DE19917473A1

DE19917473A1 - Vorrichtung zur Ermittlung des Ladezustandes eines Akkumulators mit zeitlich veränderlicher maximaler Ladungskapazität

Info

Publication number: DE19917473A1
Application number: DE1999117473
Authority: DE
Inventors: Heinz Schmiedel
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1999-04-17
Filing date: 1999-04-17
Publication date: 2000-10-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln der von einem Akkumulator abgebenen elektrischen Ladung sowie ein Akkumulator-betriebenes Gerät. Bekannte Meßgeräte berücksichtigen nicht die Veränderung der maximalen Ladungskapazität eines Akkumulators, so daß weder die verbleibende Restladung noch die verfügbare Betriebszeit eines Akkumulators berechnet werden kann. Um diese Nachteile zu beseitigen, wird eine Vorrichtung mit einer programmierbaren Recheneinheit (5) bereitgestellt, die die aktuell gemessene Akkumulatorspannung mit der gespeicherten Tiefenladungsspannung (U¶T¶) des Akkumulators vergleicht und einen Tiefenladungszustand des Akkumulators (1) erkennt, wenn die aktuell gemessene Akkumulatorspannung kleiner oder gleich der gespeicherten Tiefentladungsspannung (U¶T¶) ist. Ferner kann die programmierbare Recheneinheit (5) in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom die vom Akkumulator (1) bis zum Zeitpunkt des Erkennens des Tiefenladungszustandes abgegebene Ladung (Q¶a¶) ermitteln und diese als die aktuelle maximale Ladungskapazität (Q¶max¶) des Akkumulators (1) in einem zweiten Speicher (8) ablegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Ladezustandes eines Akkumulators mit zeitlich veränderlicher maximaler Ladungskapazität sowie ein Akkumulator-betriebenes Gerät.

Akkumulatoren sind elektrochemische Energiespeicher, die aufgrund ihrer Wiederaufladbarkeit insbesondere in tragbaren Geräten, wie etwa Handys, Notebooks, und Videokameras, häufig zum Einsatz kommen. Mit entsprechenden Ladegeräten läßt sich der Akkumulator auf einfache Weise immer wieder über das Stromnetz aufladen. Allerdings nimmt bei zahlreichen Akkumulatoren, insbesondere bei preisgünstigen Nickel- Cadmium-Akkumulatoren die maximale Ladungskapazität im voll geladenen Zustand im Laufe mehrere Lade-Entladezyklen ab, so daß die ursprüngliche maximale Ladungskapazität, die ein fabrikneuer Akkumulator besitzt, nicht mehr erreicht werden kann. Dieser Sachverhalt hängt im wesentlichen damit zusammen, daß bei der Aufladung des Akkumulators keine vollständige Trennung der positiven und negativen Ladungsteilchen mehr erfolgt. Mit zunehmender Anzahl von Auf- und Entladephasen finden somit materialabhängige Degenerationsprozesse im Akkumulator statt. Solche Degenerationsprozesse ereignen sich auch bei unsachgemäßer Ladung und Entladung des Akkumulators.

Üblicherweise enthalten Akkumulator-betriebene Geräte eine Ladezustandsanzeige, die jedoch nur die Akkumulatorspannung messen und daraus den aktuellen Ladezustand ermitteln und anzeigen. Nachteilig ist dabei insbesondere, daß der Benutzer nicht über die wirklich im Akkumulator noch verfügbare Ladungskapazität informiert werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die die momentane, tatsächlich noch zur Verfügung stehende Ladungskapazität eines Akkumulators ermitteln kann, selbst wenn sich dessen maximale Ladungskapazität verändert hat.

