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Die Erfindung betrifft ein Batterieüberwachungssystem zur Überwachung des Ladezustands von Batterien und ein dafür geeignetes Batteriesensormodul.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass der Ladezustand einer aufladbaren Fahrzeugbatterie zur Vermeidung von Fahrzeugpannen und zur Maximierung der Batterieleistung mittels eines Batteriesensors überwacht werden kann, der an die Pole der Batterie angeschlossen wird und Informationen über den Ladezustand der angeschlossenen Batterie an ein Smartphone überträgt, das eine entsprechende App aufweist und initial zur Freischaltung über eine verdrahtete Verbindung oder eine drahtlose Kurzdistanzfunkverbindung (z. B. Bluetooth®) mit dem Batteriesensor gekoppelt wird. Mit einem solchen System (z. B. CTX Battery Sense von CTEK) können auch mehrere Batterien, die jeweils mit einem Batteriesensor ausgestattet sind, nach Kopplung mit demselben Smartphone überwacht werden. Die Übertragung der Informationen zum Ladezustand der Batterie erfolgt von dem Batteriesensor über die drahtlose Kurzdistanzfunkverbindung, wobei der Ladezustand der Batterie kontinuierlich überwacht und eine Push-Benachrichtigung gesendet wird, wenn der Batteriesensor feststellt, dass der Ladezustand der angeschlossenen Batterie unter einen kritischen Wert fällt, sodass der Nutzer die Batterie rechtzeitig nachladen kann.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weiter hinsichtlich der Betriebseffizienz und einer Verlängerung der Einsatzdauer verbessertes Batterieüberwachungssystem und ein dafür geeignetes Batteriesensormodul bereitzustellen, wobei ferner der Datenverkehr minimiert und die Betriebssicherheit der Batterie maximiert werden soll.
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Diese Aufgabe wird durch ein Batterieüberwachungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Batteriesensormodul mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems, das zumindest ein Batteriesensormodul und ein Endgerät aufweist, kann der Ladezustand einer zu überwachenden Batterie, an die das Batteriesensormodul angeschlossen wird, über ein Monitoring-Portal auf einem beliebigen Endgerät mit Internetanbindung überwacht werden. Das Endgerät muss dabei nicht mit dem Batteriesensormodul gekoppelt werden, sodass sich das Endgerät auch deutlich außerhalb der Reichweite einer drahtlosen Kurzdistanzfunkverbindung oder eines lokalen Funknetzes befinden kann.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystem überwachbaren Batterien sind insbesondere wieder aufladbare Batterien bzw. Akkumulatoren, die zum Betreiben mobiler IT-Plattformen/-Systeme verwendet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystem können Akkusysteme jeglicher Art, wie beispielsweise Lithiumionenakkumulatoren, Blei-Säure-Batterien (AGM) etc. überwacht werden. Dabei steht insbesondere die Ressourcenschonung im Vordergrund, wobei durch die ständige Überwachung der Batterie die Einsatzdauer und damit die Lebensdauer eines Akkumulators verlängert werden soll. Werden Akkusysteme im kritischen Umfeld verwendet, kann damit auch die Einsatzsicherheit erhöht werden, da zu jeder Zeit eine Statusinformation zum Batteriezustand abgerufen werden kann.
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Weitere Einsatzbereiche eines erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems sind aber auch Notstrom-Backupsysteme, mobile Plattformen im industriellen Umfeld, mobile Logistiksysteme sowie fahrerlose Roboter, energieautarke Messsysteme, Marine bzw. Bootsanwendungen und im Bereich der E-Mobilität - z. B. für ein effektives Flottenmanagement von Elektrofahrzeugen oder E-Bikes.
