DE102022206696A1

DE102022206696A1 - Steuerung eines Wechselakkupacks

Info

Publication number: DE102022206696A1
Application number: DE102022206696.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Klee; Marc-Alexandre SEIBERT; Andreas Gonser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2024-01-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Wechselakkupacks (10) mittels einer Überwachungseinheit (56, 60) mit zumindest den folgenden Verfahrensschritten (84, 86, 88):a) Erfassen (84) eines Werts (Pn) zumindest eines Betriebsparameters (P) des Wechselakkupacks (10),b) Speichern (84) des erfassten Werts (Pn) des zumindest einen Betriebsparameters (Pn) in einem Ringspeicher der Überwachungseinheit (56, 60),c) Vergleichen (86) des erfassten bzw. gespeicherten Werts (Pn) des zumindest einen Betriebsparameters (Pn) mit zumindest einem in der Überwachungseinheit (56, 60) hinterlegten Referenz- bzw. Grenzwert (PTh), wobei in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein Betrieb des Wechselakkupacks (10) zugelassen, eingeschränkt oder gestoppt wird,d) Vergleichen (88) des erfassten bzw. gespeicherten Werts (Pn) des zumindest einen Betriebsparameters (P) mit zumindest einem zuvor innerhalb eines definierten Zeitfensters (D) erfassten und im Ringspeicher der Überwachungseinheit (56, 60) gespeicherten Wert (Pn-1,...,Pn-N) des zumindest einen Betriebsparameters (P), falls der Betrieb in Verfahrensschritt c (86) zugelassen oder eingeschränkt wurde, wobei in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis der Betrieb des Wechselakkupacks (10) zugelassen, eingeschränkt oder gestoppt wird.Ferner betrifft die Erfindung einen Wechselakkupack, ein Elektrogerät sowie ein aus zumindest einem Wechselakkupack und einem Elektrogerät bestehendem System zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Wechselakkupacks mittels einer Überwachungseinheit sowie einen Wechselakkupack und/oder ein Elektrogerät zur Durchführung des Verfahrens. Ferner betrifft die Erfindung ein zumindest einen Wechselakkupack und zumindest ein Elektrogerät umfassendes System.
Stand der Technik
Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit vom Bediener werkzeuglos wechselbaren Akkupacks - im Folgenden als Wechselakkupacks bezeichnet - betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel bestehen derartige Wechselakkupacks aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel verschalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Wechselakkupack-Spannung bzw. -Kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium-lonen-Zellen (Li-lon) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen. Andererseits erfordern derartige Zellen zur Vermeidung elektrischer Fehlerzustände auch das Einhalten enger Spezifikationen bezüglich des maximalen Lade- und Entladestroms, der Spannung und der Temperatur.
In modernen Wechselakkupacks wird die Zellspannung der parallel geschalteten Energiespeicherzellen eines so genannten Zell-Clusters beispielsweise durch eine im Wechselakkupack integrierte Überwachungseinheit ausgewertet. Unter dem Begriff „Zellspannung“ soll demnach nicht ausschließlich die Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle, sondern auch die eines aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen bestehenden Zell-Clusters verstanden werden. Ein derartiges so genanntes Single-Cell-Monitoring (SCM) ist beispielsweise aus der WO 20043386 A1 bekannt, in der zudem ein gefährlicher Betrieb des Wechselakkupacks im Fehlerfall durch eine redundante Überwachung ausgeschlossen wird.
Neben der Zellspannung wird unter anderem auch die Temperatur des Wechselakkupacks durch die Überwachungseinheit des Wechselakkupacks überwacht, die dazu den Spannungsabfall über einen in der Regel als NTC-Widerstand (Negative Temperature Coefficient) ausgebildeten Temperatursensor auswertet. Der Temperatursensor ist bevorzugt thermisch mit zumindest einer Energiespeicherzelle des Wechselakkupacks verbunden. Das Spannungssignal des NTC-Widerstands kann alternativ oder ergänzend über eine elektromechanische Schnittstelle zur werkzeuglos lösbaren Verbindung des Wechselakkupacks mit dem Elektrogerät von einer im Elektrogerät integrierten Überwachungseinheit ausgewertet werden, um ggf. den Lade- oder Entladevorgang zu unterbrechen oder mittels eines reduzierten Lade- oder Entladestroms einzuschränken.
Damit ein Ladegerät oder ein elektrischer Verbraucher weiß, mit welchem Lade- oder Entladestrom ein Wechselakkupack maximal betrieben werden darf, wird dies in der Regel durch eine elektrische Kodierung, beispielsweise durch zumindest einen im Wechselakkupack integrierter Kodierwiderstand, der vom Elektrogerät gemessen und mit einer hinterlegten Tabelle verglichen wird, eine mechanische Kodierung oder eine Kommunikationsschnittstelle mitgeteilt. Ebenfalls ist aus der DE 10 2016 209 822 A1 bekannt, dass das Elektrogerät - also das Ladegerät, der elektrische Verbraucher oder ein Diagnosegerät - dem Wechselakkupack mitteilt, dass er nicht weiterverwendet werden darf. Über eine solche Schnittstelle können auch die Zellspannungen an das Gerät übertragen werden.
Die Kodierwiderstände und Temperatursensoren sowie deren Signale sind naturbedingt durch mehr oder weniger starkes Rauschen gestört. Dabei kann es sich um thermisches Rauschen, Quantisierungsrauschen, das elektromagnetische Einstreuen von Störsignalen aus anderen Quellen, oder auch das Überlagern von Strömen an den elektrischen Kontakten der elektromechanischen Schnittstellen handeln. Aus der DE 10 2021 212 799 A1 ist ein Verfahren bekannt, mittels dem zumindest den letzteren Effekt eingedämmt werden kann. Das Rauschen wird in der Regel durch analoge RC-Filter oder digitale Filter kompensiert.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen hinsichtlich der Sicherheit des Wechselakkupacks verbesserten Lade- und Entladebetrieb zu ermöglichen, bei dem zudem etwaige Einflüsse durch überlagertes Rauschen bei der Signalübertragung zu einem verbundenen Elektrogerät einfach und kostengünstig minimiert werden.
