DE102006020309B4

DE102006020309B4 - Verfahren zur Erkennung des Endes der Lebensdauer eines bestimmten Batterietyps

Info

Publication number: DE102006020309B4
Application number: DE102006020309.7A
Authority: DE
Inventors: Jacques Michel Rocher; Frédéric Stuyk
Original assignee: Continental Automotive France SAS
Current assignee: Continental Automotive France SAS
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2006-05-03
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2026-05-04
Also published as: FR2886062B1; FR2886062A1; DE102006020309A1; US20060261816A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung des Endes der Lebensdauer eines bestimmten Typs einer Batterie (5) wie beispielsweise einer Knopfzelle, insbesondere einer Lithium-Mangan-Knopfzelle, die im Rahmen einer bestimmten Anwendung dieser Batterie spezielle Funktionseigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: – in einer ersten Phase zur Kalibrierung des festgelegten Batterietyps (5) im Rahmen der betrachteten Anwendung: – ein repräsentatives Aufgabenprofil der Betriebsparameter der betrachteten Anwendung erstellt wird, das geeignet ist, ein Profil der Temperaturen, ein Profil des Stromverbrauchs je Zeiteinheit und ein Profil der Formen des verbrauchten Stroms zu kombinieren, – Grenzwertkriterien für den Betrieb der Batterie (5) ausgewählt werden, die sich in Spannungswerten an den Batterieklemmen äußern, bei deren Unterschreitung bei bestimmten Umgebungstemperaturen des Milieus, in dem sich diese Batterie befindet, davon ausgegangen werden muss, dass das Ende der Batterielebensdauer erreicht ist, – eine beschleunigte Alterungsprüfung der Anwendung durchgeführt wird und dabei Werte der Spannung an den Klemmen der Batterie (5) gemessen und gespeichert werden, die für die gewählten Betriebskriterien dieser Batterie repräsentativ sind, – und bei der Verwendung einer Batterie (5) des bestimmten Typs im Rahmen der betrachteten Anwendung: – regelmäßige Messungen der Spannung an den Klemmen der Batterie (5) und der entsprechenden Umgebungstemperatur durchgeführt werden, – jeder Messwert der Spannung an den Klemmen der Batterie (5) mit den entsprechenden gespeicherten Werten verglichen wird, – die Messwerte, die unter den entsprechenden gemessenen Werten liegen, gezählt werden, – und nach der Zählung von n Messwerten, die die entsprechenden gespeicherten Werte unterschreiten, wobei n ≥ 1 ist, ein Warnsignal für das Ende der Lebensdauer der Batterie (5) abgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Endes der Lebensdauer eines bestimmten Batterietyps wie beispielsweise einer Knopfzelle, insbesondere einer Lithium-Mangan-Knopfzelle, die im Rahmen einer bestimmten Anwendung dieser Batterie spezielle Funktionseigenschaften aufweist.
Angewandt wird diese Erfindung insbesondere, aber nicht ausschließlich, im Automobilbereich zur Erkennung des Endes der Lebensdauer von Knopfzellen, insbesondere von Lithium-Mangan-Knopfzellen, welche in elektronische Steuergeräte integriert werden, beispielsweise in elektronische Steuergeräte, die zur Messung von Betriebsparametern der Räder und zur Übertragung dieser Parameter zu einer am Fahrzeug angebrachten Zentraleinheit an den Rädern des Fahrzeugs eingebaut werden.
Zu den Funktionseigenschaften, die die Batterien wie beispielsweise die Knopfzellen erfüllen müssen, zählt insbesondere die garantierte Mindestlebensdauer dieser Batterien unter festgelegten normalen Betriebsbedingungen, einschließlich der Abgabe einer Spannung oberhalb eines festgelegten Schwellenwerts an den Klemmen dieser Batterien während der gesamten Lebensdauer.
So müssen insbesondere im Automobilsektor die in die elektronischen Steuergeräte integrierten Knopfzellen eine Kapazität und Funktionseigenschaften aufweisen, die es ermöglichen, eine angemessene Stromversorgung der verschiedenen Komponenten dieser elektronischen Steuergeräte während ihrer gesamten Lebensdauer, die vom Automobilhersteller festgelegt wird, zu garantieren.
Um den Ladungszustand zusätzlich überwachen zu können, wurden in DE 28 23 038 A1 , DE 698 07 465 T2 , US 5 677 615 A bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen. Nun sind aber in der Praxis die Lebensdauer der Batterien und die maximale Spannung an den Batterieklemmen der Batterien unmittelbar von den Betriebsparametern der betrachteten Anwendung abhängig wie beispielsweise von der Umgebungstemperatur des Milieus, in dem sich diese Batterien befinden, vom Stromverbrauch je Zeiteinheit, von den Formen des verbrauchten Stroms usw. Dadurch kann die Lebensdauer von Batterien desselben Typs in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Anwendungen dieser Batterien erheblich schwanken. Da diese Lebensdauer den ordnungsgemäßen Betrieb der betrachteten Anwendungen beeinflusst, kann es sinnvoll, wenn nicht gar notwendig sein, diese Anwendungen mit Kontrolleinrichtungen zu versehen, die so ausgestaltet sind, dass sie es ermöglichen, das Ende der Lebensdauer dieser Batterien zu erkennen.
Die Erfindung soll diese Aufgabe lösen; ihre Hauptaufgabe ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, das es ermöglicht, das Ende der Lebensdauer eines bestimmten Batterietyps wie einer Knopfzelle zu erkennen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Diagnoseverfahren bereitzustellen, das, wenn es bei elektronischen Steuergeräten angewandt wird, die zur Montage an den Rädern von Fahrzeugen geeignet sind, nur eine Softwareanpassung dieser Steuergeräte erfordert.
Zu diesem Zweck sieht die Erfindung ein Diagnoseverfahren vor, bei dem:

