DE69533254T2 - Batteriekapazitätsindikator - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Anwendungsgebiet der Erfindung
  • Bei der Verwendung einer batteriebetriebenen Vorrichtung ist es oft wichtig zu wissen, wann die Nutzlebensdauer der Batterie enden wird. Wird zum Beispiel bei einem batteriebetriebenen Computer nicht angezeigt, dass die Batteriespannung zu gering wird, kann dies einen Datenverlust zur Folge haben, wenn die verbleibende Energie nicht ausreicht, um die Informationen zu speichern und die Anwendung zu verlassen. Auch zum Beispiel bei einer batteriebetriebenen medizinischen Vorrichtung kann das Wissen um die verbleibende Batteriekapazität in einem medizinischen Notfall von entscheidender Bedeutung sein.
  • Batterien erschöpfen sich durch den Betrieb. Nur die Betriebsdauer oder den Ladungstransport zu verfolgen, reicht allerdings zum Messen der verbleibenden Batteriekapazität nicht aus. Batterien verlieren auch im Laufe der Zeit an Ladung, wenn sie nicht benutzt werden. Darüber hinaus kann die Temperatur der Batterie ihre Kapazität und ihre Nutzlebensdauer beeinflussen. Außerdem liefert die Überwachung der elektrischen Eigenschaften einer Batterie, zum Beispiel ihrer Spannung oder ihres Widerstands, oft nicht genügend Informationen in Bezug auf ihre Kapazität.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Gerät zur Erkennung und Anzeige eines niedrigen Batteriekapazitätszustands bei einer batteriebetriebenen Vorrichtung.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Batteriekapazitätsdetektoren und -indikatoren sind in der Technik bekannt. Batteriekapazitätsindikatoren nach dem Stand der Technik basieren auf einer oder beiden der folgenden zwei Methoden: (1) Messung eines Batterieparameters, und (2) kumulative Messung der Batterie-Ausgangsleistung. Die Messungen werden typischerweise in absoluter und nicht in relativer Form durchgeführt. Batteriekapazitätsindikatoren nach dem Stand der Technik umfassen im Allgemeinen auch eine Möglichkeit zur Kompensation der Zeit- und Temperatureinflüsse.
  • Das in der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 4.259.639 von Renirie beschriebene Gerät überwacht den Widerstand einer Lithiumbatterie. Das Gerät von Renirie basiert auf einem theoretischen Modell, das den effektiven Widerstand der Batterie in zwei Widerstandskomponenten unterteilt. Die Messschaltung legt die erste Widerstandskomponente RL durch eine Kapazität in Nebenschluss, so dass die Messsignalimpulse nur den Erschöpfungswiderstand Rd messen. Gemäß dem Modell von Renirie wird Rd am Ende der Nutzlebensdauer der Batterie anzusteigen beginnen.
  • In der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 4.725.784 von Peled et al. wird ein Verfahren zur Bestimmung des Ladungszustands von Lithiumbatterien beschrieben, das auf periodischen Messungen der Leerlaufspannung und vorgegebenen Kalibrierkurven beruht, welche die gemessene Spannung mit der Restladung der Batterie in Beziehung setzen. Jeder Satz von Prüflast-, Prüflastzeit- und Erholzeit-Parametern definiert eine andere Kalibrierkurve für eine bestimmte Umgebungstemperatur. Die Restkapazität der Batterie wird durch eine Gruppe von LEDs angezeigt.
  • In der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 5.162.741 von Bates wird ein Batterieenergiemonitor beschrieben, der den durch die Batterie gelieferten Strom misst und die verbleibende Batterieenergie anhand eines Temperaturkompensationsfaktors schätzt, mit dem die Batteriekapazitätsschwankungen in Abhängigkeit von der Temperatur berücksichtigt werden. Die verbleibende Lebensdauer der Batterie wird auf einem visuellen Display angezeigt.
  • Weitere Vorrichtungen zur Verfolgung des Batteriezustands sind in der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 5.065.084 von Oogita und in der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 5.130.659 von Sloan beschrieben.
