauer und Kapazität eines Energiespeichers zur Speicherung elektrischer Energie, unabhängig von den Betriebsstromverhältnissen, zu erreichen.

Auch sollte dieses System und Verfahren Tiefentladungen der Energiespeicher sowie ein kontinuierliches Messen der Energiespeicherströme vermeiden können. Weiterhin soll die Ermittlung der Kapazität und Lebensdauer eines Energiespeichers bei einem Lade- oder Entladevorgang ausführbar sein. Auch sollen die verwendeten elektrischen Meßgrößen wie Spannung und Strom gegeneinander austauschbar sein, und das System soll anwendbar sein für jeden Energiespeichertyp.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein zweites Meßmittel zur Messung einer zweiten elektrischen Größe des Energiespeichers, ein Vergleicher zum Vergleichen der zweiten elektrischen Größe, relativ zu der bestimmten Zeit, mit einer gespeicherten, typischen Zeitcharakteristik der zweiten elektrischen Größe. Dieses System erlaubt es nun, unabhängig von den Leistungsverhältnissen des an den Energiespeicher angeschlossenen Geräts, eine Aussage über die Kapazität und Lebensdauer des Energiespeichers zu treffen.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des Systems ist die typische Zeitcharakteristik der zweiten elektrischen Größe die typische Verbrauchtcharakteristik eines verbrauchten Energiespeichers und/oder die typische Neucharakteristik der Neukurve des Energiespeichers. Damit erhält man auf einfache Art und Weise eine sinnvolle Referenzcharakteristik für die Abschätzungen.

Das System enthält in einer vorteilhaften Ausführung zusätzlich eine Schaltereinheit zur Trennung des Energiespeichers von dem Gerät wenn ein minimales Niveau der ersten elektrischen Meßgröße gemessen wurde um den Energiespeicher vor einer in etwa vollständigen Entladung (Tiefentladung) zu schützen.

Eine weitere, vorteilhafte Ausführung des Systems enthält zusätzlich ein Impedanzermittlungsmittel zur Ermittlung der Impedanz des Energiespeichers. Damit lassen sich Kurzschlüsse, offene Zellen sowie auch ein altersbedingtes Ansteigen der Impedanz erkennen.

Eine weitere, vorteilhafte Ausführung des Systems enthält zusätzlich ein Mittel zur Bestimmung eines Zellenschlusses und der Überladung in dem Energiespeicher. Damit lassen sich auftretende Zellenschlüsse und die, eventuell daraus resultierende, Überladung einzelner Zellen erkennen.

Eine weitere, vorteilhafte Ausführung des Systems enthält zusätzlich ein Fehlerabschaltungsmittel zum Schutz des Energiespeichers vor einem fälschlichen Wiederzuschalten des Energiespeichers an das Gerät, nachdem das Schaltmittel den Energiespeicher von dem Gerät getrennt hat. Damit kann sichergestellt werden, daß der Energiespeicher nach einem Fehlerfall oder vor einer Tiefentladung von dem Gerät getrennt bleibt und nicht fälschlicherweise wiederzugeschaltet wird.

Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausführung des System sind die Schaltungen zum Be- oder Entladen des Energiespeichers symmetrisch aufgebaut, um ein unsymmetrisches Beladen oder ein unsymmetrisches Entladen des Energiespeichers zu verhindern.

Bei einer weiteren Ausführung des Systems sind an den Energiespeicher ankoppelnde Schaltungen bevorzugt in Feldeffekttransistortechnologie ausgeführt. Dies ist insbesondere von Vorteil, um die Leckströme der Batterieeinheit während einer Lagerung derselben minimal zu halten um so einer vorzeitigen Entladung entgegenwirken.

