DE4014737C2

DE4014737C2 -

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Publication number: DE4014737C2
Application number: DE4014737A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Birkle; Gunther Grasemann; Hartwig Prof. Dr. 7500 Karlsruhe De Steusloff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1990-05-08
Publication date: 1992-09-10
Also published as: DE4014737A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ladungszustandes und wei terer physikalischer Größen wie Verschleißzustand, Alter, Exemplarstreuung, Vor geschichte und Ladewirkungsgrad eines wiederaufladbaren elektrischen Energiespeichers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus US-PS 43 90 841 bekannt ist.The invention relates to a method for determining the state of charge and white other physical variables such as wear condition, age, specimen distribution, pre history and charging efficiency of a rechargeable electrical energy storage according to the preamble of claim 1, as known for example from US-PS 43 90 841 is.

Wiederaufladbare (reversible) Energiespeicher werden heute in sehr vielen Bereichen eingesetzt, um den Betrieb von elektrischen Geräten netzunabhängig zu gewährleisten. Die gegenwärtig am meisten verbreiteten Typen sind Blei-Akkus, Nickel-Cadmium-Akkus, Natrium-Schwefel-Akkus und Lithium-Fluor-Akkus. Neben vielen Vorteilen, die damit verbunden sind, bringt ihr Einsatz auch Probleme mit sich, z. B. die höheren Kosten und den Wartungsaufwand, hauptsächlich aber den begrenzten Energievorrat. Nun aber ist die Tatsache, daß die entnehmbare Energie endlich ist und der verwendete Akku irgendwann ausgetauscht oder wieder aufgeladen werden muß, als solche durchaus zu verschmerzen. Die eigentliche Schwierigkeit besteht darin, daß man oft nicht weiß, wann dies sein wird, d. h. wie lange man sein Gerät mit dem aktuell verwendeten Akku noch betreiben kann bzw. wieviel Energie/Ladung sich noch im Akku befindet.Rechargeable (reversible) energy storage devices are used in very many areas today used to ensure the operation of electrical devices independent of the network. The currently most common types are lead batteries, nickel-cadmium batteries, Sodium sulfur batteries and lithium fluorine batteries. In addition to many advantages that associated with it, their use also brings problems, e.g. B. the higher cost and the maintenance effort, but mainly the limited energy supply. But now the fact that the extractable energy is finite and the one used Battery replaced or recharged at some point must be to get over as such. The real difficulty is that one often do not know when this will be d. H. how long you operate his device with the currently used battery can or how much energy / charge is still in the Battery is located.

In einigen Anwendungsbereichen sind diese Einschränkungen nur ärgerlich oder teuer; in vielen Fällen führen sie aber auch dazu, daß ganz auf den Einsatz von Akkus verzichtet wird. Es werden dann meistens die nicht reversiblen umweltbelastenden Primärzellen eingesetzt, die ab einem gewissen Verbrauch (Zyklenzahl) teurer und extrem umweltbelastend sind, aber hinsichtlich der Ladungsinformation weniger Probleme aufweisen, da sich die fortgeschrittene Entladung rechtzeitig durch einen Spannungsrückgang bemerkbar macht. Die sicherheitsrelevanten Bereiche wie Medizin, Verkehr, Feuerwehr etc. sind an erster Stelle zu nennen, aber auch viele Hobby-Anwendungen (z. B. Tauchen, Bergsteigen, Modellbau) öffnen sich dem Akkueinsatz nur langsam oder bisher noch gar nicht.In some areas of application these are limitations only annoying or expensive; in many cases but they also lead to the fact that the use of Batteries is dispensed with. It usually becomes non-reversible polluting primary cells used from a certain consumption (Number of cycles) are more expensive and extremely polluting, but less problems with the charge information because of the advanced discharge noticeable in time by a drop in tension makes. The security-relevant areas such as medicine, Traffic, fire brigades, etc. are in the first place name, but also many hobby applications (e.g. Diving, mountaineering, model building) open up the battery insert only slowly or not at all.

Der Grund dafür liegt in dem Verhalten der meisten aufladbaren Batterien, wie es in Abb. 1 am Beispiel des weit verbreiteten NiCd-Akkus dargestellt ist:
Vor dem plötzlichen und steilen Spannungsabfall kurz vor der völligen Entladung ist eine lange Phase mit nahezu konstanter Spannung zu erkennen; während ca. 90% der Entladedauer (bei konstantem Strom) ändert sich die Spannung nur um weniger als 10%. Diese Eigenschaft ist zunächst eine günstige Voraussetzung, denn eine nahezu konstante Spannung während fast der gesamten Betriebsdauer des Akkus sorgt in dieser Zeit für die volle Leistungsfähigkeit des Geräts. Auf der anderen Seite wird aber der Punkt C in der dargestellten Entladekurve, nämlich die Stelle, an der spätestens eine erneute Aufladung erfolgen muß, erst zu einem Zeitpunkt erkennbar, an dem nur noch wesentlich weniger als 10% der Gesamtladung verfügbar sind und die Spannungsversorgung danach sehr bald völlig zusammenbricht.The reason for this lies in the behavior of most rechargeable batteries, as shown in Fig. 1 using the example of the widely used NiCd battery:
Before the sudden and steep voltage drop shortly before the complete discharge, a long phase with almost constant voltage can be seen; during approx. 90% of the discharge time (with constant current) the voltage changes only by less than 10%. This property is initially a favorable prerequisite, because an almost constant voltage during almost the entire operating time of the battery ensures the full performance of the device during this time. On the other hand, however, point C in the discharge curve shown, namely the point at which recharging must take place at the latest, can only be recognized at a point in time when only considerably less than 10% of the total charge is available and the voltage supply afterwards very soon collapses.

Die einzigen ohne Eingriffe in den Akku meßbaren Größen sind Stromstärke und Temperatur, die durch die Umgebung vorgegeben werden, und die Spannung, die sich bei diesen Bedingungen an den Elektroden des Akkus einstellt. Die Nennspannung eines Akkus ist abhängig vom Alter und von Eigenschaften des Akkus, die der Exemplarstreuung unterliegen. Da sich die Spannungsänderung im Hauptteil des Entladevorgangs in derselben Größenordnung wie die erwähnte Streuung der Nennspannung bewegt, kann die Spannung allein nur ein sehr schlechtes Maß für den Ladungs-/ Energie-Inhalt des Akkus darstellen. Für die Bestimmung des Ladezustands sind deshalb Systeme notwendig, die aus den meßbaren Größen die dafür erforderlichen Informationen ableiten.The only sizes measurable without tampering with the battery are amperage and temperature caused by the environment be specified, and the tension that is present in these Conditions on the electrodes of the battery. The nominal voltage of a battery depends on the age and of characteristics of the battery, that of the specimen scatter subject to. Because the voltage change in the main part of the unloading process in the same order of magnitude as moves the mentioned spread of the nominal voltage, the Voltage alone is a very bad measure of the charge / Display the energy content of the battery. For the Systems are therefore necessary to determine the state of charge, the required from the measurable sizes Derive information.

Bei den bislang bekannten Verfahren der Ladezustandsüberwachung werden die leicht meßbaren Größen des Prozesses erfaßt (I, T, U, t), die Be-/Entladung von Beginn des Prozesses an bilanziert und mit Hilfe von physikalischen Formeln für die Abschätzung des Ladungszustands herangezogen (DE- PS 34 29 145).In the previously known methods of charge state monitoring the easily measurable sizes of the Process detected (I, T, U, t), the loading / unloading of Started the process and accounted for with the help of physical formulas used to estimate the state of charge (DE- PS 34 29 145).

Aus der US-Patentschrift 43 90 841 ist es weiterhin bekannt, daß der Ladungszustand bzw. die verbleibende Restladung indirekt über einen Modellansatz (auch Beobach tungsansatz) bestimmt wird. Das Messen mit Beobachtung wird später beschrieben. Aus dieser Literaturstelle ist jedoch nur bekannt, ein geschlossenes, lineares Modell des Prozesses einzusetzen, wie die Peukert-Gleichung, die jedoch nur für Blei-Akkumulatoren und vergleichbare Typen verwendet werden kann.From US Patent 43 90 841 it is also known that the state of charge or the remaining charge indirectly via a model approach (also observe approach) is determined. Measuring with observation will be described later. From this reference, however, it is only known that a closed, linear model of the Processes such as the Peukert equation, but only for lead accumulators and comparable types can be used.

