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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines Akkupacks. Dabei wird während des Betriebs des Akkupacks eine die Gesamtbelastung des Akkupacks wieder spiegelnde Belastungskennzahl gebildet. Die Erhöhung der Belastungskennzahl erfolgt dabei schrittweise in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Akkupack-Temperatur.
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Stand der Technik
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Verschiedene elektrische Geräte werden mithilfe so genannter Akkupacks betrieben. Die Leistungsfähigkeit eines solchen Akkupacks nimmt gegen Ende seiner Lebensdauer stark ab. Der Leistungsabfall hängt dabei unter anderem von der Nutzungsintensität des Akkupacks ab, die wiederum von der Betriebsdauer und der Belastung während des Betriebs des Akkupacks abhängt. Zur Diagnose von Akkupacks sind Information zur Betriebsdauer und Belastung hilfreich. Die Betriebsdauer lässt sich dabei relativ einfach messen. Zur Beurteilung der Belastung sind hingegen weitere Informationen notwendig, wie z. B. das Stromprofil während des Endladevorgangs. Ein solches Stromprofil ist jedoch sehr schwer und nur mit erheblichem technischen Aufwand zu messen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Gesamtbelastung eines Akkupacks mit möglichst einfachen Mitteln und möglichst genau zu bestimmen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den nebengeordneten Ansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Bestimmen des Zustands eines Akkupacks vorgesehen, wobei eine die Nutzungsintensität des Akkupacks wiedergebende Belastungskennzahl gebildet wird, indem während des Betriebs des Akkupacks die aktuelle Betriebstemperatur des Akkupacks ermittelt und die Belastungskennzahl abhängig von der jeweils aktuellen Betriebstemperatur schrittweise erhöht wird. Da die aktuelle Akkupack-Temperatur maßgeblich mit der aktuellen Belastung des Akkupacks zusammenhängt, lässt sich mithilfe der unmittelbar mit der Akkupack-Temperatur steigenden Belastungskennzahl die bisherige Gesamtbelastung des Akkupacks abschätzen. Eine hohe Belastungskennzahl deutet auf eine starke Nutzung des Akkupacks hin. Daher lässt sich mithilfe der Belastungskennzahl eine recht genaue Diagnose des Zustands des Akkupacks durchführen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Belastungskennzahl während des Betriebs der Akkupacks schrittweise in vorgegebenen Zeitintervallen um einen von der jeweils aktuellen Akkupack-Temperatur abhängigen Wert erhöht wird. Bei dieser Methode erfolgt die schrittweise Erhöhung der Belastungskennzahl jeweils in gleichen Zeitintervallen. Daher kann die Methode mit besonders einfachen Zeitgebern realisiert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Belastungskennzahl während des Betriebs der Akkupacks schrittweise in durch die jeweils aktuelle Akkupack-Temperatur bestimmten Zeitintervallen jeweils um einen vorgegebenen Wert erhöht wird, wobei die Zeitintervalle umso kürzer ausfallen, je höher die jeweils ermittelte aktuelle Betriebstemperatur ist. Bei dieser Methode wird die Belastungskennzahl in variierenden Zeitintervallen um jeweils den gleichen Betrag erhöht. Die Aufsummierung lässt sich besonders einfach realisieren.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Betriebszeiten des Akkupacks anhand des zeitlichen Verlaufs der Spannung des Akkupacks ermittelt werden. Anhand der Akkupackspannung lassen sich die Entladungsphasen des Akkupacks besonders einfach bestimmen.