Das erfindungsmäßige Verfahren zur Abschätzung der Lebensdauer und Kapazität eines Energiespeichers enthält einen ersten Schritt des Messens einer ersten elektrischen Größe des Energiespeichers, einen zweiten Schritt des Bestimmens einer Zeit bis ein erstes Niveau der ersten elektrischen Größe erreicht ist, einen dritten Schritt des Messens einer zweiten elektrischen Größe des Energiespeichers, einen vierten Schritt des Vergleichens der zweiten elektrischen Größe relativ zu der bestimmten Zeit mit einer gespeicherten, typischen Zeitcharakteristik der zweiten elektrischen Größe und einen fünften Schritt der Auswertung des Vergleichens aus dem vierten Schritt zur Abschätzung der Lebensdauer und Kapazität des Energiespeichers.

Das beschriebene Verfahren zur Ermittlung der Lebensdauer und Kapazität einer Energiespeicher ist unabhängig von den Betriebsstromverhältnissen, bei Lade- oder Entladevorgängen durchführbar und anwendbar für jeden Energiespeichertyp. Auch sind die verwendeten elektrischen Meßgrößen wie Spannung und Strom gegeneinander austauschbar.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens erfolgt im fünften Schritt die Auswertung durch den relativen Abstand der zweiten elektrischen Größe zu der gespeicherten, typischen Zeitcharakteristik der zweiten elektrischen Größe. Damit lassen sich nicht nur qualitativ (verbraucht/nicht verbraucht), sondern auch quantitativ Aussagen über die Kapazität und die zu erwartende Lebensdauer des Energiespeichers treffen.

Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird die Lebensdauer des Energiespeichers nur dann abgeschätzt, wenn die zweite elektrische Größe ein maximales Niveau nicht übersteigt, um ein sinnvolles Kriterium für die Lebensdauerabschätzung zu haben, da ein stark überhöhter Strom oder eine stark überhöhte Spannung oft auf einen Fehler im System hinweist.

Bei einer anderen, vorteilhaften Ausführung des Verfahrens wird der zweite Schritt erst dann ausgeführt wird, wenn die erste elektrische Größe ein zweites Niveau erreicht hat. Hierdurch läßt sich über eine geschickte Wahl des zweiten Niveaus die zu erwartende Häufigkeit der Lebensdauerermittlungen beeinflussen. Auch kann dadurch sichergestellt werden, daß eine Mindestbetriebsdauer durchlaufen werden muß.

Bei einer weiteren, vorteilhaften Ausführung des Verfahren enthält der Energiespeicher eine Vielzahl einzelner Energiespeicher, und die erste elektrische Größe und die zweite elektrische Größe wird von einem einzelnen Energiespeicher der Vielzahl von Energiespeichern bestimmt. Dadurch läßt sich auch die Alterung bei einem Teil des Energiespeichers erkennen, wenn dieser aus einer Vielzahl von einzelnen Energiespeichern aufgebaut ist. Es braucht nun bei einer erkannten Alterung auch nur ein Teil des Energiespeichers ersetzt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführung des Systems oder Verfahrens, wie oben beschrieben, ist die erste elektrische Größe eine Spannung und die zweite elektrische Größe ein Strom. Ein Vorteil der Erfindung ist es, daß die elektrischen Größen wie Strom und Spannung austauschbar sind und je nach Anwendungsgebiet festgeschrieben werden können.

Die erfindungsgemäße Verwendung der oben beschriebenen Systeme oder Verfahren erfolgt in einem unterbrechungsfreien Stromversorgungssystem, mit einem ersten Mittel zur Leistungsversorgung des Gerätes, einem zweiten Mittel zur Leistungsversorgung des Gerätes, wobei das Gerät von dem ersten Mittel zur Leistungsversorgung unter normalen Betriebsbedingungen versorgt wird, und das zweite Mittel zur Leistungsversorgung die Versorgung des Gerätes übernimmt, wenn sich die Betriebsbedingungen ändern. Aus der Abschätzung der Kapazität und Lebensdauer des Energiespeichers resultiert eine hohe Betriebssicherheit des Stromversorgungssystem, da Alterung und verbleibende Kapazität rechtzeitig erkannt werden können, und entsprechende Gegenmaßnahmen, wie z. B. ein Auswechseln des Energiespeichers bei starker Alterung, eingeleitet werden können. Dies erst gewährleistet einen tatsächlich unterbrechungsfreien Betrieb.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung sind im folgenden Ausführungsbeispiele mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein gesamtes unterbrechungsfreies Stromversorgungssystem, z. B. für den Betrieb einer Datenverarbeitungsanlage.

