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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beurteilung einer Batterie
und einen Batterietester.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Gegenwärtige Verfahren
zur Bestimmung des Zustands einer Batterie (z.B. einer Bleisäurefahrzeugbatterie,
wie zum Beispiel einer Autobatterie) können einen hohen Strom abgeben,
der typischerweise die Verwendung eines schweren voluminösen Testgeräts erfordert.
Die Verfahren können
auch erfordern, daß die
Batterie ausreichend Ladung zur Durchführung des Tests aufweist. Weitere
Verfahren können
einen geringeren Strom verwenden, aber diese Verfahren können stark
von dem Ladezustand der Batterie abhängen, wodurch es schwierig
wird, eine Batterie zu testen, die tiefentladen ist. Zusätzlich können die
gegenwärtigen
Verfahren zur Ermittlung des Zustands einer Batterie länger dauern,
als dies für
die Durchführung
eines Tests erwünscht
ist. Zum Beispiel offenbaren die US-Patentschrift 5,945,805 und
die japanischen Patentveröffentlichungen
JP 05-341022 und JP 58-56871 eine derartige verwandte Technologie.
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In
einem Aspekt schließt
die Beurteilung des Zustands einer Batterie das Anlegen eines Verbrauchers
an die Batterie für
eine erste Zeitdauer von drei Millisekunden bis zehn Sekunden, Messen
einer ersten Spannung am Ende der ersten Zeitdauer, Entfernen des
Verbrauchers, Messen einer zweiten Spannung am Ende einer ersten
Erholzeitdauer nach Entfernen des Verbrauchers, Messen einer dritten
Spannung am Ende einer zweiten Erholzeitdauer nach Entfernen des
Verbrauchers und Analysieren des Zustands der Batterie ein. Die
zweite Erholzeitdauer kann länger
als die erste Erholzeitdauer sein.
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Analysieren
des Zustands der Batterie kann Berechnen eines dynamischen Innenwiderstands
für die
Batterie am Ende der zweiten Erholzeitdauer und Ermitteln des Zustands
der Batterie auf der Grundlage des dynamischen Innenwiderstands
der Batterie einschließen.
In bestimmten Ausführungsformen kann
Analysieren des Zustands der Batterie Anzeigen einer Kapazität des Kondensators,
eines Ladezustands der Batterie und einer Anzeige von Bestanden
oder Durchgefallen einschließen.
Das Verfahren kann Eingeben einer Kapazität der Batterie und Auswählen des
Verbrauchers zum Anlegen an die Batterie auf der Grundlage der Kapazität einschließen. Eingeben
der Kapazität
kann Auswählen
zwischen einer Eingabe, die auf einer von Kaltstartleistung, Startleistung,
Amperestunden oder andere Einstufungsstandards basieren, einschließen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt enthält
ein elektronisches Batterietestgerät ein Gehäuse, das einen Verbraucher
enthält,
einen Schalter, Kabel, die aus dem Gehäuse zur Herstellung von elektrischem Kontakt
mit Anschlüssen
an der Batterie austreten und den Schalter kontaktieren, und eine
Analysekomponente, die strukturiert und gestaltet ist, um den Zustand
der Batterie am Ende einer ersten Erholzeitdauer und einer zweiten
Erholzeitdauer zu analysieren. Der Schalter legt den Verbraucher
an die Batterie für
eine erste Zeitdauer zwischen drei Millisekunden und zehn Sekunden
und entfernt den Verbraucher von der Batterie. Die Analysekomponente
kann eine Rechenkomponente, die strukturiert und gestaltet ist,
um den dynamischen Innenwiderstand für die Batterie zu berechnen,
und eine Ermittlungskomponente enthalten, die strukturiert und gestaltet
ist, um den Zustand der Batterie auf der Grundlage des dynamischen
Innenwiderstands der Batterie zu ermitteln.
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Implementierungen
können
ein oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten. Zum Beispiel kann
die zweite Zeitdauer eine erste Erholzeitdauer und eine zweite Erholzeitdauer
enthalten, wobei die zweite Erholzeit länger als die erste Erholzeitdauer ist.
Die erste Erholdauer kann acht Millisekunden bis fünfzehn Millisekunden
oder zehn Millisekunden betragen. Die zweite Erholdauer kann vierzig
Millisekunden bis achthundert Millisekunden oder sechzig Millisekunden
betragen. Der Zustand der Batterie kann durch Berechnen eines dynamischen
Innenwiderstands für
die Batterie und Ermittlung des Zustands der Batterie auf der Grundlage
des dynamischen Innenwiderstands der Batterie ermittelt werden.
