DE102011010985A1

DE102011010985A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Batterie für batteriebetriebene elektronische Geräte

Info

Publication number: DE102011010985A1
Application number: DE102011010985A
Authority: DE
Inventors: Holger KAUL; Dr. Wetzko Manfred; Dr. Ulrich Marco; Dr. Nenninger Philipp; Dr. Maret Yannick
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Technology AG
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-08-16
Also published as: DE202011110275U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Batterie (2) für batteriebetriebene elektronische Geräte (1), bei welchem der zeitliche Verlauf der Batteriespannung (BV) und/oder der zeitliche Verlauf des Batteriestrom (BI) ab Inbetriebnahme der Batterie (2) erfasst und abgespeichert werden, woraus die wahrscheinliche Restlebensdauer der Batterie (2) unter Berücksichtigung spezifischer Batterieeigenschaften extrapoliert wird, wobei als weiterer Parameter zumindest der zeitliche Verlauf der Batterietemperatur (Bt) in die Extrapolation mit einbezogen wird, um durch Berücksichtigung des zyklischen Verlaufs aller Parameter eine präzise Prognose der Restlebensdauer der Batterie (2) zu treffen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine elektronische Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Batterie für batteriebetriebene elektronische Geräte, bei welchem der zeitliche Verlauf der Batteriespannung und/oder der zeitliche Verlauf des Batteriestroms ab Inbetriebnahme der Batterie erfasst und abgespeichert werden, woraus die wahrscheinliche Restlebensdauer der Batterie unter weiterer Berücksichtigung spezifischer Batterieeigenschaften ermittelt wird.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Automatisierungstechnik. Im Rahmen von insbesondere verfahrenstechnischen Anlagen kommen so genannte Feldgeräte zum Einsatz, welche vornehmlich der Ermittlung sowie Steuerung anlagenspezifischer Parameter dienen. Diese Feldgeräte sind über einen Datenbus miteinander und mit einer übergeordneten Steuereinheit verbunden, welcher zumindest teilweise auch drahtlos ausgebildet sein kann. Der Datenbus dient auch zur Konfiguration und Parametrierung der Feldgeräte oder zu Diagnosezwecken.
Im Rahmen der drahtlosen Kommunikation mit den Feldgeräten, werden gewöhnliche standardisierte Funkübertragungsprotokolle verwendet. Während neuere Feldgeräte, insbesondere Sensoren und Aktoren, in einer Funk-Variante zur Verfügung stehen, lassen sich ältere Feldgeräte meist mit einem Funkmodul als Zubehörteil ausrüsten.
Ein Funk-Feldgerät bzw. ein Funkmodul sind gewöhnlich mit einer autarken Energieversorgung ausgestattet.
Aus der WO 2005/103851 A1 geht ein Feldgerät einer automatisierungstechnischen Anlage hervor, das mit einem zusätzlichen Funkmodul ausgerüstet ist. Das Funkmodul wird an die Feldbus-Kommunikationsschnittstelle des Feldgeräts angeschlossen. Hierdurch kann das Feldgerät beispielsweise durch eigene Sensorik ermittelte Daten per Funk an die übergeordnete Steuereinheit übertragen und selbst von dieser aus Daten zur Konfigurierung und Parametrierung oder Steuerbefehle empfangen. Das Funkmodul enthält eine Batterie, welche gleichzeitig auch der elektrischen Versorgung des Feldgerätes mit elektrischer Leistung dient.
Üblicherweise wird der Ladezustand der Batterie ständig überwacht, um nach Ablauf der Lebensdauer der Batterie einen rechtzeitigen Austausch vornehmen zu können. Der Ladezustand von Batterien kann dabei über eine Verbrauchsmessung, beispielsweise mittels Coulomb-Zähler durchgeführt werden. Bekannt ist es daneben auch, die hier interessierende Restlebensdauerbestimmung durchzuführen, wozu spezielle elektronische Komponenten dienen.
Nachteilig bei einer solchen Bestimmung der verbleibenden Lebensdauer der Batterie aus der Verbrauchsmessung ist die relativ große Ungenauigkeit der Prognose.
Das Problem bei bekannten Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer ist, dass bei Batterien mit einer flachen Kennlinie (U/t) eine zuverlässige Vorhersage der Restlebensdauer kaum möglich ist. Zudem führen verschiede physikalische Einflussgrößen auf die Batterie sowie das meist im Freien betriebene Feldgerät zu Ungenauigkeiten der Prognose.