Fig. 2 den Aufbau einer gesonderten Notversorgungseinheit.

Fig. 3 den Aufbau einer Batterieüberwachungseinheit.

Fig. 4 ein typisches Strom-über-der-Zeit-Schaubild für den Entladevorgang einer Batterie.

Fig. 5 in einem Blockdiagramm das Verfahren der Lebensdauer und Kapazitätsabschätzung von Batterien.

Fig. 6 die Schaltereinheit einer Ausführungsform mit einem Wiederanlaufschutz.

In dem in Fig. 1 gezeigten unterbrechungsfreien Stromversorgungssystem, z. B. für den Betrieb einer Datenverarbeitungsanlage, ist ein AC/DC-Wandler 110 an einen DC-Versorgungsbus 140 angeschlossen und konvertiert eine am Eingang 105 des AC/DC-Wandlers 110 anliegende Wechselspannungsleistung 107 in eine Gleichspannungsleistung auf dem DC-Versorgungsbus 140. An diesen DC-Versorgungsbus 140 sind eine Vielzahl von Karten 170 und 175 parallel angeschlossen und werden mit einer gemeinsamen Gleichspannung versorgt. Am Eingang jeder dieser Karten 170 und 175 befindet sich jeweils ein weiterer, zwischen dem DC-Versorgungsbus 140 und dem jeweiligen Verbraucher 160 oder 165 angekoppelter, Spannungswandler 150 oder 155. Die Spannungswandler 150 oder 155 konvertieren die DC-Versorgungsbusgleichspannung auf den vom jeweiligen Verbraucher 160 oder 165 gewünschten Spannungswert.

Eine Ladeeinheit 130 ist an ihrem Eingang mit einem Ausgang des AC/DC-Wandlers 110 verbunden oder, bei einem anderen Ausführungsbeispiel, direkt an die Wechselspannung 107 am Eingang 105 angekoppelt. Der Ausgang der Ladeeinheit 130 ist an eine Notversorgungseinheit 100 über eine Leitung 131 angeschlossen. Die Ladeeinheit 130 versorgt die Notversorgungseinheit 100 mit einer aus der Wechselspannung 107 konvertierten, dem Ladezustand der Notversorgungseinheit 100 entsprechenden, Ladeleistung. In einer anderen Ausführungsform ist die Notversorgungseinheit 100 nicht oder nur zeitweise mit der Wechselspannung 107 verbunden und wird von dieser dann versorgt. Die Notversorgungseinheit 100 ist weiterhin über eine Leitung 101 an den DC-Versorgungsbus 140 angekoppelt.

Eine Stromversorgungsüberwachungseinheit 120 koppelt über eine Leitung 111 an den AC/DC-Wandler 110 und über eine Leitung 121 an die Notversorgungseinheit 100 an. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der DC-Versorgungsbus 140 unter normalen Betriebsbedingungen nur über den AC/DC-Wandler 110 versorgt. Wenn die Stromversorgungsüberwachungseinheit 120 eine Unregelmäßigkeit der Wechselspannung 105 oder des AC/DC- Wandlers 110 erkennt, schaltet sie die Notversorgungseinheit 100 als zusätzliche Versorgungseinheit an den DC-Versorgungsbus 140 zu.