Dieses technische Problem löst die Erfindung zum einen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Hierzu weist die Vorrichtung eine mit einem Akkumulator verbundene Einrichtung zum Messen des vom Akkumulator abgegebenen Stroms auf. Die Strommessung kann beispielsweise über ein gewöhnliches Strommeßgerät erfolgen. Weiterhin ist wenigstens ein erster Speicher vorgesehen, in dem die vorbestimmte Tiefentladungsspannung (U_T) des Akkumulators abgelegt ist. Die Tiefentladungsspannung kann beispielsweise die für die Aufrechterhaltung des Betriebs eines Akkumulator betriebenen Gerätes kritische Spannung sein. Mit einer weiteren Meßeinrichtung kann die Akkumulatorspannung gemessen werden. Eine mit einem Zeitgeber verbundene programmierbare Recheneinheit vergleicht die aktuell gemessene Akkumulatorspannung mit der gespeicherten Tiefentladungsspannung (U_T) des Akkumulators und erkennt einen Tiefentladungszustand des Akkumuklators, wenn die aktuell gemessene Akkumulatorspannung kleiner oder gleich der gespeicherten Tiefentladungsspannung (U_T) ist. Ferner ermittelt die programmierbare Recheneinheit in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom die vom Akkumulator bis zum Zeitpunkt des Erkennens des Tiefentladungszustandes abgegebene Ladung (Q_a) und legt diese als die aktuelle maximale Ladungskapazität (Q_max) des Akkumulators (1) in einem zweiten Speicher ab. Mit Hilfe dieser Vorrichtung kann die aktuelle maximale Ladungskapazität des Akkumulators, die in Abhängigkeit von der Häufigkeit erfolgter Lade- Entladungszyklen gegenüber der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität abnimmt, ermittelt werden. Nach jedem Entladungsvorgang des Akkumulators steht demnach die aktuelle maximale Ladungskapazität Q_max des Akkumulators zur weiteren Auswertung zur Verfügung, die kleiner als die ursprüngliche maximalen Ladungskapazität Q_U eines fabrikneuen, noch nicht entladenen Akkumulators ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Recheneinheit kann die vom Akkumulator abgegebene elektrische Ladung als Integral des gemessenen Stroms über der Zeit berechnen.

Um Energie sparen zu können, kann die Recheneinheit nach dem Erkennen des Tiefentladungszustandes, d. i. der Zustand, bei dem die aktuell gemessene Akkumulatorspannung kleiner oder gleich der gespeicherten Tiefentladungsspannung ist, die Ermittlung der vom Akkumulator abgegebenen elektrischen Ladung beenden.

Die ursprüngliche maximale Ladungskapazität Q_U kann ebenfalls in dem ersten Speicher abgelegt sein, um damit beispielsweise die vom Akkumulator prozentual abgegebene elektrische Ladung, ausgedrückt durch das Verhältnis von der augenblicklich abgegebenen Ladung Q_a zu der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität Q_U multipliziert mit 100, zu berechnen. Sofern die ursprüngliche maximale Ladungskapazität infolge eines oder mehrerer Lade-Entladezyklen auf die maximale Ladungskapazität Q_max abgenommen hat, wird die prozentual abgegebene Ladung aus dem Verhältnis von der augenblicklich abgegebenen Ladung Q_a zu der maximalen Ladungskapazität Q_max multipliziert mit 100 bestimmt. Auf diese Weise wird eine Größe, etwa eine Verhältnisgröße, bereitgestellt, aus der sich die noch verbleibende aktuelle Ladungskapazität des Akkumulators bestimmten läßt.

Die Recheneinheit kann ferner aus der Differenz zwischen der aktuell abgegebenen Ladung Q_a und der aktuellen maximalen Ladungskapazität Q_max oder der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität Q_U die verbleibende aktuelle Restladung Q_r des Akkumulators ermitteln. Die verbleibende Restladung kann auch als prozentuale Größe ausgedrückt werden, indem der Quotient aus der verbleibenden Restladung und der aktuellen oder ursprünglichen maximalen Ladungskapazität multipliziert mit 100 berechnet wird.

Mit Hilfe der ermittelten aktuellen Restladung Q_r und der ursprünglichen oder aktuellen maximalen Ladungskapazität Q_max läßt sich die verbleibende Betriebsdauer des Akkumulators bei Kenntnis des Energieverbrauchs des Akkumulator betriebenen Gerätes berechnen. Es steht schließlich ein Wert zur Verfügung, der die verbleibende Betriebsdauer des Akkumulator-betriebenen Gerätes angibt und durch eine Anzeigeeinrichtung wiedergegeben werden kann. Auf diese Weise erhält der Benutzer eine genaue Kontrolle über die verbleibende Nutzungszeit des Gerätes, nach der eine Aufladung nötig wird.

Um eine ständige Betriebsbereitschaft des Akkumulators zu gewährleisten, ist eine Einrichtung zum Regenerieren des Akkumulators vorgesehen. Eine Regeneration des Akkumulators wird beispielsweise durchgeführt, wenn der in der Recheneinheit ermittelte Wert für Q_max/Q_U einen vorbestimmten Wert, beispielsweise von 0,5, unterschreitet.

Dank der Vorrichtung ist es möglich, dem Anwender eines Akkumulator-betriebenen Gerätes eine genaue Information über die noch zur Verfügung stehende Restladung und damit über die noch nutzbare Betriebszeit zu geben. Insbesondere berücksichtigt die Vorrichtung die Tatsache, daß die aktuelle maximale Ladungskapazität mit jedem Lade-Entladezyklus gegenüber der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität eines fabrikneuen Akkumulators abnimmt.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen darin:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung integriert in einer beispielhaften Anwendung.