Aus der DE 10 2008 037 193 A1 geht eine technische Lösung hervor, welche die vorstehend beschriebene Problematik dadurch löst, dass stets der aktuelle Leistungsverbrauch der Batterie ermittelt wird, wobei während einer ersten Lebensphase der Betrieb des Feldgeräts ermittelte Leistungsverbrauch der Batterie mit einem vorgegebenen Schwellwert verglichen wird, bei dessen Überschreiten die Batterie während einer zweiten Lebensphase in vorgegebenen Zeitabständen mit definierten Lastspitzen beaufschlagt wird. Die den definierten Lastspitzen entsprechenden Spannungseinbrüche werden detektiert, woraus eine Warnmeldung generiert wird, wenn die Spannungseinbrüche einen vorgegebenen maximalen Grenzwert erreichen. Es wird hierdurch sowohl eine Verbrauchskalkulation als auch eine Bestimmung der Restlebensdauer durchgeführt. Hierbei werden die äußeren Einflüsse, wie beispielsweise Temperatureinflüsse, welche eine Rückwirkung auf die Restlebensdauer der Batterie haben, indirekt automatisch mit berücksichtigt.
Aus der DE 10 2008 038 415 A1 geht eine weitere technische Lösung zur Überwachung des Ladezustandes und der Restlebensdauer einer Batterie hervor, bei welcher ein Datenspeicher verwendet wird, worin spezifische typbezogene Informationen über die Batterie gespeichert werden. Zusätzlich werden prozessspezifische und betriebsspezifische Informationen über den Energieverbrauch berücksichtigt. Die Abspeicherung dieser historischen Daten kann ereignisgesteuert oder zeitgesteuert erfolgen.
Im Prinzip wird im Stand der Technik der zeitliche Verlauf der Batteriespannung sowie des Batteriestroms aufgezeichnet, Informationen über den Batterietyp sowie Energieverbrauchsinformationen mit hinzugezogen werden können, um hieraus eine Prognose für die Restlebensdauer der Batterie abzuleiten.
In speziellen Anwendungsfällen, insbesondere bei Feldgeräten einer automatisierungstechnischen Anlage, deckt sich der zeitliche Verlauf der Batteriespannung und des Batteriestroms nicht mit dem zeitlichen Verlauf der Batteriekapazität, da die Temperatur die Batteriekapazität erheblich beeinflusst. Bisher wurden diese Ungenauigkeiten durch einen hohen Sicherheitsaufschlag auf die Restlebensdauerprognose kompensiert, was zu einem recht frühzeitigen Wechsel einer Batterie führt. Hierdurch steigt der Aufwand an Batterien zum Betrieb der hier interessierenden elektronischen Geräte erheblich.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Anordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Batterie zu schaffen, welches umweltspezifische Einflussfaktoren berücksichtigt, um eine präzise Prognose der Restlebensdauer einer Batterie zu treffen.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich einer korrespondierenden elektronischen Schaltungsanordnung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Insbesondere sei darauf verwiesen, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren über ein Softwareprogrammprodukt ausüben lässt.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass als weiterer Parameter zumindest der zeitliche Verlauf der Batterietemperatur in die Extrapolation mit einbezogen wird, um unter Berücksichtigung des zyklischen Verlaufs aller Parameter eine präzise Prognose der Restlebensdauer der Batterie zu treffen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Batterietemperatur über beispielsweise ein Jahr und der Ladungsverlauf zyklischen Schwankungen unterliegt, die beispielsweise auch täglich aufgrund des Umgebungstemperaturverlaufs zwischen Tag und Nacht stattfinden.
Je mehr weitere solcher Parameter und Einflussfaktoren berücksichtigt werden, desto akkurater kann die Restlebensdauer der Batterie prognostiziert werden. So wird gemäß einer die erfindungsgemäße Lösung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, dass bei der Kalkulation der Restlebensdauer der Batterie auch der Batterietyp als spezielle Batterieeigenschaft berücksichtigt wird. So haben beispielsweise Kohle-Zink-Batterien ein anderes Entladeverhalten als Alkali-Mangan-Batterien, Zink-Luft-Batterien und dergleichen.
