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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zur Prüfung der Funktionsfähigkeit
von mindestens zwei zusammengeschalteten Akkumulatoren.
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Elektrochemische
Energiespeicher werden häufig
in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Funktionsfähigkeit
der versorgten Anlage unmittelbar von der Funktionsfähigkeit
des elektrochemischen Energiespeichers abhängt. In vielen Fällen ist
die Betriebssicherheit akut gefährdet,
wenn der elektrochemische Energiespeicher einen Teil seiner Speicherfähigkeit
verloren hat oder wenn sein Ladezustand zu gering ist. Bekannte
Beispiele dafür
sind die Starterbatterie im Kraftfahrzeug oder der Akkumulator in
einem tragbaren Computer oder in einem tragbaren Telekommunikationsgerät.
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Bei
der Beurteilung des Betriebszustandes des Akkumulators ist zu unterscheiden,
ob dieser nur einen niedrigen Ladezustand aufweist oder ob seine Speicherfähigkeit
nachgelassen hat. In vielen dieser Anwendungen sind Vorrichtungen
vorgesehen, die dem Benutzer Auskunft über die Verfügbarkeit
des Akkumulators geben. Tragbare Computer weisen beispielsweise
Ladezustandsanzeigen für
den der Versorgung dienenden Akkumulator auf. Dabei ist es auch üblich, daß im Falle
der erwarteten Erschöpfung der
im Akkumulator gespeicherten elektrischen Energie selbsttätig Maßnahmen
ergriffen werden, um einem unkontrollierten Betriebsende des Gerätes zuvorzukommen,
indem beispielsweise der aktuelle Speicherinhalt auf die Festplatte
geschrieben wird. Dadurch wird ein Schaden in Form des Verlustes
von Informationen vermieden.
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Grundsätzlich lassen
sich zwei verschiedene Verfahren der Überprüfung von Akkumulatoren unterscheiden:
Bei
rein passiv arbeitenden Verfahren wird durch eine Beschattung das
Verhalten des Akkumulators während
des Betriebes des Gerätes
beobachtet, wobei die elektrische Belastung des Akkumulators allein von
der Anwendung abhängt.
Die Beobachtungsschaltung ist bei den aus der Beobachtung gewonnenen
Erkenntnissen auf das zufällige
und von ihr nicht beeinflußte
Belastungsverhalten im Betrieb des Gerätes angewiesen. Diese Verfahren
haben den Vorteil, daß der
Akkumulator durch das Prüfverfahren nicht
unnötig
belastet wird. Ein Nachteil der Verfahren besteht darin, daß im allgemeinen
eine Vorhersage für
das Verhalten des Akkumulators nur bei Belastung gemacht werden
kann, wie sie während
des Betriebes, den die Überwachungseinrichtung
beobachten kann, vorkommt. Zeichnet sich dieser Betrieb durch eine
nur geringe Belastung des Akkumulators aus, so ist beispielsweise
keine Vorhersage für
das Verhalten des Akkumulators im Falle hoher Belastung möglich. Akkumulatoren
zeigen jedoch, je nach Belastungsstromstärke, ein deutlich unterschiedliches
Verhalten, und so ist es durchaus möglich, dass ein Akkumulator
mit kleiner Belastung noch eine sehr lange Zeit den Betrieb der
davon abhängenden
Anlage sicherstellen kann, dass jedoch die Spannung bei hoher Belastung
sehr rasch zusammenbricht und damit ein weiterer Betrieb nicht mehr
möglich
ist. Passive Einheiten können
solche Situationen im Allgemeinen nicht vorhersagen.
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Aus
diesem Grunde wird bei kritischen Anwendungen eine aktive Überwachungseinrichtung vorgesehen.
Eine solche beschränkt
sich nicht nur darauf, das Verhalten de Akkumulators unter den üblichen
Belastungsverhältnissen
zu beobachten, ohne diese zu beeinflussen, sondern prägt selbst
dem Akkumulator aktiv einen Strom oder eine Spannung auf. Die Spannungs-
bzw. Stromantwort des Systems wird beobachtet und aus diesem Verhalten
auf den Ladezustand oder die allgemeine Betriebsbereitschaft des
Akkumulators zurückgeschlossen.