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Das Batteriesensormodul des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems weist einen Ladezustandssensor und zwei Anschlussvorrichtungen zum Anschließen der zu überwachenden Batterie auf. Dazu werden die Anschlussvorrichtungen an den Polen der Batterie angeschlossen. Zum Anschluss des Batteriesensormoduls an die Batterie kann z. B. Minuspol in Reihe für die Messung und Betrieb und Pluspol für die Messung und zum Betrieb des Batteriesensormoduls gewählt werden. Es ist aber auch eine umgekehrte Anordnung möglich. Zum Übertragen von Informationen, die zumindest Informationen über den Ladezustand der zu überwachenden Batterie umfassen, weist das Batteriesensormodul ferner zumindest eine Datenübertragungsschnittstelle auf, wobei die Informationen über den Ladezustand Messdaten des Ladezustandssensors beinhalten. Die Messdaten, die auf den durch den Ladezustandssensor erfassten Messsignalen basieren, können unverarbeitete Rohdaten oder bereits verarbeitete oder gewandelte Daten sein. Zur Bereitstellung der Informationen über ein Monitoring-Portal weist das erfindungsgemäße Batterieüberwachungssystem einen Cloud-Datenserver auf. Dabei ist entweder die eine Datenübertragungsschnittstelle des Batteriesensormoduls als eine IoT-Schnittstelle ausgebildet, die direkt eine Internet-/IP-Verbindung zu dem Cloud-Datenserver ermöglicht, beispielsweise per WLAN oder per drahtloser IoT-Technologie, beispielsweise eine Chirp Spread Spectrum Modulationstechnik (LoRaWan (Long Range Wide Area Network)) oder eine Ultra-Schmalband-Technologie (z. B. SIGFOX). Oder das erfindungsgemäße Batterieüberwachungssystem weist ferner zumindest eine Gateway-Einheit auf, mit der die zumindest eine Datenübertragungsschnittstelle des Batteriesensormoduls verbunden oder verbindbar ist, wobei die Gateway-Einheit dazu ausgebildet ist, die Internet-/IP-Verbindung zu dem Cloud-Datenserver aufzubauen. Dabei ist die Gateway-Einheit eine von dem Batteriesensormodul separate Komponente, die die Informationen empfängt und an den Cloud-Server übermittelt. Die separate Gateway-Einheit kann dabei mit der Datenübertragungsschnittstelle verdrahtet oder über eine drahtlose Verbindungstechnologie, vorzugsweise eine Funkverbindung, verbunden sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Datenübertragungsschnittstelle zum Aufbau einer drahtlosen Internet-/IP-Verbindung bzw. einer drahtlosen Verbindung wie einer Funkverbindung mit der Gateway-Einheit ausgebildet. Um unterschiedliche Verbindungsmöglichkeiten bereitzustellen, kann das Batteriesensormodul in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zumindest zwei zum Aufbau einer Funkverbindung ausgebildete Datenübertragungsschnittstellen aufweisen, die unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzbänder nutzen, etwa ein ISM-Band (433,05 bis 434,79 MHz für Europa/Region 1 und/oder 902-928 MHz für Nordamerika/Region 2), SRD-Band (863 bis 870 MHz) oder WLAN-Band (2,4 GHz / 5 GHz). Selbstverständlich kann das Batteriesensormodul auch noch weitere Datenübertragungsschnittstellen, z. B. USB- oder Kurzdistanzfunkverbindungsschnittstellen aufweisen.
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Insbesondere kann das erfindungsgemäße Batterieüberwachungssystem mehrere Batteriesensormodule haben, die jeweils eine Datenübertragungsschnittstelle aufweisen, die, wie oben ausgeführt, als eine IoT-Schnittstelle zum Aufbau einer Internet-/IP-Verbindung zu dem Cloud-Datenserver ausgebildet ist, oder die jeweils mit einer Gateway-Einheit verbunden oder verbindbar ist, die die Internet-/IP-Verbindung zu dem Cloud-Datenserver bereitstellt. Ein erfindungsgemäßes Batterieüberwachungssystem mit mehreren Batteriesensormodulen kann aber auch eine Architektur aufweisen, bei der die Batteriesensormodule mittels jeweils einer Datenübertragungsschnittstelle ein vermaschtes Netz zur Übertragung der Informationen untereinander bilden. Die Übermittlung der Informationen aller Batteriesensormodule an den Cloud-Datenserver erfolgt dann von einem der Batteriesensormodule, das als Verbindungsknoten fungiert.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist das Batteriesensormodul nicht nur den Ladezustandssensor, sondern zumindest einen weiteren Sensor auf, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Sensoren für Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Wasserstoff, flüchtige organische Verbindungen (VOC), GPS-Sensoren, Bewegungssensoren und Beschleunigungssensoren aufweist. Die von der zumindest einen Datenübertragungsschnittstelle übertragenen Informationen umfassen dann auch die Informationen bzw. Messdaten jedes weiteren Sensors.