Die Erkennung des in das elektronische Gerät eingesetzten Batterietyps kann dabei durch eine entsprechende manuelle Parametervorgabe des Nutzers im Zuge der Batteriemontage in das elektronische Gerät erfolgen. Es ist jedoch auch denkbar, dass das elektronische Gerät automatische Batterietyp-Detektionsmittel nutzt, um den eingesetzten Batterietyp selbsttätig zu erkennen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass zur Verbesserung der Restlebensdauerprognose im Anfangsstadium der Lebensdauer der Batterie zusätzlich vorgegebene Parameter über die erfahrungsgemäß geschätzte durchschnittliche Batterietemperatur sowie Batterieleistung hinzugezogen werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, optional auch die Lebensdauerdaten der vorausgegangenen Batterien zur Restlebensdauerprognose der aktuell eingesetzten Batterie zu verwerten. Diese liegen durch die Speicherung der historischen Daten der vorausgegangenen Batterien im elektronischen Gerät bereits vor, und lassen sich daher mit geringem Aufwand zu diesem Zweck weiter nutzen.
Speziell im Endstadium der Lebensdauer der Batterie, das vorzugsweise unterhalb von 10% Batteriekapazität beginnt, kann eine Spannungsmessung genutzt werden, um die bisherigen Prognosen fortlaufend zu aktualisieren. Ferner ist es auch möglich, Phasen einer Batterieüberhitzung und/oder Überlastphasen der Batteriebeanspruchung zu detektieren, welche in der Regel zu einer außergewöhnlichen Verkürzung der Batterielebensdauer führen, um diese außergewöhnlichen Ereignisse mit in die Prognose der Restlebensdauer einzubeziehen. Eine Batterieüberhitzung liegt beispielsweise dann vor, wenn die Batterietemperatur über einen festgelegten Maximalwert ansteigt und eine Überbelastung liegt dann vor, wenn ein maximal festgelegter Stromfluss überschritten wird.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer elektrischen Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Batterie in einer ersten Ausführungsform, und
2 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer elektronischen Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Batterie in einer zweiten Ausführungsform.
Gemäß 1 ist die elektronische Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Batterie 1 direkt in das batteriebetriebene elektronische Gerät 2, ein Feldgerät einer automatisierungstechnischen Anlage, integriert. Die Schaltungsanordnung umfasst weiterhin eine Speichereinheit 3 zur Abspeicherung des zeitlichen Verlaufs der Batteriespannung BV sowie des zeitlichen Verlaufs des Batteriestroms BI. Die aktuelle Batteriespannung BV wird zur Erkennung des Batterielebensendes von einer Spannungsüberwachungseinrichtung 4 überwacht. Eine nachgeschaltete Recheneinheit 5 enthält einen Softwarealgorithmus zur Kalkulation der Restlebensdauer der Batterie 1 anhand der aufgezeichneten Parameter.
Als zusätzlicher Parameter verarbeitet die Recheneinheit 5 auch den zeitlichen Verlauf der Batterietemperatur Bt um diesen in die Prognose mit einzubeziehen. Hierdurch ist es insbesondere möglich, zeitliche (Temperatur-)Belastungsschwankungen der Batterie 2 mit in die Extrapolation der Lebensdauer der Batterie 2 mit einzubeziehen.
Außerdem geht in die Kalkulation der Restlebensdauer der Batterie 2 auch der. Batterietyp BT, beispielsweise Zink-Säure-Batterie, sowie zusätzliche Parameter über erfahrungsgemäß geschätzte durchschnittliche Batterietemperaturen Btm sowie Batterieleistung BE in die Kalkulation mit ein.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die die historischen Daten enthaltende Speichereinheit 3 sowie die Recheneinheit 5 seitens einer übergeordneten Steuereinheit 6 der automatisierungstechnischen Anlage angeordnet. Das mit der Batterie 2 versehene elektronische Gerät 1' ist ortsfern hiervon platziert und die Kommunikation erfolgt über einen Datenbus 7. Hierbei werden die kalkulationsbestimmenden Daten vom elektronischen Gerät 1' an die übergeordnete Steuereinheit 6 gesendet und die übergeordnete Steuereinheit 6 kann die prognostizierte Lebensdauer der Batterie an das elektronische Gerät 1' rückübertragen, um diese auch dort lokal zur Anzeige zu bringen.
Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen beiden bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es ist auch denkbar, dass außer elektronischen Feldgeräten auch andere elektronische Geräte, wie Mobilfunktelefone und dergleichen, mit der hier beschriebenen Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer der Batterie ausgestattet sind.
Bezugszeichenliste

1: Elektronisches Gerät
2: Batterie
3: Speichereinheit
4: Spannungsüberwachungseinheit
5: Recheneinheit
6: Übergeordnete Steuereinheit
7: Datenbus
B_V: Batteriespannung
B_I: Batteriestrom
B_T: Batterietyp
B_t: Batterietemperatur
B_tm: durchschnittliche Batterietemperatur (Erfahrungswert)
B_E: durchschnittliche Batterieleistung (Erfahrungswert)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2005/103851 A1 [0005]
DE 102008037193 A1 [0009]
DE 102008038415 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Batterie (2) für batteriebetriebene elektronische Geräte (1), bei welchem der zeitliche Verlauf der Batteriespannung (BV) und/oder der zeitliche Verlauf des Batteriestrom (BI) ab Inbetriebnahme der Batterie (2) erfasst und abgespeichert werden, woraus die wahrscheinliche Restlebensdauer der Batterie (2) unter Berücksichtigung spezifischer Batterieeigenschaften extrapoliert wird, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer Parameter zumindest der zeitliche Verlauf der Batterietemperatur (Bt) in die Extrapolation mit einbezogen wird, um durch Berücksichtigung des zyklischen Verlaufs aller Parameter eine präzise Prognose der Restlebensdauer der Batterie (2) zu treffen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Kalkulation der Restlebensdauer der Batterie (2) auch der Batterietyp (BT) als spezifische Batterieeigenschaft mit berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung des Batterietyps (BT) durch entsprechende manuelle Parametervorgabe des Nutzers im Zuge der Batteriemontage in das elektronische Gerät erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung des Batterietyps (BT) selbständig durch elektronische Batterietyp-Detektionsmittel im Zuge der Batteriemontage in das elektronische Gerät erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Restlebensdauerprognose im Anfangsstadium der Lebensdauer der Batterie (2) zusätzlich vorgegebene Parameter über die erfahrungsgemäß geschätzte durchschnittliche Batterietemperatur (Btm) sowie Batterieleistung (BE) hinzugezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Restlebensdauerprognose der aktuellen Batterie (2) die Lebensdauerdaten der vorausgegangenen Batterie hinzugezogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Restlebensdauerprognose im Endstadium der Lebensdauer der Batterie (2) von unterhalb 10% Batteriekapazität eine Spannungsmessung genutzt wird, um die bisherige Prognose zu präzisieren.
Elektronische Schaltungsanordnung zur Bestimmung der Restlebensdauer einer Batterie (1) für batteriebetriebene elektronische Geräte (2), die mit einem Verfahren gemäß der vorgenannten Ansprüche betreibbar ist, wozu mindestens eine Speichereinheit (3) zur Abspeicherung des zeitlichen Verlaufs der Batteriespannung (BV) und/oder des zeitlichen Verlaufs des Batteriestroms (BI) ab Inbetriebnahme der Batterie (2) vorgesehen ist, woraus eine Recheneinheit (5) die wahrscheinliche Restlebensdauer der Batterie (2) unter Berücksichtigung spezifischer Batterieeigenschaften extrapoliert, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (5) als weiteren Parameter zumindest den zeitlichen Verlauf der Batterietemperatur (Bt) in die Extrapolation mit einbezieht, um durch Berücksichtigung des zyklischen Verlaufs der Parameter eine präzise Prognose der Restlebensdauer der Batterie (2) zu treffen.
Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die historischen Daten enthaltende Speichereinheit (3) sowie die Recheneinheit (5) zur Kalkulation der Restlebensdauer der Batterie (2) ortsfern zu dem mit der Batterie (2) versehenden Gerät (1') angeordnet sind.
Elektronische Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (5) mit Mitteln zur Detektion einer Batterieüberhitzung und/oder Mitteln zur Detektion einer Überlast ausgestattet ist.
Computerprogrammprodukt für eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 welche nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 betreibbar ist, wobei die Routine zur Kalkulation der Restlebensdauer der Batterie (2) durch entsprechende in einer Software hinterlegte Steuerungsbefehle umgesetzt ist.
Datenträger mit einem Computerprogrammprodukt nach Anspruch 11.