Das Belastungsprofil, welches dem Akkumulator aufgeprägt wird,
kann aus Entlade- oder Ladebelastungen, oder auch aus einer Kombination
von beidem, bestehen.
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Entladebelastungen
lassen sich im Allgemeinen recht einfach erzeugen. Der Akkumulator
wird beispielsweise kurzfristig über
einen Widerstand belastet oder das von ihm betriebene Gerät ein- und ausgeschaltet,
sofern die Betriebsbedingungen für dieses
Gerätes
das zulassen. Strom- und Spannungsverlauf während der Belastung und nach
Abschaltung ermöglichen
oft einen Rückschluss
auf den inneren Zustand des Akkumulators. Schwieriger zu realisieren
sind Belastungen des Akkumulators in Laderichtung, weil hierzu eine
externe Energiequelle oder aber zumindest eine Zwischenspeicherung
von Energie, etwa in einem Kondensator oder einer Spule, nötig ist.
Dies erfordert einen erhöhten
schaltungstechnischen Aufwand und auch ggf. das Vorsehen weiterer
Baukomponenten. Für
autark arbeitende Einheiten, wie z. B. ein Kraftfahrzeug, einen
tragbaren Computer oder eine tragbare Telekommunikationseinrichtung,
wird deshalb im Allgemeinen auf die Möglichkeit einer Überprüfung des
Akkumulators durch eine Belastung in Laderichtung verzichtet.
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In
der
DE 29 48 053 C2 ist
eine Schaltungsanordnung zum Prüfen
von im Verbund geschalteten Akkumulatorenauflade- und Entladeverhalten
beschrieben, wobei mit einem Messwertaufnehmer für jede Batterie der Spannungsabfall
jeweils unter Last abgegriffen und angezeigt wird.
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In
der
DE 39 40 928 C1 ist
eine Überwachungseinrichtung
für Akkumulatoren
beschrieben, bei der ein Ladungsausgleich zwischen Akkumulatoren
mit niedrigem und höherem
Ladezustand in Abhängigkeit
von der Akkumulatorenspannung durchgeführt wird. Dabei wird eine Prüfung der
Entladung durchgeführt
und die entladene Energie am anderen Akkumulator zugeführt.
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Aber
auch die technisch einfacher zu realisierende und daher in vielen
Anwendungsfällen übliche Methode
der Belastung in Entladerichtung hat den schwerwiegenden Nachteil,
dass die dem Akkumulator zu Testzwecken entnommene Energiemenge
unnötig
verbraucht wird und der Ladezustand des Akkumulators entsprechend
herabgesetzt wird. Bei häufiger Überprüfung des
Akkumulatorzustandes kann diese zusätzliche Belastung eine erhebliche Verminderung
der Betriebsdauer des vom Akkumulator gespeisten Gerätes bedeuten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Nachteile bekannter Verfahren und Anordnungen
zu vermeiden und ein Überprüfungsverfahren
anzugeben, welches insbesondere keine zusätzliche Entladung des Akkumulators
mit sich bringt.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst;
vorteilhafte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung ermöglicht
es in dem Fall, daß mindestens
zwei elektrochemische Speichersysteme vorhanden sind, die miteinander
verschaltet sind, eine Prüfung
der Akkumulatoren durch Aufprägung von
Lade- und Entladebelastungen zu ermöglichen, ohne daß dabei
ein deutlich erhöhter
Energieverbrauch der Akkumulatoren in Kauf zu nehmen ist.
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Erfindungsgemäß wird daher
einem der Akkumulatoren elektrische Energie entzogen, d.h. er wird
einer Entladebelastung unterzogen und gleichzeitig wird die dabei
abgegebene elektrische Energie einem anderen Akkumulator zugeführt. Dieser
wird also einer Ladebelastung unterzogen.