Fig. 2 zeigt den Aufbau der Notversorgungseinheit 100. Eine, mindestens eine Batterie enthaltende, Batterieeinheit 200 ist über eine Leitung 201 an eine steuerbare Schaltereinheit 210 und über eine Leitung 221 an eine Batterieüberwachungseinheit 220 angeschlossen. Schaltereinheit 210 ist über die Leitung 101 an den DC-Versorgungsbus 140, über eine Leitung 131 an die Ladeeinheit 130 und, sowie über eine Leitung 223 als auch eine Leitung 224, an die Batterieüberwachungseinheit 220 angekoppelt. Die Batterieüberwachungseinheit 220 ist weiterhin über die Leitung 121 mit der Stromversorgungsüberwachungseinheit 120 verbunden. Die Schaltereinheit 210 regelt, je nach Lade- oder Entladesituation, die Stromrichtung auf die Leitung 201 sowie die Zuschaltung der Notversorgungseinheit 100 an den DC-Versorgungsbus 140 und die Zuschaltung der Ladeeinheit 130 an die Batterieeinheit 200.

Die Funktion der Batterieüberwachungseinheit 220 wird durch Fig. 3 dargelegt. Eine Steuerung 300 ist über die Leitung 224 mit der Schaltereinheit 210 und über die Leitung 121 mit der Stromversorgungsüberwachungseinheit 120 verbunden. Weiterhin ist die Steuerung 300 durch eine Leitung 301 mit einem Spannungsmesser 310, durch eine Leitung 302 mit einem Strommesser 320, durch eine Leitung 303 mit einem Vergleicher 330 und durch eine Leitung 305 mit einer Uhr 360 gekoppelt. In einer weiteren Ausführung koppelt über eine Leitung 304 ein Rechner 350 an die Steuerung 300. Die Funktion des Rechners 350 soll weiter unten erläutert werden. Der Vergleicher 330 ist über einen Anschluß 331 mit einem Datenspeicher 340 verbunden. Der Spannungsmesser 310 und der Strommesser 320 haben beide jeweils Anschlüsse zu den Leitungen 221 und 223.

Die Batterieüberwachungseinheit 220 mißt, gesteuert durch die Steuerung 300, über den Spannungsmesser 310 die gesamte Batteriespannung der Batterieeinheit 200 sowie die Teilspannungen jeder einzelnen Batterie der Batterieeinheit 200 und bestimmt den Strom auf der Leitung 201 durch den Strommesser 320. Um ein rasches Entladen der Batterieeinheit 200 zu vermeiden, werden an die Batterieeinheit 200 anliegenden Stromkreise bevorzugt in Feldeffekttransistortechnologie ausgeführt. Dies ist insbesondere von Vorteil, um die Leckströme der Batterieeinheit 200 während einer Lagerung derselben minimal zu halten um so einer vorzeitigen Entladung entgegenzuwirken. Weiterhin ist die Batterieüberwachungseinheit 220 durch die Uhr 360 in der Lage eine Zeit zu ermitteln.

Die Steuerung 300 sammelt die, durch den Strommesser 320 bzw. durch den Spannungsmesser 310 gemessenen, Strom- und Spannungswerte und übermittelt diese über die Leitung 121 an die Stromversorgungsüberwachungseinheit 120 und über die Leitung 303 an den Vergleicher 330, der die gemessenen Werte mit im Datenspeicher 340 abgelegten Daten vergleicht.

Die Vorgehensweise zur Abschätzung der verbleibenden Lebensdauer und Kapazität der Batterieeinheit 200 wird in Fig. 5 erläutert. In einem ersten Schritt 500 ermittelt der Spannungsmesser 310 die Batteriespannung Ub der Batterieeinheit 200. Bei der Batteriespannung Ub kann es sich, je nach Anwendungsfall, um die an der gesamten Batterieeinheit 200 anliegenden Spannung oder um die Teilspannung einer einzelnen Batterie der Batterieeinheit 200 handeln.