Der Verbraucher kann zwischen achtzig Ampere und einhundert Ampere
betragen und kann auf Eingeben eines Einstufungssystem und einer
Kapazität für die im
Test befindliche Batterie basieren.
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Das
Verfahren und der Tester führen
eine Messung des dynamischen Innenwiderstands bei einem einzigen
Verbraucher durch. Das Verfahren und der Tester können Batteriezustandsergebnisse
innerhalb einer Sekunde und mit hoher Genauigkeit erzielen. Der
Tester und das Verfahren können
die Wärmemenge,
die während
des Testens erzeugt wird, reduzieren oder beseitigen und werden
nicht durch Magnetfelder, die von anderen nahe befindlichen Geräten erzeugt
werden, beeinträchtigt.
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Diese
allgemeinen und speziellen Aspekte können unter Verwendung einer
Vorrichtung, eines Verfahrens oder eines Computerprogramms oder
irgendeiner Kombination von Vorrichtungen, Verfahren und Computerprogrammen
implementiert werden. Zum Beispiel kann eine Implementierung ein
tragbares elektronisches Batterietestgerät enthalten. Die Vorrichtung
kann zur Beurteilung einer Batterie (z.B. Bleisäureautobatterie) verwendet
werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile werden anhand der Beschreibung und Zeichnungen
und der Ansprüche
ersichtlich werden.
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In den Zeichnungen
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zeigt 1 ein
Bild eines elektronischen Batterietesters;
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zeigt 2 ein
Blockdiagramm eines elektronischen Batterietesters;
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zeigt 3 ein
Flußdiagramm
zur Auswahl der Einstufung einer Batterie;
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zeigt 4 ein
Flußdiagramm
zur Auswahl der Kapazität
einer Batterie;
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zeigt 5 ein
Flußdiagramm
für den
Prozeß der
Beurteilung des Zustands einer Batterie; und
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zeigt 6 eine
Graphik der Batteriespannung in Abhängigkeit von der Zeit.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist dort eine äußere Ansicht
eines elektronischen Batterietestgerätes (100) gezeigt.
In einer Implementierung kann das Gerät (100) so dimensioniert
sein, daß es
in die Handfläche
der Hand eines Benutzers paßt.
Das Gerät
(100) enthält
typischerweise ein Anzeigemodul (102) (z.B. ein Flüssigkristallanzeigemodul
(LCM)) zum Liefern von alphanumerischer Information, wie zum Beispiel
Information bezüglich
des Zustands der im Test befindlichen Batterie, Information bezüglich der
Auswahl von Testeingaben und Information bezüglich des Status des Geräts (100).
Zum Beispiel kann das Gerät
(100) die Batteriekapazität, den Ladungszustand und eine
Bestanden- oder Durchgefallen-Ausgabe anzeigen. Das Anzeigemodul
(102) kann eine oder mehrere Zeilen zum Anzeigen der alphanumerischen
Information enthalten. Die Anzeigezeilen können feststehen oder können die
Information scrollen.
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Das
Gerät (100)
enthält
auch typischerweise ein Tastenfeld (104) für die Bedienung
des Geräts (100).
Die Tasten auf dem Tastenfeld (104) können mehrere Definitionen aufweisen
und können
zahlreiche verschiedene Funktionen erfüllen. Zum Beispiel können Tasten
auf dem Tastenfeld (104) eine "Aus"-Taste
zum Abschalten des Gerätes
(100), eine "Ein"-Taste zum Einschalten
des Gerätes
(100) und eine "Eingabe"-Taste zur Bestätigung von
Auswahlen und für
den Beginn der Testprozedur enthalten. Weitere Tasten können Tasten
zum Auswählen
von zahlreichen Funktionen und zur Vornahme von Änderungen bei der Auswahl (z.B.
eine "Pfeil nach
oben"-Taste und
eine "Pfeil nach
unten"-Taste) enthalten.
Das Gerät
(100) kann auch automatisch abschalten und absperren, wenn
es für
eine vorab festgelegte Zeitdauer unbenutzt gewesen ist.
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Das
Gerät (100)
enthält
typischerweise auch zwei Klemmen (106), die mit dem Gerät (100) über Kabel
(108) verbunden sind. Die Klemmen (106) werden
zur Verbindung des Gerätes
(100) mit den jeweiligen Anschlüssen der im Test befindlichen
Batterie verwendet.
