DE102021101816A1

DE102021101816A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie für batteriebetriebene elektronische Geräte

Info

Publication number: DE102021101816A1
Application number: DE102021101816.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Staiger; Dominik Fehrenbach; Patrick Moser; Benedikt Bau; Yves Riehle
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2021-01-27
Publication date: 2022-07-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie (11) für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät (12), bei dem die Batterie (11) mit einer vorbekannten Anfangskapazität geladen zur elektrischen Versorgung des elektronischen Geräts (12) bereitgestellt wird und ausgehend von der vorbekannten Anfangskapazität während eines bis zur Entladung der Batterie (11) dauernden Betriebszyklus (Δt) des Geräts (12) die Restkapazität der Batterie (11) zu einem gegebenen Zeitpunkt (t) innerhalb des Betriebszyklus (Δt) als Prognosewert (f(t)) einer vorbestimmten, zeitabhängigen Prognosefunktion (f) bestimmt wird, die innerhalb des Betriebszyklus (Δt) einen nichtlinearen Verlauf mit betragsmäßig abnehmender Steigung aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (10) zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie (11) für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät (12).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät.
Für einen rechtzeitigen Wechsel einer sich ihrem Entladezustand nähernden Batterie, die ein batteriebetriebenes Gerät, zum Beispiel einen autarken Sensor, elektrisch versorgt, ist es erforderlich, während des Gerätebetriebs Kenntnis über den aktuellen Ladezustand der Batterie, das heißt, über die in der Batterie noch verbleibende Restkapazität, zu erhalten. Es ist allgemein bekannt, die Batterie oder mehrere die Batterie bildende Batteriezellen ständig elektrisch zu überwachen, um auf den aktuellen Ladezustand zu schließen.
Zum Beispiel können kontinuierlich die der Batterie entnommene Energiemenge (z. B. Strom) aufgezeichnet und über die Betriebszeit integriert werden (z. B. mittels Coulomb-Meter), um ausgehend von einer vorbekannten Anfangskapazität (Ausgangsladekapazität) die in der Batterie noch verbleibende Restkapazität zu bestimmen. Allerdings benötigt die Messung selbst einen großen Strom, was eine mögliche autarke Betriebsdauer verkürzt. Zudem wird die Bestimmung bei langen Laufzeiten immer ungenauer, da in solchen Fällen auch kleine Entnahmeströme zur Entladung der Batterie beitragen, diese jedoch nicht hinreichend genau gemessen werden können.
Bei autarken Anwendungen ergibt sich zusätzlich das Problem, dass sich das autark betriebene Gerät gewöhnlich die meiste Zeit in einem Standby-Modus befindet, um den Energieverbrauch zu senken. Im Standby-Modus ist der Energieverbrauch jedoch durch Leckströme, Selbstentladung und Temperatureinflüsse signifikant beeinflusst. Dieser Energieverbrauch ist mit einem typischen Coulomb-Meter nicht detektierbar. Das hat zu Folge, dass bei autark betriebenen Geräten eine gewissen „Unschärfe“ bei der Ermittlung der verbrauchten Energie entsteht. Als Folge wird die Batterie entweder häufig zu früh oder auch zu spät gewechselt.
Eine andere bekannte Möglichkeit besteht darin, die Restkapazität der Batterie durch Messen der Batterie- bzw. Zellenspannung zu ermitteln. Diese Methode lässt sich jedoch beispielsweise bei Lithium-Akkus nur schwer und bei Lithium-Batterien nicht durchführen.
Es ist wünschenswert, einen Batteriewechsel vor einem Betriebsausfall des batteriegespeisten Geräts zu gewährleisten, wobei jedoch die Gesamtladekapazität der Batterie möglichst weitgehend ausgeschöpft werden soll. Der Wechsel soll also auch nicht zu früh erfolgen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für eine möglichst präzise Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät bereitzustellen, so dass ein rechtzeitiger Batteriewechsel vor einem Ausfall des von der Batterie gespeisten Geräts gewährleistet werden kann und gleichzeitig die von der Batterie bereitgestellte Ladekapazität bestmöglich ausgeschöpft werden kann. Sie sollen zudem einfach und kostengünstig realisierbar sein sowie auch mit unterschiedlichen Batterietypen zuverlässig verwendbar sein. Außerdem sollen sie stromsparend durchführbar bzw. betreibbar sein, um einen möglichst langen, autarken Betrieb des batteriegespeisten Geräts zu ermöglichen. Es sollen folglich eine Betriebsdauer des von der Batterie autark versorgten elektrischen Geräts maximiert und zugleich ein rechtzeitiger Austausch der Batterie durchgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass ein hierin verwendetes, zwischen zwei Merkmalen stehendes und diese miteinander verknüpfendes „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Ebenfalls soll der Begriff „etwa“ hierin einen Toleranzbereich angeben, den der auf dem vorliegenden Gebiet tätige Fachmann als üblich ansieht. Insbesondere ist unter dem Begriff „etwa“ ein Toleranzbereich der bezogenen Größe von bis maximal +/-20 %, bevorzugt bis maximal +/-10 % zu verstehen.
Außerdem sind Sinne der vorliegenden Erfindung hierin nachstehend verwendete relative Begriffe bezüglich eines Merkmals, zum Beispiel „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ und dergleichen, stets so auszulegen, dass herstellungs- und/oder durchführungsbedingte Größenabweichungen des betreffenden Merkmals, die innerhalb der für die jeweilige Fertigung bzw. Durchführung des betreffenden Merkmals definierten Fertigungs-/Durchführungstoleranzen liegen, nicht von dem jeweiligen relativen Begriff erfasst sind. Mit anderen Worten ist gemäß dieser hierin geltenden Definition eine Größe eines Merkmals erst dann als im Sinne der vorliegenden Erfindung „größer“, „kleiner“, „höher“, „niedriger“ und dergleichen anzusehen als eine Größe eines Vergleichsmerkmals, wenn sich die beiden verglichenen Größen in ihrem Wert so deutlich voneinander unterscheiden, dass dieser Größenunterschied sicher nicht in den fertigungs-/durchführungsbedingten Toleranzbereich des betreffenden Merkmals fällt, sondern das Ergebnis zielgerichteten Handelns ist.
Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren zur Bestimmung einer Restkapazität (d. h. Restladekapazität) einer Batterie für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät, beispielsweise autark zu betreibende Messsensoren, Funkmodule, elektronische Steuervorrichtungen und dergleichen, die Batterie mit einer vorbekannten Anfangskapazität geladen (= Ausgangsladezustand) zur elektrischen Versorgung des elektronischen Geräts bereitgestellt. Weiter wird ausgehend von der vorbekannten Anfangskapazität der bereitgestellten Batterie während eines bis zur Entladung der Batterie dauernden Betriebszyklus des Geräts die Restkapazität der Batterie zu einem gegebenen Zeitpunkt innerhalb des Betriebszyklus als Prognosewert einer vorbestimmten, zeitabhängigen Prognosefunktion bestimmt. Erfindungsgemäß weist die Prognosefunktion hierbei innerhalb des Betriebszyklus einen nichtlinearen Verlauf mit betragsmäßig abnehmender Steigung auf.
Es sei angemerkt, dass das von der Batterie elektrisch versorgte Gerät während des Betriebszyklus, das heißt nach dem Bereitstellen der Batterie mit bekanntem Ausgangsladezustand und bis zum Erreichen des Batterieentladezustands, nicht ununterbrochen einen aktiven Betrieb durchführen muss. Das Gerät kann während des Betriebszyklus insbesondere zwischen aktiven Betriebsphasen, in denen das Gerät eine bestimmungsgemäße Funktion ausführt (z. B. eine als Sensor zu überwachende Prozessgröße ermittelt), und inaktiven Betriebsphasen, zum Beispiel einem Energiespar- bzw. Stand-by-Modus, wechseln. Dies ist bei über einen gewissen, möglichst langen Zeitraum autark zu betreibenden Geräten, wie zum Beispiel Sensoren, besonders vorteilhaft.
Die Batterie kann bevorzugt eine oder mehrere Primärzellen aufweisen, das heißt eine nicht wiederaufladbare galvanische Zelle, die gewöhnlich nur einmal entladen und nicht wieder aufgeladen werden kann, z. B. eine Lithiumzellen, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Sekundärzellen (auch als Akkumulatoren bezeichnet), das heißt Zellen, die weitgehend in einen Ladezustand ähnlich ihrem Neuzustand gebracht werden können, so dass eine mehrfache Umwandlung von chemischer in elektrische Energie und umgekehrt möglich ist, sind ebenfalls verwendbar.
Die Batterie kann auswechselbar mit dem Gerät verbunden sein oder fest in diesem verbaut sein. Es kann/können eine oder mehrere Batterien zur Versorgung des Geräts vorgesehen sein. Das heißt, trotz des hierin gewöhnlich verwendeten Singulars „Batterie“ sollen gleichermaßen auch mehrere Batterien oder aus mehreren Batteriezellen gebildete Batterien umfasst sein.
Als Entladezustand der Batterie ist ein Zustand zu verstehen, in welchem die Batterie einen störungsfreien Betrieb des Geräts nicht mehr gewährleisten kann. Spätestens bei Erreichen dieses Zustands muss die Batterie (oder das gesamte Gerät im Fall einer fest mit dem Gerät verbauten Batterie) ausgetauscht werden, um den bestimmungsgemäßen Betrieb des Geräts bzw. die Anwendung fortzusetzen.
Es sei erwähnt, dass die Anfangskapazität der Batterie gewöhnlich im Wesentlichen etwa 100 % des maximalen Batterieladezustands betragen kann. Die Erfindung ist jedoch nicht zwingend hierauf beschränkt. Sofern der Ausgangsladezustand der bereitgestellten Batterie zu Beginn des Betriebszyklus bekannt ist, kann der Betriebszyklus auch mit einem Ladezustand der Batterie kleiner als 100 %, zum Beispiel etwa 90 % oder etwa 80 % oder noch weniger, starten, wobei jedoch der Anfangsladezustand der Batterie zum Startzeitpunkt des Betriebszyklus bevorzugt nicht kleiner als etwa 50 % beträgt. Aber auch hierauf ist die Erfindung nicht zwingend beschränkt. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet in jedem Fall den tatsächlichen, vorbekannten Ausgangsladezustand der Batterie zum Startzeitpunkt des Betriebszyklus.
Da die Prognosefunktion im Sinne der Erfindung als zeitabhängige Funktion vorherbestimmt ist, müssen während des gesamten Betriebszyklus keinerlei weitere physikalische Größen, zum Beispiel ein der Batterie entnommener elektrischer Strom oder eine von der Batterie bereitgestellte elektrische Spannung, gemessen/ermittelt werden, um die Prognosewerte zu bestimmten Zeitpunkten innerhalb des Betriebszyklus zu erhalten, wodurch das Verfahren gemäß der Erfindung erheblich in seiner Durchführung sowie seiner Realisierung vereinfacht ist. Es reicht völlig aus, lediglich die verstrichene Zeit/Betriebszeit während des Betriebszyklus zu erfassen und diese als Funktionsargument bzw. Variable für die vorherbestimmte Prognosefunktion zur Ermittlung des augenblicklichen Prognosewerts zu verwenden. Jedoch ist die Erfindung nicht zwingend hierauf beschränkt, so dass zusätzlich zur verstrichenen Zeit innerhalb des Betriebszyklus durchaus auch andere Prozessgrößen, insbesondere physikalische Größen wie Strom und/oder Spannung, messtechnisch erfasst und bei der Bestimmung der Prognosewerte optional mitberücksichtigt werden können.
Die Prognosefunktion kann auf einer während des Betriebszyklus zu erwartenden durchschnittlichen, maximalen oder minimalen Strom-, Leistungs- bzw. Energieaufnahme durch das von der Batterie gespeiste Gerät basieren. Die Annahme einer maximalen Energieaufnahme innerhalb des gesamten Betriebszyklus wird hierin auch als Worst-Case-Verbrauch bezeichnet. Die durchschnittliche, maximale und minimale Energieaufnahme des durch die Batterie versorgten Geräts kann vorab einmalig rechnerisch und/oder messtechnisch bestimmt werden. Durchschnittliche Leistungsgrößen können anhand typischer Betriebsbedingungen und/oder Betriebsanforderungen ebenfalls vorab ermittelt werden.