In Fig. 1 ist eine intelligente Ladungsanzeigeeinrichtung mit einem zu überwachenden Akkumulator 1 dargestellt. Parallel zum Akkumulator ist ein Spannungsmeßgerät 4 zum Messen der aktuellen Akkumulatorspannung geschaltet. Um den vom Akkumulator 1 an einen Verbraucher 3 abgegebenen Strom messen zu können, ist ein Strommesser 2 in Reihe zum Akkumulator 1 geschaltet. Die gemessene Akkumulatorspannung und der gemessene, vom Akkumulator 1 abgegebenen Strom wird einem Prozessor 5 kontinuierlich oder in vorbestimmbaren zeitlichen Abständen übermittelt. Der Prozessor 5 kann auf einen Speicher 7 zugreifen, in dem die Tiefentladungsspannung U_T und die ursprüngliche maximale Ladungskapazität Q_u des fabrikneuen Akkumulators 1 abgelegt sind. Ferner ist der Prozessor 5 mit einem Zeitgeber 6 verbunden, mit dessen Hilfe der Prozessor 5 zu jedem Zeitpunkt die aktuelle, vom Akkumulator 1 abgegebene elektrische Ladung Q_a als Integral des gemessenen Stroms über der Zeit ermitteln kann. Der Prozessor 5 ist ferner mit einem Speicher 8 verbunden, dessen Zweck weiter unten erläutert wird. Alle vom Prozessor 5 ermittelten Größen können an einem Display 9 sichtbar gemacht werden.

Fig. 2 stellt ein gewöhnliches Akkumulator-betreibbares Notebook 3 dar, in dem die in Fig. 1 gezeigte intelligente Ladungsanzeigeeinrichtung verwirklicht ist und das dem in Fig. 1 gezeigten Verbraucher 3 entspricht. An einem Display 11 können insbesondere alle vom Prozessor 5 errechneten Daten angezeigt werden.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der intelligenten Ladungsanzeigeeinrichtung näher beschrieben.

Bei der Initialisierung der intelligenten Ladungsanzeigeeinrichtung lädt der Prozessor 5 die ursprüngliche maximale Ladungskapazität Q_u aus dem Speicher 7 und schreibt sie als aktuelle maximale Ladungskapazität Q_max in den Speicher 8. Im Betrieb liefert der Zeitgeber 6 regelmäßig Zeitsignale an den Prozessor 5. Der Prozessor 5 erhält ferner die vom Spannungsmesser 4 und vom Stromesser 2 gemessenen Spannungs- bzw Stromwerte und ermittelt zu vorbestimmten Zeitpunkten oder kontinuierlich die vom Akkumulator 1 abgegebene Ladung Q_a als Integral des gemessenen Stroms über der vom Zeitgeber 6 gelieferten Zeit. Der Prozessor 5 beendet die Ermittlung der abgegebenen Ladung, sobald ein Vergleich ergibt, daß die am Akkumulator 1 durch das Spannungsmeßgerät 4 gemessene Spannung unter die im Speicher 7 abgelegte Tiefentladungsspannung fällt. Da der Prozessor 5 die Zeit und den vom Akkumulator 1 abgegebenen Strom bis zum Erreichen des Tiefentladungszustand ermittelt, kann die abgegebene Gesamtladungsmenge des Akkumulators berechnet werden, die dann als neue aktuell maximale Ladungskapazität Q_max des Akkumulators 1 in den Speicher 8 geschrieben wird. Nach diesem ersten Entladevorgang des Akkumulators 1 steht nunmehr eine maximale Ladungskapazität im Speicher 8, die kleiner ist als die ursprüngliche maximale Ladungskapazität Q_u. Die oben beschriebene Prozedur wird für jeden Entladevorgang durchgeführt, so daß der Prozessor 5 für alle erforderlichen Berechnungen zu jeder Zeit über die aktuelle maximale Ladungskapazität Q_max des Akkumulators 1 verfügt. Während eines Entladevorganges kann der Prozessor 5 das Verhältnis zwischen der bis zu einem beliebigen Zeitpunkt abgegebenen Ladung Q_a, deren Größe ständig verfügbar ist, und der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität Q_u oder der aktualisierten maximalen Ladungskapazität Q_max des Akkumulators 1, die im Speicher 8 abgelegt ist, ermitteln, daraus die prozentual abgegebene Ladung Q_a berechnen und am Display 9 darstellen. Durch Differenzbildung der Größen der aktuellen abgegebenen Ladung Q_a und der aktuellen maximalen Ladungskapazität Q_max oder der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität Q_u kann in besonders vorteilhafter Weise die verbleibende aktuelle Restladung Q_r des Akkumulators 1 ermittelt und daraus die prozentuale verbleibende Restladung durch den Ausdruck (Q_r/Q_max).100% berechnet und beispielsweise auf dem Display 11 des in Fig. 2 gezeigten Notebooks 3 dargestellt werden.