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist dort ein Blockdiagramm
des elektronischen Batterietestgeräts (200) zur Beurteilung
des Zustands einer Batterie (202) gezeigt. Das Gerät (200)
kann Batterien mit zahlreichen Spannungen (z.B. eine Sechsvolt-Batterie
und Zwölfvolt-Batterie
einschließlich
einer Bleisäureautobatterie)
testen. Das Gerät
(200) enthält
typischerweise einen Prozessor (204), ein Tastenfeld (206),
das dem Tastenfeld (104) von 1 entspricht,
eine Anzeige (208), die der Anzeige (102) von 1 entspricht,
einen Analog-Digital-Wandler (210), eine Stromversorgung
(212), einen Operationsverstärker (214), eine Batterie
(216) (z.B. eine Neunvolt-Batterie, oder AA-Batterien)
zum Versorgen des Testers mit Strom, eine Widerstandslast (218),
einen Schaltertreiber (220) (z.B. einen MOSFET-Schaltertreiber)
und einen Port (222). Der Mikroprozessor (204)
wird typischerweise in Verbindung mit dem Analog-Digital-Wandler
(210) und dem Operationsverstärker (214) verwendet,
um die Spannung der Batterie (202) zu messen. Die Widerstandslast (218)
kann auf der Grundlage der angegebenen Einstufung und Kapazität der Batterie
(202) auswählbar sein
und als ein Eingabeparameter für
das Gerät (200)
enthalten sein. Zum Beispiel kann ein 1 Ohm-Widerstand oder ein
0,1 Ohm-Widerstand als die Widerstandslast (218) auf der
Grundlage der eingegebenen Einstufung und Kapazität der Batterie (202)
ausgewählt
sein. Der Schaltertreiber (220) wird zum Ein- und Ausschalten
der Widerstandslast (218) während der Beurteilung des Zustands
der Batterie verwendet werden. Der Port (222) (z.B. RS-232C-Reihen-Port)
kann zum Anschließen
eines externen Gerätes,
wie zum Beispiel eines Druckers oder eines Flash-Speicherbausteins,
der Software von Programmen auf das Gerät (200) herunterlädt, verwendet
werden.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist dort eine Prozeß (300)
zum Auswählen
der Einstufung der zu testenden Batterie gezeigt. Das elektronische
Batterietestgerät
ermöglicht
typischerweise die Auswahl von einem von mehreren unterschiedlichen
Einstufungssystemen. Zum Beispiel in einer Implementierung kann
ein Benutzer "Kaltstartleistung" (CCA), "Startleistung" (CA) oder "Amperestunden" (AH) auswählen, wobei
andere Einstufungssysteme auch verwendet werden können. Der
Prozeß (300)
enthält
typischerweise Starten (302) des Prozesses, Anzeigen eines
Einstufungssystems zur Auswahl (304) und Bestätigen eines
angezeigten Einstufungssystems (306) durch Niederdrücken der "Eingabe"-Taste auf dem Tastenfeld.
Die zahlreichen Einstufungssysteme können durch Verwendung der Pfeile
nach oben und nach unten auf dem Tastenfeld angezeigt werden (304).
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Nachdem
ein Einstufungssystem ausgewählt
worden ist, wird die angegebene Kapazität der im Test befindlichen
Batterie typischerweise ausgewählt.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein Prozeß (400)
zum Auswählen
der Kapazität
der Batterie gezeigt. Der Prozeß (400)
enthält
typischerweise Starten (402) des Prozesses, Erhöhen (404)
oder Senken (406) der angezeigten Kapazität durch
Niederdrücken
der Pfeile nach oben oder nach unten auf dem Tastenfeld, wobei diese
langsam erhöht
wird, wenn der Pfeil nach oben niedergedrückt und für weniger als 0,5 Sekunden
gehalten wird (407, 408), schnell erhöht wird,
wenn der Pfeil nach oben niedergedrückt und für mehr als 0,5 Sekunden (407, 409)
gehalten wird, langsam gesenkt wird, wenn der Pfeil nach unten niedergedrückt und
für weniger
als 0,5 Sekunden gehalten wird (410, 411), schnell
gesenkt wird, wenn der Pfeil nach unten niedergedrückt und
für mehr
als 0,5 Sekunden (410, 412) gehalten wird, und
Bestätigen
einer Auswahl (414) durch Niederdrücken der Eingabe-Taste auf
dem Tastenfeld. In einer Implementierung kann das Batterietestgerät Batterien
mit einem Bereich von zwischen 40 bis 2000 CCA, 50–2500 CA,
5–250
AH und zwischen 1 und 15 Volt beurteilen. Der Tester kann Batterien
testen, die tiefentladen worden sind, wie zum Beispiel Batterien,
die auf 1 Volt hinab entladen worden sind.