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Ferner kann das Batteriesensormodul einen Datenlogger zur Minimierung des Datenverkehrsaufkommens aufweisen und mit einem intelligenten Algorithmus zur Verarbeitung der Messdaten zumindest des Ladezustandssensors betrieben werden. Dabei ist der Algorithmus zum selbstständigen Erkennen zumindest eines Parameters ausgebildet, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die zumindest einen Batterietyp, einen aktuellen Ladezustand, einen Zeitpunkt zur Datenübertragung und einen Messzeitraum umfasst. Der Zeitpunkt zur Datenübertragung vom Datenlogger durch die Datenübertragungsschnittstelle wird dabei durch einen vorab definierten Schwellenwert für die Messdaten bestimmt. Der Datenlogger nimmt die Messdaten des Ladezustandssensors und, falls vorhanden, auch die Daten der weiteren Sensoren auf, speichert sie, und überträgt sie als Push-Mitteilung. Der Datenlogger stellt damit einen Datenpuffer dar, mit dem sich die Häufigkeit der Datenübertragung per Push-Mitteilung einstellen lässt: Die Informationen können regelmäßig und/oder bei Überschreiten voreingestellter Schwellenwerte in Form einer Alarm-Nachricht weitergeleitet werden, sodass kein permanenter Datenverkehr stattfindet.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Batterieüberwachungssystems sind die Anschlussvorrichtungen des Batteriesensormoduls nicht nur hochstromfähig, sondern zumindest eine der Anschlussvorrichtungen ist auch schaltbar, wobei die schaltbare Anschlussvorrichtung in der Anschlussvariante mit dem Minuspol in Reihe für die Messung und Betrieb und Pluspol für die Messung und zum Betrieb des Batteriesensormoduls vorzugsweise diejenige Anschlussvorrichtung sein kann, die am Minuspol der Batterie anzuschließen ist. Ferner kann das Batteriesensormodul zumindest eine, bevorzugt aber zumindest zwei I/O-Schnittstellen aufweisen, wobei eine der I/O-Schnittstellen zum Schalten der schaltbaren Anschlussvorrichtung ausgebildet ist, sodass die an dem Batteriesensormodul angeschlossene Batterie entweder automatisch durch die Elektronik des Batteriesensormoduls abgeschaltet wird, wenn ein Messwert einen vordefinierten Schwellenwert über- bzw. unterschreitet, oder durch Benutzereingabe am Endgerät ein- und ausgeschaltet werden kann. Eine zweite I/O-Schnittstelle kann zum Empfangen von Statusinformationen anderer Batterien vorgesehen sein.
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Zur sicheren Befestigung des Batteriesensormoduls an der zu überwachenden Batterie kann eine Klebefläche, an der das Batteriesensormodul an die Batterie geklebt wird, oder eine andere Befestigungsvorrichtung vorgesehen sein, sodass nicht nur sicherer Halt des Batteriesensormoduls an der Batterie gegeben ist, was insbesondere im bevorzugten Einsatzbereich in mobilen akkubetriebenen Plattformen wichtig ist, sondern auch die gegebenenfalls vorhandenen weiteren Sensoren (z. B. für Temperatur, Wasserstoff etc.) in unmittelbarer Nähe der Batterie platziert werden können.
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Das Monitoring-Portal des Batterieüberwachungssystems stellt eine cloudbasierte Datenvisualisierung bereit, die auf dem jeweiligen Endgerät dargestellt wird, wobei die Architektur des Monitoring-Portals das Verwalten, Betreiben und eine zyklische Datenerfassung der Messdaten des Ladezustandssensors vorsieht.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Monitoring-Portal eine Konfiguration individueller grafischer Benutzeroberflächen (Dashboards) zur Anzeige der von einer oder mehreren Datenübertragungsschnittstelle(n) übertragenen Informationen auf dem Endgerät, vorzugsweise in Form von Portlets, und eine Benutzerverwaltung bereitstellen.
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Das Monitoring-Portal kann ferner eine Option zur Benutzereingabe aufweisen, mit der das Batteriesensormodul fernbedient werden kann. Diese Fernbedienung kann das An- und Abschalten der Batterie mittels der schaltbaren Anschlussvorrichtung umfassen.
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Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Batteriesensormoduls, das zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystem ausgebildet, vorgesehen und geeignet ist, weist einen Ladezustandssensor und zwei Anschlussvorrichtungen zum Anschließen einer zu überwachenden Batterie und zumindest eine Datenübertragungsschnittstelle zum Übertragen von Informationen auf, die zumindest Informationen des Ladezustandssensors über einen Ladezustand der zu überwachenden Batterie umfassen. Dabei ist oder sind die Datenübertragungsschnittstelle(n) dazu ausgebildet, direkt eine Internet-/IP-Verbindung aufzubauen:Alternativ kann die Datenübertragungsschnittstelle mit einer Gateway-Einheit verbindbar sein, die dazu ausgebildet ist, eine Internet-/IP-Verbindung aufzubauen.
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Die Datenübertragungsschnittstelle(n) kann bzw. können dabei zum Aufbau einer drahtlosen Verbindung wie einer Funkverbindung ausgebildet sein. Vorzugsweise kann das Batteriesensormodul zumindest zwei zum Aufbau einer Funkverbindung ausgebildete Datenübertragungsschnittstellen aufweisen, die unterschiedliche Frequenzen oder Frequenzbänder wie ein ISM-Band (433,05 bis 434,79 MHz) oder SRD-Band (863 bis 870 MHz) oder WLAN-Band (2,4 GHz / 5 GHz) nutzen.
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Ferner kann die zumindest eine Datenübertragungsschnittstelle zum Aufbau eines vermaschten Netzes mit anderen Batteriesensormodulen ausgebildet sein.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batteriesensormoduls sieht vor, dass das Batteriesensormodul mit einem oder mehreren weiteren Sensor(en) bestückt ist, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Sensoren für Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Wasserstoff, flüchtige organische Verbindungen (VOC), GPS-Sensoren, Bewegungssensoren und Beschleunigungssensoren enthält, wobei die zumindest eine Datenübertragungsschnittstelle zum Übertragen von Informationen jedes Sensors ausgebildet ist. Das Batteriesensormodul kann dabei modular je nach Bedarf mit unterschiedlichen Sensoren nachgerüstet werden.