Ebenso werden in US-PS 43 33 149 die Eingangsgrößen Entladestrom und Spannung des Akkus gemessen und in einem Rechnervergleich die verbleibende gegenüber der bereits abgegebenen Kapazität ermittelt und angezeigt. Auch aus der US-Patentschrift 44 55 523 ist es bekannt, aus der gemessenen auf die verbleibende Kapazität zu schließen.Likewise, the input variables discharge current and voltage of the battery are in US Pat. No. 4,333,149 measured and in a computer comparison the remaining compared to the already submitted Capacity determined and displayed. It is also known from US Pat. No. 4,455,523 from the measured to conclude the remaining capacity.

Hier werden also nur zwei Variable gemessen, die Vorgeschichte der Batterie, Alter usw. als Kenngröße oder weitere Parameter werden nicht herangezogen bzw. bestimmt.So only two variables are measured here, the history of the battery, age, etc. as The parameter or other parameters are not used or determined.

Keines der bekannten Verfahren hat sich für die Verwendung im praktischen Einsatz durchsetzen können. Die Gründe dafür liegen in der nicht zufriedenstellenden Meß genauigkeit der für einen sinnvollen Einsatz einzuhaltenden Randbedingungen:None of the known methods has been put to practical use can enforce. The reasons for this lie in the unsatisfactory measurement Accuracy of the boundary conditions to be observed for a sensible use:

- In the known methods / Devices are started with a new battery; with already ge used batteries this is not possible so far. Especially with nickel Cadmium cells often happen to have batteries with unknown unknowns history can be used. Monitoring is possible in almost all cases from incorrect output data, the determination of the available capacity must therefore be wrong.
- During the life of the battery, the voltage must not go to zero, otherwise the monitoring unit will lose its memory and after it recharging incorrectly assumes a new battery.
- But even if the required framework conditions are fully complied with satisfactory measurement accuracy is not yet guaranteed. It namely for the indirect determination of the state of charge from the easy measurable quantities from tabular dependencies. Here, however, neither the individual manufacturing tolerances manufacturer and type-specific differences are taken into account.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dahingehend zu verbessern, daß auch bei Energiespeichern mit unbekanntem Lade zustand, Vorgeschichte, Verschleißzustand, Alter usw. eine zuverlässige Aussage über die verfügbare Kapazität und den voraussichtlichen Wirkungsgrad ermöglicht wird.The object of the invention is therefore the method according to the preamble of the claim 1 to improve that even with energy storage with unknown charging condition, history, state of wear, age, etc. a reliable statement about the available capacity and the expected efficiency.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekenn zeichnet.This object is achieved by the method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method are characterized in the subclaims draws.

Eine Einführung zu dem Prinzip des Messens mit Beobachter ist aus IEEE Transactions on Automatic Control vol. AC-16 No 6 Dec. 71, Seiten 596-602, "Introduction to Obser vers" von David G. Luenberger, bekannt, oder aus IEEE Transactions on Military, Elec tronics Vol. 7, 1963, David Luenberger: "Observing the State of a Linear System", Seiten 74-80, Prof. Zeitz Michael, Bochum, "Nichtlineare Beobachter . . .", VDI-Verlag, Fort schrittberichte VDIZ, Reihe 8, Nr. 27.An introduction to the principle of measuring with an observer is from IEEE Transactions on Automatic Control vol. AC-16 No 6 Dec. 71, pages 596-602, "Introduction to Obser vers "by David G. Luenberger, known, or from IEEE Transactions on Military, Elec tronics Vol. 7, 1963, David Luenberger: "Observing the State of a Linear System", pages 74-80, Prof. Zeitz Michael, Bochum, "Nonlinear Observer ...", VDI-Verlag, Fort step reports VDIZ, row 8, no.27.

Das indirekte Messen mit Modellen liefert Ergebnisgrößen, die direkt nicht meßbar sind. Der Vergleich dieser Größen mit den realen Werten des Prozesses ist allenfalls zu einem späteren Zeitpunkt, z. B. beim Erreichen der völligen Entladung, möglich. Vorher aber können nicht erfaßte Einflüsse den Prozeß verändern, so daß ein zunächst nicht erkennbarer Meßfehler bei der indirekt gemessenen Größe entsteht.Indirect measurement with models provides results that are not directly measurable are. The comparison of these quantities with the real values of the process is at best at a later time, e.g. B. when reaching full discharge possible. Before but can not grasp influences change the process so that an initially not recognizable Measurement errors arise with the indirectly measured size.

Mißt man etwa an den Elektroden eine Spannung im zentralen Arbeitsbereich des Akkus, so sind daraus - auch nicht bei der Kenntnis eines geschlossenen Modells - kaum Aussagen über den Ladezustand des Akkus ableitbar, wenn man es mit Akkuklassen zu tun hat, die eine flach verlaufende Kennlinie der Spannung aufweisen.If one measures a voltage in the central one at the electrodes Working area of the battery, so are from it - not even with the knowledge of a closed model - hardly any statements derivable about the state of charge of the battery, if you use it Battery classes has to do with a flat characteristic of tension.

Erst bei Kenntnis zweier wesentlicher Eigenschaften ist die Spannung ein signifikantes Merkmal für den Ladezustand; dies sind die Individualstreuung und der Alterungszustand. Die hierdurch bedingten Änderungen der Spannung liegen in derselben Größenordnung wie diejenigen, die sich aus der Änderung des Ladezustands ergeben.Only when two essential properties are known is the Voltage is a significant feature of the state of charge; this are individual scatter and the state of aging. The changes in the voltage resulting from this lie in the same Order of magnitude like those resulting from the change the state of charge.

Eine indirekte Messung z. B. nach DE-OS 37 36 481 geht von einem neuen Akku bzw. von einem Akku bekannten Alters sowie von den Katalogwerten für den individuellen Energiespeicher aus. Individuelle Abweichungen von den Katalogwerten werden genausowenig berücksichtigt wie Abweichungen des angenommenen Alters vom tatsächlichen Verschleißzustand.An indirect measurement e.g. B. according to DE-OS 37 36 481 goes from one new battery or from a battery of known age as well from the catalog values for individual energy storage out. Individual deviations from the catalog values will be just as little taken into account as deviations from the assumed Age from the actual state of wear.

Das Ergebnis ist eine Aussage über den Ladezustand des Akkus, die im Extremfall sehr stark von der Realität abweicht, ohne daß dem Meßsystem über diese Abweichung eine Rückmeldung gegeben wird. The result is a statement about the state of charge of the Batteries that deviate very much from reality in extreme cases, without the measuring system being aware of this deviation Feedback is given.

Dieser Effekt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vermieden. Im folgenden soll nun die Erfindung näher erläutert werden.This effect is avoided with the method according to the invention. The invention will now be explained in more detail below will.

1. Measure and watch

Parallel zum Be-/Entladevorgang (Prozeß) läuft eine modellgestützte Simulation, der dieselben Prozeßeingangsgrößen wie dem Prozeß zugeführt werden. Die leicht meßbaren Prozeßausgangsgrößen, in diesem Fall die Spannung U(t), werden mit den korrespondierenden Werten aus dem Modell verglichen. Anschließend werden die aktuellen Modellparameter im Sinne einer Minimierung der Abweichung zwischen realen und modellierten Prozeßausgangsgrößen angepaßt. Dies führt zu folgenden vorteilhaften Eigenschaften des Meßsystems, das im folgenden auch Monitor genannt wird:A model-based process runs parallel to the loading / unloading process Simulation that has the same process inputs as be fed into the process. The easily measurable process output variables, in this case the voltage U (t) will be with compared the corresponding values from the model. Then the current model parameters in the sense minimizing the deviation between real and modeled Process output variables adjusted. This leads to the following advantageous properties of the measuring system, which in following is also called monitor:

a) It takes place by constantly going through the observer cycle the system always adapts itself, the all manufacturer, type and battery-specific variations Takes into account.
b) Batteries with an unknown history can be used with the known type data as start values serve in the adaptation.
c) After data loss due to voltage zero crossing the system can take a new approach.
d) The adjustment is made automatically to the current one Characteristic curve of the accumulator. All influences by the internal and external process conditions are taken into account.
e) The observer starts with predetermined values, e.g. B. Catalog or literature values, as a 0 th order model. With each adaptation cycle, they improve current model parameters.