Vorteile der Erfindung
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Steuerung eines Wechselakkupacks mittels einer Überwachungseinheit mit zumindest den folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen:

a) Erfassen eines Werts zumindest eines Betriebsparameters des Wechselakkupacks,
b) Speichern des erfassten Werts des zumindest einen Betriebsparameters in einem Ringspeicher der Überwachungseinheit,
c) Vergleichen des erfassten bzw. gespeicherten Werts des zumindest einen Betriebsparameters mit zumindest einem in der Überwachungseinheit hinterlegten Referenz- bzw. Grenzwert, wobei in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein Betrieb des Wechselakkupacks zugelassen, eingeschränkt oder gestoppt wird,
d) Vergleichen des erfassten bzw. gespeicherten Werts des zumindest einen Betriebsparameters mit zumindest einem zuvor innerhalb eines definierten Zeitfensters erfassten und im Ringspeicher der Überwachungseinheit gespeicherten Wert des zumindest einen Betriebsparameters, falls der Betrieb in Verfahrensschritt c zugelassen oder eingeschränkt wurde, wobei in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis der Betrieb des Wechselakkupacks zugelassen, eingeschränkt oder gestoppt wird.

Mit besonderem Vorteil erlaubt die Erfindung dadurch nicht nur die Bewertung der für den Betrieb des Wechselakkupacks relevanten Betriebsparameter aufgrund von Absolutwerten, sondern auch von ihren zeitlichen Verläufen. Auf diese Weise kann der Betrieb des Wechselakkupacks bereits vor dem Erreichen eines Referenz- bzw. Grenzwertes eingeschränkt oder gestoppt werden, wenn der entsprechende Betriebsparameter einem unerwarteten Verlauf aufweist. Zudem erlaub die Erfindung die Bewertung der Güte der Betriebsparameter unter Berücksichtigung des sie überlagernden Rauschens. Es sei zudem angemerkt, dass insbesondere die Reihenfolge der Verfahrensschritte c und d vertauschbar ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen Wechselakkupack mit einer ersten Überwachungseinheit, ein Elektrogerät, insbesondere ein Ladegerät, ein Diagnosegerät oder einen elektrischen Verbraucher, mit einer weiteren Überwachungseinheit sowie ein zumindest einen Wechselakkupack und zumindest ein Elektrogerät umfassendes System. Die Überwachungseinheiten können als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die Überwachungseinheiten aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik bestehen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit durch die erste Überwachungseinheit im Wechselakkupack und/oder durch die im mit dem Wechselakkupack verbundenen Elektrogerät angeordnete, weitere Überwachungseinheit durchgeführt werden. Unter einem Speicher der Überwachungseinheit kann diesbezüglich auch verstanden werden, dass der Speicher lediglich funktionell der Überwachungseinheit zugeordnet ist. Es ist daher nicht zwingend erforderlich, dass der Speicher integraler Bestandteil eines die Überwachungseinheit bildenden Bauelements ist. Vorzugsweise ist der Speicher als ein Ringspeicher ausgebildet.
Als elektrische Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen beispielweise mit einem Wechselakkupack betriebene Elektrowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das Elektrowerkzeug sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Elektrowerkzeuge sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch mit einem Wechselakkupack betriebene Gartengeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen oder dergleichen sowie mit einem Wechselakkupack betriebene Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc. in Frage. Ebenso ist die Erfindung auf elektrische Verbraucher anwendbar, die gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Wechselakkupacks versorgt werden.
Die Spannung eines Wechselakkupacks ist in der Regel ein Vielfaches der Spannung einer einzelnen Energiespeicherzelle und ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespeicherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzelle, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-Ion- Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks und Energiespeicherzellen, z.B. neben Rundzellen auch Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden.
Es sei darüber hinaus angemerkt, dass die Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen der Wechselakkupacks und der mit ihnen verbindbaren Elektrogeräte sowie die zugehörigen Aufnahmen zur kraft- und/oder formschlüssig lösbaren Verbindung nicht Gegenstand dieser Erfindung sein soll. Ein Fachmann wird je nach Leistungs- bzw. Spannungsklasse des Elektrogeräts und/oder der Wechselakkupacks eine geeignete Ausführungsform für die Schnittstelle wählen. Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen sind daher nur exemplarisch zu verstehen. So können insbesondere auch Schnittstellen mit mehr als den dargestellten elektrischen Kontakten zum Einsatz kommen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Verfahrensschritte a bis d in einem definierten Zeitraster wiederholt werden, falls der Betrieb in Verfahrensschritt d zugelassen oder eingeschränkt wurde. Das Zeitraster kann dabei auf Werte von bis zu 30 Sekunden festgelegt werden. In Abhängigkeit des Zeitrasters beträgt das definierte Zeitfenster in Verfahrensschritt d weniger als 30 Sekunden, bevorzugt weniger als 15 Sekunden, besonders bevorzugt weniger als 10 Sekunden. Ein längeres Zeitfenster hat den Vorteil, das zum einen mehr zurückliegende Werte berücksichtigt und/oder kurzzeitige Änderungen ausgefiltert werden können. Kürzere Zeitfenster erlauben dagegen eine schnellere Reaktion auf Veränderungen des zumindest einen Betriebsparameters und/oder das Ausblenden zu weit zurückliegender Werte, die die Steuerung des Wechselakkupacks ggf. nachteilig beeinflussen könnten. Zudem kann der Speicher der Überwachungseinheit klein gehalten werden, um Kosten in der Serienfertigung zu sparen. Es kann außerdem vorgesehen sein, dass das Zeitfenster durch einen Bediener, beispielsweise mittels einer mit dem Wechselakkupack und/oder dem Elektrogerät per Funk verbundenen App eines externen Endgeräts, wie einem Smartphone, einer Smart Watch, einem Tablet, einem PC oder dergleichen, veränderbar ist. Dazu weisen der Wechselakkupack, das Elektrogerät und das externe Endgerät entsprechende Standard-Funkschnittstellen (WLAN, BT, ZigBee, NFC oder dergleichen) auf.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass anhand der innerhalb des definierten Zeitfensters erfassten bzw. gespeicherten Werte ein Mittelwert des zumindest einen Betriebsparameters berechnet wird. Die Mittelwertbildung hat den Vorteil, dass insbesondere der Einfluss von durch Rauscheffekten hervorgerufenen Signalverfälschungen reduziert werden kann.