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Zum Erfassen und Aufzeichnen der Messdaten kann das Batteriesensormodul einen Datenlogger aufweisen. Ferner kann das Batteriesensormodul mit einem Algorithmus zur Verarbeitung der Messdaten zumindest des Ladezustandssensors betrieben werden, der zum selbstständigen Erkennen zumindest eines Parameters ausgebildet ist, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die zumindest einen Batterietyp, einen aktuellen Ladezustand, einen Zeitpunkt zur Datenübertragung und einen Messzeitraum umfasst, wobei der Zeitpunkt zur Datenübertragung durch einen vorab definierten Schwellenwert für die Messdaten bestimmt wird.
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Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass die Anschlussvorrichtung hochstromfähig ist, wobei die Anschlussvorrichtung in einer besonders bevorzugten Ausführungsform zudem schaltbar ist, sodass die angeschlossene Batterie mittels der schaltbaren Anschlussvorrichtung im Bedarfsfall geschaltet werden kann. Dabei kann das Batteriesensormodul zumindest eine, vorzugsweise zwei I/O-Schnittstellen aufweisen, wobei bevorzugt eine der I/O-Schnittstellen zum Schalten der schaltbaren Anschlussvorrichtung ausgebildet ist, sodass eine automatische Abschaltung im Sicherheitsfall erfolgen kann oder die Batterie durch Fernbedienung über die Cloud ein- oder ausgeschaltet werden kann.
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Zum einfachen Befestigen des Batteriesensormoduls an einer zu überwachenden Batterie kann das Batteriesensormodul eine Klebefläche oder eine andere Befestigungsvorrichtung aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Batterieüberwachungssystem erlaubt eine intelligente und cloudbasierte Überwachung der Batterien beispielsweise in mobilen akkubetriebenen IT-Systemen. Dabei kann eine intelligente Vernetzung zwischen den einzelnen drahtlosen Batteriesensormodulen als „Batterieknoten“ ermöglicht werden, indem diese untereinander automatisch Statusinformationen austauschen und Alarmmeldungen weiterreichen können. Die Vernetzung untereinander ist aber lediglich eine mögliche Alternative. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht die Verwendung eines LoRaWans mit sternförmiger Architektur vor, d. h. Punkt zu Punkt Verbindung jedes Batteriesensormoduls zum Gateway oder einem der Gateways.
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Vorteile des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystem mit dem erfindungsgemäßen Batteriesensormodul bestehen in
- - der Nachrüstbarkeit, wobei das Batteriesensormodul, das besonders klein ist und vorzugsweise einfach an die Batterie geklebt werden kann, als Hardware eine Sensorplattform, Controller und Shunt sowie ein System mit drahtloser Datenübertragungsschnittstelle aufweist;
- - künstlicher Intelligenz, die durch den intelligenten Algorithmus für das Batterie Life Cycle Management als Bestandteil des Batteriesensormoduls bereitgestellt wird, sodass selbstständig erkannt wird, um welchen Batterietyp es sich bei der angeschlossenen Batterie handelt und wie deren aktueller Zustand ist;
- - Energieeffizienz aufgrund der selbstständigen Erkennung, wann Messdaten übertragen werden müssen, wobei zudem die Messzeiträume selbstständig optimiert werden, sodass ein minimaler Energieverbrauch durch das Batteriesensormodul erreicht wird, sodass die zu überwachende Batterie nicht unnötig belastet wird;
- - Kommunikation mit Alarmfunktion, wobei erst bei Erreichen von definierten Schwellenwerten ein Alarm abgegeben wird, wodurch eine permanente Datenübertragung verhindert und so die Energieeffizienz des Gesamtsystems unterstützt wird;
- - zukunftsfähiger Informationstechnologie durch einen Industrie 4.0 Ansatz mit loT Architektur, wobei die gesamte Datenaufbereitung, das Alarmhandling, die mögliche Dashboard-Technik in einem geeigneten mandantenfähigen Portal verfügbar gemacht wird;
- - Umweltnutzen und Kosteneinsparungen, da kein automatischer proaktiver/ prophylaktischer jährlicher Austausch der Batterien mehr notwendig ist: Diese werden erst ausgetauscht, wenn die vorab definierten Werte nicht mehr erreicht werden, sodass eine Steigerung der Batterielaufzeit mehr als verdoppelt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Batterieüberwachungssystem ist kostengünstig und vielfältig einsetzbar und kann universell an die Anforderungen zur Überwachung von Batterie- bzw. Akkusystemen jeglicher Art, wie beispielsweise Li-Ionen-Akkus, AGM-Batterien etc. verwendet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystem können die häufigsten Ursachen für schadhafte Batterien verhindert oder zumindest deutlich vermindert werden, wie Fehlbedienungen, falsche Anwendung bezüglich Ladevorgängen und Tiefentladung und mangelnde regelmäßige Prüfungen. Dabei werden Ressourcen geschont, indem durch die ständige Überwachung der Batterien die Einsatzdauer und damit die Lebensdauer einer Batterie verlängert werden kann, sodass das bislang betriebene vorsorgliche Austauschen nach einem Jahr zur Verhinderung eines Batterieausfalls entfällt. Bei Verwendung im kritischen Umfeld kann zudem die Einsatzsicherheit erhöht werden, da zu jeder Zeit eine Statusinfo zum Batteriezustand erfolgen kann.