In Abb. 2 ist der auf das Beobachterprinzip basierende Adaptionszyklus dargestellt: Fig. 2 shows the adaptation cycle based on the observer principle:

Die leicht meßbaren Prozeß-Eingangs-Größen (1), die Stromstärke, die Zeit, die Temperatur des Akkus und die der Umgebung, beeinflussen den realen Prozeß der Be- oder Entladung (2) und werden gleichzeitig vom Überwachungssystem gemessen (3).The easily measurable process input variables ( 1 ), the current, the time, the temperature of the battery and that of the environment influence the real process of loading or unloading ( 2 ) and are simultaneously measured by the monitoring system ( 3 ).

Am Prozeß stellen sich jetzt zu jedem Zeitpunkt seine Ausgangsgrößen ein, von denen ein Teil gemessen werden kann, in diesem Fall die Spannung U(t) (4), ein Teil aber der direkten Messung verborgen bleibt (5). Dies sind im wesentlichen die entnehmbare Ladungsmenge Q(t) und der differentielle Ladewirkungsgrad η_L(t).The process now has its output variables at any time, some of which can be measured, in this case the voltage U (t) ( 4 ), but some of which remains hidden from the direct measurement ( 5 ). These are essentially the amount of charge Q (t) that can be removed and the differential charging efficiency η _L (t).

Parallel zum realen Prozeß wird eine Modell-Rechnung durchgeführt (6), bei der die aus der Messung stammenden Prozeß-Eingangs-Größen an Hand von Modellgleichungen (7) und den dazugehörigen Modellparametern (8) des aktuellen Prozeßzustands zur Berechnung der den Prozeß-Ausgangs-Größen entsprechenden Modell-Ausgangs-Größen Û(t) (9) und (t) und η_L(t) (10) verwendet werden. Parallel to the real process, a model calculation is carried out ( 6 ), in which the process input variables originating from the measurement are based on model equations ( 7 ) and the associated model parameters ( 8 ) of the current process state for calculating the process output -Sizes corresponding model output sizes Größen (t) ( 9 ) and (t) and η _L (t) ( 10 ) can be used.

Die den nicht meßbaren Prozeß-Ausgangs-Größen entsprechenden Modell-Ausgangs-Größen (10) können nicht mit ihren korrespondierenden Größen verglichen werden. Dies geschieht nur mit dem der Spannung entsprechenden Modellausgangswert.The model output variables ( 10 ) corresponding to the non-measurable process output variables cannot be compared with their corresponding variables. This only happens with the model output value corresponding to the voltage.

Bei einem deterministischen, geschlossenen Modell ist die Übereinstimmung der beiden Spannungswerte zu einer Übereinstimmung der übrigen Größen dann äquivalent, wenn alle Parameter in den Modellgleichungen für die Spannung vorkommen. Es reicht dann aus, die Abweichung der beiden Spannungswerte (11) zu minimieren, um bei den in (10) angegebenen Größen ein korrektes Abbild des Prozesses vorzufinden.In a deterministic, closed model, the agreement of the two voltage values is equivalent to the agreement of the other quantities if all parameters appear in the model equations for the voltage. It is then sufficient to minimize the deviation of the two voltage values ( 11 ) in order to find a correct image of the process for the quantities specified in ( 10 ).

Zu diesem Zweck wird aus der Spannungsdifferenz (12) zusammen mit den Meßwerten aus (3) und den Modell-Eigenschaften (Gleichungen und Parameter, (7) und (8)) im Sinne einer Minimierung der Spannungsdifferenz (13) der Satz der Modellparameter neu berechnet und somit an den aktuellen Prozeß-Zustand adaptiert (14).For this purpose, the set of model parameters becomes new from the voltage difference ( 12 ) together with the measured values from ( 3 ) and the model properties (equations and parameters, ( 7 ) and ( 8 )) in the sense of minimizing the voltage difference ( 13 ) calculated and thus adapted to the current process state ( 14 ).

Anschließend wird die Modellrechnung (6) mit den neuen Parametern erneut durchgeführt. Die dabei errechneten Größen (10) sind dann das Ergebnis der indirekten Messung.The model calculation ( 6 ) is then carried out again with the new parameters. The quantities ( 10 ) calculated are the result of the indirect measurement.

2. Heuristic parameter adjustment

Dem beschriebenen Beobachterzyklus müssen Modelle in Form geschlossener Funktionen, wie z. B. Gleichungen nach dem Peukert-Typ oder aber mehrparametrige Funktionen zugrunde liegen. Diese Funktionen können linear oder nichtlinear sein.The described cycle of observers must have models in the form closed functions, such as B. equations according to the Peukert type or multi-parameter functions lie. These functions can be linear or non-linear be.

Je mehr geschlossen angebbare Modellgleichungen das System beschreiben, um so kleiner wird die Menge der möglichen Lösungsvektoren.The more closed specifiable model equations the system describe, the smaller the set of possible solution vectors becomes.

Eine eindeutige Lösung der Adaption existiert nur dann, wenn die Modellfunktionen gerade soviele offene Parameter enthalten, wie in die Modellgleichungen eingehende Prozeßgrößen direkt gemessen werden können.A clear solution to the adaptation only exists if the model functions just so many open parameters contain, like process variables coming into the model equations can be measured directly.

In der Praxis ist es aber meistens so, daß ein System unterbestimmt ist und es stets Klassen von möglichen Lösungen gibt, die sich als Unterräume des Lösungsvektorraums darstellen lassen.In practice, however, it is usually the case that a system is undetermined and there are always classes of possible solutions exist that represent themselves as subspaces of the solution vector space to let.

Im Extremfall sind überhaupt keine geschlossenen Modellgleichungen angebbar, was dazu führt, daß zunächst einmal alle Lösungsvektoren im Parameterraum im deterministischen Sinne gleichwertig sind.In extreme cases, there are no closed model equations at all specifiable, which leads to that first of all all solution vectors in the parameter space in deterministic Senses are equivalent.

Das ist z. B. der Fall, wenn von einem Energiespeicher, dessen Kennlinie, Alter und Wirkungsgrad unbekannt sind, die verfügbare Kapazität gemessen werden soll.That is e.g. B. the case when of an energy storage device Characteristic curve, age and efficiency are unknown, the available capacity should be measured.

Anders sieht es allerdings aus, wenn man die möglichen Lösungsvektoren unter der Zuhilfenahme von Vorwissen betrachtet. Dieses Vorwissen beinhaltet zunächst nur das Erfahrungswissen über die behandelte Akkuklasse im allgemeinen (z. B. NiCd-Akku, Blei-Akku, Natrium-Akku) sowie über den Akku-Typ im speziellen (Hersteller, Größe, Nennparameter) und setzt sich zusammen aus den bzgl. des Prozesses bekannten Regeln und den dazugehörigen Fakten (Daten).However, it looks different if you look at the possible solution vectors viewed with the help of prior knowledge. This prior knowledge initially only contains the experience knowledge about the treated battery class in general (e.g. NiCd battery, lead battery, sodium battery) and via the Battery type in particular (manufacturer, size, nominal parameters) and is composed of those known with regard to the process Rules and the associated facts (data).

Kennt man zusätzlich noch individuelle Daten des vorliegenden den Akkus oder bereits Meßwerte aus dem aktuell laufenden Prozeß, können auch diese Informationen mittels spezifischer Richtlinien zur Schätzung des Systemzustands herangezogen werden.You also know individual data of the present the batteries or already measured values from the currently running Process, this information can also be made using specific Guidelines used to estimate system health will.