Die Prognosefunktion weist gemäß der Erfindung innerhalb des Betriebszyklus einen nichtlinearen Verlauf auf, das heißt, bezogen auf den gesamten Betriebszyklus besteht keine durchgehende Proportionalität zwischen der Eingangsgröße (Zeit) und der Ausgangsgröße (Prognosewert). Es ist zu verstehen, dass diese Forderung einen abschnittsweisen linearen Verlauf der Prognosefunktion innerhalb des Betriebszyklus nicht ausschließt, solange die Prognosefunktion über den gesamten Betriebszyklus keine einzige Gerade darstellt.
Ferner nimmt die Steigung der Prognosefunktion betragsmäßig während des Betriebszyklus gemäß der Erfindung ab, das heißt, die Prognosefunktion flacht innerhalb des Betriebszyklus zumindest abschnittsweise ab. Besonders bevorzugt flacht die Prognosefunktion ausgehend von einer Anfangssteigung zu Beginn des Betriebszyklus mit zunehmend verstrichener Betriebszeit ab, wobei dies nicht kontinuierlich oder stetig erfolgen muss (aber kann), sondern auch sprungweise erfolgen kann. So kann die Prognosefunktion beispielsweise zum Startzeitpunkt des Betriebszyklus betragsmäßig eine größere Steigung aufweisen als am Ende desselben Betriebszyklus.
Insbesondere kann hierdurch erreicht werden, dass eine während der Anfangsphase des Betriebszyklus voreilend vorherbestimmte Prognose der Batterierestkapazität, das heißt eine Prognose, die bewusst die Bestimmung einer geringeren als die tatsächliche Restkapazität der Batterie in Kauf nimmt, in einer späteren Phase des Betriebszyklus korrigiert wird, indem während dieser späteren Betriebsphase eine konservativere Prognose der Restkapazität vorherbestimmt wird, bei welcher eine geringere Energieentnahme durch das batteriegespeiste Gerät vorherbestimmt wird als tatsächlich zu erwarten ist. Dies führt vorteilhaft dazu, dass die anfänglich voreilende Prognose in einem späteren Betriebsabschnitt wieder zumindest teilweise korrigiert wird.
Diese Eigenschaft lässt sich beispielsweise vorteilhaft nutzen, indem einem Nutzer des batteriegespeisten Geräts die prognostizierte Restkapazität der Batterie signalisiert (z. B. optisch angezeigt und/oder per Datenfernübertragen mitgeteilt) wird, wobei der Nutzer bei einer geringen Restkapazität der Batterie (z. B. bei Erreichen von etwa 10 %) für einen bevorstehenden Batteriewechsel sensibilisiert wird und infolge der zuerst gewählten voreilenden und sich im späteren Betriebsverlauf abflachenden, konservativeren Prognosekurve dennoch eine gewisse, für den Batterie-/Gerätewechsel ausreichende Restbetriebslaufzeit verbleibt und garantiert werden kann.
Die Erfindung ermöglicht ganz ohne aufwändige und/oder stromintensive Messung, wie beispielsweise bei der herkömmlichen, kontinuierlichen Stromintegration der der Batterie während des Betriebs des Geräts entnommenen Ladungsmenge (Coulomb-Meter), die Restkapazität der Batterie durch eine nichtlineare Prognose zu bestimmen, die dazu führt, dass ein rechtzeitiger Batteriewechsel vor einem Ausfall des von der Batterie gespeisten Geräts gewährleistet werden kann und gleichzeitig die von der Batterie zu Beginn des Betriebszyklus bereitgestellte Gesamtkapazität bestmöglich (d. h. nahezu vollständig) ausgeschöpft werden kann.
Obwohl die Prognosewerte innerhalb des Betriebszyklus zu konkreten Zeitpunkten verhältnismäßig deutlich von der tatsächlichen Restkapazität der Batterie abweichen können, wird die Restkapazität auf den gesamten Betriebszyklus gesehen in Bezug auf den rechtzeitigen, aber nicht zu frühen Batterie-/Gerätewechsel zuverlässig und präzise bestimmt. Das Verfahren kann in besonders einfacher Weise an konkrete Eigenschaften unterschiedlicher Batterietypen und/oder an unterschiedliche elektrische Leistungs- und Betriebsanforderungen zu versorgender Geräte durch einmalige Festlegung der die spezifischen Betriebsbedingungen berücksichtigenden Prognosefunktion angepasst und festgelegt werden. Somit lässt sich das Verfahren einfach und kostengünstig realisieren und an ganz unterschiedliche Anforderungen ohne großen Aufwand anpassen. Das Verfahren ist zudem strom- und ressourcensparend durchführbar, da grundsätzlich lediglich eine einfache mathematische Berechnung durch die Prognosefunktion in Abhängigkeit von der innerhalb des Betriebszyklus verstrichenen Betriebszeit erfolgen muss. Diese kann beispielsweise von einer einfachen elektronischen Rechen- und Speichereinheit, z. B. Mikrocontroller, Mikroprozessor und dergleichen, durchgeführt werden.
Die Erfindung ermöglicht insgesamt einen langen, autarken Betrieb des batteriegespeisten Geräts, beispielsweise eines Sensors zur Bestimmung einer Prozessgröße wie beispielsweise eines Füllstands, Grenzstands, Viskosität, Dichte, Drucks und dergleichen eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums. Folglich werden eine Betriebsdauer des von der Batterie autark versorgten elektrischen Geräts maximiert und zugleich ein rechtzeitiger, jedoch nicht unnötig verfrühter Austausch der Batterie bzw. des Geräts bei Erreichen eines (vorbestimmten) geringen Restkapazitätsniveaus ohne Betriebsunterbrechung ermöglicht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Prognosefunktion als ausschließlich von der Zeit abhängige Funktion vorherbestimmt. Mit anderen Worten werden bei dieser Ausführung während des laufenden Betriebszyklus keinerlei physikalische Messungen (z. B. eines der Batterie entnommenen/vom Gerät aufgenommenen elektrischen Stroms, einer elektrischen Betriebsspannung u. dgl.) an dem aus der Batterie und dem versorgten Gerät gebildeten System für die Bestimmung der Batterierestkapazität vorgenommen bzw. herangezogen. Die prognostizierte Restkapazität der Batterie wird ausschließlich anhand der während des laufenden Betriebszyklus verstrichenen Zeit bestimmt. Die Prognosefunktion weist dementsprechend als einzige Funktionsvariable die Zeit auf. Die Prognosefunktion ist in diesem Fall eine statische Funktion, deren Verlauf über den und während des gesamten Betriebszyklus unveränderlich vorgegeben ist. Das Verfahren lässt sich auf diese Weise besonders einfach realisieren und durchführen. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung kann damit zudem einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau aufweisen.