Bei Erreichen einer Batteriespannung U1 ermittelt die Steuerung 300 in einem nächsten Schritt 510 die Zeit t2, bis die gemessene Batteriespannung Ub einen zweiten Wert U2 erreicht. Der Wert von U2 sollte dabei so gewählt sein, daß die elektrische Leistung auf der Leitung 201 während der Zeit t2 in etwa konstant bleibt. Bei Erreichen der Batteriespannung U2 bestimmt in einem weiteren Schritt 520 der Strommesser 320, gesteuert durch die Steuerung 300, den Wert des Stromes 12 auf der Leitung 201.

Bei dem sich anschließenden Schritt 530 vergleicht der Vergleicher 330 nun den Wert des Stromes 12 mit einem im Datenspeicher 340 abgelegten, typischen Referenzwert des Batteriestromes relativ zur Zeit t2 und trifft durch den Vergleich der beiden Ströme in Schritt 540 eine Aussage über die verbleibende Lebensdauer und Kapazität der Batterieeinheit 200, oder ob diese ausgetauscht werden muß. Dabei kann die getroffene Aussage rein qualitativ (gut/schlecht) oder auch quantitativ in Form einer Zeitabschätzung für die noch verbleibende Lebensdauer und Kapazität geschehen.

Fig. 4 zeigt schematisch ein charakteristisches Strom-über-der- Zeit-Schaubild für einen Entladevorgang einer Batterie, wie es beispielsweise im Datenspeicher 340 abgelegt sein kann. Kennlinie 400 beschreibt die typische Neukurve eines Batterietypus, während Kennlinie 410 die Entladecharakteristik einer verbrauchten Batterie zeigt. Liegt nun der gemessene Strom 12 zu der Zeit t2 oberhalb des, durch die Kennlinie 410 gegebenen, Stromwertes Ieol zu der Zeit t2, so läßt sich aus dem Abstand von I2 zu Ieol oder zu dem Stromwert Ineu zu der Zeit t2 der Neukurve 400 eine Abschätzung der noch verbleibenden Batterielebensdauer oder eine einfache verbraucht/nicht- verbraucht Aussage treffen. Liegt der Wert von I2′ unterhalb der Kennlinie 410, so signalisiert die Batterieüberwachungseinheit 220 über die Leitung 121 an die Stromversorgungsüberwachungs­ einheit 120, daß die Batterieeinheit 200 ausgetauscht werden muß.

Entsprechend dem oben angeführten Verfahren zur Abschätzung der Batterielebensdauer durch die Messungen bei einem Entladevorgang, lassen sich die äquivalenten Abschätzungen auch aus den Messungen bei einem Ladevorgang und dem Vergleich der Meßwerte mit den typischen Daten der Ladecharakteristik einer Batterie treffen. Auch lassen sich auch die elektrischen Meßgrößen Strom und Spannung gegeneinander vertauschen, das heißt, man bestimmt die Zeit bis der Strom auf der Leitung 201 von einem ersten Wert einen zweiten Wert erreicht hat und trifft eine Kapazitäts- oder Lebensdauerabschätzung über den Vergleich der bei Erreichen des zweiten Stromwertes ermittelten Batteriespannung mit der, im Datenspeicher 340 abgelegten, typischen Zeitcharakteristik der Spannung des Batterietypus.

Die Erfindung bezieht weiterhin sich auf jede Form von Energiespeichern zum Speichern elektrischer Energie. Insbesondere können dies Batterien, Akkumulatoren, andere Formen elektrochemischer Energiespeichermedien und auch Kondensatoren sein.