– in einer ersten Phase zur Kalibrierung des Batterietyps im Rahmen der betrachteten Anwendung:
– ein repräsentatives Aufgabenprofil der Betriebsparameter der betrachteten Anwendung erstellt wird, das geeignet ist, ein Profil der Temperaturen, ein Profil des Stromverbrauchs je Zeiteinheit und ein Profil der Formen des verbrauchten Stroms zu kombinieren,
– Grenzwertkriterien für den Batteriebetrieb ausgewählt werden, die sich in Spannungswerten an den Batterieklemmen äußern, bei deren Unterschreitung bei gegebenen Umgebungstemperaturen des Milieus, in dem sich diese Batterie befindet, davon ausgegangen werden muss, dass das Ende der Batterielebensdauer ereicht ist;
– eine beschleunigte Alterungsprüfung der Anwendung durchgeführt wird und dabei Werte der Spannung an den Klemmen der Batterie gemessen und gespeichert werden, die für die ausgewählten Betriebskriterien dieser Batterie repräsentativ sind,
– und bei der Verwendung einer Batterie des bestimmten Typs im Rahmen der betrachteten Anwendung:
– regelmäßige Messungen der Spannung an den Batterieklemmen und der entsprechenden Umgebungstemperatur durchgeführt werden,
– jeder Messwert der Spannung an den Batterieklemmen mit den entsprechenden gespeicherten Werten verglichen wird,
– die Messwerte, die unter den entsprechenden gemessenen Werten liegen, gezählt werden,
– und nach der Zählung von n Messwerten, die die entsprechenden gespeicherten Werte unterschreiten, wobei n ≥ 1 ist, ein Warnsignal für das Ende der Batterielebensdauer abgegeben wird.