Wie beim Messen mit Beobachterprinzip werden nach jedem Meßvorgang die Prozeßausgangsgrößen, in diesem Fall also die Spannung, mit den korrespondierenden Größen des Modells verglichen und im Falle von Abweichungen mittels eines regelbasierten Adaptionsalgorithmus angepaßt. Ein einfaches Verstärken (bzw. Dämpfen) oder ein Nachstellen in einem einfachen Regelkreis (z. B. PID-Regler mit einer Zeitkonstanten deutlich kleiner als die Abtastzyklus-Dauer) reicht für diesen Zweck nicht aus. Zwar erreichte man damit das primäre Ziel - nämlich die Minimierung der momentanen Abweichung -, die Parameter würden dabei aber nicht hinsichtlich der Plausibilitätskriterien überprüft, die sich aus dem Erfahrungswissen ergeben.As with measuring using the observer principle, after each Measuring process the process output variables, in this case the Tension, with the corresponding sizes of the model compared and in the case of deviations using a rule-based Adaptation algorithm adapted. An easy Reinforcing (or steaming) or adjusting in one simple control loop (e.g. PID controller with a time constant significantly smaller than the sampling cycle duration) not out for this purpose. You did that primary goal - namely to minimize the current deviation -, but the parameters would not be regarding checks the plausibility criteria that result from based on experience.

Dagegen geht bei jedem Schritt in der iterativen regelbasierten Parameter-Schätzung das gesamte Vorwissen aus dem vorliegenden Prozeß ein und nur im Fall einer plausiblen Parameterkonfiguration wird wieder in den Wartezustand zurückgekehrt, der erst nach dem Vorliegen neuer Meßwerte wieder verlassen wird.In contrast, every step in the iterative is rule-based Parameter estimation the entire previous knowledge from the present process and only in the case of a plausible one Parameter configuration is returned to the waiting state, only after new measured values are available is left again.

Unter bestimmten Voraussetzungen (etwa bei größeren Abweichungen zwischen zwei Meßtakten) kann es dabei erforderlich werden, die bisher durchlaufene reale Kennlinie nochmal auf Plausibilität hinsichtlich der neu geschätzten Parameter zu überprüfen ("Backward Tracing"). Ähnlich verhält es sich mit dem zukünftig zu erwartenden Prozeßverlauf; auch er muß dann auf Plausibilität überprüft werden ("Forward Tracing") und nur bei einem vernünftigen Ergebnis beider Zweige werden die Parameter als plausibel erklärt.Under certain conditions (such as larger deviations between two measuring cycles) it may be necessary the real characteristic traversed so far again Plausibility with regard to the newly estimated parameters check ("backward tracing"). It is similar with the process course to be expected in the future; he too must then checked for plausibility ("forward tracing") and only with a reasonable result of both branches the parameters declared plausible.

Findet man für die aktuelle Prozeßkonfiguration keinen plausiblen Parametersatz auf der Basis derjenigen aus dem letzten Meßtakt, ist als weiterer Schritt das sogenannte "Backtracking" anzuwenden. Hierfür werden in regelmäßigen Abständen die Meß- und Parameterwerte zwischengespeichert, um im nachhinein auf diese Werte zurückgreifen zu können. Von dort aus wird dann erneut versucht, unter Berücksichtigung der Prozeß-Information über die Zwischenzeit auf eine eher plausible Parameterkonfiguration am aktuellen Arbeitspunkt zu gelangen.If there is none for the current process configuration plausible parameter set based on those from the last measurement cycle, is the so-called Apply "backtracking". For this, be in regular Intervals the measured and parameter values are buffered, to be able to use these values afterwards. From there, an attempt is made again, taking into account the process information on the meantime on a rather plausible parameter configuration at the current working point to get.

In bestimmten Situationen (etwa bei Störungen von außen oder bei Hochstromentladungen) kann auch ein vorzeitiger Rekalibrierungsvorgang erforderlich werden. Dieser wird standardmäßig nur an den "Eckpunkten", d. h. beim Umschalten von Be- und Entladung und umgekehrt, durchgeführt.In certain situations (such as outside disturbances or in the event of high current discharges), a premature one Recalibration process may be required. This will by default only at the "corner points", i.e. H. when switching loading and unloading and vice versa.

Bei dieser Rekalibrierung werden diejenigen Parameter angepaßt, die sich in der Regel nur wenig ändern und unter bestimmten Voraussetzungen (bei Volladung oder Totalentladung) mit den korrespondierenden Größen des Prozesses verglichen werden können. Ist diese Vergleichsmöglichkeit nicht gegeben oder gelangt man trotz Anwendung aller beschriebenen Verfahren nicht mehr zu einer vernünftigen Parameterkonstellation, müssen diese Parameter aus dem bis zu diesem Zeitpunkt angesammelten Wissen neu geschätzt werden. During this recalibration, those parameters are adjusted which usually change little and under certain requirements (in the case of full or total discharge) compared with the corresponding sizes of the process can be. This comparison option is not available or one arrives despite using all of the methods described no longer one reasonable parameter constellation, these parameters must from the knowledge accumulated up to this point to be appreciated.

Die Vorgehensweise bei der heuristischen Parameteranpassung ist in Abb. 3 schematisch dargestellt. Die Schritte 1 bis 5 entsprechen denen in Abb. 2.The procedure for heuristic parameter adjustment is shown schematically in Fig. 3. Steps 1 to 5 correspond to those in Fig. 2.

Anders als beim Messen mit Beobachterprinzip kann jedoch keine Modell-Rechnung stattfinden, weil kein geschlossenes Gleichungssystem zur Verknüpfung der Meßgrößen aus (3) zur Verfügung steht. Die rechnerisch ermittelten Prozeß-Ausgangs- Größen (9) und (10) werden stattdessen nach aus der Erfahrung stammenden Regeln (15) zusammen mit den bis zu diesen Zeitpunkt bekannten Daten über den individuellen Akku (16) geschätzt (17). Danach werden die neu hinzugekommenen Daten (9), (10), (11) und (12) in die Datenbasis (16) eingetragen und mit der neuen Konstellation wird eine Reihe von Plausibilitäts-Prüfungen durchgeführt (18). Führen diese Prüfungen an einer Stelle zu einem nicht tolerierbaren Widerspruch mit der Erfahrung, wird eine erneute Schätzung, möglicherweise unter Verwendung einer der oben beschriebenen Verfahren, durchgeführt (17). Dieser Schätzungszyklus wiederholt sich - immer noch auf der Basis einer einzigen neu hinzugekommenen Messung - solange, bis eine plausible Parameterkonstellation gefunden wurde (19), die nicht weiter verbessert werden kann. Diese gilt dann bis zum Zeitpunkt der darauffolgenden Messung (3).In contrast to measuring with the observer principle, however, no model calculation can take place because there is no closed system of equations for linking the measured variables from ( 3 ). The arithmetically determined process output variables ( 9 ) and ( 10 ) are instead estimated according to rules ( 15 ) based on experience, together with the data on the individual battery ( 16 ) known up to this point ( 17 ). Then the newly added data ( 9 ), ( 10 ), ( 11 ) and ( 12 ) are entered in the database ( 16 ) and a series of plausibility checks are carried out with the new constellation ( 18 ). If these tests lead to an intolerable contradiction with experience at one point, a re-estimation is carried out, possibly using one of the methods described above ( 17 ). This estimation cycle is repeated - still on the basis of a single new measurement - until a plausible parameter constellation has been found ( 19 ) that cannot be improved further. This then applies until the next measurement ( 3 ).

Der Fall, daß keine plausible Parameterkonstellation gefunden wird, ist nicht vorgesehen. Mit einem geeigneten Regelsatz kann dies ausgeschlossen werden. So wird z. B. nach dem Einsetzen einer vorher unbekannten Batterie und der Durchführung der ersten Messung kein Parametersatz gefunden werden, der in allen Belangen so plausibel ist, wie derjenige im Fall einer Batterie, bei der die letzten 50 Be- und Entladezyklen im selben Gerät protokolliert wurden. The case that no plausible parameter constellation was found is not provided. With a suitable rule set this can be excluded. So z. B. after the insertion of a previously unknown battery and the No parameter set found when performing the first measurement who is as plausible in all respects as the one in the case of a battery in which the last 50 and discharge cycles were logged in the same device.