Eine weitere Ausführung der Erfindung enthält als Kriterien für die Durchführung einer wie oben beschriebenen Kapazitäts- oder Lebensdauerabschätzung der Batterieeinheit 200, daß der gemessene Strom I2 kleiner als ein maximaler Strom Imax sein muß, um eine sinnvolle Aussage über die verbleibende Lebensdauer und Kapazität treffen zu können. Als weiteres Kriterium für die Durchführung einer Lebenszeitabschätzung kann gelten, daß die Batterieeinheit 200 bei Beginn des Lade- bzw. Entladevorgangs vollständig entladen bzw. geladen sein muß. Auch dieses Kriterium führt zu einer erhöhten Aussagekraft der Kapazitäts- oder Lebensdauerabschätzung, da dann bei den Messungen in etwa immer gleiche Ausgangsvoraussetzungen gelten.

Um eine möglichst geringe Belastung der Batterieeinheit 200 zu erreichen, wird bei einer weiteren Ausführungsform die Durchführung einer wie oben beschriebenen Kapazitäts- oder Lebensdauerabschätzung der Batterieeinheit 200 so ausgeführt, daß der Wert der ersten Meßgröße, deren Erreichen den Anfang der Zeitmessung beschreibt, so gewählt wird, daß dieser erst nach einer gewissen Mindestbetriebszeit der Batterieeinheit 200 erreicht wird. Damit kann sichergestellt werden, daß der Test nur bei einem länger andauernden Batteriebetrieb durchgeführt wird.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung meldet die Batterieüberwachungseinheit 220 der Stromversorgungsüber­ wachungseinheit 120 über die Leitung 121 das Erreichen einer minimalen Spannung Umin (oder eines minimalen Stromes Imin) bei einem Entladevorgang der Batterieeinheit 220. Die Strom­ versorgungsüberwachungseinheit 120 signalisiert daraufhin z . B. der Datenverarbeitungsanlage, daß die Stromversorgung durch die Notversorgungseinheit 100 nach einer bestimmten Zeit tab, in der Größenordnung von Minuten, durch die Schaltereinheit 210 von dem DC-Versorgungsbus 140 getrennt werden wird. Erreicht die Spannung (oder der Strom) auf der Leitung 201 noch vor Ablauf der Zeit tab einen weiteren Wert Ukrit (bzw. Ikrit), wird die Batterieeinheit 200 noch vor der Zeit tab unverzüglich durch die Schaltereinheit 210 vom DC-Versorgungsbus 140 getrennt, um eine Tiefentladung der Batterieeinheit 200 zu vermeiden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung führt die Batterieüberwachungseinheit 220 eine Impedanzprüfung an der Batterieeinheit 200 durch. Hierbei werden gleichzeitig Batteriespannung und Batteriestrom der Batterieeinheit 200 ermittelt, und Rechner 350 errechnet hieraus die Batterieimpedanz. Auch hier kann wahlweise entweder die Gesamtspannung und der Gesamtstrom der Batterieeinheit 200 oder eine Teilspannung und ein Teilstrom einer Teileinheit der Batterieeinheit 200 bestimmt werden.

Die Batterieüberwachungseinheit 220 kann eine Alterung der Batterieeinheit 200 aus dem Anwachsen der Batterieimpedanz erkennen. Dazu werden die ermittelten Impedanzwerte mit, im Datenspeicher 340 abgelegten, Referenzwerten verglichen. Aus der relativen Abweichung zu diesen Referenzwerten läßt sich eine quantitative oder auch rein qualitative (alt/nicht alt) Aussage entnehmen. Als Referenzwerte können alternativ typische Alterungswerte des Batterietypus oder auch Impedanzwerte aus vorherigen Meßzyklen abgelegt werden.

Die Batterieüberwachungseinheit 220 kann durch die Impedanzmessung auch einen möglichen offenen Stromkreis in der Batterieeinheit 200 detektieren und diesen an die Stromversorgungsüberwachungseinheit 120 melden.