Die lediglich von der Zeit abhängige Prognosefunktion kann zum Beispiel auf einer während eines Betriebszyklus zu erwartenden (vorab bestimmten) durchschnittlichen und/oder maximalen und/oder minimalen Strom-, Leistungs- bzw. Energieaufnahme des von der Batterie gespeisten Geräts beruhen. Mit zunehmender Betriebszeit innerhalb desselben Betriebszyklus kann der Verlauf der Prognosefunktion beispielsweise anfänglich von einer maximal zu erwartenden Energieaufnahme durch das batteriegespeiste Gerät über eine durchschnittlich zu erwartende Energieaufnahme und ggfs. bis hin zu einer minimal zu erwartenden Energieaufnahme durch das Gerät vorab festgelegt werden, so dass die Eigenschaft der Nichtlinearität mit betragsmäßig sich verringernder Steigung im Betriebszyklus erfüllt ist.
Es ist zu verstehen, dass weitere Kombinationen als die vorstehend beispielhaft dargestellte denkbar sind und von der Erfindung als ebenso vollständig umfasst anzusehen sind. Die durchschnittlichen, maximalen und/oder minimalen Strom-, Leistungs- bzw. Energieaufnahmegrößen können zum Beispiel einmalig vorab anhand typischer Betriebsbedingungen und/oder Betriebsanforderungen rechnerisch und/oder messtechnisch ermittelt werden und bei allen späteren Betriebszyklen desselben Anwendungsfalls verwendet werden.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Prognosefunktion mittels wenigstens eines Zustandsparameters parametriert, der während des Betriebszyklus an eine tatsächliche, dem Zustandsparameter zugrundeliegende Zustandsgröße angepasst wird. Auf diese Weise kann die Prognosefunktion während des Betriebszyklus zusätzlich dynamisch an sich ändernde Betriebsbedingungen, zum Beispiel eine Umgebungs-/Betriebstemperatur, angepasst werden, um die Prognose der Batterierestkapazität weiter zu präzisieren. Der Zustandsparameter kann beispielsweise lediglich ein multiplikativer oder additiver Faktor sein, der durch die Prognosefunktion auf die Prognosewerte angewendet wird.
Als besonders bevorzugt wird eine Temperatur, insbesondere eine Umgebungs-/Betriebstemperatur der Batterie, als die dem Zustandsparameter zugrundeliegende Zustandsgröße gewählt. Die Temperatur kann mittels eines Temperatursensors zu vorbestimmten Zeitpunkten während des Betriebszyklus erfasst werden. Die Prognosefunktion kann dann während des laufenden Betriebszyklus dynamisch angepasst werden.
Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Prognosefunktion eine während des Betriebszyklus monoton, insbesondere streng monoton, fallende Funktion ist. Für die Prognosewerte einer monoton fallenden Prognosefunktion gilt, dass ein Prognosewert zu einem bestimmten Zeitpunkt stets kleiner oder gleich ist als ein Prognosewert zu einem früheren Zeitpunkt. Die Prognosefunktion kann dementsprechend teils horizontal und teils fallend verlaufen.
Für die Prognosewerte einer streng monoton fallenden Prognosefunktion gilt, dass ein Prognosewert zu einem bestimmten Zeitpunkt stets kleiner ist als ein Prognosewert zu einem früheren Zeitpunkt. Die Prognosefunktion fällt dementsprechend während des Betriebszyklus durchgehend und verläuft niemals horizontal oder gar steigend.
Die Vorherbestimmung einer monoton bzw. streng monoton fallenden Prognosefunktion mit einem im Sinne der Erfindung zeitlichen Verlauf der Prognosewerte, das heißt mit einem nichtlinearen Verlauf und betragsmäßig abnehmender Steigung, lässt sich ohne großen Aufwand für unterschiedlichste Anwendungsfälle durchführen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstands wird die Prognosefunktion derart vorherbestimmt, dass der Prognosewert an einem tatsächlichen Entladezeitpunkt der Batterie, das heißt, wenn die Batterie so weit entladen ist, dass der Betrieb des batteriegespeisten Geräts nicht mehr aufrechterhalten werden kann, größer null ist. Hierdurch wird die Wahrscheinlichkeit eines verfrühten Wechsels der Batterie/des Geräts reduziert, da die Restkapazität zumindest am Ende des Betriebszyklus (bevorzugt lediglich geringfügig) höher prognostiziert wird als die tatsächlich in der Batterie noch vorhandene Kapazität. Die Prognosefunktion kann so festgelegt werden, dass die Differenz zwischen dem Prognosewert und dem tatsächlichen Wert am Ende des Betriebszyklus höchstens etwa 5 % beträgt oder noch bevorzugter höchstens etwa 1-3 %.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Prognosefunktion als eine innerhalb des Betriebszyklus stückweise lineare Funktion mit wenigstens einem linearen Abschnitt vorherbestimmt. Weist die Prognosefunktion lediglich einen linearen Abschnitt im Betriebszyklus auf, weist der Rest der Prognosefunktion innerhalb des Betriebszyklus einen nichtlinearen Verlauf auf. Weist Die Prognosefunktion hingegen mehrere lineare Abschnitte auf, können diese unterschiedliche Steigungen innerhalb des Betriebszyklus aufweisen, so dass die Prognosefunktion auf den gesamten Betriebszyklus gesehen einen nichtlinearen Verlauf aufweist. Eine stückweise Linearisierung der Prognosefunktion bzw. eine Aneinanderreihung stückweise linearer Abschnitte mit unterschiedlicher Steigung ermöglicht auf einfache Weise, eine für den jeweiligen konkreten Anwendungsfall geeignete Prognosefunktion vorherzubestimmen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Prognosefunktion als eine Logarithmusfunktion vorherbestimmt. Die Logarithmusfunktion bietet ebenfalls die Möglichkeit einer guten Vorherbestimmbarkeit an jeweilige Betriebsbedingungen bzw. Betriebsanforderungen.