Hier muß dann die Annahme der Nenngrößen aus der Katalog- Tabelle für einen neuen Akku solange als plausibel gelten, bis die Meßdaten auf etwas anderes schließen lassen.The acceptance of the nominal sizes from the catalog As long as the table for a new battery is considered plausible, until the measurement data indicate something else.

Bei den Plausibilitäts-Prüfungen gibt es also Toleranzfelder für die Parameter-Konstellation, die auf einen zu erwartenden Fehler im Meßwert schließen lassen. Da mit der Zeit, also je länger Monitor und Batterie zusammenarbeiten, die Toleranzfelder für die Parameter immer enger werden, ist damit auch eine Verbesserung der Meßwertqualität des Monitors verbunden.So there are tolerance areas for the plausibility checks for the parameter constellation that is to be expected Let errors in the measured value close. Because over time so the longer the monitor and battery work together, the Tolerance fields for the parameters are getting narrower thus also an improvement in the quality of the measured values of the monitor connected.

3. Process combinations

Die Bestimmung des Ladezustands eines reversiblen elektrischen Energiespeichers kann, wie oben beschrieben, mittels indirekter Messung über Modelle durch zwei Verfahren erreicht werden, die Adaption der Parameter über das Beobachterprinzip und mit heuristischen Methoden. Beide Ansätze sind auf beide Teilzweige, den Be- und Entladezweig der Kennlinie, anwendbar und beschreiben auf deterministische oder heuristische Weise das Be- und Entladeverhalten des Akkumulators.Determining the state of charge of a reversible electrical Energy storage can, as described above, by means of indirect measurement via models achieved by two methods the adaptation of the parameters using the observer principle and with heuristic methods. Both approaches are on both branches, the loading and unloading branch of the Characteristic curve, applicable and describe on deterministic or heuristically the loading and unloading behavior of the Accumulator.

Beide Teilzweige jeweils für sich ermöglichen bereits die Extraktion ausführlicher Informationen über die aktuellen Akkuparamter. Jedes Verfahren für sich, aber auch beliebige Kombinationen, sind für den Einsatz in einer Ausführung des Monitors denkbar. Dieser kann daher ausgeführt werden als BestandteilBoth sub-branches already enable that Extract detailed information about the current Battery parameter. Every process for itself, but also arbitrary Combinations are for use in one version of the Monitors conceivable. This can therefore be executed as component

a) only the charger
b) only the consumer device
c) the battery

wobei Lösungskombinationen und Mischformen ebenfalls möglich sind.solution combinations and mixed forms are also possible are.

4. Model approaches

Die in den Kapiteln 1 und 2 beschriebenen Methoden stellen Idealfälle dar, die beide bei realen Akkus praktisch nicht vorkommen. Weder der Fall, daß ein Akku in seinem gesamten Arbeitsbereich in Abhängigkeit aller Zustandsvariablen geschlossen beschreibbar ist, noch ein völliges Fehlen modellartiger funktionaler Zusammenhänge kommt bei einem der gängigen Typen zum Tragen. Daher handelt es sich bei den behandelten Modellansätzen meistens um Kombinationen von deterministischen und phänomenologischen Funktionen sowie heuristischen Komponenten. Am Beispiel des NiCd-Akkus wird im folgenden dargestellt, welche Typen von Gleichungen herangezogen werden können.The methods described in chapters 1 and 2 represent ideal cases both of which are practically non-existent in real batteries. Neither the case that a battery pack in its entirety Work area closed depending on all state variables is completely writable, a complete lack of model-like functional relationships come from one of the common types to wear. Therefore, the model approaches mostly deal with combinations of deterministic and phenomenological functions as well heuristic components. Using the example of the NiCd battery outlined below what types of equations are used can be.

5. Loading model

Die Beladespannung des NiCd-Akkus kann aus dem über die Butler-Volmer-Gleichung abgeleiteten deterministischen Ansatz für die Durchtrittspannung und einem phänomenologischen Ansatz für die Differenzspannung dargestellt werden als: The charging voltage of the NiCd battery can be determined from the Butler-Volmer equation derived deterministic approach for the breakdown voltage and a phenomenological Approach for the differential voltage can be represented as:

Alle Größen auf der rechten Seite der Gleichung sind mit Ausnahme der Beladestromstärke I_B und des Ladezustands L geeignet zu wählende Konstanten bzw. Modellparameter (z. B. U_D, U_ZG, z, f).With the exception of the loading current I _B and the state of charge L, all variables on the right side of the equation are suitable constants or model parameters (e.g. U _D , U _ZG , z, f).

P(L) ist ein Polynom, das durch numerische Approximation aus gemessenen Kennlinien ermittelt wird. Die Beladestromstärke kann direkt gemessen werden; der aktuelle Ladezustand kann aus der Bilanzierung der eingeladenen Ladungsmenge bestimmt werden, wenn man den differentiellen Ladewirkungsgrad η_L kennt. Dieser ist definiert als die aus einer Ladungseinlagerung resultierende entnehmbare Ladungsmenge:P (L) is a polynomial that is determined by numerical approximation from measured characteristic curves. The load current can be measured directly; the current state of charge can be determined from the balance of the amount of charge loaded, if one knows the differential charging efficiency η _L. This is defined as the removable amount of charge resulting from a charge storage:

Der differentielle Ladewirkungsgrad ist vom Beladestrom und vom aktuellen Ladezustand abhängig, wobei man diese Abhängigkeit ebenfalls durch einen phänomenologischen Ansatz darstellen kann:The differential charging efficiency is from the loading current and depending on the current state of charge, considering this dependency also represented by a phenomenological approach can:

ηL (L, I_B) = e^Pm(L) · I_B + P_η _L₀ (L) (5.3)ηL (L, I _B ) = e ^{Pm (L)} · I _B + P _η _L ₀ (L) (5.3)

P_m(L) und P_η _L₀(L) sind Polynome (Ordnung ca. n = 5). P _m (L) and P _η _L ₀ (L) are polynomials (order approx. N = 5).

Mit dem bekannten differentiellen Ladewirkungsgrad läßt sich die tatsächlich verfügbare Ladungsmenge aus der eingelagerten Ladungsmenge bilanzieren:With the known differential charging efficiency the actually available amount of cargo from the stored Balance charge quantity:

und damit kann der modellierte Spannungswert nach der Formel (5.1) an gegeben werden.and thus the modeled voltage value according to the formula (5.1) are given.

Soweit der gemischt deterministische und phänomenologische Modellansatz für die Beladespannung des NiCd-Akkus.So much for the mixed deterministic and phenomenological Model approach for the charging voltage of the NiCd battery.

Wird jetzt beispielsweise ein unbekannter NiCd-Akku in ein Ladegerät mit Monitorfunktion eingesetzt und an seinen Klemmen die Spannung U(t) und der Strom I(t) gemessen, stimmt die modellierte Spannung U_B(t) nach der Formel (5.1) nur dann mit der gemessenen Spannung überein, wenn es sich um einenIf, for example, an unknown NiCd battery is inserted into a charger with a monitor function and the voltage U (t) and the current I (t) are measured at its terminals, the modeled voltage U _B (t) is only correct according to the formula (5.1) match the measured voltage if it is a

- new
- to empty
- not subject to specimen distribution

NiCd-Akku handelt. In allen anderen Fällen gibt es eine Spannungsdifferenz, für deren Ausgleich es zunächst einmal die Möglichkeit gibt, ca. 20 Parameter der Formel (5.1) und (5.3) zu verändern. Man findet beliebig viele Vektoren in diesem Parameterraum, die dafür sorgen, daß die Spannungsdifferenz verschwindet. Um aus diesen Vektoren die vernünftigen auszusuchen, sei z. B. folgende Regel genannt.NiCd battery. In all other cases there is one Voltage difference, for the compensation of which there is first of all gives the possibility of approx. 20 parameters of the formula (5.1) and (5.3) to change. You can find any number of vectors in this parameter space, which ensure that the voltage difference disappears. To make reasonable from these vectors to choose, be z. B. called the following rule.