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Schließlich sieht eine weitere Ausführungsform vor, dass der Beginn eines Entladevorgangs des Akkupacks anhand eines negativen Sprungs der Akkupack-Spannung und das Ende des Entladevorgangs des Akkupacks anhand eines positiven Sprungs der Akkupack-Spannung ermittelt werden. Die Erfassung der Sprünge der Akkupackspannung erlaubt eine besonders genaue Erfassung des Beginns und des Endes einer Entladungsphase.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Es zeigen:
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1 ein Diagramm zur Verdeutlichung des zeitlichen Verlaufs der Akkuspannung;
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2 ein Diagramm zur Verdeutlichung des zeitlichen Verlaufs der Akkupack-Temperatur;
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3 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Bildung der Belastungskennzahl durch schrittweise Erhöhung gemäß einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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4 ein Diagramm zur Verdeutlichung der Bildung der Belastungskennzahl durch schrittweise Erhöhung gemäß einer zweiten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Erfindung sieht vor, dass eine die Benutzungsintensität bzw. den Verschleiß des Akkupacks wieder spiegelnde Belastungskennzahl über den gesamten Nutzungszeitraum des Akkupacks gebildet wird. Mithilfe dieser Belastungskennzahl lässt sich relativ einfach eine Aussage über den Zustand des Akkupacks machen. Eine hohe Belastungskennzahl deutet dabei auf eine hohe Nutzungsintensität und damit auf einen hohen Verschleiß des Akkupacks hin. Hingegen zeigt eine niedrige Belastungskennzahl eine geringe Nutzungsintensität bzw. einen geringen Verschleiß des Akkupacks an. Zur Bildung der als Messgröße für den Verschleiß des Akkupacks dienenden Belastungskennzahl wird während des Betriebs des Akkupacks, d. h. während der Entladungsphasen, die aktuelle Betriebstemperatur gemessen und die Belastungskennzahl schrittweise in Abhängigkeit von der ermittelten Akkupack-Temperatur erhöht. Dabei ist vorgesehen, dass die Belastungskennzahl umso mehr erhöht wird, je größer die gemessene Akkupack-Temperatur ausfällt.
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Zur Messung der Temperatur kann dabei beispielsweise auf die bereits bei modernen Akkupacks vorhandenen Einrichtungen zurückgegriffen werden. Solche Einrichtungen sind in vielen Akkupacks beispielsweise zur Temperaturüberwachung während des Ladevorgangs bereits integriert.
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Über die gemessene Betriebstemperatur des Akkupacks lässt sich eine Aussage über die aktuelle Nutzungsintensität ziehen. Zum Einen lässt sich über die Akkupack-Temperatur indirekt auf den mittleren Entladestrom und damit auf die aktuelle Belastung dieses Energiespeichers schließen. Hohe Entladeströme wirken sich typischerweise verkürzend auf die Lebensdauer der Akkuzellen aus. Andererseits hängt die Akkupack-Temperatur direkt mit dem Verschleiß eines Akkupacks zusammen, denn der Innenwiderstand eines Akkupacks nimmt mit zunehmendem Verschleiß zu. Um eine möglichst genaue Aussage über die Nutzungsintensität und den damit verbundenen Verschleiß zu erhalten, wird anhand der Betriebsdauer und der Akkupack-Temperatur die Belastungskennzahl wie folgt berechnet:
Sobald der Akkupack entladen wird startet der Betriebsdauer-Zähler. Dieser Zähler stoppt, sobald der Entladevorgang zu Ende ist. Der Start und das Ende des Entladevorgangs lassen sich beispielsweise durch Messung der Akkupack-Spannung ermitteln. Dabei zeigt ein negativer Sprung der Akkupack-Spannung den Beginn eines Entladevorgangs an, während sich das Ende eines Entladvorgangs in einem positiven Sprung der Akkupack-Spannung äußert. Hierzu zeigt die 1 beispielhaft den Verlauf der Akkupack-Spannung V für einen Zeitraum, in dem ein mittels des Akkupacks betriebenes elektrisches Gerät insgesamt zweimal hintereinander in Betrieb genommen wird. Das elektrische Gerät befindet sich zunächst in ausgeschaltetem Zustand. Die Akkupack-Spannung V hat in diesem zustand den Wert V1. Durch das Einschalten des elektrischen Geräts zum Zeitpunkt t1 fällt die Akkupack-Spannung V auf den niedrigeren Wert V2 ab. Der sich hieraus ergebende negative Sprung der Akkupack-Spannung V zeigt somit den Beginn des Entladevorgangs des Akkupacks äußerst genau an. Zum Zeitpunkt t3 wird das Gerät wieder ausgeschaltet, wobei die Akkupack-Spannung V sprunghaft von dem niedrigeren Wert V2 auf den höheren Wert V1 ansteigt. Der in der 1 zum Zeitpunkt t3 dargestellte positive Sprung der Akkupack-Spannung markiert daher das Ende des ersten Entladevorgangs I. Der nach einer Pause durchgeführte zweite Entladevorgang II wird ebenfalls durch einen negativen Spannungssprung zum Zeitpunkt t4 sowie durch einen positiven Spannungssprung zum Zeitpunkt t7 ermittelt.