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In
einem nächsten
Schritt kann in einem darauffolgenden Zeitraum eine Prüfung in
umgekehrter Richtung erfolgen, d.h. der zweitgenannte Akkumulator
wird entladen, und dabei die ihm entnommene Energie dem erstgenannten
Akkumulator wieder zugeführt.
Bis auf die durch die elektrische Beschattung selbst verbrauchte
Energie ist damit der Ausgangszustand beider Akkumulatoren wiedehergestellt,
und es liegen Erkenntnisse über
das Verhalten beider Akkumulatoren sowohl in Lade- wie in Entladerichtung vor.
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Dieses
Verfahren läßt sich
vorteilhaft in all jenen Fällen
anwenden, in denen zwei gleichartige Akkumulatoren zu prüfen sind.
Diese müssen
nicht notwendigerweise unabhängige
Akkumulatoren-Batterien sein, sondern es kann sich dabei auch um
einzelne Zellen oder Gruppen von Zellen der gleichen Akkumulatoren-Batterie
handeln.
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Die
Energie zur Prüfung
des Zustandes des Akkumulators kann somit einem Einzelakkumulator oder
einer verschalteten Gruppe von Akkumulatorenzellen entnommen werden
und zur Ladung einer Einzelzelle oder einer Gruppe von Akkumulatorenzellen verwendet
werden.
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Da
bei einer Entladung eines Akkumulators die abgegebene Spannung unter
der Ruhespannung des Akkumulators liegt, und die zur Ladung eines
Akkumulators erforderliche Spannung höher als seine Ruhespannung
ist. muß im
Falle der gegenseitigen aufeinanderfolgenden Prüfung zweier gleichartiger Akkumulatoren
mit gleicher Zellenzahl eine elektronische Schaltung in Form eines
Spannungswandlers zwischengeschaltet werden, um die verschiedenen Spannungen
in geeigneter Weise umzusetzen.
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Es
ist jedoch nicht nur möglich,
gleichartige Akkumulatoren oder Akkumulatorenteile gegeneinander
zu prüfen,
sondern es können
auch die Einzelzellen eines mehrzelligen Akkumulators beispielsweise
in drei Gruppen zusammengefaßt
werden. Im ersten Schritt werden dann die ersten beiden Gruppen
in Serie geschaltet und entladen und die dabei gewonnene Energie
der dritten Gruppe zur Ladung zugeführt. Im zweiten Schritt werden
die erste und die dritte Gruppe in Serie geschaltet und die bei
ihrer Entladung gewonnene Energie der zweiten Gruppe zugeführt. Im
dritten Schritt werden dann die zweite und dritte Gruppe in Reihe
geschaltet und die bei ihrer Entladung gewonnene Energie der ersten
Gruppe zugeführt.
Durch diese Verfahrensweise gewinnt man Erkenntnisse über das
Entladeverhalten aller drei Gruppen, ebenso wie Kenntnisse über das
Ladeverhalten aller drei Gruppen.
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Erfindungsgemäß ist es
auch möglich,
Akkumulatoren unterschiedlicher Spannung, unterschiedlicher Speicherkapazität, unterschiedlicher
Bauart oder gar unterschiedlicher elektrochemischer Speichertechnik
zu verwenden. Dabei wird die der entladenen Zelle entnommene elektrische
Energie durch einen Strom- oder einen Spannungswandler in der Weise
umgesetzt, daß sie
für die
Ladung der anderen Zellen verwendet werden kann.
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Insbesondere
kann es sehr zweckmäßig sein,
bei der Strom- und Spannungswandlung gleichzeitig eine galvanische
Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite vorzusehen.
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Es
ist auch möglich,
mehrere aufeinanderfolgende Entladungsprüfungen einer Zelle bei der
anderen Akkumulatorenzelle zu einer Ladung aufzusummieren.