Andere Funktionen als die Logarithmusfunktion sind ebenfalls denkbar. Beispielsweise kann eine Hyperbelfunktion ebenfalls vorteilhaft als die Prognosefunktion vorherbestimmt werden.
Es ist zu verstehen, dass auch beliebige Kombinationen beispielsweise einer stückweisen Logarithmusfunktion, stückweisen Hyperbelfunktion, stückweisen linearen Funktion und dergleichen als Prognosefunktion bestimmbar sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands weist die Steigung der Prognosefunktion innerhalb des Betriebszyklus abschnittsweise einen Wert auf, der betragsmäßig wenigstens einer maximal möglichen Stromentnahme durch das Gerät pro Zeiteinheit entspricht oder größer ist. Wie bereits an anderer Stelle erwähnt wurde, entspricht eine maximal angenommene Strom- bzw. Energieaufnahme durch das batteriegespeiste Gerät einem Worst-Case-Verbrauch innerhalb des Betriebszyklus. So können die Prognosewerte beispielsweise insbesondere zu Beginn des Betriebszyklus anhand des Worst-Case-Verbrauchs bestimmt werden (voreilende Prognose). Die Prognosewerte sind damit während dieser Betriebsphase stets geringer als die tatsächliche Restkapazität der Batterie, insbesondere in dem Fall, in dem das Gerät nicht die maximale Leistung während des Betriebszyklus aufnimmt. In der gewählten Steigung der Prognosefunktion kann auch eine Selbstentladung der Batterie während des Betriebszyklus berücksichtigt werden, das heißt die Steigung der Prognosefunktion kann auch größer gewählt werden als die zu erwartende maximale Energieaufnahme durch das Gerät an sich.
Am Ende des Betriebszyklus kann die Prognosefunktion von dem Worst-Case-Verbrauch auf ein signifikant konservativeres Verbrauchsszenario wechseln, um die Prognosewerte in dieser Betriebsphase wieder der tatsächlichen Batterierestkapazität anzunähern.
Nach einer noch weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird, wenn der Prognosewert einen vorherbestimmten Restkapazitätsschwellenwert erreicht, eine Warnung über eine niedrige Restkapazität der Batterie signalisiert, wobei der Restkapazitätsschwellenwert größer oder gleich 5 % und kleiner 50 % der Anfangskapazität der Batterie gewählt wird, insbesondere größer oder gleich 5 % und kleiner oder gleich 30 % der Anfangskapazität der Batterie. Besonders bevorzugt liegt der Schwellenwert zwischen etwa 5 % und 10 % der Batterieausgangsladekapazität. Die Steigung der Prognosefunktion ist hierbei nach Unterschreiten des Restkapazitätsschwellenwerts betragsmäßig kleiner als vor dem Unterschreiten des Restkapazitätsschwellenwerts.
Diese Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einer Batteriesignalisierung/Batterieanzeige für autark betriebene Geräte, die einen Nutzer während des Betriebszyklus über die Restkapazität der Batterie informiert (z. B. optisch, akustisch, per Datenfernübertragung u. dgl.), wobei der Nutzer bei Unterschreiten des Restkapazitätsschwellenwerts auf einen anstehenden Batterie-/Gerätewechsel deutlich hingewiesen und sensibilisiert wird, wobei dennoch eine ausreichend lange Restbetriebsdauer gewährleistet werden kann, um den Wechsel bei möglichst vollständiger Ausnutzung der Batteriekapazität durchführen zu können.
Dementsprechend sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass die bestimmte Restkapazität der Batterie während des Betriebszyklus mittels einer Signalisierungsvorrichtung signalisiert wird. Wie bereits erwähnt, kann die Signalisierungsvorrichtung zum Beispiel durch optische Leuchtmittel (z. B. LEDs, Display etc.) realisiert sein. Die Signalisierungsvorrichtung kann alternativ oder zusätzlich auch durch eine Datenfernübertragungseinrichtung realisiert sein, die die Prognosewerte und/oder das Unterschreiten des Restkapazitätsschwellenwerts an eine entfernte Datenverarbeitungseinrichtung (z. B. Messstand) überträgt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Restkapazität (d. h. Restladekapazität) einer Batterie für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät, beispielsweise autark zu betreibende Messsensoren, Funkmodule, elektronische Steuervorrichtungen und dergleichen, eine elektronische Rechen- und Speichereinheit, z. B. Mikrocontroller, Mikroprozessor etc., auf, wobei die Rechen- und Speichereinheit eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der hierin offenbarten Ausgestaltungen auszuführen. In der Speichereinheit, z. B. ROM-, RAM-, Flash-Speicher und dergleichen, kann die vorbestimmte Prognosefunktion gespeichert sein. Ein Zeitgeber zur Ermittlung der während des laufenden Betriebszyklus verstrichenen Betriebszeit kann von der Recheneinheit bereitgestellt sein und als Funktionsvariable der Prognosefunktion zur rechnerischen Ermittlung der Prognosewerte zu gegebenen Zeitpunkten verwendet werden.