Nach dem Ansatz der Monitorfunktion wird zunächst von einer leeren Batterie ausgegangen, soweit nichts anderes bekannt ist. Ist nun aber die eingesetzte Batterie nur zur Hälfte entladen, stellt sich eine erheblich größere Spannung ein, als das Modell unter der Annahme einer leeren Batterie voraussagt. Es ist nun für den Monitor das naheliegendste, die Annahme zu verwerfen, daß die Batterie leer sei. Die Regel ließe sich formulieren als:According to the approach of the monitor function, a empty battery, unless otherwise known is. But is now only half of the battery used discharged, a much greater voltage arises, than the model predicts assuming an empty battery. It is now the most obvious for the monitor, the Reject the assumption that the battery is empty. The rule could be formulated as:

Rule 1

Wenn eine Batterie neu eingesetzt ist und keine weiteren Informationen vorhanden sind und die Spannung an den Klemmen zu groß ist, dann ist die Batterie höchstwahrscheinlich nicht leer, also höheren Ladezustand annehmen.When a battery is inserted and no further information is available and the voltage at the terminals is too high then the battery is most likely not empty, so assume a higher charge level.

Vor dem nächsten Meßtakt wird jetzt der zunächst als Null angenommene Ladezustand z. B. mittels einer PID-Regelcharakteristik erhöht, so daß der Fehler, d. h. die Spannungsdifferenz kleiner wird. Nach einigen Meßtakten wird das System sich angepaßt haben und die Spannungsdifferenz wird sehr klein geworden sein. Nun kann aber auch die Annahme, die Batterie sei neu und treffe zufälligerweise gerade die Katalogwerte mit ihren Parametern, durchaus falsch gewesen sein. In diesem Fall ist der jetzt angenommene Ladezustand zu groß. Dieser Irrtum kann aus den Kennlinienmerkmalen abgelesen werden, nachdem eine Reihe von Meßtakten durchlaufen wurde. Stimmen die Kennlinienmerkmale der real gemessenen Kurve nur schlecht mit denen des Modells überein, kann eine erneute Schätzung der individuellen Nennkapazität (die vom Alter und von der Exemplarstreuung abhängt) durchgeführt werden und die Modellkennlinie vom Zeitpunkt des Modellansatzes bis zum Arbeitspunkt neu berechnet und wieder mit der realen Kennlinie verglichen werden. Dabei ergibt sich zwangsläufig ein anderer, nämlich kleinerer Ladezustand. Der geschätzten und für plausibel befundenen individuellen Nennkapazität entspricht zunächst ein Satz von Lösungsvektoren aus dem zweidimensionalen Raum der denkbaren Verschleißzustände und durch Exemplarstreuung bedingter Schwankung dieser Größe, solange es keine Hinweise für die Einschränkung dieser Menge gibt.Before the next measuring cycle, it will now be zero assumed state of charge z. B. by means of a PID control characteristic increased so that the error, i.e. H. the voltage difference gets smaller. After a few measuring cycles it will System have adapted and the voltage difference will have become very small. But now the assumption the battery is new and just happens to hit it Catalog values with their parameters, quite wrong be. In this case the state of charge is now assumed too large. This error can be read from the characteristics of the characteristic after going through a series of measuring cycles has been. Are the characteristics of the real measured Curve can only poorly match those of the model a renewed estimate of individual nominal capacity (the depends on the age and the number of specimens) and the model characteristic curve from the time of the model approach recalculated up to the working point and again can be compared with the real characteristic. Here results a different, inevitably smaller charge level. The valued and plausible individual Nominal capacity initially corresponds to a set of Solution vectors from the two-dimensional space of the conceivable Wear and tear and conditions caused by specimen scatter Fluctuation of this size as long as there is no evidence of that Limiting this amount there.

Regel 1 kann also angewendet werden, wenn bereits ein Teil der Beladekennlinie durchlaufen wurde: Rule 1 can therefore be applied if there is already a part the loading characteristic was passed:

Rule 2

Wenn Regel 1 angewendet wurde und die Kennlinien-Merkmale nur schlecht übereinstimmen, dann stimmt die angenommene individuelle Nennkapazität nicht, also individuelle Nennkapazität so anpassen, daßIf rule 1 was applied and the characteristics of the characteristic curve do not match well, then the accepted individual is correct Nominal capacity not, So adjust individual nominal capacity so that

a) a plausible characteristic curve arises,
b) voltage difference below the then assumed loading capacity minimal becomes.

Der Kennlinienverlauf wird anhand von leicht extrahierbaren Merkmalen verglichen wie Krümmung, Steigung, Absolutwert und Integral (entnommene Energie).The characteristic curve is based on easily extractable Features compared such as curvature, slope, absolute value and integral (extracted energy).

6. Unloading model

Der Verlauf der Entladekennlinie zeigt drei deutlich voneinander abgrenzbare Bereiche:The course of the discharge characteristic shows three clearly from each other definable areas:

1) A rapid drop at the start of the discharge
2) A long, almost linear drop with little pitch
3) A sudden, steep drop

Der Modellansatz besteht demnach aus einem linearen (genauer: affinen) Hauptteil, dem am Anfang und am Ende jeweils eine Exponentialfunktion überlagert ist.The model approach therefore consists of a linear (more precisely: affine) main part, the beginning and end of each an exponential function is superimposed.

Die Komponenten werden als Initial-, Linear- und Finalteil bezeichnet und werden folgendermaßen formuliert:The components are used as initial, linear and final parts are referred to and are formulated as follows:

Ähnlich wie in Kapitel 5 wird nach dem Einsetzen einer unbekannten Batterie zunächst von den Normalwerten eines vollgeladenen Exemplars ausgegangen. Similar to Chapter 5, after inserting an unknown Battery initially from the normal values of a fully charged one Copy ran out.

Nun kann aber aus der Adaption der Initialparameter nicht direkt auf die eigentlich interessierende Größe, nämlich die aktuelle Finalbeginn-Ladung, geschlossen werden.Now the initial parameters cannot be adapted directly to the size of interest, namely the current charge at the start of the final.

Die dem Initialverlauf entnommenen Parameter lassen aber eine verbesserte Schätzung des Finalverlaufs zu. Noch besser wird diese Schätzung, wenn auch der Linearteil ausgewertet werden konnte und am besten ist der Finalverlauf voraussagbar, wenn das System sich diesen Verlauf bei der letzten Entladung merken konnte.However, the parameters taken from the initial course leave an improved estimate of the course of the final. Even better this estimate is evaluated even if the linear part could be and the best is the course of the final predictable if the system takes this course at the could notice last discharge.

Die folgenden beiden Regeln seien für das bedingte Ableiten von Informationen aus den Meßwerten beispielhaft genannt.The following two rules are for conditional derivation of information from the measured values mentioned as an example.

Rule 3

Wenn der aus dem Kurvenverlauf ermittelte Beginn des linearen Bereiches typisch für eine halbverschlissene Batterie ist und sonst keine Informationen vorliegen, dann ist die Batterie höchstwahrscheinlich halb verschlissen.If the beginning of the linear range typical of a semi-worn Battery is and no other information is available, then the battery is most likely half worn out.

Rule 4

Wenn der aus dem Kurvenverlauf ermittelte Beginn des linearen Bereiches typisch für eine halbverschlissene Batterie ist und die Batterie im letzten Zyklus erst als zu einem Viertel verschlissen eingestuft wurde und es keine außergewöhnlichen Vorfälle im laufenden Zyklus gab, dann ist die Batterie höchstwahrscheinlich nur wenig mehr als zu einem Viertel verschlissen. If the beginning of the linear range typical of a semi-worn Battery is and the battery in the last cycle only as one Quarter worn out and there are no extraordinary incidents in progress Cycle gave then the battery is most likely only a little more than a quarter worn out.

Die Zahlenwerte und Begriffe wie "höchstwahrscheinlich" sind beispielsweise Aussagen, die im tatsächlich ablaufenden Programm durch Zahlen, d. h. Wahrscheinlichkeitswerte. Verschleißzahlen etc., ersetzt werden. Diese Zahlen sind typspezifisch; es soll in diesen einfachen Regeln nur exemplarisch dargestellt werden, wie die Ergebnisse von Messungen mit dem Vorwissen verknüpft werden.The numerical values and terms like "most likely" are, for example, statements that are actually going on Program by numbers, d. H. Probability values. Wear numbers etc., to be replaced. These numbers are type-specific; it is meant to be exemplary only in these simple rules be represented as the results of measurements with the previous knowledge.