Fig. 6 zeigt als weitere Ausführungsform der Erfindung eine Schaltereinheit 210, die einen Wiederanlaufschutz aufweist. Dazu enthält Schaltereinheit 210 einen Fehlerabschalter 630, der über die Leitung 224 mit der Batterieüberwachungseinheit 220 verbunden ist. Die drei Schalter 600, 610 und 620 sind alle parallel über die Leitung 201 an die Batterieeinheit 200 angeschlossen und werden jeweils über eine Leitung 631, 632 und 633 mit dem Fehlerabschalter 630 gekoppelt. Schalter 600 ist an einem weiteren Anschluß über die Leitung 101 mit dem DC-Versorgungsbus 140, Schalter 610 über die Leitung 131 mit der Ladeeinheit 130 und Schalter 620 über die Leitung 223 mit der Batterieüberwachungseinheit 220 verbunden.

Die Funktion des Wiederanlaufschutzes wird durch den Fehlerabschalter 630 erreicht. Dabei werden alle von der Steuerung 300 durch die Leitung 224 am Fehlerabschalter 630 ankommenden Signale von dem Fehlerabschalter 630 intern länger gehalten als diese Signale auf der Leitung 224 anliegen. Dadurch wird ein fälschliches Wiederzuschalten der Batterieeinheit 200 an den DC-Versorgungsbus 140 (z. B. durch ein Störsignal) verhindert, nachdem die Batterieüberwachungseinheit 220, z. B. bei einer Fehlererkennung, eine Trennung der Batterieeinheit 200 von dem DC-Versorgungsbus 140 durch die Schaltereinheit 210 signalisiert hatte.

Enthält die Batterieeinheit 200 mehr als eine in Serie geschaltete Batterie, so sind in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die an die Serienschaltung der Batterien ankoppelnden elektronischen Schaltungen symmetrisch zueinander aufgebaut, um ein unsymmetrisches Laden und Entladen der einzelnen Batterien der Serienschaltung zu vermeiden.

Um einen möglichen Zellenschluß oder die Überladung einer Batterie in einer Serienschaltung von n gleichartigen Batterien zu erkennen, vergleicht die Steuerung 300 der Batterieüberwachungseinheit 220 in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung den n-ten Teil der gemessenen Gesamtspannung der Serienschaltung der Batterien mit jeder gemessenen Einzelbatteriespannung der n Batterien in Serie. Erkennt die Steuerung 300 eine Abweichung des n-ten Teils der Gesamtspannung von der n Einzelbatteriespannungen größer als ein bestimmter Toleranzwert, so meldet sie den Fehler an die Stromversorgungsüberwachungseinheit 120.

Ist nun bei einer erkannten Abweichung vom Toleranzwert die Einzelspannung größer als der n-te Teil der Gesamtspannung, so liegt eine mögliche Überladung der Einzelbatterie vor. Ist jedoch die Einzelspannung kleiner als der n-te Teil des Gesamtspannung, so können eventuell Teile der Einzelbatterie einen Zellenschluß aufweisen. Dabei kann die Überladung das mögliche Ergebnis in eines Zellenschluß in einer anderen Einzelbatterie sein.

Sind bei einer Serienschaltung von n Batterien diese nicht von der gleichen Art und weisen unterschiedliche Nennspannungen auf, so muß dies bei dem Vergleichen wie oben beschrieben berücksichtigt werden.

Claims (16)

1. System zur Leistungsversorgung eines Gerätes (170, 175) mit:
einem Energiespeicher (200) zur Speicherung elektrischer Energie,
einem ersten Meßmittel (310) zur Messung einer ersten elektrischen Größe des Energiespeichers (200),
einem Zeitbestimmungsmittel (360) zur Bestimmung einer Zeit bis ein erstes Niveau der ersten elektrischen Größe erreicht ist,
gekennzeichnet durch:

ein zweites Meßmittel (320) zur Messung einer zweiten elektrischen Größe des Energiespeichers (200),
einem Vergleicher (330) zum Vergleichen der zweiten elektrischen Größe, relativ zu der bestimmten Zeit, mit einer gespeicherten typischen Zeitcharakteristik der zweiten elektrischen Größe.