Das erfindungsgemäße Verwaltungsverfahren besteht somit zunächst darin;

– zu Beginn geeignete Grenzwertkriterien für den Batteriebetrieb auszuwählen, die es ermöglichen, durch Messungen der Spannung an den Batterieklemmen zu bestimmen, ob diese Batterie in der Lage ist oder nicht, die ordnungsgemäße Stromversorgung der Anwendung sicherzustellen,
– und eine beschleunigte Alterungsprüfung durchzuführen, die es ermöglicht, repräsentative Werte der Grenzwertkriterien des Betriebs zu speichern. Dieses Verfahren besteht anschließend darin, die gespeicherten Werte als Referenzwerte zu verwenden, die dazu dienen, mit Ergebnissen regelmäßiger Messungen verglichen zu werden, um bei der Verwendung der Batterie den Zeitpunkt zu erkennen, zu dem das Ende ihrer Lebensdauer erreicht ist.

Dieses Verfahren stellt somit eine Softwarelösung bereit, die es ermöglicht, das Ende der Lebensdauer eines bestimmten Batterietyps wie einer Knopfzelle zu erkennen und die ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich der freien Wahl verschiedener Betriebskriterien zum einen und verschiedene Werte für die Zahl „n” der gezählten Werte zum anderen bietet.
Im Hinblick auf die Wahl der Grenzwertkriterien für den Betrieb kann eine erste vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung darin bestehen, ein Wertepaar zu wählen und zu speichern, das aus dem theoretischen Wert der Mindestspannung an den Batterieklemmen, der so genannten Mindestbetriebsspannung, die in der Lage ist, den Betrieb der Anwendung zu garantieren, besteht, dem ein festgelegter Schwellenwert für die Betriebsumgebungstemperatur zugeordnet wird.
Nach dieser vorteilhaften Ausführungsform wird zudem bei der Verwendung einer Batterie und bei jeder durchgeführten Messung:

– die gemessene Spannung mit der gespeicherten Mindestbetriebsspannung verglichen,
– und wenn die gemessene Spannung geringer als die gespeicherte Mindestbetriebsspannung ist, die Zählung dann und nur dann inkrementiert, wenn die gemessene Umgebungstemperatur unter dem gespeicherten Temperaturschwellenwert liegt.

Im Übrigen wird im Rahmen dieser Ausführungsform und auf erfindungsgemäß vorteilhafte Weise, wenn die gemessene Spannung unter der gespeicherten Mindestbetriebsspannung liegt, die Zählung inkrementiert, indem dieser Zählung Koeffizienten zur Gewichtung festgelegter Werte beigemessen werden, so dass diese Werte mit der Umgebungstemperatur steigen.
Im Hinblick auf die Wahl der Grenzwertkriterien für den Betrieb kann eine zweite vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung auch darin bestehen, eine Altersgrenze für den Betrieb zu wählen.
In diesem Fall wird, wenn die beschleunigte Alterung der Batterie die gewählte Altersgrenze für einen festgelegten Bereich von Umgebungstemperaturwerten erreicht, eine Vielzahl von Werten der Spannung an den Batterieklemmen gemessen, von denen jeder einer bestimmten Umgebungstemperatur entspricht.
Weiterhin wird bei der Verwendung einer Batterie und bei jeder durchgeführten Messung:

– die gemessene Spannung mit der gespeicherten Spannung, die bei der gleichen Umgebungstemperatur erhalten wurde, verglichen,
– und die Zählung inkrementiert, wenn die gemessene Spannung unter der gespeicherten Spannung liegt.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die gemessenen Parameter erfindungsgemäß in Parametern bestehen, die beim Betrieb der heutigen elektronischen Steuergeräte, die zur Anbringung an den Rädern von Fahrzeugen bestimmt sind, üblicherweise gemessen werden, so dass die Anwendung der Erfindung bei solchen Steuergeräten nur eine einfache Softwareanpassung dieser Geräte erfordert.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen diskutiert. In diesen Zeichnungen zeigen:
1 eine teilweise und schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs, das mit einem erfindungsgemäßen Überwachungssystem ausgestattet ist,
und 2 eine Grafik, die ein Netz aus Kennlinien darstellt, von denen jede für den zeitlichen Verlauf der Mindesttemperatur, bei der ein bestimmter Spannungswert an den Klemmen einer Knopfzelle eines elektronischen Steuergeräts eines Überwachungssystems erhalten wird, repräsentativ ist.
Das Überwachungssystem, welches das erfindungsgemäße Erkennungsverfahren einsetzt, ist in 1 an einem Fahrzeug 3 mit vier herkömmlich bereiften Rädern 2 montiert dargestellt. Derartige Überwachungssysteme umfassen üblicherweise zunächst für jedes Rad 2 ein elektronisches Steuergerät wie 1, das beispielsweise fest mit der Felge dieses Rades verbunden ist, so dass es innerhalb der Hüllkurve des Reifens liegt. Jedes dieser elektronischen Steuergeräte 1 beinhaltet spezielle Sensoren zur Messung von Parametern wie Druck, Temperatur, Beschleunigung usw., die mit einer mikroprozessorgesteuerten Recheneinheit 4 verbunden sind, welche von einer Knopfzelle 5 wie einer Lithium-Mangan-Knopfzelle mit Strom versorgt wird und an einen Funksender angeschlossen ist, der mit einer Niederfrequenzantenne 6 verbunden ist.
Das Überwachungssystem umfasst weiterhin einen zentralen Rechner oder eine Zentraleinheit 7 mit einem Mikroprozessor und einem Funkempfänger, der in der Lage ist, die von jedem der vier elektronischen Steuergeräte 1 ausgesendeten Signale zu empfangen und der zu diesem Zweck mit einer Antenne 8 verbunden ist. Üblicherweise ist ein derartiges Überwachungssystem und insbesondere seine Zentraleinheit 7 so ausgestaltet, dass der Fahrer über jede anomale Veränderung der von den Sensoren an den Rädern 2 gemessenen Parameter informiert wird.
Erfindungsgemäß umfasst die mikroprozessorgesteuerte Recheneinheit 4 jedes elektronischen Steuergeräts:

– Einrichtungen zum Speichern von repräsentativen Werten von Grenzwertkriterien für den Betrieb der Batterie 5, bei deren Unterschreitung davon ausgegangen wird, dass das Ende der Lebensdauer dieser Batterie erreicht ist, d. h. dass sie nicht in der Lage ist, eine geeignete Stromversorgung der Anwendung sicherzustellen,
– und eine Verwaltungseinheit, die mit den Speichereinrichtungen und den Messfühlern verbunden ist und so programmiert ist, dass sie durch Vergleichen der gemessenen und gespeicherten Werte ein etwaiges Ende der Lebensdauer der Batterie 5 erkennt und das Senden eines entsprechenden Warnsignals steuert.

Die Umsetzung des erfindungsgemäßen Erkennungsverfahren bedingt die vorherige Durchführung eines Verfahrens zur Kalibrierung des Typs der Knopfzelle 5 im Rahmen der betrachteten Anwendung, des so genannten Kalibrierungsverfahrens, das darin besteht:

– ein repräsentatives Aufgabenprofil der Betriebsparameter der betrachteten Anwendung zu erstellen, um ein Profil der Temperaturen, ein Profil des Stromverbrauchs je Zeiteinheit und ein Profil der Formen des verbrauchten Stroms zu kombinieren,
– und eine beschleunigte Alterungsprüfung der Anwendung durchzuführen, bei der beispielsweise der zeitliche Verlauf der Umgebungstemperatur, bei der bestimmte Werte der Spannung an den Klemmen der Batterie 5 erhalten werden, gemessen und gespeichert wird.