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Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems mit einer überwachten Batterie,
- 2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems mit drei überwachten Batterien,
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems mit drei überwachten Batterien,
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems mit einer überwachten Batterie.
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Ein erfindungsgemäßes Batterieüberwachungssystem eignet sich zur Überwachung aller mobilen akkubetriebenen Arbeitsplattformen und kann darüber hinaus beliebig für weitere Sensoranwendungen erweitert werden.
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In 1 bis 4 sind unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Batterieüberwachungssystems 100 dargestellt, wobei der Schutzumfang nicht auf die in den Figuren dargestellten Beispiele beschränkt ist. Es versteht sich von selbst, dass Variationen hinsichtlich der Anzahl der überwachten Batterien, der Anzahl der Endgeräte sowie der Verbindungstechnologien innerhalb des Schutzumfangs liegen.
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Das Batterieüberwachungssystem 100 besteht aus einem Batteriesensormodul 1, das eine vorzugsweise drahtlose Erfassungselektronik bereitstellt, die zum Erfassen des Ladezustands sowie weiterer Betriebsdaten einer Batterie 110 in eine mobile akkubetriebene Arbeitsplattform (nicht dargestellt) integriert wird. Ein Batterieüberwachungssystem 100 kann auch mehrere Batteriesensormodule 1 zur gleichzeitigen Überwachung mehrerer Batterien 110 aufweisen. Das Batteriesensormodul 1 (bzw. die Batteriesensormodule 1) kommuniziert mittels einer Datenübertragungsschnittstelle 12 mit einem Cloud-Datenser-ver 3 entweder, wie in 1 bis 3 gezeigt, über eine Gateway-Einheit 2 oder direkt wie im Beispiel von 4. Dabei übermittelt das Batteriesensormodul 1 Informationen über einen Ladezustand der Batterie 110, die der Ladezustandssensor 10 misst, indem das Batteriesensormodul 1 mit den zwei Anschlussvorrichtungen 15 an den Polen P der Batterie 110 angeschlossen ist.
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Die Kommunikation zwischen dem Batteriesensormodul 1 und der Gateway-Einheit 2 bzw. dem Cloud-Datenserver 3 ist vorzugsweise drahtlos, wobei die Nutzung eines LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) bevorzugt sein kann. Datenerfassung und Auswertung erfolgen durch den Cloud-Datenserver 3, und das Monitoring-Portal bietet das Erfassen und Bewerten der Messdaten und sowie Bereitstellung von Statusinfos mit Alarmfunktion in anwenderspezifisch individualisierten Benutzeroberflächen zur Darstellung auf unterschiedlichen Endgeräten, beispielsweise einem PC 4 oder einem Smartphone 4'. Grundsätzlich bietet das Batterieüberwachungssystem 100 dabei Möglichkeiten zur Integration weiterer Sensoranwendungen im loT / Industrie 4.0 Umfeld mit modularen Erweiterungskomponenten.
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Das Batteriesensormodul 1 hat vorzugsweise Seitenlängen im Bereich von wenigen Zentimetern, und ist in dieser miniaturisierten Form auch leicht nachrüstbar für verschiedene Akkutypen und in verschiedenen Plattformen, was durch die einfache Befestigung an der zu überwachenden Batterie 110 per Klebefläche unterstützt wird. Das Batteriesensormodul 1 ist für alle gängigen Li-Ionen- und AGM-Batterietypen einsetzbar, indem jeweils erforderliche Messparameter festgelegt sind. Die Hardware des Batteriesensormoduls 1 kann als kompakte Leiterplatte auf SMD-Basis umgesetzt werden, wobei mit dem über die hochstromfähigen Anschlussklemmen 15 verbundenen Ladezustandssensor 10 mit höchst möglicher Auflösung und größtmöglichem Dynamikbereich gemessen werden kann, sodass der Berechnungsalgorithmus eine hohe Genauigkeit und damit Zuverlässigkeit erreicht.