Es sei angemerkt, dass bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarungen sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile bezüglich der hierin offenbarten erfindungsgemäßen Vorrichtung Bezug genommen werden kann und umgekehrt. Mit anderen Worten sollen Offenbarungen hierin bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung in sinngemäßer Weise ebenso zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenfalls sollen Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in sinngemäßer Weise zur Definition der erfindungsgemäßen Vorrichtung herangezogen werden können, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern kann auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile der hierin offenbarten erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des hierin offenbarten erfindungsgemäßen Verfahrens zugunsten einer kompakten Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht eine mit der Rechen- und Speichereinheit gekoppelte Signalisierungsvorrichtung vor, mittels welcher die Restkapazität der Batterie signalisierbar ist, zum Beispiel optisch, akustisch und/oder per Datenfernübertragung. Eine optische Signalisierung kann zum Beispiel mittels einzelner Leuchtelemente (z. B. LEDs) oder textlich und/oder grafisch auf einem Display erfolgen. Auf diese Weise wird eine nichtlineare Batteriesignalisierung/Batterieanzeige einer Batteriesignalisierungsvorrichtung bzw. Batterieanzeigevorrichtung mit den im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits beschriebenen Vorteilen bereitgestellt. Ein besonderer Vorteil der nichtlinearen Batteriesignalisierung/Batterieanzeige besteht darin, dass ein Nutzer beispielsweise ab 10 % Batterierestkapazität sensibilisiert werden kann, dass die Batteriekapazität zur Neige geht und mit einem Ausfall des autark betriebenen, batteriegespeisten Geräts bald zu rechnen sein wird, wobei jedoch noch eine gewisse Restlaufzeit garantiert werden kann, die einen rechtzeitigen Batterie-/Gerätewechsel bei optimaler Ausnutzung der Batteriekapazität ermöglicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 einen prognostizierten zeitlichen Verlauf einer Restkapazität einer Batterie gemäß einem Worst-Case-Verbrauch und einer tatsächlichen Restkapazität der Batterie,
2 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät gemäß der Erfindung,
3 einen zeitlichen Verlauf einer nach einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung bestimmten Restkapazität einer Batterie für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät und einer tatsächlichen Restkapazität der Batterie und
4 einen zeitlichen Verlauf einer nach einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung bestimmten Restkapazität einer Batterie für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät und einer tatsächlichen Restkapazität der Batterie.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 veranschaulicht einen prognostizierten zeitlichen Verlauf 1 einer Restkapazität einer Batterie (nicht dargestellt) gemäß einem Worst-Case-Verbrauch und einen zeitlichen Verlauf 2 einer tatsächlichen Restkapazität der Batterie während eines Betriebszyklus Δt eines elektronischen Geräts (ebenfalls nicht dargestellt), das von der Batterie gespeist wird. 1 dient lediglich einem besseren Verständnis der Erfindung, stellt die Erfindung selbst jedoch nicht dar.
Der Worst-Case-Verbrauch geht von einer maximalen Energieaufnahme durch das Gerät während des Betriebszyklus Δt aus. Nach dem Startzeitpunkt to, zu dem die Batterie vorliegend voll aufgeladen, d. h. mit einer Batterieausgangskapazität von 100 %, zur elektrischen Versorgung des Geräts bereitgestellt wird, fällt die Kurve 1 in 1 gegenüber der die tatsächliche Batterierestkapazität repräsentierenden Kurve 2 erwartungsgemäß mit zunehmender Betriebszeit t deutlich schneller ab, da der tatsächliche Verbrauch des Geräts über den gesamten Betriebszyklus Δt gewöhnlich geringer ausfallen wird. Zum Zeitpunkt t_E*, an dem die die Worst-Case-Kurve 1 bereits eine vermeintliche Restkapazität von 0 % erreicht, beträgt die Restkapazität der Batterie in 1 tatsächlich noch 30 %. Der tatsächliche Entladezeitpunkt der Batterie wird in 1 erst bei t_E erreicht.
Aus 1 wird klar, dass die Bestimmung der Restkapazität nach dem Worst-Case-Verbrauch (Kurve 1) stets Restkapazitätswerte der Batterie bestimmt, die in den Fällen, in denen der Worst-Case-Verbrauch während des Betriebszyklus nicht kontinuierlich stattfindet, niedriger sind als die tatsächlich verbleibende Restkapazität der Batterie. Eine Prognose der Restkapazität der Batterie allein nach dem Worst-Case-Verbrauch führt demnach stets zu einem verfrühten Batterie- bzw. Gerätewechsel, bei dem die bereitgestellte Batteriekapazität regelmäßig nicht annähernd ausgeschöpft wird.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie 11 für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät 12 gemäß der Erfindung. Die Vorrichtung 10 weist eine elektronische Rechen- und Speichereinheit 13 und 14 auf, die beispielsweise in Form eines Microcontrollers 13 mit integriertem Speicher 14 (z. B. ROM, RAM, Flash etc.) realisiert sein kann, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Die Speichereinheit 14, z. B. ROM, RAM, Flash, kann auch unabhängig von der Recheneinheit 13 bereitgestellt sein.
Ferner kann die Vorrichtung 10 gemäß 2 eine erste Signalisierungsvorrichtung 15 und/oder eine zweite Signalisierungsvorrichtung 16 aufweisen, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Die erste Signalisierungsvorrichtung 15 (falls vorhanden) ist bevorzugt eine optische Anzeigevorrichtung, beispielsweise aufweisend mehrere Leuchtmittel wie LEDs oder ein zur textlichen oder grafischen Ausgabe geeignetes Display. Die optische Anzeigevorrichtung dient der Signalisierung der Restkapazität der Batterie 11 während eines Betriebszyklus, wie nachstehend noch ausführlicher erläutert werden wird.
Die zweite Signalisierungsvorrichtung 16 (falls vorhanden) ist bevorzugt eine Datenfernübertragungseinrichtung, die dazu dient, die Batterierestkapazität an eine entfernte Datenverarbeitungseinheit (nicht dargestellt) zu übertragen, vorliegend drahtlos zu übertragen. Eine leitungsgebundene Datenübertragung (nicht dargestellt) ist alternativ gleichfalls denkbar.
Die elektronische Rechen- und Speichereinheit 13, 14 der Vorrichtung 10 ist weiterhin eingerichtet, ein Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität der Batterie 11 für das batteriebetriebene elektronische Gerät 12 durchzuführen und ggfs. die bestimmte Batterierestkapazität mittels der Signalisierungsvorrichtung 15 und/oder 16 zu signalisieren bzw. anzuzeigen.
Es ist zu verstehen, dass sich das elektronische Gerät 12 während eines Betriebszyklus nicht ununterbrochen in einem aktiven Betriebsmodus befinden muss. Vielmehr kann es vorzugsweise zwischen aktiven und inaktiven (d. h. verbrauchsreduzierten) Betriebsmodi wechseln, um eine möglichst lange autarke Laufzeit mit der von der Batterie 11 bereitgestellten Energie zu erzielen. Es ist hierbei möglich, jedoch nicht zwingend erforderlich, dass die Recheneinheit 13 eingerichtet ist, den aktuellen Betriebsmodus des Geräts 12 zu ermitteln, was in 2 durch eine gestrichelt dargestellte Verbindungslinie zwischen der Recheneinheit 13 und dem Gerät 12 angedeutet sein soll. Es ist sogar denkbar, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein, dass die Recheneinheit 13 den Wechsel zwischen aktivem und inaktivem Betriebsmodus des Geräts selbst gemäß einem vorherbestimmten Betriebsablauf veranlasst bzw. durchführt.