Ein solches Kalibrierungsverfahren ergibt eine Grafik wie die in 2 dargestellte, die aus einem Netz von Kennlinien besteht, von denen jede für den zeitlichen Verlauf der Temperatur, bei der ein bestimmter Spannungswert an den Klemmen der Batterie 5 erhalten wird, repräsentativ ist. Auf der Grundlage einer solchen Grafik kann ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung darin bestehen, als Grenzwertkriterien für den Betrieb der Batterie 5 eine Altersgrenze zu wählen.
Im Rahmen dieses Beispiels bestehen die gespeicherten Werte, die für das Betriebskriterium repräsentativ sind, für jede Kennlinie des Netzes aus einem Wertepaar, das in der Spannung an den Klemmen der Batterie 5 und in der Umgebungstemperatur, bei der dieser Spannungswert erhalten wird, besteht. Nach diesem Beispiel besteht die Überprüfung des Zustands der Knopfzelle 5 weiterhin darin, die gemessene Spannung mit der gespeicherten Spannung, die für den gleichen Umgebungstemperaturwert erhalten wurde, zu vergleichen und einen Zähler zu inkrementieren, wenn die gemessene Spannung unter der gespeicherten Spannung liegt.
Zur Veranschaulichung dieses Beispiels können unter Bezugnahme auf 2 die gespeicherten Werte für eine Altersgrenze von 10 Jahren insbesondere die folgenden Wertepaare umfassen: (2,1 v, –30°C), (2,3 V, –10°C) und (2,6 V, 13°C).
Auf der Grundlage der Grafik in 2 kann ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung darin bestehen, als Grenzwertkriterium für den Betrieb der Knopfzelle 5 ein Wertepaar zu wählen, das aus dem theoretischen Wert der Mindestspannung an den Klemmen dieser Batterie, der so genannten Mindestbetriebsspannung, die in der Lage ist, den Betrieb der Anwendung zu garantieren, besteht, dem ein festgelegter Schwellenwert der Betriebsumgebungstemperatur zugeordnet wird.
Die Mindestbetriebsspannung wird üblicherweise von den Lieferanten der in die elektronischen Steuergeräte 1 integrierten Komponenten definiert und weist im Rahmen dieses Beispiels einen Mittelwert von ca. 2,1 Volt auf.
Der Schwellenwert der Umgebungstemperatur wird dagegen in Abhängigkeit von den Durchschnittstemperaturen der Einsatzbereiche der Fahrzeuge 3, die mit den elektronischen Steuergeräten 1 ausgerüstet werden sollen, bestimmt. Dieser Wert kann herkömmlicherweise aus der Kennlinie, die der Spannung von 2,1 Volt entspricht und in 2 dargestellt ist, abgeleitet werden.
Nach diesem zweiten Beispiel besteht die Überprüfung des Zustands der Knopfzelle 5 darin, die gemessene Spannung mit der gespeicherten Mindestbetriebsspannung zu vergleichen und, wenn diese gemessene Spannung unter der besagten Mindestbetriebsspannung liegt, dann und nur dann einen Zähler zu inkrementieren, wenn die gemessene Umgebungstemperatur unter dem gespeicherten Temperaturschwellenwert liegt.
Um die Inkrementierung zu verfeinern und realistischer zu gestalten, wird die Inkrementierung vorteilhafterweise mit Hilfe von Koeffizienten zur Gewichtung von festgelegten Werten gewogen, so dass diese Werte mit der Umgebungstemperatur steigen. Im Übrigen ist darauf hinzuweisen, dass nur die der 2,1-Volt-Kennlinie zugeordneten Daten zur Umsetzung dieses zweiten Beispiels erforderlich sind.
Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass nach dem erfindungsgemäßen Erkennungsverfahren die einzigen regelmäßig durchgeführten Messungen in Temperatur- und Spannungsmessungen bestehen. Nun werden aber diese Messungen im Rahmen der Anwendung zur Überwachung von Betriebsparametern der Räder 2 durchgeführt und verwendet, so dass die Umsetzung der Erfindung nur eine ganz einfache Softwareanpassung erfordert.