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Da der als Spannungsquelle dienende Akkupack einen Innenwiderstand aufweist, führt der im geschlossenen Stromkreis fließende Entladestrom zu einer Verlustleistung und damit zu einer Temperaturerhöhung innerhalb des Akkupacks. Diese Temperaturerhöhung fällt umso größer aus, je höher der Entladestrom ist und je länger der Entladevorgang dauert. Die 2 zeigt beispielhaft den Verlauf der Akkupack-Temperatur während der beiden Entladevorgänge I, II. Wie in der 2 ersichtlich ist, steigt die Akkupack-Temperatur T von einem im Wesentlichen durch die Umgebungstemperatur vorgegebenen niedrigen Wert T1 während des ersten Entladevorgangs I mehr oder weniger linear an. Dabei überschreitet die Akkupack-Temperatur T zu einem Zeitpunkt t2 einen ersten Schwellenwert T2 und erreicht schließlich zum Zeitpunkt t3 ein Maximum. Mit dem Abschalten des Geräts zum Zeitpunkt t3 fällt die Akkupack-Temperatur T wieder auf die Umgebungstemperatur T1 ab. Auch während des zweiten Entladevorgangs II steigt die Akkupack-Temperatur T von der durch die Umgebung vorgegebenen Wert T1 kontinuierlich an.
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Da das Gerät zum Beginn der zweiten Entladungsphase II mit einer geringeren Last betrieben wird ist der Entladestrom und damit verbunden auch der Temperaturanstieg zum diesem Zeitpunkt geringer als zu Beginn des ersten Entladevorgangs I. Daher erreicht die Temperaturkurve während des zweiten Entladevorgangs II den Schwellenwert T2 etwas später. Da jedoch der Entladevorgang II länger dauert, als der erste Entladevorgang I, steigt die Akkupack-Temperatur T letztendlich deutlich höher an. Zum Zeitpunkt t6 überschreitet die Akkupack-Temperatur T einen zweiten Schwellenwert T3 und erreicht ihr Maximum zum Zeitpunkt t7, bevor der Akkupack nach dem Ende des zweiten Entladevorgangs II wieder abkühlt.
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Der hier gezeigte Temperaturverlauf während der Entlade- und Ruhephasen soll lediglich der Illustration eines typischen Nutzungsverhaltens einer elektrischen Maschine dienen. Das Temperaturverhalten des Akkupacks hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. dem Verlauf des Entladestromes, dem Innenwiderstand des Akkus oder der Wärmedissipationsfähigkeit des Akkupacks bzw. des Gehäuses. Aus diesem Grund kann sich der Temperaturverlauf von Akkupack zu Akkupack bzw. von Gerät zu Gerät unterscheidet.
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Um eine Aussage über die bisherige Nutzungsintensität bzw. den damit verbundenen Verschleiß des Akkus tätigen zu können, wird erfindungsgemäß eine die Gesamtbelastung des Akkus während seiner bisherigen Lebensdauer widerspiegelnde Benutzungs- bzw. Belastungskennzahl in Abhängigkeit von der jeweils aktuell gemessenen Temperatur gebildet. Dabei findet die Erhöhung der Belastungskennzahl jeweils während der Entladevorgänge, d. h. während der Benutzungsphasen des elektrischen Geräts, statt. Die Belastungskennzahl kann aber auch während eines Ladevorgangs abhängig vom Ladestrom, von der Ladedauer bzw. von der Temperaturerhöhung während des Ladens erhöht werden. Ferner kann eine einfache Belastungskennzahl auch nur während des Ladens gebildet werden. Grundsätzlich lässt sich auch eine Kombination verschiedener Methoden zur Bildung einer den Zustand des Akkus widerspiegelnden Kennzahl verwenden. Zur Veranschaulichung, dass sich die vorgesehene Bildung der Belastungskennzahl grundsätzlich auf unterschiedliche Weisen durchführen lässt, werden im Folgenden beispielhaft zwei mögliche Methoden näher vorgestellt.