Jedenfalls kann die zusätzliche Information über den aktuellen Betriebsmodus des Geräts 12 von der Recheneinheit 13 genutzt werden, um die Bestimmung der Batterierestkapazität während des Betriebszyklus weiter zu verfeinern, indem aktive, verbrauchsstarke Betriebszeiten von inaktiven, verbrauchsarmen Betriebszeiten des Geräts unterschieden werden können. Allerdings kann auf die Information über den aktuellen Betriebsmodus des Geräts auch verzichtet werden, indem für die Bestimmung der Batterierestkapazität während des Betriebszyklus ein für den jeweiligen Anwendungszweck vorabbestimmtes, zu erwartendes, durchschnittliches Verhältnis von aktiver Betriebszeit und inaktiver Betriebszeit des Geräts 12 zugrunde gelegt wird, das heißt durch die Prognosefunktion abgebildet wird.
Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung der Batterierestkapazität werden nun anhand der 3 und 4 näher erläutert.
3 zeigt einen zeitlichen Verlauf f(t) einer nach einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung bestimmten Restkapazität einer Batterie, zum Beispiel der Batterie 11 aus 2, für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät, zum Beispiel das Gerät 12 in 2, und einen zeitlichen Verlauf 2 einer tatsächlichen Restkapazität der Batterie 11.
Das Verfahren beginnt zum Zeitpunkt to mit der Bereitstellung der mit einer vorbekannten Anfangsladekapazität geladenen Batterie 11 (vorliegend 100 %, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein), die zur elektrischen Versorgung des elektronischen Geräts 12 verwendet wird. Bei to beginnt der Betriebszyklus Δt, der maximal bis zur vollständigen Entladung der Batterie 11 zum Zeitpunkt t_E dauert.
Wie 3 zu entnehmen ist, wird ausgehend von der vorbekannten Anfangskapazität (hier 100 %) während des Betriebszyklus Δt des Geräts 12 die Restkapazität der Batterie 11 zu einem gegebenen Zeitpunkt t innerhalb des Betriebszyklus Δt als Prognosewert f(t) einer vorbestimmten, zeitabhängigen Prognosefunktion f bestimmt. Es ist weiter zu erkennen, dass die Prognosefunktion f innerhalb des gesamten Betriebszyklus Δt einen nichtlinearen Verlauf mit betragsmäßig abnehmender Steigung aufweist. Zudem ist die Prognosefunktion f bei dem vorliegenden Beispiel ausschließlich von der Zeit t abhängig.
Insbesondere ist bei dem in 3 dargestellten Beispiel des Verfahrens die Prognosefunktion f eine während des Betriebszyklus Δt streng monoton fallende Funktion, die in diesem Beispiel als eine innerhalb des Betriebszyklus Δt stückweise lineare Funktion mit zwei linearen Abschnitten festgelegt ist. Der erste lineare Abschnitt erstreckt sich von to bis t_th. Der zweite lineare Abschnitt schließt sich hieran an.
Die Steigung der Prognosefunktion f in ihrem ersten Abschnitt ist beispielhaft derart gewählt, dass ihr Wert betragsmäßig einer maximal möglichen Stromentnahme durch das Gerät 12 pro Zeiteinheit entspricht (Worst-Case-Verbrauch) oder noch etwas größer ist, um zusätzlich Selbstentladungseffekte der Batterie 11 über den gesamten Betriebszyklus Δt zu berücksichtigen. Da die tatsächliche Energieaufnahme durch das Gerät 12 in der Regel weniger beträgt als sein Worst-Case-Verbrauch, fallen die Prognosewerte f(t) im ersten Abschnitt der Prognosefunktion f schneller als die Kurve 2, die die tatsächliche Restkapazität der Batterie 11 anzeigt. Die von der Prognosefunktion f bestimmten Prognosewerte f(t) liegen daher stets unter dem tatsächlichen Wert der Batterierestkapazität.
Zum Zeitpunkt t_th erreicht der Prognosewert f(tth) einen vorherbestimmten Restkapazitätsschwellenwert C_th, der bei dem vorliegenden Beispiel ohne zwingende Einschränkung bei etwa 10 % Batterierestkapazität festgelegt ist. Zu diesem Zeitpunkt geht der erste lineare Abschnitt in den zweiten linearen Abschnitt der Prognosefunktion f über. Deutlich ist in 3 zu erkennen, dass die Steigung der Prognosefunktion f im zweiten Abschnitt, das heißt nach Unterschreiten des Restkapazitätsschwellenwerts C_th, betragsmäßig signifikant kleiner ist als im ersten Abschnitt, das heißt vor dem Unterschreiten des Restkapazitätsschwellenwerts C_th.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird einem Nutzer das Erreichen des Restkapazitätsschwellenwert C_th signalisiert. Zum Beispiel kann der Nutzer mittels einer Warnmeldung, die mittels der Signalisierungsvorrichtung, vorliegend die Anzeigevorrichtung 15 und/oder die Datenübertragungseinrichtung 16, auf diesen Zustand aufmerksam gemacht werden. Der Nutzer kann daraufhin einen Wechsel der Batterie 11 oder des Geräts 12 vorbereiten bzw. veranlassen, wobei hierfür nun ausreichend Restlaufzeit verbleibt, da die Prognosefunktion f bis zum Zeitpunkt t_th der Signalisierung stets einen gegenüber der tatsächlichen Restkapazität der Batterie 11 geringeren Wert bestimmt hat.
Der Batterie-/Gerätewechsel erfolgt bevorzugt, bevor die Restkapazität der Batterie 11 den Wert 0 % zum Zeitpunkt t_E erreicht. Zu diesem Zeitpunkt würde die Prognosefunktion f aufgrund der ab dem Zeitpunkt t_th zugrundeliegenden geringeren Steigung des zweiten Abschnitts einen Wert von etwa 5 % bestimmen, wie 3 zu entnehmen ist. Damit erreicht die Bestimmung der Batterierestkapazität über den gesamten Betriebszyklus Δt gesehen eine sehr gute Genauigkeit, insbesondere im Hinblick auf einen rechtzeitigen, jedoch nicht unnötig verfrühten Batterie- bzw. Gerätewechsel.