Claims

Verfahren zur Erkennung des Endes der Lebensdauer eines bestimmten Typs einer Batterie (5) wie beispielsweise einer Knopfzelle, insbesondere einer Lithium-Mangan-Knopfzelle, die im Rahmen einer bestimmten Anwendung dieser Batterie spezielle Funktionseigenschaften aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: – in einer ersten Phase zur Kalibrierung des festgelegten Batterietyps (5) im Rahmen der betrachteten Anwendung: – ein repräsentatives Aufgabenprofil der Betriebsparameter der betrachteten Anwendung erstellt wird, das geeignet ist, ein Profil der Temperaturen, ein Profil des Stromverbrauchs je Zeiteinheit und ein Profil der Formen des verbrauchten Stroms zu kombinieren, – Grenzwertkriterien für den Betrieb der Batterie (5) ausgewählt werden, die sich in Spannungswerten an den Batterieklemmen äußern, bei deren Unterschreitung bei bestimmten Umgebungstemperaturen des Milieus, in dem sich diese Batterie befindet, davon ausgegangen werden muss, dass das Ende der Batterielebensdauer erreicht ist, – eine beschleunigte Alterungsprüfung der Anwendung durchgeführt wird und dabei Werte der Spannung an den Klemmen der Batterie (5) gemessen und gespeichert werden, die für die gewählten Betriebskriterien dieser Batterie repräsentativ sind, – und bei der Verwendung einer Batterie (5) des bestimmten Typs im Rahmen der betrachteten Anwendung: – regelmäßige Messungen der Spannung an den Klemmen der Batterie (5) und der entsprechenden Umgebungstemperatur durchgeführt werden, – jeder Messwert der Spannung an den Klemmen der Batterie (5) mit den entsprechenden gespeicherten Werten verglichen wird, – die Messwerte, die unter den entsprechenden gemessenen Werten liegen, gezählt werden, – und nach der Zählung von n Messwerten, die die entsprechenden gespeicherten Werte unterschreiten, wobei n ≥ 1 ist, ein Warnsignal für das Ende der Lebensdauer der Batterie (5) abgegeben wird.
Erkennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zuvor als Grenzwertkriterien für den Betrieb der Batterie (5) ein Wertepaar gewählt und gespeichert wird, das aus dem theoretischen Wert der Mindestspannung an den Batterieklemmen, der so genannten Mindestbetriebsspannung, die in der Lage ist, den Betrieb der Anwendung zu garantieren, besteht, dem ein festgelegter Schwellenwert für die Betriebsumgebungstemperatur zugeordnet wird, – und bei der Verwendung einer Batterie (5) und bei jeder durchgeführten Messung: – die gemessene Spannung mit der gespeicherten Mindestbetriebsspannung verglichen wird, – und wenn die gemessene Spannung geringer als die gespeicherte Mindestbetriebsspannung ist, die Zählung dann und nur dann inkrementiert wird, wenn die gemessene Umgebungstemperatur unter dem gespeicherten Temperaturschwellenwert liegt.
Erkennungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die gemessene Spannung unter der gespeicherten Mindestbetriebsspannung liegt, die Zählung inkrementiert wird, indem dieser Zählung Koeffizienten zur Gewichtung von festgelegten Werten beigemessen werden, so dass diese Werte mit der Umgebungstemperatur steigen.
Erkennungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – vorab als Grenzwertkriterium für den Betrieb der Batterie (5) eine Altersgrenze gewählt wird und, wenn die beschleunigte Alterung der Batterie diese Altersgrenze für einen festgelegten Bereich von Umgebungstemperaturwerten erreicht, eine Vielzahl von Werten der Spannung an den Klemmen der Batterie (5) gemessen wird, von denen jeder einer bestimmten Umgebungstemperatur entspricht, – und bei der Verwendung einer Batterie (5) und bei jeder durchgeführten Messung: – die gemessene Spannung mit der gespeicherten Spannung verglichen wird, die bei der gleichen Umgebungstemperatur erhalten wurde, – und die Zählung inkrementiert wird, wenn die gemessene Spannung unter der gespeicherten Spannung liegt.