Für den Vergleich im Verfahrensschritt d wird eine Differenz zwischen dem in Verfahrensschritt a erfassten bzw. in Verfahrensschritt b gespeicherten Wert und dem innerhalb des definierten Zeitfensters gespeicherten Wert oder dem Mittelwert des zumindest einen Betriebsparameters berechnet. Die Differenzwertbildung stellt eine sehr einfache und recheneffiziente Methode dar, um etwaige Abweichungen erkennen zu können.
Der zumindest eine Betriebsparameter kann eine mittels eines Temperatursensors erfasste Temperatur des Wechselpacks, insbesondere zumindest einer Energiespeicherzelle des Wechselakkupacks sein. Ebenso ist denkbar, dass der zumindest eine Betriebsparameter ein Widerstandswert eines Kodierwiderstands des Wechselakkupacks ist. Auch können mehrere unterschiedliche Betriebsparameter gleichzeitig berücksichtigt werden.
Im Falle einer erfassten Temperatur wird der Betrieb des Wechselakkupacks in Verfahrensschritt c gestoppt, wenn ein in Verfahrensschritt a erfasster bzw. in Verfahrensschritt b gespeicherter Temperaturwert den als Temperaturreferenz- bzw. -grenzwert ausgebildeten Referenz- bzw. Grenzwert von mindestens 0 °C unterschreitet oder von maximal 70 °C überschreitet. Wird ein Temperaturreferenz- bzw. -grenzwert von mindestens 10 °C unterschritten oder von maximal 60 °C, insbesondere 50 °C, überschritten, so erfolgt eine Einschränkung des Betriebs des Wechselakkupacks durch die Überwachungseinheit des Wechselakkupacks und/oder des mit ihm verbundenen Elektrogeräts, indem der Lade- oder Entladestrom begrenzt wird. Mit Bezug auf Verfahrensschritt d ist die Differenz als ein Temperaturgradientengrenzwert ausgebildet, wobei der Betrieb des Wechselakkupacks eingeschränkt oder gestoppt wird, wenn der Temperaturgradientengrenzwert insbesondere einen Wert von 2,5 K/s, bevorzugt 1,25 K/s, übersteigt oder insbesondere von -2,5 K/s, bevorzugt -1,25 K/s, unterschreitet. Somit können auch Temperatursprünge berücksichtigt werden. Im regulären Betrieb wird in der Regel erwartet, dass die Temperatur eines Wechselakkupacks sowohl beim Ladevorgang als auch beim Entladevorgang zunimmt. In Ausnahmefällen kann die Temperatur auch langsam sinken, beispielsweise bei einer entsprechenden Änderung der Umgebungstemperatur. Sinkt die Temperatur jedoch schnell, ist das ein Hinweis auf eine missbräuchliche Verwendung (zum Beispiel Abkühlen mit Wasser), oder einen Fehler im Signalpfad. In diesen Fällen ist ein Stopp des Betriebs erforderlich.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass der Temperaturgradientengrenzwert abhängig ist von einem im Wechselakkupack fließenden Lade- bzw. Entladestrom, da ein fester Temperaturgradientengrenzwert den Nachteil aufweisen kann, dass das Band zwischen dem erwartbaren Temperaturanstieg bei maximal zulässiger Stromentnahme und dem zu erkennenden überhöhten Stromanstieg zu schmal für eine sichere Erkennung ist.
Ist der zumindest eine Betriebsparameter ergänzend oder alternativ als Widerstandswert eines Kodierwiderstands des Wechselakkupacks ausgebildet, so wird der Betrieb des Wechselakkupacks in Verfahrensschritt c gestoppt, wenn der in Verfahrensschritt a erfasste bzw. in Verfahrensschritt b gespeicherte Widerstandswert von einem als ein Kodierwiderstandsreferenz- bzw. -grenzwert ausgebildeten Referenz- bzw. Grenzwert um mehr als 10%, bevorzugt um mehr als 5 %, abweicht. Für den Verfahrensschritt d gilt dann, dass die Differenz als ein Widerstandsgradient ausgebildet ist, wobei der Betrieb des Wechselakkupacks gestoppt wird, wenn der Widerstandsgradient einen Widerstandsgradientengrenzwert von 10 Ω/s, bevorzugt 1 Ω/s, besonders bevorzugt 0,1 Ω/s, überschreitet. Auf diese Weise kann die Sicherheit auch gegenüber das Kodiersignal überlagerndem Signalrauschen derart verbessert werden, dass die Gefahr eines unzulässigen Betriebs eines Wechselakkupacks an einem ungeeigneten Elektrogerät weiter reduziert wird.
Ausführungsbeispiele
Zeichnung
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 3 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: ein System umfassend zumindest einen Wechselakkupack und zumindest ein mit dem Wechselakkupack verbindbares Elektrogerät zum Laden oder Entladen des Wechselakkupacks in einer schematischen Darstellung,
2: das System aus 1 als Blockschaltbild mit einem Wechselakkupack und einem als Ladegerät ausgebildeten Elektrogerät und
3: ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein System umfassend einen Wechselakkupack 10 mit einer ersten, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 14 und ein Elektrogerät 16, insbesondere ein Ladegerät 18, ein Diagnosegerät 20 oder einen elektrischen Verbraucher 22, mit einer weiteren, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 24. 1 soll veranschaulichen, dass das erfindungsgemäße System ohne Einschränkung der Erfindung für verschiedene, mit Wechselakkupacks 10 betriebene Elektrogeräte 16 geeignet ist. Dabei sind exemplarisch ein Akkustaubsauger 26, ein Akkuschlagschrauber 28 und ein Akkurasentrimmer 30 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerkzeuge, Gartengerät und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 22 in Frage kommen. Auch ist die Anzahl der Wechselakkupacks 10 innerhalb des Systems veränderbar. So kann das System auch mehrere Wechselakkupacks 10 umfassen. Weiterhin sei angemerkt, dass in 1 das Ladegerät 18 und das Diagnosegerät 20 zwar als ein- und dasselbe Elektrogerät 16 dargestellt sind, weil ein Ladegerät 18 durchaus auch eine Diagnosefunktion aufweisen kann, es aber ohne Einschränkung der Erfindung denkbar ist, dass das Diagnosegerät 20 keine Ladefunktion aufweist, sondern nur zur reinen Diagnose des Wechselakkupacks 10 auf elektrische Fehlerzustände dient.