Aus dem bekannten gerätespezifischen Stromverbrauch des durch den Akkumulator 1 betriebenen Notebooks 3 und der zu jeder Zeit bekannten Restladung Q_r des Akkumulators 1 kann der Prozessor 5 auch die verbleibende Betriebszeit des Notebooks 3 errechnen und auf dem Display 12 anzeigen lassen.

Wird das in Fig. 2 dargestellte Notebook 3 einmal ausgeschaltet, dann werden alle aktuellen Werte im Speicher 8 zwischengespeichert, die nach dem Einschalten wieder vollständig zur Verfügung stehen.

Ferner ist der Prozessor 5 derart ausgebildet, daß er nach jedem Entladevorgang das Verhältnis zwischen der aktualisierten maximalen Ladungskapazität Q_max und der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität Q_u berechnen kann. Ist der Quotient Q_max/Q_u kleiner oder gleich einem vorbestimmten Grenzwert, aktiviert der Prozessor 5 eine Regenerations-Einrichtung (nicht dargestellt), die den Akkumulator automatisch regeneriert.

Claims

1. Vorrichtung zur Ermittlung des Ladezustandes eines Akkumulators (1) mit zeitlich veränderlicher maximaler Ladungskapazität mit folgenden Merkmalen:

- ein Akkumulator (1);
- eine mit dem Akkumulator (1) verbundene Einrichtung (2) zum Messen des vom Akkumulator abgegebenen Stroms,
- wenigstens einen ersten Speicher (7), in dem die vorbestimmte Tiefentladungsspannung (U_T) des Akkumulators (1) abgelegt ist,
- eine Einrichtung (4) zum Messen der Akkumulatorspannung;
- eine mit einem Zeitgeber (6) verbundene programmierbare Recheneinheit (5), die die aktuell gemessene Akkumulatorspannung mit der gespeicherten Tiefentladungsspannung (U_T) des Akkumulators vergleicht und einen Tiefentladungszustand des Akkumuklators (1) erkennt, wenn die aktuell gemessene Akkumulatorspannung kleiner oder gleich der gespeicherten Tiefentladungsspannung (U_T) ist, und,
wobei die programmierbare Recheneinheit (5) in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom die vom Akkumulator (1) bis zum Zeitpunkt des Erkennens des Tiefentladungszustandes abgegebene Ladung (Q_a) ermittelt und diese als die aktuelle maximale Ladungskapazität (Q_max) des Akkumulators (1) in einem zweiten Speicher (8) ablegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die programmierbare Recheneinheit (5) die vom Akkumulator (1) abgegebene Ladung (Q_a) als Integral des gemessenen Stroms über der Zeit ermittelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (5) nach dem Erkennen des Tiefentladungszustands die Ermittlung der vom Akkumulator (1) abgegebenen elektrischen Ladung (Q_a) beendet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Speicher (7) die ursprüngliche maximale Ladungskapazität (Q_u) des Akkumulators (1) abgelegt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (5) das Verhältnis zwischen der bis zu einem beliebigen Zeitpunkt abgegebenen Ladung (Q_a) und der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität (Q_u) oder der aktuellen maximalen Ladungskapazität (Q_max) des Akkumulators (1) ermitteln kann.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (5) die Differenz zwischen der aktuell abgegebenen Ladung (Q_a) und der aktuellen maximalen Ladungskapazität (Q_max) oder der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität (Q_u) des Akkumulators berechnen und daraus die verbleibende aktuelle Restladung (Q_r) des Akkumulators (1) ermitteln kann.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (5) das Verhältnis zwischen der aktuellen Restladung (Q_r) und der ursprünglichen maximalen Ladungskapazität (Q_u) oder der aktuellen maximalen Ladungskapazität (Q_max) des Akkumulators ermitteln kann.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (5) zum Berechnen der verbleibenden Betriebsdauer des Akkumulators ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Regenerieren des Akkumulators (1), wobei die Recheneinheit (5) die Regenerationseinrichtung aktiviert, wenn die aktuelle maximale Ladungskapazität (Q_max) des Akkumulators (1) einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung (9) zum Anzeigen der von der Recheneinheit (5) ermittelten Werte.

11. Akkumulator-betriebenes Gerät mit einer Vorrichtung zum Ermitteln der von einem Akkumulator (1) abgegebenen elektrischen Ladung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.