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Gemäß einer ersten Methode, wird die Belastungskennzahl schrittweise um jeweils einen vorgegebenen Betrag erhöht. Hierbei wird die Schrittweite, also die Zeit zwischen zwei Erhöhungen, in Abhängigkeit von der aktuellen Akkupack-Temperatur T gewählt. Die Belastungskennzahl B kann dabei jeweils um einen vorgegebenen, festen Betrag ΔB, beispielsweise um „1” erhöht werden. Die 3 verdeutlicht die Erhöhung der Belastungskennzahl B gemäß dieser ersten Methode. Wie in der 3 gezeigt ist, beträgt die Belastungskennzahl B zum Anfang des Beobachtungszeitraums drei Punkte. Mit dem Beginn der ersten Entladungsphase I zum Zeitpunkt t1, die durch den negativen Sprung in der Spannungskurve gemäß 1 detektiert wird, wird der Betriebszeitzähler des Akkupacks in Gang gesetzt. Ferner wird die aktuelle Temperatur T des Akkupacks erfasst und die jeweils aktuelle Schrittweite zur Erhöhung der Belastungskennzahl B anhand der aktuellen Betriebstemperatur T bestimmt. Im vorliegenden Beispiel liegt die Temperatur T unterhalb der ersten Schwellwerttemperatur T2. Diesem Temperaturbereich wird beispielsweise eine Schrittweite von drei Zeiteinheiten zugeordnet. In Folge dessen wird die Belastungskennzahl B alle drei Zeiteinheiten jeweils um ”eins” erhöht. Als Zeiteinheiten können dabei grundsätzlich verschiedene Zeiträume verwendet werden, wie z. B. 1 Sekunde, 10 Sekunden, 30 Sekunden. Auch 1 Minute und sogar mehrere Minuten dauernde Zeiteinheiten sind je nach Anwendung möglich. Wie in der 3 gezeigt ist, erfolgt die Erhöhung der Belastungskennzahl B erst nach Ablauf des durch die aktuelle Temperatur T bestimmten Zeitraums Δt. Grundsätzlich kann die Belastungskennzahlerhöhung jedoch auch zu Anfang des Zeitraums Δt bzw. zu einen mittleren Zeitpunkt des Zeitraums Δt erfolgen.
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Da die Akkupack-Temperatur T, wie in der die 2 dargestellt ist, den ersten Schwellenwert T2 zum Zeitpunkt t2 überschreitet, wird die Erhöhung der Belastungskennzahl B ab dem Zeitpunkt t2 beschleunigt. Damit kann die mit der höheren Temperatur einhergehende höhere Nutzungsintensität und damit verbundenen höheren Verschleiß des Akkupacks dokumentiert werden. Bei der Ersten Methode erfolgt diese Beschleunigung durch Verkürzung der Schrittweite, also dem Zeitraum zwischen zwei Erhöhungsereignissen. Im vorliegenden Beispiel wird die Schrittweite auf zwei Zeiteinheiten erhöht.
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Mit dem Ende des ersten Entladevorgangs I zum Zeitpunkt t3 wird auch die Erhöhung der Belastungskennzahl B eingestellt. Während der inaktiven Phase vom Zeitpunkt t3 bis zu dem den Beginn der zweiten Entladungsphase II markierenden Zeitpunkt t4 bleibt die Belastungskennzahl B daher konstant.