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Unter
Bezugnahme auf 5 ist dort ein Blockdiagramm
des Prozesses (500) zur Beurteilung des Zustands einer
Batterie gezeigt. Der Prozeß (500)
enthält
typischerweise Anzeigen eines ersten Bildschirms (502),
der Anweisungen oder ein Logo enthalten kann, Anzeigen der Batteriespannung
der im Test befindlichen Batterie (504), Eingeben der Einstufung
(rating) der Batterie (506), Eingeben der Kapazität der Batterie
(508), Anlegen und Entfernen eines Verbrauchers (510),
Berechnen des Zustands der Batterie (513) und Anzeigen
der Beurteilungsergebnisse (516), das Anzeigen der Batteriespannung enthalten
kann (504).
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Genauer
gesagt wird das Einstufungssystem der Batterie so ausgewählt (506),
wie es oben unter Bezugnahme auf 3 beschrieben
ist. Die angegebene Kapazität
der Batterie wird ausgewählt
(508), wie dies oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben
ist. Die ausgewählte
Kapazität
(508) bestimmt typischerweise den Verbraucher, der während der
Beurteilung angelegt werden wird. Zum Beispiel kann für Batteriekapazitäten von
weniger als 100 CCA, 120 CA oder 16 AH eine Widerstandslast von
1 Ohm verwendet werden. Für
Batteriekapazitäten
von mehr als 100 CCA, 120 CA oder 16 AH kann eine Widerstandslast
von 0,1 Ohm verwendet werden.
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Der
Zustand der Batterie kann durch Ermittlung des dynamischen Innenwiderstands
der Batterie unter Verwendung des angelegten einzigen Verbrauchers
(510) berechnet werden (513). Der Verbraucher
wird typischerweise für
eine erste Zeitdauer angelegt (510). Die erste Zeitdauer
kann drei Millisekunden bis zehn Sekunden, vier Millisekunden bis eine
Sekunde, fünf
Millisekunden bis fünfzig
Millisekunden oder sechs Millisekunden betragen, um eine schnelle,
genaue Beurteilung zu erleichtern. Unter Bezugnahme auf 6 zeigt
eine Graphik (600), daß eine
erste Spannung V2 am Ende der ersten Zeitdauer gemessen wird. Der
Verbraucher wird entfernt (510) und nach Verstreichen einer
Zeitdauer, die typischerweise länger
als die erste Zeitdauer ist, wird eine zweite Spannung V3 am Ende
einer ersten Erholzeitdauer gemessen. Die erste Erholzeitdauer kann
vier Millisekunden bis eine Sekunde, fünf Millisekunden bis fünfhundert
Millisekunden, sechs Millisekunden bis einhundert Millisekunden,
acht Millisekunden bis fünfzehn
Millisekunden oder zehn Millisekunden betragen, um eine schnelle,
genaue Beurteilung zu erleichtern. Eine dritte Spannung V4 kann
am Ende einer zweiten Erholzeitdauer nach Entfernen des Verbrauchers
gemessen werden. Die zweite Erholzeitdauer kann dreißig Millisekunden
bis zehn Sekunden, vierzig Millisekunden bis zwei Sekunden, fünfzig Millisekunden
bis eine Sekunde oder sechzig Millisekunden betragen, um eine schnelle,
genaue Beurteilung zu erleichtern. Die zweite Erholzeitdauer ist
länger
als die erste Erholzeitdauer, zum Beispiel um fünfzig Millisekunden. Während der
Beurteilung wird typischerweise ein Verbraucher von zwischen 10
A und 100 A angelegt.