  • In den Patentschriften US-A-5.250.905 und US-A-4.207.514 wird ein Batteriesystem beschrieben, das eine Hauptbatterie und einen Batteriekapazitätsindikator umfasst, welcher selbst eine Sensorzelle und Mittel zum Beeinflussen eines Parameters der Sensorzelle umfasst, der mit der verbleibenden Kapazität der Batterie in Zusammenhang steht, sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Batteriezustands, das die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen einer Sensorzelle, Beeinflussen einer Eigenschaft der Sensorzelle auf eine Weise, die mit der verbleibenden Kapazität einer Hauptbatterie in Zusammenhang steht, Überwachen eines Parameters der Sensorzelle und Ermitteln eines Zustands der Hauptbatterie anhand des überwachten Sensorzellenparameters. In der Patentschrift US-A-4.207.514 wird außerdem die Hauptbatterie verbunden mit einer Hauptlast beschrieben, während der Batteriezustand überwacht wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Erkennen eines speziellen Punkts auf der Kapazitätskurve einer Batterie mit einem hohen Maß an Genauigkeit.
  • Das Batteriesystem der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Im Speziellen ist die Erfindung ein Batteriemonitor und Batteriekapazitätsindikator, der zusätzlich zu der Hauptbatterie eine Sensorzelle nutzt, um die verbleibende Kapazität der Hauptbatterie und den Erschöpfungszustand zu bestimmen. Ein Parameter der Sensorzelle bezieht sich auf die Kapazität der Hauptbatterie, so dass die Hauptbatterie eine minimal verbleibende Kapazität hat, wenn der Sensorzellenparameter einen bestimmten Wert erreicht oder einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Sensorzelle um eine Batterie, die identisch mit der Batteriezelle oder den Zellen in dem Hauptbatteriesatz ist und von dem gleichen Fertigungslos stammt. Von der Sensorzelle wird ein Strom gezogen, der größer ist als der von der Hauptbatterie gezogene Strom. Wenn die Sensorzelle vollständig erschöpft ist, verfügt die Hauptbatterie über eine verbleibende Kapazität, deren Größe von dem Zusammenhang zwischen dem Strom der Hauptbatterie und dem Strom der Sensorzelle abhängt. Diese Informationen werden dem Benutzer durch eine Ausgabe mitgeteilt, zum Beispiel durch eine visuelle Anzeige.
  • Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 9 definiert.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung.
  • 2 zeigt einen schematischen Schaltplan eines bevorzugten variablen Widerstands zur Verwendung in der bevorzugten Ausführungsform.
  • Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Das Batteriesystem der vorliegenden Erfindung kann als Batteriemonitor dienen, der den niedrigen Ladezustand der Hauptbatterie einer batteriebetriebenen Vorrichtung ohne Überwachung der Entladungsdauer, der Umgebungstemperatur oder der Spannung und des Widerstands der Hauptbatterie angibt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Hauptbatterie 10 als eine Reihenschaltung von einzelnen Zellen 20 abgebildet, bei denen es sich vorzugsweise um Lithiumbatterien der gleichen Größe, Art und Kapazität handelt. Es ist jedoch anzumerken, dass sich die Erfindung nicht auf Lithiumbatterien oder auf eine Reihenschaltung von mehreren Zellen beschränkt. Die Hauptbatterie und der Batteriekapazitätsindikator sind Teil einer batteriebetriebenen Vorrichtung.
  • Mit der Hauptbatterie 10 ist eine Sensorzelle 22 in Reihe geschaltet. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Sensorzelle 22 hinsichtlich Typ und Fertigungslos identisch mit der Zelle oder den Zellen 20, aus denen die Hauptbatterie 10 besteht. Der Batteriesatz besteht idealerweise aus der Sensorzelle und den Hauptbatteriezellen, die in unmittelbarer Nähe angeordnet sind, so dass alle Zellen den gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Die Ausgabe der Hauptbatterie 10 und die Ausgabe der Sensorzelle 22 werden kombiniert, um eine Systemlast der batteriebetriebenen Vorrichtung mit Strom zu versorgen, hier schematisch als Element 24 dargestellt.
  • In der in 1 abgebildeten bevorzugten Ausführungsform liegt die Systemlast 24 in Form von zwei parallelen Komponenten vor: einer Komponente 25, die einen Strom ISET zieht, der durch den Controller 28 eingestellt wird, und einer Komponente 27, deren gezogener Strom IEST von dem Controller 28 ausgehend von den bekannten Eigenschaften der Systemlast 24 geschätzt wird. Der Strom ILOAD, der von der Hauptbatterie 10 geliefert wird, ist daher die Summe von ISET und IEST. Da die Sensorzelle 22 mit der Hauptbatterie 10 in Reihe geschaltet ist, zieht die Sensorzelle 22 außerdem einen Strom, der mindestens ILOAD entspricht.