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Über einen
Algorithmus kann aus dem Stromspannungsverhalten der geprüften Einheiten auf
deren Ladezustand, deren Betriebszustand, deren Speicherkapazität oder deren
Verfügbarkeit
geschlossen werden. Aus dem für
die einzelnen Akkumulatoren abgeleiteten Status kann dann auch auf den
Gesamtzustand der Gesamtheit der geprüften Akkumulatoren rückgeschlossen
werden. Vorteilhaft kann es sein, die bei der Prüfung verwendete Belastung in
Entlade- oder Laderichtung größer zu wählen als
dies der Belastung im normalen Betrieb dieses Akkumulators entspricht.
Die Prüfung
erfolgt, während
die zu prüfenden
Akkumulatoreneinheiten den von ihnen versorgten oder gesicherten
Verbraucher mit elektrischer Energie versorgen oder vorzugsweise,
während
die Akkumulatoreneinheiten von ihren Verbrauchern nicht belastet
werden.
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Ein
einfaches Beispiel für
die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Prüfung einer
Akkumulatoren-Batterie einer tragbaren Telekommunikationseinrichtung
oder eines tragbaren Computers, die im allgemeinen aus einer Reihenschaltung
mehrerer Einzelzellen gleicher Kapazität und Bauart bestehen. Hier
kann eine gegenseitige Prüfung
der einzelnen Akkumulato ren erfolgen. Ein komplizierteres Verfahren
erfolgt bei der Prüfung
von Akkumulatoren in einem Kraftfahrzeug mit einem sogenannten Zwei-Batterien-Bordnetz.
Hier werden anstelle der heute üblichen
Starterbatterie, die sowohl für
das Anlassen des Verbrennungsmotors wie für die Zwischenspeicherung der
vom Generator abgegebenen elektrischen Energie zum Betrieb der sonstigen elektrischen
Komponenten des Fahrzeugs verwendet wird, durch je eine speziell
auf den Startvorgang und eine auf die Versorgung spezialisierte
Batterie vorgesehen. Diese beiden Batterien sind zumindest in ihrer
Kapazität
und Bauart, möglicherweise
auch in ihrer Spannung und der verwendeten elektrochemischen Speichertechnik,
unterschiedlich. Die gegenseitige Prüfung dieser beiden unterschiedlichen
Batterien ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich.
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Die
erfindungsgemäße wechselseitige
Prüfung
von Akkumulatoren oder Gruppen von Einzelzellen von Akkumulatoren
in der Art, daß ein
Akkumulator oder eine Gruppe von Akkumulatoren zum Zwecke der Prüfung entladen
und die dabei freigesetzte elektrische Energie einem anderen Akkumulator
oder einer anderen Akkumulatoren-Gruppe zum Zwecke der Ladung zugeführt wird,
ermöglicht
eine kontinuierliche und einwandfreie Überwachung des Betriebs bzw.
Ladezustands der Akkumulatoren. Dabei wird das Strom-/Spannungsverhalten
der Akkumulatorenzellen sowohl bei Entladung als auch bei Ladung
zur Beurteilung ihrer Verfügbarkeit
herangezogen. Ein solches Verfahren ist insbesondere in sicherheitsrelevanten
Anlagen besonders vorteilhaft einsetzbar. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfordert keine zusätzliche
externe Energiequelle.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
entsteht ein autarkes System, das sich selbst prüft und bei dem sowohl in üblicher
Weise das Entladeverhalten des Akkumulators und darüberhinaus
auch das Ladeverhalten geprüft
wird. Die bei der Entladeprüfung
abgegebene Energie wird nicht einfach in Wärme umgesetzt, sondern sie
wird zur Ladung eines anderen Akkumulators oder Akkumulatorenteiles
verwertet. Nach der zyklischen Vertauschung der Rollen dieser beiden
Akkumulatoren wird stets der alte Ladezustand nahezu erreicht, und
es liegt eine auswertbare Information über den Zustand beider Akkumulatoren
bzw. Akkumulatorenteile vor.