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Der
Innenwiderstand der Batterie wird gemäß der Gleichung berechnet:
(V4-V2)/(V2/Rload)
= Ri, wobei Rload die Widerstandslast und Ri der Innenwiderstand
ist. Der Innenwiderstand der Batterie wird zur Berechnung der Kapazität der Batterie
verwendet. Die gemessenen Spannungen werden auch verwendet, um zu
ermitteln, ob die Batterie bestanden hat oder durchgefallen ist
(516). Ob die Batterie den Test bestanden hat, kann durch
Berechnung der Kapazität
der Batterie und Vergleich mit der eingegebenen Kapazität ermittelt
werden. Wenn die berechnete Kapazität größer als ein vorab festgelegter
Prozentsatz der eingegebenen Kapazität, zum Beispiel neunzig Prozent,
ist, dann besteht die Batterie den Test. Wenn V4 – V3 größer als
eine vorab festgelegte Spannung, zum Beispiel 100 Millivolt, ist,
dann besteht die Batterie den Test. Wenn V4 – V3 kleiner als die vorab
festgelegte Spannung ist, dann hat die Batterie den Test nicht bestanden.
Wenn die Batterie den Test nicht besteht, dann kann sie erneut geladen
und wieder getestet werden. Wenn die zweite Beurteilung, nach einem
erneuten Aufladen, fehlschlägt, dann
wird die Batterie keine Ladung halten und sollte sie ersetzt werden.
Die Gesamtzeit für
die Beurteilung des Zustands einer Batterie kann kleiner als eine Sekunde,
kleiner als 500 Millisekunden, kleiner als 250 Millisekunden oder
kleiner als 100 Millisekunden sein.
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Die
beschriebenen Systeme, Verfahren und Techniken können in digitalen elektronischen
Schaltungen, Computerhardware, Firmware, Software oder in Kombinationen
der Elemente implementiert werden. Eine Vorrichtung, die diese Techniken
verkörpert,
kann geeignete Eingabe- und Ausgabeeinrichtungen, einen Computerprozessor
und ein Computerprogrammprodukt enthalten, das in einem maschinenlesbaren
Speicherbaustein zur Ausführung durch
einen programmierbaren Prozessor greifbar verkörpert ist. Ein Prozeß, der diese
Techniken verkörpert,
kann von einem programmierbaren Prozessor durchgeführt werden,
der ein Programm mit Anweisungen zur Durchführung von gewünschten Funktionen
durch Betrieb an Eingabedaten und Erzeugen einer geeigneten Ausgabe
ausführt.
Die Techniken können
in einem oder mehreren Computerprogrammen implementiert sein, die
auf einem programmierbaren System ausführbar sind, das mindestens
einen programmierbaren Prozessor, der zum Empfangen von Daten und
Anweisungen von einem und zum Senden von Daten und Anweisungen an
ein Datenspeichersystem gekoppelt ist, mindestens eine Eingabeeinrichtung
und mindestens eine Ausgabeeinrichtung enthält. Jedes Computerprogramm
kann in einer höheren
prozeduralen oder objektorientierten Programmiersprache oder, falls
gewünscht,
in Assembler- oder Maschinensprache implementiert sein, und in jedem
Fall kann die Sprache eine kompilierte oder interpretierte Sprache
sein. Geeignete Prozessoren schließen beispielhaft sowohl universelle
als auch spezielle Mikroprozessoren ein. Allgemein wird ein Prozessor
Anweisungen und Daten von einem Festspeicher und/oder einem Direktzugriffsspeicher
empfangen. Zur greifbaren Verkörperung
von Computerprogrammanweisungen und -daten geeignete Speichereinrichtungen
schließen alle
Formen von nichtflüchtigem
Speicher, einschließlich
beispielsweise Halbleiterspeicherbausteine, wie zum Beispiel löschbare
programmierbare Festspeicher (EPROM), elektrisch löschbare
programmierbare Festspeicher (EEPROM) und Flash-Speicherplatten,
Magnetplatten, wie zum Beispiel interne Festplatten und herausnehmbare
Platten, magnetooptische Platten und Compact Disc-Festspeicher (CD-ROM) ein. Jeder der
vorangehenden kann durch speziell gestaltete ASICs (Application-Specific Integrated
Circuits) ersetzt oder darin enthalten sein.
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Es
ist eine Zahl von Implementierungen beschrieben worden. Nichtsdestotrotz
wird es verständlich
sein, daß zahlreiche
Modifikationen vorgenommen werden können. Zum Beispiel könnten vorteilhafte
Ergebnisse unverändert
erzielt werden, wenn Schritte der offenbarten Techniken in einer
anderen Reihenfolge durchgeführt
würden
und/oder wenn Komponenten in den offenbarten Systemen in einer anderen
Art kombiniert und/oder ersetzt oder durch andere Komponente ergänzt würden. Dementsprechend
fallen weitere Implementierungen in den Schutzbereich der folgenden
Ansprüche.