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Es genügt, wenn bei einer einfachen Ausführungsform des Batteriesensormoduls dieses als Sensor lediglich den Ladezustandssensor aufweist; aber es ist vorgesehen, dass das Batteriesensormodul auch weitere Sensoren aufweisen kann, die allerdings auch bei Bedarf nachgerüstet werden können, indem das Batteriesensormodul entsprechende Anschlüsse, Schnittstellen bzw. Steckplätze für weitere Sensoren bereitstellt.
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Das Batteriesensormodul 1 in den Beispielen der Figuren weist einen weiteren Sensor 11 auf - erfindungsgemäß kann aber auch mehr als ein weiterer Sensor vorgesehen werden. Zusätzliche Sensoren können ein Temperatursensor, ein Luftfeuchtesensor und optional ein Wasserstoffsensor (zur Feststellung des Ausgasens eines Blei-Akkus, relevant zur Vermeidung von Knallgasbildung), ein GPS-Sensor für die Positionserfassung der überwachten, in einer mobilen Plattform vorliegenden Batterie 110, ein VOC-Sensor und/oder Beschleunigungssensor zur Bewegungs-/Erschütterungserkennung der Batterie 110 sein. Durch die Modularität besteht die Möglichkeit, eine Vielzahl ergänzender Funktionen zu implementieren. Die Informationen dieser Sensoren werden wie die des Ladezustandssensors 10 über die Datenübertragungsschnittstelle 12 direkt oder über die Gateway-Einheit 2 an den Cloud-Datenserver 3 übermittelt.
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Alternativ zur Positionserfassung per GPS kann das Batteriesensormodul 1 auch zur Ermittlung der Geräteposition beispielsweise durch Triangulation per WLAN oder auch Bluetooth® Beacon Funktion ausgebildet sein.
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Für die Kommunikation mit der Gateway-Einheit 2 kann die Datenübertragungsschnittstelle 12 als eine WLAN-, Bluetooth® Low Energy- oder USB-Schnittstelle ausgebildet sein. Ferner weist das Batteriesensormodul 1, etwa zum Schalten bei Alarmmeldungen wie auch zum Empfangen von Statusinfos, mindestens zwei digitale I/O-Schnittstellen (nicht dargestellt) auf der Hardware auf.
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Damit das Batteriesensormodul 1 drahtlos kommunizieren kann, sind mindestens zwei drahtlose Datenübertragungsschnittstellen 12 vorgesehen, wobei in den Figuren aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine Schnittstelle 12 schematisch dargestellt ist. Die dabei integrierten Funktechnologien können ein Meshed-Network-Protokoll im ISM- oder SRD-Band (433 MHZ für Europa/Region 1 und/oder 902-928 MHz für Nordamerika/Region 2 oder 866 MHZ) und WLAN im 2,4 GHz/5 GHz Band sein, wobei eine Antennenabstimmung für die verschiedenen Frequenzen wie auch die Gesamtintegration auf der Leiterplatte berücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Batteriesensormodul 1 eine Datenübertragungsschnittstelle aufweisen, die zur Kommunikation bspw. über SIGFOX, einem europaweit verfügbaren IoT-Netzwerk, ausgebildet ist. Ferner kann das Batteriesensormodul 1 als zusätzliche Option die Integration einer Bluetooth® Low Energy (4.0/4.1) Schnittstelle (nicht dargestellt) vorsehen, damit auch eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zu einem gängigen Smartphone realisiert werden kann.
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Zur energieeffizienten Datenübermittlung aller Batterie-Mess- und Alarmdaten an den Cloud-Server 3 ist ein performantes und energieeffizientes Firmware-/Softwaremodul in das Batteriesensormodul 1 integriert. Dazu kommt die direkte Einbindung der IoT-Schnittstelle als Datenübertragungsschnittstelle 12 in die Firmware des Batteriesensormoduls 1 und damit die direkte Kommunikation mit dem Cloud-Server 3 per WLAN oder SIGFOX (4) in Betracht. Die Alternative umfasst den Zwischenschritt mit einer Gateway-Einheit 2 (1-3), die alle Messdaten zentral empfängt und an den Cloud-Server 3 übermittelt. Mit einer Gateway-Einheit 2 kann auch ein vermaschtes Netz (Meshed Network) realisiert werden, wie in 3 angedeutet ist.
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Das kleine, energieeffiziente Batteriesensormodul 1 stellt dabei einen Verbindungsknoten dar, mit dem die Batterien 110 drahtlos überwacht werden können. Mit einer geeigneten Funktechnologie (z. B. LoRaWAN) ist die Reichweite der drahtlosen Anbindung der Verbindungsknoten, auch bei Aufstellung innerhalb von Gebäuden, über einige Kilometer möglich. Dabei können jegliche Batteriedaten von dem Batteriesensormodul 1 drahtlos an die Gateway-Einheit 2 übermittelt werden, die die Daten an den Cloud-Server 3 mit dem Monitoring-Portal weiterleitet. Über ein Webdashboard können dann die gesamten Batteriedaten von IT-Systemen visualisiert und ausgewertet werden. Mittels integrierter AlarmFunktionen wird der Benutzer oder Betreiber rechtzeitig vor dem Tiefentladen einer Batterie informiert, um den Betrieb des Batteriesystems mit der besten Effizienz zu ermöglichen.