Bei dem Wechselakkupack 10 handelt es sich im Wesentlichen um einen herkömmlichen Wechselakkupack mit einem Gehäuse 32, das an einer ersten Seitenwand bzw. seiner Oberseite 34 die erste elektromechanische Schnittstelle 14 zur werkzeuglos - also von Hand - lösbaren Verbindung mit der elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 16 aufweist. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 22 dienen die erste und die weitere elektromechanische Schnittstelle 14, 24 primär dem Entladen des Wechselakkupacks 10, während sie in Verbindung mit dem Ladegerät 18 dem Aufladen und in Verbindung mit dem Diagnosegerät 20 der Fehlerdiagnose des Wechselakkupacks 10 dient. Die genaue Ausgestaltung der ersten und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 14, 24 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des Elektrogerät 16 und diversen Herstellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 12 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 10 und dem Elektrogerät 16 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten Elektrogeräten 16 betreibbar ist. Da die mechanische Ausgestaltung der ersten elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 16 für die Erfindung unerheblich ist, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 14 und des Elektrogeräts 16 werden diesbezüglich die geeignete Auswahl treffen.
Der Wechselakkupack 10 verfügt über eine mechanische Arretiervorrichtung 36 zur Arretierung der form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung der ersten elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupack 10 an der entsprechenden Gegenschnittstelle 24 (nicht im Detail gezeigt) des elektrischen Verbrauchers 22. Dabei ist die Arretiervorrichtung 36 als ein gefederter Drücker 38 ausgebildet, der mit einem Arretierglied 40 des Wechselakkupacks 10 wirkverbunden ist. Aufgrund der Federung des Drückers 38 und/oder des Arretierglieds 40 rastet die Arretiervorrichtung 36 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die Gegenschnittstelle 24 des elektrischen Verbrauchers 22 automatisch ein. Drückt ein Bediener den Drücker 38 in Einschubrichtung, wird die Arretierung gelöst und der Bediener kann den Wechselakkupack 10 entgegen der Einschubrichtung aus dem elektrischen Verbraucher 22 entnehmen bzw. ausschieben.
Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Akkuspannung des Wechselakkupacks 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Zellspannungen der Energiespeicherzellen (nicht gezeigt) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
In 2 ist das System aus 1 als Blockschaltbild mit dem Wechselakkupack 10 auf der linken Seite und dem als Ladegerät 18 ausgebildeten Elektrogerät 16 auf der rechten Seite dargestellt. Wechselakkupack 10 und Ladegerät 18 weisen die zueinander korrespondierenden elektromechanischen Schnittstellen 14 und 24 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 24 als ein mit einem ersten Bezugspotential V₁, vorzugsweise einem Versorgungspotential V₊, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 42 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 24 als ein mit einem zweiten Bezugspotential V₂, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 44 dient. Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 42, 44 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät 18 geladen werden. Andererseits erfolgt darüber auch ein Entladen des Wechselakkupacks 10 für den Fall, dass das Elektrogerät 16 als ein elektrischer Verbraucher 22 ausgebildet ist. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V, und GND insbesondere im Falle eines als elektrischen Verbraucher 22 ausgebildeten Elektrogeräts 16 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 42, 44 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektrischen Schnittstellen 14, 24. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 18.
Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 46 auf, die zwar in 2 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder ergänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung die über die Energieversorgungskontakte 42, 44 abfallende Spannung U_Batt des Wechselakkupacks definiert, während eine Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 46 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen 46 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung U_Batt des Wechselakkupacks 10 bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen 46 mit einer Zellspannung U_Cell von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 42, 44 eine Wechselakkupack-Spannung U_Batt = V₁ - V₂ von 5 · 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 46 kann die Kapazität gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art, Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 46 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 46 angewendet werden.
Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 46 bzw. Zell-Cluster des Wechselakkupacks 10 ist eine SCM-Vorstufe 48 (Single-Cell-Monitoring) vorgesehen. Die SCM-Vorstufe 48 weist eine Multiplexer-Messvorrichtung 50 auf, die über Filterwiderstände 52 hochohmig mit entsprechenden Abgriffen 54 der Pole der Energiespeicherzellen 46 bzw. Zell-Cluster verbindbar ist. Zur Erfassung der einzelnen Zellspannungen U_Cell schaltet die Multiplexer-Messvorrichtung 50, beispielsweise über integrierte, aber nicht näher gezeigte Transistoren, derart sequenziell zwischen den einzelnen Abgriffen 54 um, dass sie jeweils mit einem Plus- und einem Minuspol der zu messenden Energiespeicherzelle 46 bzw. des zu messenden Zell-Clusters verbunden ist. Im Folgenden soll der Begriff Energiespeicherzelle auch das Zell-Cluster umfassen, da diese lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 haben, für die Erfassung der Zellspannungen U_Cell aber gleichbedeutend sind. Die insbesondere hochohmig ausgestalteten Filterwiderstände 52 können insbesondere im Fehlerfall eine gefährliche Erwärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 50 verhindern.
Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 50 erfolgt über eine erste im Wechselakkupack 10 integrierte Überwachungseinheit 56. Diese kann zudem parallel zu den Energiespeicherzellen 46 geschaltete Schaltelemente 58 der SCM-Vorstufe 48 schließen oder öffnen, um auf diese Weise ein so genanntes Balancing der Energiespeicherzellen 46 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen 46 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 48 die gemessenen Zellspannungen U_Cell direkt an die erste Überwachungseinheit 56 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen U_Cell direkt von der ersten Überwachungseinheit 56, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.