4 stellt einen zeitlichen Verlauf f(t) einer nach einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung bestimmten Restkapazität einer Batterie, vorliegend der Batterie 11 der Vorrichtung 10 aus 2, für das batteriebetriebene elektronische Geräte 12 und einen zeitlichen Verlauf 2 einer tatsächlichen Restkapazität der Batterie 11 dar.
Im Unterschied zur Ausführung nach 3 wurde die Prognosefunktion f bei dem in 4 dargestellten Beispiel als Logarithmusfunktion bestimmt. Auch in diesem Beispiel ist die Prognosefunktion im Betriebszyklus Δt streng monoton fallend und ausschließlich von der Zeit t abhängig.
Auch bei dem in 4 gezeigten Beispiel wurde ein Restkapazitätsschwellenwert C_th bei etwa 10 % der prognostizierten Restkapazität f(t_th) der Batterie 11 festgelegt, ab dem einem Nutzer der niedrige Ladezustand der Batterie 11 signalisiert wird, zum Beispiel mittels der Signalisierungsvorrichtung 15 und/oder 16 der Vorrichtung 10 aus 2. Zum tatsächlichen Entladezeitpunkt t_E der Batterie 11 würde der Prognosewert f(t_E) im vorliegenden Beispiel einen Wert von lediglich noch 2 % ergeben. Dieser kommt dem tatsächlichen Wert der Restkapazität der Batterie 11 bei t_E von 0 % damit deutlich näher als bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel. Damit erreicht die Bestimmung der Batterierestkapazität über den gesamten Betriebszyklus Δt gesehen eine noch größere Genauigkeit, insbesondere im Hinblick auf den rechtzeitigen, jedoch nicht unnötig verfrühten Batterie- bzw. Gerätewechsel.
Die offenbarte erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren sind nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen jeweils auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale der Vorrichtung sowie des Verfahrens ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In besonders bevorzugter Ausführung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in Kombination mit einer Signalisierungsvorrichtung als nichtlineare Batterieanzeige zur Signalisierung einer Batterierestkapazität während eines Betriebs eines von einer Batterie gespeisten elektronischen Geräts, z. B. Messsensors, verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Batterierestkapazität gemäß Worst-Case-Verbrauch
2: Tatsächliche Batterierestkapazität
10: Vorrichtung
11: Batterie
12: Elektronisches Gerät
13: Recheneinheit
14: Speichereinheit
15: Signalisierungsvorrichtung
16: Signalisierungsvorrichtung
C: Batteriekapazität/Restkapazität
Cth: Restkapazitätsschwellenwert
f: Prognosefunktion
f(t): Prognosewert zur Zeit t
t: Zeit
Δt: Betriebszyklus/Betriebszyklusdauer
to: Startzeitpunkt
tE*: Signalisierter Entladezeitpunkt
tE: Tatsächlicher Entladezeitpunkt
tth: Zeitpunkt des Erreichens von C_th

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie (11) für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät (12), bei dem die Batterie (11) mit einer vorbekannten Anfangskapazität geladen zur elektrischen Versorgung des elektronischen Geräts (12) bereitgestellt wird und ausgehend von der vorbekannten Anfangskapazität während eines bis zur Entladung der Batterie (11) dauernden Betriebszyklus (Δt) des Geräts (12) die Restkapazität der Batterie (11) zu einem gegebenen Zeitpunkt (t) innerhalb des Betriebszyklus (Δt) als Prognosewert (f(t)) einer vorbestimmten, zeitabhängigen Prognosefunktion (f) bestimmt wird, die innerhalb des Betriebszyklus (Δt) einen nichtlinearen Verlauf mit betragsmäßig abnehmender Steigung aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognosefunktion (f) als ausschließlich von der Zeit (t) abhängige Funktion vorherbestimmt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognosefunktion (f) mittels wenigstens eines Zustandsparameters parametriert wird, der während des Betriebszyklus (Δt) an eine tatsächliche, dem Zustandsparameter zugrundeliegende Zustandsgröße angepasst wird.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Zustandsparameter zugrundeliegende Zustandsgröße eine Temperatur ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognosefunktion (f) eine während des Betriebszyklus (Δt) monoton, insbesondere streng monoton, fallende Funktion ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognosefunktion (f) derart vorherbestimmt wird, dass der Prognosewert (f(t_E)) an einem tatsächlichen Entladezeitpunkt (t_E) der Batterie (11) größer null ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognosefunktion (f) als eine innerhalb des Betriebszyklus (Δt) stückweise lineare Funktion mit wenigstens einem linearen Abschnitt vorherbestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prognosefunktion (f) als eine Logarithmusfunktion vorherbestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Prognosefunktion (f) innerhalb des Betriebszyklus (Δt) abschnittsweise einen Wert aufweist, der betragsmäßig wenigstens einer maximal möglichen Stromentnahme durch das Gerät (12) pro Zeiteinheit entspricht oder größer ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Prognosewert (f(t)) einen vorherbestimmten Restkapazitätsschwellenwert (C_th) erreicht, eine Warnung über eine niedrige Restkapazität der Batterie (11) signalisiert wird, wobei der Restkapazitätsschwellenwert (C_th) größer oder gleich 5 % und kleiner 50 % der Anfangskapazität der Batterie (11) gewählt wird, insbesondere größer oder gleich 5 % und kleiner oder gleich 30 % der Anfangskapazität der Batterie (11), wobei die Steigung der Prognosefunktion (f) nach Unterschreiten des Restkapazitätsschwellenwerts (C_th) betragsmäßig kleiner ist als vor dem Unterschreiten des Restkapazitätsschwellenwerts (Cth).
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bestimmte Restkapazität der Batterie (11) während des Betriebszyklus (Δt) mittels einer Signalisierungsvorrichtung (15, 16) signalisiert wird.
Vorrichtung (10) zur Bestimmung einer Restkapazität einer Batterie (11) für ein batteriebetriebenes elektronisches Gerät (12), gekennzeichnet durch eine elektronische Rechen- und Speichereinheit (13, 14), die eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Vorrichtung (10) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine mit der Rechen- und Speichereinheit (13, 14) gekoppelte Signalisierungsvorrichtung (15, 16), mittels welcher die bestimmte Restkapazität der Batterie (11) signalisierbar ist.