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Die Anschlussvorrichtung 15 des Batteriesensormoduls 1 ist zum Anschluss unterschiedlicher Batterie- bzw. Akkutypen gestaltet, beispielsweise als stabile Anschlussklemme. Ferner ist die Anschlussvorrichtung 15 nicht nur hochstromfähig, sondern auch schaltbar, sodass die Anschlussvorrichtung 15 über die Elektronik des Batteriesensormoduls 1 mittels eines MOSFET im Sicherheitsfall geschaltet werden kann. Ferner ist damit zudem über eine der I/O-Schnittstellen auch eine Fernschaltung der angeschlossenen Batterie über das Remote-Netzwerk möglich.
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Die Firmware für das Batteriesensormodul 1 deckt mehrere Funktionen ab: Einerseits wird die angeschlossene Batterie 110 kontinuierlich hinsichtlich des Stromflusses und der Spannung überwacht und andererseits werden Statusinfos an eine Gateway-Einheit 2 (Client-PC oder drahtloser Empfänger) gesendet, wobei die Firmware hinsichtlich der Energieeffizienz verbesserten ist. Dabei unterstützt die Firmware, die energetisch mit minimalem Datenaufwand aber maximaler Sicherheitsfunktion entwickelt ist, die unterschiedlichen Datenanbindungen. Dabei wird sichergestellt, dass im Alarmzustand, wie beispielsweise dem Zustand einer defekten oder zu heißen Batterie 110, die Alarmkette zuverlässig funktioniert. Dies kann durch eine redundante Auslegung mit Watchdog erfolgen.
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Der Anschluss an Batterien unterschiedlichen Typs, die sich hinsichtlich Leistungs- und Spannungsklasse unterscheiden, wird durch einen selbstlernenden Algorithmus ermöglicht, mit dem das Batteriesensormodul ausgestattet ist. Der Algorithmus, der den IoT-Ansatz verfolgt, verbessert sich als selbstlernendes System im längeren Betrieb mehr und mehr und bringt zunehmend bessere Ergebnisse der Messungen mit höherer Genauigkeit hervor. Dabei umfasst die Erstellung des Algorithmus' umfangreiche Langzeittests von Entlade- und Ladezyklen unterschiedlicher Batterietypen und Erfassung des jeweiligen Strom- und Spannungsverhaltens.
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Im Einsatz des Batteriesensormoduls 1 erfolgt die Analyse des Batterieladezustandes durch kontinuierliches Messen der Batteriespannung mittels eines integrierten digitalen Voltmeters. Hierbei wird mittels eines Datenloggers kontinuierlich die Spannung der Batterie 110 überwacht und aufgezeichnet. Die überwachte Spannung ermöglicht Rückschlüsse auf den Ladezustand der Batterie 110: Mittels des Algorithmus wird der nichtlineare Spannungsverlauf der Batterie 110 ausgewertet, um den aktuellen Ladezustand zu berechnen. Durch ein Aufzeichnen der Spannungsverläufe im Laufe des Batterieeinsatzes weisen die Veränderungen der Spannungskurve bei gleichem Einsatz auf eine Veränderung der Ladekapazität oder Leistung der einzelnen Zellen hin.
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Um eine Aussage über die Lebensdauer der eingesetzten Batterien treffen zu können, wird darüber hinaus mit möglichst genauer Präzision der Stromfluss in und aus der Batterie 110 aufgezeichnet. Mit Hilfe des intelligenten Algorithmus werden über die Lebensdauer der Batteriesysteme Veränderungen hinsichtlich Spannung und Strom auf der Zeitachse betrachtet und mit den Initial- und Referenzwerten der Batterie wie auch vergleichbarer Batteriesysteme verglichen. Wird beispielsweise festgestellt, dass eine Batterie 110 nach einigen Jahren im Einsatz die Endspannung nicht oder erst nach deutlich längerer Zeit erreicht, weist dies auf Alterung und andere Leistungsmerkmale hin. Über diese Messwerte lässt sich eine methodische Aussage über den Batteriezustand sowie die voraussichtliche Lebensdauer treffen.