Die erste Überwachungseinheit 56 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die Überwachungseinheit 56 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die erste Überwachungseinheit 56 einen Speicher, insbesondere einen Ringspeicher, zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung U_Batt, den Zellspannungen U_Cell, einer Temperatur T, eines Lade- oder Entladestroms I oder dergleichen aufweisen.
Neben der ersten Überwachungseinheit 56 im Wechselakkupack 10 weist das Elektrogerät 16 des Systems eine weitere Überwachungseinheit 60 auf, die entsprechend der ersten Überwachungseinheit 56 ausgebildet sein kann. Die erste und die weitere Überwachungseinheit 56 bzw. 60 können Informationen über einen dritten als Signal- bzw. Datenkontakt 62 ausgebildeten Kontakt 12 der beiden elektromechanischen Schnittstellen 14, 24 vorzugsweise digital austauschen.
Die weitere Überwachungseinheit 60 des als Ladegerät 18 ausgebildeten Elektrogeräts 16 steuert eine mit dem ersten und dem zweiten Energieversorgungskontakt 42, 44 der weiteren Schnittstelle 24 verbundene Leistungsendstufe 64, über die der in das Ladegerät 18 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem Ladestrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung U_Batt geladen werden kann. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 18 bzw. die Leistungsendstufe 64 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen. Die an den Energieversorgungskontakten 42, 44 anliegende Spannung U_Batt kann über eine Spannungsmessvorrichtung 66 im Ladegerät 18 gemessen und von der weiteren Überwachungseinheit 60 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 66 kann auch vollständig oder zum Teil in der Überwachungseinheit 60 integriert sein, beispielsweise in Form eines integrierten ADC. Es versteht sich von selbst, dass die im Ladegerät 18 enthaltende Leistungsendstufe 64 im Falle eines elektrischen Verbrauchers 22 als Antriebseinheit, beispielsweise als ein Elektromotor (ggf. mit entsprechend vorgeschalteter Leistungsendstufe) oder eine andere Energie verbrauchende Einheit ausgebildet ist. In diesem Fall beschreibt I einen Entladestrom des Wechselakkupacks 10. Auf die Ausgestaltung einer derartigen Einheit soll hier nicht weiter eingegangen werden, da sie dem Fachmann für unterschiedlichste Arten von elektrischen Verbrauchern 22 hinlänglich bekannt ist und zudem für die Erfindung als solche keine entscheidende Bedeutung hat.
Mittels eines im Wechselakkupack 10 angeordneten Temperatursensors 68, der vorzugsweise als NTC ausgebildet ist und im engen thermischen Kontakt mit mindestens einer der Energiespeicherzellen 46 steht, kann ein erster Betriebsparameter P in Gestalt einer Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der Energiespeicherzellen 46 gemessen und von der weiteren Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18 ausgewertet werden. Dazu ist der Temperatursensor 68 einerseits über ein im Wechselakkupack 10 integriertes Schaltelement 70, beispielsweise einen Bipolartransistor oder MOSFET, mit dem am zweiten Energieversorgungskontakt 44 anliegenden zweiten Bezugspotential V₂, insbesondere mit dem Massepotential GND, und andererseits mit einem als Signal- bzw. Datenkontakt 72 ausgebildeten Kontakt 12 der ersten Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 verbunden. Entsprechend ist ein Signal- bzw. Datenkontakt 72 in der weiteren Schnittstelle 24 des Ladegeräts 18 vorgesehen, der mit der weiteren Überwachungseinheit 60 verbunden ist. Weiterhin besteht eine Verbindung zwischen dem Signal- bzw. Datenkontakt 72 der ersten Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 und der ersten Überwachungseinheit 56 des Wechselakkupacks 10. Darüber kann die erste Überwachungseinheit 56 feststellen, ob die vom Temperatursensor 68 gemessene Temperatur T von der weiteren Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18 abgefragt wurde. Ist dies der Fall, wird die erste Überwachungseinheit 56 automatisch von einem Ruhemodus in einen Betriebsmodus versetzt. Erfolgt keine derartige Abfrage, erlaubt der Ruhemodus der ersten Überwachungseinheit 56 aufgrund des reduzierten Ruhestroms deutlich längere Ruhe- und Lagerzeiten des Wechselakkupacks 10.
Damit das Ladegerät 18 den Wechselakkupack 10 identifizieren und ggf. zum Laden freigeben kann, weist der Wechselakkupack 10 einen Kodierwiderstand 74 mit einem festen Widerstandswert R_C auf, der auf einer Seite mit dem am zweiten Energieversorgungskontakt 44 anliegenden zweiten Bezugspotential V₂, insbesondere mit dem Massepotential GND, und auf der anderen Seite mit dem als Signal- oder Datenkontakt 62 ausgebildeten dritten Kontakt 12 der ersten Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 verbunden ist. Stimmt der als weiterer Betriebsparameter P ausgebildete Widerstandswert R_C des Kodierwiderstands 74 mit einem in der weiteren Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18 hinterlegen Wert überein, so gibt das Ladegerät 18 den Ladevorgang frei und lädt den Wechselakkupack 10 entsprechend der in einer Look-Up-Tabelle hinterlegten Ladeparameter, insb. dem Ladestrom I, der Ladespannung U_Batt, dem zulässigen Temperaturbereich, etc. auf. In analoger Weise kann über den Kodierwiderstand 74 oder einen nicht gezeigten, weiteren Kodierwiderstand ein als elektrischer Verbraucher 22 ausgebildetes Elektrogerät 16 den Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 mittels der weiteren Überwachungseinheit 60 freigeben. Stimmen die Werte nicht überein, wird der Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 gestoppt bzw. nicht erlaubt, so dass der elektrische Verbraucher 22 nicht in Betrieb genommen werden kann. Bei Übereinstimmung kann ein Bediener den elektrischen Verbraucher 22 in Betrieb nehmen. Mit besonderem Vorteil erlaubt dies einen Betrieb von Wechselakkupacks 10 unterschiedlicher Leistungsklassen mit gleichen elektromechanischen Schnittstellen 14 bzw. 24.