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Da während der Ruhephase der Akkupack mittlerweile auf die Umgebungstemperatur T1 abgekühlt ist, beträgt die Schrittweite zu Beginn der zweiten Entladungsphase II ebenfalls drei Zeiteinheiten. Erst ab dem Zeitpunkt t5, zu dem die Akkupack-Temperatur T den ersten Schwellenwert T2 überschreitet, wird die Schrittweite auf zwei Zeiteinheiten reduziert. Schließlich wird ab dem Zeitpunkt t6, zu dem die Temperatur T des Akkupacks einen zweiten Schwellenwert T3 überschreitet, die Schrittweite nunmehr auf eine Zeiteinheit reduziert. Schließlich erreicht die Akkupack-Temperatur T am Ende des zweiten Entladevorgangs II zum Zeitpunkt t7 ihr Maximum, bevor der Akkupack dann wieder abkühlt. Wie in der 3 angedeutet, bleibt die Belastungskennzahl B ab dem Zeitpunkt t7 bis zum erneuten Entladevorgang daher konstant.
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Die Erhöhung der Belastungskennzahl B kann grundsätzlich auch in vorgegebenen festen Schrittweiten Δt erfolgen. Die Belastungskennzahl B wird dann jeweils um einen variable Betrag ΔB erhöht, der von der aktuellen Akkupack-Temperatur T abhängt. Die 4 zeigt beispielhaft den Verlauf einer solchen Belastungskennzahlerhöhung. Auch in diesem Beispiel wird die Belastungskennzahl B jeweils am Ende des vorgegebenen Zeitraums Δt erhöht, wobei sich die Erhöhung grundsätzlich auch bereits zu einem früheren oder späteren Zeitpunkt durchführen lässt. Wie die 4 zeigt, wird die Belastungskennzahl B zu Beginn der ersten Entladungsphase I in Schritten von 4 Zeiteinheiten um jeweils einen Punkt erhöht. Mit dem Erreichen der ersten Temperaturschwelle T2 zum Zeitpunkt t2 wird die Belastungskennzahl B nunmehr um jeweils zwei Punkte erhöht, bis die Belastungskennzahlerhöhung mit dem Erreichen des Endes der ersten Entladungsphase I zum Zeitpunkt t3 ausgesetzt wird. Auch zu Beginn der zweiten Entladungsphase II wird die Belastungskennzahl jeweils um einen Punkt erhöht. Nach dem Überschreiten der ersten Temperaturschwelle T2 zum Zeitpunkt t5 wird die Belastungskennzahl B nunmehr um jeweils zwei Punkte pro Schritt erhöht. Schließlich beträgt die Belastungskennzahlerhöhung ab dem Zeitpunkt t6, zu dem die Akkupack-Temperatur T den zweiten Temperaturschwellwert T3 überschreitet, jeweils drei Punkte pro vier Zeiteinheiten.
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Wie durch den Vergleich der 3 und 4 ersichtlich ist, ergeben sich auch bei Verwendung unterschiedlicher Summierungsmethoden im Wesentlichen ähnliche Endwerte, so dass sich mithilfe der erfindungsgemäßen Belastungskennzahl B unabhängig von der jeweiligen Methode zur Bildung der Belastungskennzahl die Temperaturbelastung des Akkupacks während seiner gesamten Betriebsdauer gut abbilden lässt. Die so gebildete Belastungskennzahl kann innerhalb einer Speichereinrichtung (z. B. EPROM) des Akkupacks abgelegt und zu Diagnosezwecken aus dieser Speichereinrichtung wieder ausgelesen werden. Zur Diagnose kann neben der aufaddierten Belastungskennzahl auch die gemessene Betriebdauer des Akkupacks herangezogen werden.
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Die Erfindung lässt sich sowohl in Form von Hardware, Software oder einer Kombination aus Hard- und Software realisieren.
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Obwohl die Belastungskennzahl vorzugsweise für Lithiumionen-Akkus von Elektrowerkzeugen, wie z. B. Akkuschraubbohrer, gebildet wird, ist die hier beschriebene Methode grundsätzlich auch auf andere Akku- und Gerätetypen anwendbar.