2. System nach Anspruch 1 worin die typische Zeitcharakteristik der zweiten elektrischen Größe die typische Verbrauchtcharakteristik (410) des verbrauchten Energiespeichers (200) oder die typische Neucharakteristik (400) der Neukurve des Energiespeichers (200) ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2 weiter enthaltend eine Schaltereinheit (210) zur Trennung des Energiespeichers (200) von dem Gerät (170, 175), wenn ein minimales Niveau der ersten elektrischen Meßgröße gemessen wurde.

4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter enthaltend ein Impedanzermittlungsmittel (300, 350) zur Ermittlung der Impedanz des Energiespeichers (200).

5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter enthaltend ein Mittel (350) zur Bestimmung eines Zellenschlusses und der Überladung in dem Energiespeicher (200).

6. System nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 5 weiter enthaltend ein Fehlerabschaltungsmittel (630) zum Schutz des Energiespeichers (200) vor einem fälschlichen Wiederzuschalten des Energiespeichers (200) an das Gerät (170, 175), nachdem die Schaltereinheit (210) den Energiespeicher (200) von dem Gerät (170, 175) getrennt hat.

7. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungen zum Be- oder Entladen des Energiespeichers (200) symmetrisch zueinander aufgebaut sind.

8. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Energiespeicher (200) ankoppelnde Schaltungen bevorzugt in Feldeffekttransistortechnologie ausgeführt sind.

9. Verfahren zur Abschätzung der Lebensdauer und Kapazität eines Energiespeichers (200) mit:
einem ersten Schritt (500) des Messens einer ersten elektrischen Größe des Energiespeichers (200),
einem zweiten Schritt (510) des Bestimmens einer Zeit bis ein erstes Niveau der ersten elektrischen Größe erreicht ist,
einem dritten Schritt (520) des Messens einer zweiten elektrischen Größe des Energiespeichers (200),
einem vierten Schritt (530) des Vergleichens der zweiten elektrischen Größe, relativ zu der bestimmten Zeit, mit einer gespeicherten, typischen Zeitcharakteristik der zweiten elektrischen Größe, und
einem fünften Schritt (540) der Auswertung des Vergleichens aus dem vierten Schritt zur Abschätzung der Lebensdauer und Kapazität des Energiespeichers (200).

10. Verfahren nach Anspruch 9 wobei im fünften Schritt (540) die Auswertung durch den relativen Abstand der zweiten elektrischen Größe zu der gespeicherten typischen Zeitcharakteristik der zweiten elektrischen Größe erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 wobei die Lebensdauer des Energiespeichers (200) nur dann abgeschätzt wird, wenn die zweite elektrische Größe ein maximales Niveau nicht übersteigt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 wobei der zweite Schritt (510) erst dann ausgeführt wird, wenn die erste elektrische Größe ein zweites Niveau erreicht hat.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Energiespeicher (200) aus einer Vielzahl einzelner Energiespeicher besteht, und
die erste elektrische Größe und die zweite elektrische Größe von einem einzelnen Energiespeicher der Vielzahl von Energiespeichern bestimmt wird.

14. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die erste elektrische Größe eine Spannung und
die zweite elektrische Größe ein Strom ist.

15. Verwendung des Systems und/oder des Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem unterbrechungsfreien Stromversorgungssystem mit:
einem ersten Leistungsversorgungsmittel (110) zur Leistungsversorgung des Gerätes (170, 175),
einem zweiten Leistungsversorgungsmittel (100) zur Leistungsversorgung des Gerätes (170, 175),
wobei das Gerät (170, 175) von dem ersten Leistungsversorgungsmittel (110) unter normalen Betriebsbedingungen versorgt wird, und das zweite Leistungsversorgungsmittel (100) die Versorgung des Gerätes (170, 175) übernimmt, wenn sich die Betriebsbedingungen ändern.