Im Ladegerät 18 sind Pull-Up-Widerstände 76 mit den Widerstandswerten R_PU vorgesehen, die einerseits jeweils über die Signal- bzw. Datenkontakte 62, 72 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 24 mit dem Temperatursensor 68 und dem Kodierwiderstand 74 und andererseits mit dem Versorgungspotential V, verbunden sind. Die Verbindungspunkte zwischen den Pull-Up-Widerständen 76 und dem Temperatursensor 68 bzw. dem Kodierwiderstand 74 sind wiederum jeweils über einen Filterwiderstand 78 mit der weiteren Überwachungseinheit 60 zur Erfassung der sich ergebenden Spannungsabfälle verbunden. Zur Filterung der Signale ist zwischen den entsprechenden Anschlusspunkten der Überwachungseinheit 60 und dem Massepotential GND jeweils ein Filterkondensator 80 mit der Filterkapazität C_F vorgesehen, der in Verbindung mit dem Widerstandswert R_F des zugehörigen Filterwiderstands 78 einen RC-Tiefpass bildet. Obwohl nicht explizit gezeigt, kann eine entsprechende Schaltung auch im Wechselakkupack 10 vorgesehen sein. Das in Verbindung mit 3 erläuterte, erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in besonders vorteilhafter Weise, dass auf die Filterkondensatoren 80 entweder vollständig verzichtet werden kann oder dass deren Filterkapazität C_F besonders geringe Werte von weniger als 10 nF aufweisen kann. Aus diesem Grund sind die Filterkondensatoren 80 in 2 gestrichelt dargestellt.
In 3 ist ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen, mit dem in 2 beschriebenen System durchführbaren Verfahrens gezeigt. Das Verfahren kann alternativ auch direkt mittels der im Wechselakkupack 10 integrierten ersten Überwachungseinheit 56 durchgeführt werden. In einem ersten Verfahrensschritt 82 des Verfahrens wird der Wechselakkupack 10 über seine erste, elektromechanische Schnittstelle 14 mit der weiteren, elektromechanischen Schnittstelle 24 des Elektrogeräts 16 verbunden und ggf. eine Betriebsart des Elektrogeräts 16 festgelegt. Wird das Verfahren nur lokal im Wechselakkupack 10 ausgeführt, so kann es im Verfahrensschritt 82 beispielsweise auch ohne eine Verbindung zum Elektrogerät 10 durch ein am Wechselakkupack 10 vorgesehenes Human-Machine-Interface (HMI) gestartet werden. Nachfolgend soll davon ausgegangen werden, dass das Elektrogerät 16 entsprechend 2 als Ladegerät 18 ausgebildet ist. Das Verfahren kann aber ebenso mit der weiteren Überwachungseinheit 60 eines Elektrogeräts 16, das als elektrischer Verbraucher 22 oder als Diagnosegerät 20 ausgebildet ist, durchgeführt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt 84 wird zunächst ein Wert P_n des Betriebsparameters P des Wechselakkupacks 10 erfasst, über die Signal- bzw. Datenkontakte 62, 72 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 24 vom Wechselakkupack 10 zum Ladegerät 18 übertragen und in einem Ringspeicher der Überwachungseinheit 60 abgelegt. Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand der mittels des Temperatursensors 68 erfassten Temperatur T des Wechselakkupacks 10 beschrieben werden. Alternativ oder ergänzend kann das Verfahren aber auch auf den Widerstandswert R_C des Kodierwiderstands 74 oder einen anderen erfassten Betriebsparameter P, wie beispielsweise den Lade- oder Entladestrom I, die Zellspannung U_Cell oder dergleichen, angewendet werden.
Im Verfahrensschritt 86 wird der erfasste bzw. gespeicherte Temperaturwert T_n mit einem in der weiteren Überwachungseinheit 60 hinterlegten Temperaturreferenz- bzw. -grenzwert T_Th verglichen, wobei der Betrieb des Wechselakkupacks 10 gestoppt wird, wenn der erfasste bzw. gespeicherte Temperaturwert T_n den Temperaturreferenz- bzw. -grenzwert T_Th von mindestens 0 °C unterschreitet oder von maximal 70 °C überschreitet, und eingeschränkt wird, wenn der erfasste bzw. gespeicherte Temperaturwert T_n den Temperaturreferenz- bzw. - grenzwert T_Th von mindestens 10 °C unterschreitet oder von maximal 60 °C, insbesondere 50 °C, überschreitet. Eine Einschränkung des Betriebs erfolgt beispielsweise derart, dass das Ladegerät 18 den Ladestrom I so lange reduziert, bis die durch den Temperatursensor 68 erfasste Temperatur T wieder im zulässigen Bereich liegt.
Wurde im Verfahrensschritt 86 der Betrieb des Wechselakkupacks 10 nicht gestoppt, so vergleicht die weitere Überwachungseinheit 60 des Ladegeräts 18 im nachfolgenden Verfahrensschritt 88 den im Verfahrensschritt 84 erfassten bzw. gespeicherten Temperaturwert T_n mit zumindest einem zuvor innerhalb eines definierten Zeitfensters D erfassten und im Ringspeicher der weiteren Überwachungseinheit 60 gespeicherten Temperaturwert T_n-1,...,T_n-N, indem es eine als ein Temperaturgradient T_grad ausgebildete Differenz zwischen diesen Werten berechnet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Zeitfenster D beispielsweise mit 30 Sekunden derart festgesetzt wird, dass eine hohe Anzahl N von zurückliegenden Temperaturwerten T_n-1,...,T_n-N im Ringspeicher gespeichert und entsprechend berücksichtigt werden kann. Ein kürzeres Zeitfenster von 15 oder 10 Sekunden mit entsprechend weniger gespeicherten Temperaturwerten T_n-1,...,T_n-N hat dagegen den Vorteil, dass der Ringspeicher der weiteren Überwachungseinheit 60 kleiner und damit kostengünstiger ausfallen kann und eine schnellere Reaktion auf Veränderungen der erfassten Temperatur T insbesondere bei Temperatursprüngen möglich ist. Zudem erlaubt das Löschen weit zurückliegender Werte im Ringspeicher ggf. eine präzisere Steuerung des Wechselakkupacks.