7. Embodiments

Es ergeben sich verschiedene Versionen von Vorrichtungen zur Realisierung des beschriebenen Verfahrens. Die Beschränkungen sind dabei, daß bei reinen Ladegeräten (in die der Akku in irgendeinem Zustand eingesetzt und im Regelfall vollgeladen entnommen wird) nur der Beladezweig, sowie umgekehrt bei einem reinen Verbrauchergerät (in das ein voller Akku eingesetzt und leer entnommen wird) nur der Entladezweig ausgewertet werden kann.There are different versions of devices to implement the described method. The restrictions are doing that with pure chargers (in the the battery is inserted in any condition and usually is removed fully loaded) only the loading branch, and vice versa with a pure consumer device (in which a full Battery inserted and removed empty) only the discharge branch can be evaluated.

Beim Einsatz des Monitors als Bestandteil des Akkus bzw. mehrerer zusammengefaßter Akkus wird die Auswertung beider Zweige unter stützt. Das gleiche gilt für Verbrauchergeräte, die der Akku für die Aufladung nicht verläßt. Dabei spielt es nur eine untergeordnete Rolle, ob der Akku fest verlötet oder leicht wechselbar ist. Beim Einsatz unbekannter Akkus ergeben sich lediglich längere Adaptionsphasen, bis sich wieder die maximal erreichbare Meßgenauigkeit eingestellt hat. When using the monitor as part of the battery or The evaluation of both branches is under several combined batteries supports. The same goes for consumer devices that use the battery for charging does not leave. It only plays one subordinate role, whether the battery is soldered or light is changeable. When using unknown batteries arise only longer adaptation phases until the set maximum achievable measurement accuracy.

Doch auch bei der Verwendung der Monitorfunktionen in den dem jeweiligen Kennlinienzweig entsprechenden Geräten gibt es die Möglichkeit, beide Verläufe auszuwerten, wenn der Akku seine aktuellen Informationen auf einem Halbleiterspeicher (RAM oder EEPROM) mitgegeben bekommt und diese dem jeweils anderen Gerät mitteilt. Auch wenn nur eins der beiden Geräte über den Monitor verfügt, wird hierdurch der Vorteil geschaffen, daß der Monitor über die aktuelle Kennlinie hinaus auf die Ergebnisse aus früheren Kennlinienauswertungen bzgl. dieses Akkus zurückgreifen kann.But also when using the monitor functions in the devices corresponding to the respective characteristic branch it is possible to evaluate both courses if the Battery its current information on a semiconductor memory (RAM or EEPROM) and this the notifies each other of the device. Even if only one of the two Devices has the monitor, this will make the Advantage created that the monitor over the current characteristic to the results from previous characteristic curve evaluations can fall back on this battery.

Es ergeben sich insgesamt die im folgenden dargestellten Realisierungsformen des Monitors.Overall, the following are shown Realization forms of the monitor.

7.1. The monitor is only part of the charger

Das Ladezustands-Überwachungssystem ist eine dem Ladegerät fest zugeordnete Vorrichtung zur Durchführung der unter 1. und 2. beschriebenen Verfahren. Abb. 4 zeigt ein Blockschaltbild einer solchen Vorrichtung, in dem die einzelnen Komponenten aufgeführt sind sowie ihre jeweilige Wechselwirkung durch Pfeile angedeutet ist. Der zentrale Baustein dieses diskreten Aufbaus ist ein Mikroprozessor (21), der als 8-Bit-Mikrorechner gleichermaßen kostengünstig und platzsparend ist und auf der anderen Seite über alle notwendigen Leistungsmerkmale für diesen Einsatz verfügt. Bei entsprechenden Genauigkeits- und Geschwindigkeitsanforderungen kann aber auch ein 32-Bit-Rechner eingesetzt werden.The state-of-charge monitoring system is a device which is permanently assigned to the charger for carrying out the methods described under 1. and 2. Fig. 4 shows a block diagram of such a device, in which the individual components are listed and their respective interaction is indicated by arrows. The central component of this discrete structure is a microprocessor ( 21 ), which as an 8-bit microcomputer is equally inexpensive and space-saving and on the other hand has all the necessary performance features for this application. A 32-bit computer can also be used if the required accuracy and speed are required.

Vom Ladegerät (28) mit einer Anzeigeeinheit bekommt der Monitor (21, 23, 24, 25, 26, 27, 30, 31) = (37) neben seiner Versorgungsspannung einen RESET-Impuls (22), nachdem der Akku (33) eingesetzt und der Beladevorgang gestartet wurde. Die Zeitbasis wird durch einen Taktgeber (23) gestellt, der als Quartz oder als elektronischer Schwingkreis ausgeführt sein kann und neben dem CPU-Takt auch für den Timer-Takt mittels CTC-Zähler-Timer-Schaltung (24) sorgt, der die Interrupts für die Meßwert-Aufnahme generiert. Diese wird von einem Analog-Digital-Wandler durchgeführt (25), der das von einem Multiplexer (26) selektierte Meßsignal digitalisiert an die CPU (21) sendet.From the charger ( 28 ) with a display unit, the monitor ( 21, 23, 24, 25, 26, 27, 30, 31 ) = ( 37 ) receives a RESET pulse ( 22 ) in addition to its supply voltage after the battery ( 33 ) has been inserted and the loading process has started. The time base is set by a clock generator ( 23 ), which can be designed as a quartz or an electronic resonant circuit and, in addition to the CPU clock, also provides the timer clock by means of a CTC counter timer circuit ( 24 ), which ensures the interrupts the measured value recording is generated. This is carried out by an analog-to-digital converter ( 25 ), which sends the measurement signal selected by a multiplexer ( 26 ) in digitized form to the CPU ( 21 ).

Die Auswahl des Eingangssignals trifft der Rechner über einen I/O-Baustein (27), der auch für die Ausgabe des digitalen Ergebnisses an das Ladegerät (28) sowie ggf. für die Kommunikation mit dem Akku-Speicher (29) genutzt wird.The computer selects the input signal via an I / O module ( 27 ), which is also used for outputting the digital result to the charger ( 28 ) and, if necessary, for communication with the battery memory ( 29 ).

Programme und akku- bzw. gerätespezifische Daten werden auf einem nichtflüchtigen Halbleiterspeicher (ROM, PROM, EPROM, EEPROM) (30) auf das System gebracht. Dieser Baustein ist der einzige, der bei der Übertragung des Systems auf ein anderes Trägergerät geändert werden muß. Für den Programm- Ablauf bzw. Einspeisung wird zusätzlich ein flüchtiger Speicher (SRAM, DRAM) (31) benötigt.Programs and battery or device-specific data are stored on the system on a non-volatile semiconductor memory (ROM, PROM, EPROM, EEPROM) ( 30 ). This module is the only one that has to be changed when the system is transferred to another carrier. A volatile memory (SRAM, DRAM) ( 31 ) is also required for the program execution or infeed.

In der Peripherie ist am Ladegerät (28) neben der erwähnten Anzeige ein Temperatursensor (32) am Akku (33) zu installieren, sowie ein Sensor für die Umgebungstemperatur (34) und ein Strom-Sensor (35). Dieser kann z. B. als Hall-Sensor ausgeführt sein, um den Prozeß möglichst wenig zu beeinflussen. Das Eingangssignal für die Spannung wird an den jeweils aktiven Klemmen des Ladegeräts mittels Sensor (36) abgegriffen. In addition to the display mentioned, a temperature sensor ( 32 ) on the battery ( 33 ), a sensor for the ambient temperature ( 34 ) and a current sensor ( 35 ) must be installed on the charger ( 28 ). This can e.g. B. be designed as a Hall sensor in order to influence the process as little as possible. The input signal for the voltage is tapped at the active terminals of the charger by means of a sensor ( 36 ).

7.2. The monitor is only part of the consumer device

Dieser Aufbau entspricht dem in Abb. 4 dargestellten Schema; der Monitor kann, wie beim Ladegerät, mit und ohne die Speichereinrichtung am Akku betrieben werden.This structure corresponds to the diagram shown in Fig. 4; As with the charger, the monitor can be operated with and without the storage device on the battery.