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Da auch das Betriebsverhalten einen großen Einfluss auf die Lebenserwartung der Batterien haben kann, wird durch das erfindungsgemäße Batterieüberwachungssystem auch das Ladeverhalten der Batterien mittels Strom- und Spannungsmessung betrachtet. Wird durch die Messwerte deutlich, dass die Batterien 110 wiederholt außerhalb des für den Batterietyp empfohlenen Zyklus betrieben werden, kann der Anwender über das Monitoring-Portal auf seinem Endgerät 4, 4' auf ein zu erzielendes Betriebsverhalten aufmerksam gemacht werden. Um ein Umsetzen der Empfehlungen zu erreichen, kann darüber hinaus ein Administrator der Batteriesysteme im Monitoring-Portal darauf hingewiesen werden, um durch das Anpassen des Betriebsverhaltens eine längere Lebensdauer erzielen zu können.
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Die Architektur für das Batteriesensormodul 1, ggf. die Gateway-Einheit 2 und das Monitoring-Portal auf dem Cloud-Server 3 des Batterieüberwachungssystems 100 ermöglicht eine zyklische Datenerfassung und stellt eine Software zum Verwalten, Betreiben und Erfassen von Batterie-Messwerten bereit. Das Gesamtsystem kann auf dem loT / Open Source Portalsystem, das die Konfiguration individueller Dashboards in Form von Portlets und eine Benutzerverwaltung bietet, basieren. Damit die Messdaten der Batteriesysteme erfasst werden können, kann eine performante Software-Datenlogger-Komponente eingesetzt werden, die zyklisch Messdaten von dem Hardware-Datenlogger des Batteriesensormoduls 1 erfassen kann.
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Ein Fokus für das gesamte Monitoring-Portal liegt auf der einfachen Anbindung an vorhandene Industrie 4.0 Schnittstellen und bereits vorhandene Standards in Unternehmen. Dies umfasst beispielsweise eine einfache Einbindung in eine vorhandene Windows-Infrastruktur oder weitere Industrie 4.0 Standards. Die Anbindung des Hardware-Datenloggers des Batteriesensormoduls oder auch von Komponenten wie Controller oder Steuerbox kann über eine Datenübertragungsschnittstelle (z. B. IoT-Schnittstelle) erfolgen, die das zur Verfügung gestellte Datenformat in ein normiertes IoT-Format zur Ablage in der Datenbank des Cloud-Datenservers wandelt. Beim Speichern dieser Batteriedaten werden diese aggregiert, damit eine einheitliche Visualisierung der Batteriedaten durch das Monitoring-Portal erfolgen kann. Die Originalwerte gehen dabei nicht verloren und sind auch in der Datenbank abgelegt.
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Die Visualisierung der Daten kann in einem übersichtlichen Dashboard mit einfach anwendbarer IoT- Schnittstelle realisiert werden. Die cloudbasierte Visualisierung kann z. B. als Web-Anwendung oder per Smartphone-App erfolgen. Über diese Schnittstelle werden die Messdaten, die über die entsprechenden Portlets wie Diagramme, feste Messwerte oder Alarmfunktionen dargestellt werden können, auf einem Endgerät abgerufen. Dabei dient das Portal auch als Oberfläche zur Konfiguration der Berechtigungen wie dem Usermanagement und dem Portalmanagement. Für das gesamte Dashboard des Monitoring-Portals kann eine Weboberfläche implementiert werden, die dem Benutzer eine intuitive Verwaltung des Batteriemanagements erlaubt, um sich Daten übersichtlich und klar über das Cloud-Portal darstellen zu lassen.
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Des Weiteren kann mit dem Batterieüberwachungssystem vollautomatisch die Einhaltung von Grenzwerten überwacht werden, um bei Über-/Unterschreitung derselben einen Alarm auszulösen. Die Alarmmeldung kann dabei beispielsweise per E-Mail erfolgen und kann visuell auf dem Dashboard des Alarm-Portlets angezeigt werden.
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Das erfindungsgemäße cloudbasierte Batterieüberwachungssystem, das insbesondere für mobile akkubetriebene IT-Systeme vorgesehen ist, ermöglicht einen effizienteren Betrieb und die Verlängerung der Einsatzdauer der integrierten Batterien bzw. Akkus.
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Die Benutzerverwaltung innerhalb des Monitoring-Portals ermöglicht eine gezielte Berechtigungsverwaltung von Kompetenzgruppen oder Zuständigkeitsbereichen der Nutzer. Hiermit kann einfach gesteuert werden, welche Daten von dem jeweiligen Benutzer eingesehen und angezeigt werden sollen, um eine übersichtliche und einfache Darstellung ausgeben zu können. Auch eine Weiterleitung an mögliche interne und externe Stellen im einsetzenden Unternehmen kann auf abweichenden Plattformen umgesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße Batterieüberwachungssystem 100 bildet eine sehr gute Grundlage zur Weiterentwicklung hinsichtlich der Unterstützung weiterer Akkutypen, der Softwareerweiterung mit zusätzlichen Funktionen zur intelligenten Zustandsbewertung der Batterien bzw. Akkus und zur Ortung eines IT-Systems über den GPS-Sensor des an die jeweilige Batterie angeschlossenen Batteriesensormoduls 1.