Durch eine Mittelwertbildung der im Ringspeicher abgelegten Temperaturwerte T_n-1,...,T_n-N lassen sich anhand eines Temperaturmittelwerts T_mean als Vergleichsgröße zu dem im Verfahrensschritt 84 erfassten und gespeicherten Temperaturwert T_n etwaige Rauscheinflüsse ausfiltern. Dies hat überdies den Vorteil, dass auf den in 2 gezeigten Filterkondensator 80 verzichtet werden kann bzw. dieser entsprechend klein und kostengünstig mit einem Kapazitätswert C_F von weniger als 10 nF dimensionierbar ist.
In Abhängigkeit des berechneten Temperaturgradienten T_grad kann dann im Verfahrensschritt 90 der Betrieb des Wechselakkupacks 10 gestoppt werden, wenn der Vergleich im Verfahrensschritt 88 ergibt, dass der Temperaturgradient T_grad einen Temperaturgradientengrenzwert T_grad,max von 2,5 K/s, bevorzugt 1,25 K/s, übersteigt oder von -2,5 K/s, bevorzugt -1,25 K/s, unterschreitet. Liegt der Temperaturgradient T_grad im Verfahrensschritt 88 innerhalb der erlaubten Grenzwerte, so wird der Betrieb im Verfahrensschritt 94 derart zugelassen bzw. eingeschränkt weitergeführt, dass sich die Verfahrensschritte 84 bis 88 im definierten Zeitraster wiederholen. Das Zeitraster orientiert sich dabei in bevorzugter Weise an dem festgelegten Zeitfenster D, so dass innerhalb des Zeitfensters D eine Mehrzahl N von Temperaturwerten T_n-i,...,T_n-N erfasst und gespeichert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren nicht mit einem konstanten Temperaturgradientengrenzwert T_grad,max durchgeführt wird, sondern dass dieser abhängig vom im Wechselakkupack 10 fließenden Lade- bzw. Entladestrom I nach der Beziehung $T_{grad,max} = T_{grad,max,0} + I^{Exp} \cdot T_{grad,max,Slope}$
ausgebildet ist mit

Tgrad,max,0: maximal zulässige Erwärmung bei einem Lade- oder Entladestrom I = 0 A, beispielsweise 0,1 K/s,
Exp: Exponent, der den Zusammenhang zwischen maximal zulässiger Eigenerwärmung des Wechselakkupacks 10 bzw. der Energiespeicherzellen 46 und dem fließendem Lade- oder Entladestrom I charakterisiert, vorteilhafterweise zwischen 1 und 2,
Tgrad,max,Slope: Anstieg der maximal zulässigen Eigenerwärmung, beispielsweise 0,000625 K/(s·A^Exp).

Für T_grad,max,0 = 0,1 K/s, I = 45 A und K = 2 ergibt sich so beispielsweise ein Temperaturgradientengrenzwert T_grad,max von 1,365 K/s, während er für I = 10 A 0,163 K/s beträgt.
Der Temperaturgradientengrenzwert T_grad,max hängt stark von der Konfiguration und den Energiespeicherzellen 46 des Wechselakkupacks 10 ab. Statt der obigen Beziehung, die innerhalb der weiteren Überwachungseinheit 60 berechnet wird, kann in einem nichtflüchtigen Speicher der Überwachungseinheit 60 auch eine Look-Up-Tabelle in der Form $\begin{array}{l} T_{grad,max} = 0.3 K/s f \ddot{u} r 0 < = I < 20 A \\ 1 .0 K/s f \ddot{u} r 20 A < = I < 40 A \\ 1.5 K/s f \ddot{u} r 40 A < = I \end{array}$
als Referenz abgelegt werden, die als Grundlage für den Vergleich im Verfahrensschritt 88 dient.
Ist der zumindest eine Betriebsparameter P ergänzend oder alternativ als Widerstandswert R_C des Kodierwiderstands 74 des Wechselakkupacks 10 ausgebildet, so wird der Betrieb des Wechselakkupacks 10 in Verfahrensschritt 86 gestoppt, wenn der erfasste bzw. gespeicherte Widerstandswert R_C,n von einem als ein Kodierwiderstandsreferenz- bzw. -grenzwert R_Th ausgebildeten Referenz- bzw. Grenzwert P_Th um mehr als 10%, bevorzugt um mehr als 5 %, abweicht. Für den Verfahrensschritt 88 gilt dann, dass die Differenz als ein Widerstandsgradient R_grad ausgebildet ist, wobei der Betrieb des Wechselakkupacks 10 gestoppt wird, wenn der Widerstandsgradient R_grad einen Widerstandsgradientengrenzwert R_grad,max von 10 Ω/s, bevorzugt 1 Ω/s, besonders bevorzugt 0,1 Ω/s, überschreitet.
Zur Anzeige der Betriebsarten können das Ladegerät 18 und/oder der Wechselakkupack 10 über eine entsprechende, nicht näher gezeigte Anzeige in Form einer LED, eines optischen Signalgebers und/oder des weiter oben erwähnten HMI verfügen. Ist das Elektrogerät 18 als ein Diagnosegerät 20 oder ein elektrischer Verbraucher 22 ausgestaltet, so kann die Anzeige ergänzend oder alternativ auch als ein haptischer Signalgeber, beispielsweise in Gestalt eines Vibrationsmotors, ausgebildet sein. Bei einem elektromotorisch angetriebenen, elektrischen Verbraucher 22 ist auch denkbar, dass ein Antriebsmotor für ein Einsatzwerkzeug als haptischer und/oder akustischer Signalgeber dient.
Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 3 noch auf die darin gezeigte Anzahl und Art der Wechselakkupacks 10 und Elektrogeräte 16 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 46. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen der Schnittstellen 14, 24 sowie die Anzahl ihrer Kontakte 12 nur exemplarisch zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 20043386 A1 [0003]
DE 102016209822 A1 [0005]
DE 102021212799 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Wechselakkupacks (10) mittels einer Überwachungseinheit (56, 60) mit zumindest den folgenden Verfahrensschritten (84, 86, 88): a) Erfassen (84) eines Werts (P_n) zumindest eines Betriebsparameters (P) des Wechselakkupacks (10), b) Speichern (84) des erfassten Werts (P_n) des zumindest einen Betriebsparameters (P_n) in einem Ringspeicher der Überwachungseinheit (56, 60), c) Vergleichen (86) des erfassten bzw. gespeicherten Werts (P_n) des zumindest einen Betriebsparameters (P_n) mit zumindest einem in der Überwachungseinheit (56, 60) hinterlegten Referenz- bzw. Grenzwert (P_Th), wobei in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis ein Betrieb des Wechselakkupacks (10) zugelassen, eingeschränkt oder gestoppt wird, d) Vergleichen (88) des erfassten bzw. gespeicherten Werts (P_n) des zumindest einen Betriebsparameters (P) mit zumindest einem zuvor innerhalb eines definierten Zeitfensters (D) erfassten und im Ringspeicher der Überwachungseinheit (56, 60) gespeicherten Wert (P_n-1,...,P_n-N) des zumindest einen Betriebsparameters (P), falls der Betrieb in Verfahrensschritt c (86) zugelassen oder eingeschränkt wurde, wobei in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis der Betrieb des Wechselakkupacks (10) zugelassen, eingeschränkt oder gestoppt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a bis d (84, 86, 88) in einem definierten Zeitraster wiederholt werden (94), falls der Betrieb in Verfahrensschritt d (88) zugelassen oder eingeschränkt wurde.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das definierte Zeitfenster (D) weniger als 30 Sekunden, bevorzugt weniger als 15 Sekunden, besonders bevorzugt weniger als 10 Sekunden, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der innerhalb des definierten Zeitfensters (D) erfassten bzw. gespeicherten Werte (P_n-1,...,P_n-N) ein Mittelwert (P_mean) des zumindest einen Betriebsparameters (P) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Vergleich im Verfahrensschritt d (88) eine Differenz zwischen dem in Verfahrensschritt a (84) erfassten bzw. in Verfahrensschritt b (86) gespeicherten Wert und dem innerhalb des definierten Zeitfensters (D) gespeicherten Wert (P_n-1,...,P_n-N) oder dem Mittelwert (P_mean) des zumindest einen Betriebsparameters (P) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Betriebsparameter (P) eine mittels eines Temperatursensors (68) erfasste Temperatur (T) des Wechselpacks (10), insbesondere zumindest einer Energiespeicherzelle (46) des Wechselakkupacks (10), ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Wechselakkupacks (10) in Verfahrensschritt c (86) gestoppt wird, wenn ein in Verfahrensschritt a (84) erfasster bzw. in Verfahrensschritt b (86) gespeicherter Temperaturwert (T_n) den als Temperaturreferenz- bzw. Grenzwert (T_Th) ausgebildeten Referenz- bzw. Grenzwert (P_Th) von mindestens 0 °C unterschreitet oder von maximal 70 °C überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Wechselakkupacks (10) in Verfahrensschritt c (86) eingeschränkt wird, wenn ein in Verfahrensschritt a (84) erfasster bzw. in Verfahrensschritt b (86) gespeicherte Temperaturwert (T_n) den als Temperaturreferenz- bzw. Grenzwert (T_Th) ausgebildeten Referenz- bzw. Grenzwert (P_Th) von mindestens 10 °C unterschreitet oder von maximal 60 °C, insbesondere 50 °C, überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz als ein Temperaturgradient (T_grad) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Wechselakkupacks (10) in Verfahrensschritt d (88) eingeschränkt oder gestoppt wird, wenn der Temperaturgradient (T_grad) einen Temperaturgradientengrenzwert (T_grad,max), insbesondere von 2,5 K/s, bevorzugt 1,25 K/s, übersteigt oder insbesondere von -2,5 K/s, bevorzugt -1,25 K/s, unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturgradientengrenzwert (T_grad,max) abhängig von einem im Wechselakkupack (10) fließenden Lade- bzw. Entladestrom (I) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Betriebsparameter (P) ein Widerstandswert (R_C) eines Kodierwiderstands (74) des Wechselakkupacks (10) ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb des Wechselakkupacks (10) in Verfahrensschritt c (86) gestoppt wird, wenn der in Verfahrensschritt a (84) erfasste bzw. in Verfahrensschritt b (86) gespeicherte Widerstandswert (R_C,n) von einem als ein Kodierwiderstandsreferenz- bzw. -grenzwert (R_Th) ausgebildeten Referenz- bzw. Grenzwert (P_Th) um mehr als 10%, bevorzugt um mehr als 5 %, abweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz als ein Widerstandsgradient (R_grad) ausgebildet ist, wobei der Betrieb des Wechselakkupacks (10) in Verfahrensschritt d (88) gestoppt wird, wenn der Widerstandsgradient (R_grad) einen Widerstandsgradientengrenzwert (R_grad,max) von 10 Ω/s, bevorzugt 1 Ω/s, besonders bevorzugt 0,1 Ω/s, überschreitet.
Wechselakkupack (10) mit einer ersten Überwachungseinheit (56) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wechselakkupack (10) zumindest einen Temperatursensor (68) und/oder zumindest einen Kodierwiderstand (74) und eine erste elektromechanische Schnittstelle (14) mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) zur Verbindung mit einem Elektrogerät (16) aufweist.
Elektrogerät (16), insbesondere Ladegerät (18), Diagnosegerät (20) oder elektrischer Verbraucher (22), mit einer weiteren Überwachungseinheit (60) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, wobei das Elektrogerät (16) eine weitere elektromechanische Schnittstelle (24) mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte (12) aufweist, wobei ein erster der elektrischen Kontakte (12) als ein mit einem ersten Bezugspotential (V₁), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V₊), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (42), ein zweiter der elektrischen Kontakte (12) als ein mit einem zweiten Bezugspotential (V₂), vorzugsweise einem Massepotential (GND), beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt (44), und zumindest ein dritter der elektrischen Kontakte (12) als ein Signal- bzw. Datenkontakt (62) zum Datenaustausch zwischen der weiteren Überwachungseinheit (60) und dem Wechselakkupack (10) ausgebildet ist.
System umfassend zumindest einen Wechselakkupack (10) nach Anspruch 15 und zumindest ein Elektrogerät (16) nach Anspruch 16.