7.3. The monitor is part of the battery

Ganz ohne Schnittstelle und Datentransfer kommt man aus, wenn der Monitor fester Bestandteil des Akkus oder mehrerer zusammengefaßter Akkus ist. Sowohl Be- wie auch Entladezweig werden ausgewertet und alle Monitorfunktionen optimal genutzt. Alle Daten der Batterie werden von Beginn an individuell gespeichert und können durch die Verwendung eines nichtflüchtigen Speichers auch über den Spannungsnulldurchgang hinweg erhalten bleiben. Zwar ist diese Datenerhaltung nicht für die Funktionalität des Systems erforderlich, da auch bei Datenverlust eine erneute Anpassung erfolgt, jedoch wird eine Vergrößerung der Fehlerintervalle vermieden, die mit einem erneuten Adaptionsstart mit der dann wieder unbekannten Batterie einhergeht.You can do without any interface and data transfer, if the monitor is an integral part of the battery or more summarized batteries. Both loading and unloading branches evaluated and all monitor functions optimally used. All Battery data are saved individually from the start and can by using a non-volatile Storage also preserved across the voltage zero crossing stay. This data preservation is not for the Functionality of the system required, even if data is lost a new adjustment takes place, however a Avoided increasing the error intervals with a new adaptation start with the unknown one Battery goes hand in hand.

7.4. The monitor is a consumer device and charger distributed system, the battery on a memory get their current data.

Die vollständige Ausnutzung aller Monitorfunktionen ist auch dann gewährleistet, wenn Ladegerät und Verbrauchergerät jeweils über eine Vorrichtung nach Abb. 4 verfügen und der Akku in einem ihm fest verbundenen, nichtflüchtigen Halbleiterspeicher seine Informationen mit sich führt, um sie stets dem jeweils anderen Gerät wieder zum Aufsetzen des Überwachungsvorgangs mitzuteilen. Für den Fall eines flüchtigen Speichers gelten die oben erwähnten Fehleraussagen entsprechend.The full use of all monitor functions is also guaranteed if the charger and consumer device each have a device as shown in Fig. 4 and the battery carries its information in a permanently connected, non-volatile semiconductor memory so that it can always be put back on the other device of the monitoring process. In the case of volatile memory, the error statements mentioned above apply accordingly.

7.5. The monitor is called ASIC with various programs realized for all applications 7.1 to 7.4

Um z. B. große Stückzahlen preisgünstig herstellen zu können, oder um die Unterbringung des Monitors auf engem Raum zu ermöglichen, kann die Vorrichtung auch als hochintegrierter Baustein (ASIC) ausgeführt werden.To z. B. to be able to manufacture large quantities at low cost, or to accommodate the monitor in a confined space enable, the device can also be a highly integrated Block (ASIC) are executed.

Um möglichst in allen Realisierungsformen nach 7.1 bis 7.4 eingesetzt werden zu können, müssen dem Baustein alle dafür erforderlichen Programme mitgegeben werden, die jeweils eine laufende Nummer erhalten, an Hand derer man sie selektieren kann.In order, if possible, in all implementation forms according to 7.1 to 7.4 To be able to be used, the building block must all required programs are given, each one Receive consecutive numbers from which you can select them can.

Abb. 5 zeigt schematisch einen Aufbau, bei dem die in Abb. 4 innerhalb des Rahmens (37) befindlichen Bauteile als Makros für den Aufbau des hochintegrierten Bausteins (38) verwendet werden können. Das Trägergerät übergibt dem Chip eine vierstellige binäre Programmnummer (39), die die Einsprungstelle in das Monitorprogramm auswählt, an die zum Programmstart nach dem RESET (22) gesprungen werden soll. Die Funktionalität entspricht dann dem jeweiligen für diese Aufgabe spezifizierten diskreten Aufbau. Fig. 5 shows schematically a structure in which the components located in Fig. 4 within the frame ( 37 ) can be used as macros for the structure of the highly integrated module ( 38 ). The carrier device transfers a four-digit binary program number ( 39 ) to the chip, which selects the entry point into the monitor program to which the program is to be jumped after the RESET ( 22 ) at the start of the program. The functionality then corresponds to the respective discrete structure specified for this task.

So werden die Meßwerte, die die Be-/Entladekennlinie liefern, von Bauteil (38) an Speicher (29) weitergegeben bzw. von ihm angefordert. Bei Kenntnis des Fabrikats und damit der Daten des Energiespeichers können diese über eine Programm-Eingabe (39) eingegeben werden, größere Fehlerintervalle werden somit vermieden.The measured values which supply the loading / unloading characteristic are thus passed on from component ( 38 ) to memory ( 29 ) or requested by the latter. With knowledge of the manufacturer and thus the data of the energy store, these can be entered via a program input ( 39 ), larger error intervals are thus avoided.

Über die Pins 16-19 wird das vierstellige binäre Ergebnis (bei Bedarf auch mit größerer Wortlänge) an das Trägergerät (40) übergeben.The four-digit binary result (if necessary also with a longer word length) is transferred to the carrier device ( 40 ) via pins 16 - 19 .

Liste der SymboleList of symbols

f Abkürzung für F/R/T
I Stromstärke
I₀ Grund-Stromstärke
I_B Belade-Stromstärke
m_UEl Steigung des Linearteils der Entlade-Spannung
Q_B Zugeführte Ladung (Beladen)
Q_E Entnommene Ladung
U_Ef Finalteil der Entlade-Spannung
U_Ei Initialteil der Entlade-Spannung
U_El Linearteil der Entlade-Spannung
U_El₀ Lineargrundspannung
U_ZG Zellengleichgewichtsspannung
z Wertigkeit
α Durchtrittsfaktor
η_L Differentieller Ladewirkungsgradf Abbreviation for F / R / T
I current
I₀ basic current
I _B loading current
m _UEl slope of the linear part of the discharge voltage
Q _B Load (loading)
Q _E Charge removed
U _Ef final part of the discharge voltage
U _Ei initial part of the discharge voltage
U _El linear part of the discharge voltage
U _El ₀ linear basic voltage
U _ZG cell equilibrium voltage
z valency
α penetration factor
η _L Differential charging efficiency

Claims

1.Procedure for determining the state of charge and other physical variables, such as the state of wear, age, specimen distribution, history and charging efficiency, of a rechargeable electrical energy store, the process input variables (I, t, T _battery , T _environment ; U (t)) of the energy store being measured and processed in a computer, whereby according to the principle of indirect measurement, a predefinable model, in the form of nonlinear, multi-parameter functions, which represents the state of charge and the physical quantities to be determined and their physical relationships to one another, is compared with the measured process input quantities and for the subsequent ones Measurement in the event of deviations, the model parameters are adapted, characterized in that a multi-parameter description in the form of the model and a heuristic parameterization is used to determine the state of charge and the physical quantities to be determined i The description has more parameters than process input variables and the undetermined solution quantity of the model is determined first and then the state of charge and the other physical variables with the help of the parameterization as an estimate using characteristic curves and data of known energy stores.

2. The method according to claim 1, characterized, that the voltage U (t) measured during the loading / unloading process with the model output variable Û (t) is compared and the voltage difference is monitored and that to minimize the voltage difference ΔU (t) the model parameters with the help of the model equations and the measured process input variables be recalculated one or more times for the subsequent measurement.

3. The method according to claim 1, characterized in that the new estimate is calculated from the measured process input variables and the use of the rules and data associated with the same measurement, and the estimated output variables Û (t) and (t) and η _L (t) are determined therefrom.

4. The method according to claim 3, characterized, that a plausibility check of the new parameter estimate was carried out becomes.

5. The method according to claim 4, characterized, that the plausibility check of the new parameters for the previous and the future measurements are made and then a comparison of the estimated ones is carried out one or more times with the measured values.

6. The method according to any one of claims 1-5, characterized, that the real characteristic curve passed during the measurement for plausibility with regard to the newly estimated parameter is checked and / or the expected one Process course for plausibility with regard to the newly estimated parameters is checked.

7. The method according to any one of claims 1-6, characterized, that the measurement and parameter values are saved and the parameterization with such values already stored.