  • Da die Sensorzelle 22 hinsichtlich Typ und Fertigungslos mit den Zellen 20 in der Hauptbatterie 10 identisch ist, wird der auf Zeit- und Temperatureinflüsse zurückzuführende Qualitätsverlust der Sensorzelle 22 und der Hauptzellen 20 identisch sein. Um sicherzustellen, dass sich die Sensorzelle schneller erschöpft ist als die Hauptbatterie 10, wird von der Sensorzelle 22 auch ein inkrementeller Strom kILOAD gezogen, wobei k eine willkürliche Konstante ist. Der für Lithiumbatterien charakteristische Spannungsabfall am Ende ihrer Nutzlebensdauer wird daher zuerst bei den Sensorzelle 22 in Erscheinung treten. Wenn die durch den Spannungsmonitor 32 überwachte Spannung unter einen Schwellwert fällt, gibt der Controller 28 somit ein Signal für den niedrigen Ladezustand der Batterie an die Ausgabe 16 aus, um darauf hinzuweisen, dass die Ladung der Hauptbatterie 10 nahezu erschöpft ist.
  • Um inkrementellen Strom von der Sensorzelle 22 zu ziehen, wird ein variabler Widerstand 30 zwischen der Sensorzelle 22 und Masse durch den Controller 28 auf einen Wert eingestellt, der der durch den Monitor 32 ermittelten Sensorzellenspannung VSENSE geteilt durch den Wert von kILOAD entspricht. Die Konstante k kann so gewählt werden, dass, nachdem ein Abfall der Sensorzellenspannung unter den Schwellwert angibt, dass die Sensorzelle erschöpft ist, für eine bestimmte Restkapazität in der Hauptbatterie gesorgt wird. Die Parameter des Batteriekapazitätsindikators für einen batteriebetriebenen Computer können also zum Beispiel so gewählt werden, dass noch bestimmte Operationen (zum Beispiel das Schließen einer Datei) durchgeführt werden können, nachdem die Systemausgabe einen niedrigen Ladezustand der Batterie angibt. In einem anderen Beispiel können die Parameter für einen batteriebetriebenen Defibrillator so gewählt werden, dass die Vorrichtung einem Patienten nach der Anzeige des niedrigen Ladezustands der Batterie noch mindestens einen weiteren Elektroschock verabreichen kann. Eine Diode 34 sorgt dafür, dass die Hauptbatterie 10 weiter genutzt werden kann, nachdem die Sensorzelle 22 erschöpft ist.
  • In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines variablen Widerstands 30 dargestellt. Parallel zu der Reihenschaltung eines Widerstands 37 und eines Schalters 38, die über Leitung 31 von einem Controller gesteuert wird, ist ein Kondensator 36 angeordnet. Der Schalter 38 kann ein- und ausgeschaltet werden; die Menge des von der Sensorzelle 22 im Laufe der Zeit gezogenen inkrementellen Stroms hängt von dem Wert des Kondensators und dem Wert des Widerstands sowie von der Zeitdauer ab, während der der Schalter 38 eingeschaltet ist. Der Stromfluss kann daher durch die Änderung des Tastverhältnisses des Schalters 38 justiert werden.
  • Bei manchen Ausführungsformen könnte Strom zu der Sensorzelle hinzugefügt werden statt von der Sensorzelle gezogen werden, wie dies bei der bevorzugten Ausführungsform der Fall ist. Die Sensorzelle könnte eine wiederaufladbare Batterie sein, die von einem leeren Zustand aus beginnt, wenn die Hauptbatterie vollständig geladen ist. Auf diese Weise wird die Sensorzelle über eine zusätzliche Kapazität verfügen, wenn die Hauptbatterie erschöpft ist, so dass sie die batteriebetriebene Vorrichtung weiter mit Strom versorgt, wenn die Hauptbatterie leer ist.
  • Bei anderen Ausführungsformen kann die Sensorzelle anstelle einer Batterie eine andere chemische, elektrochemische oder elektrische Vorrichtung mit einem Parameter sein, der mit der Restkapazität der Hauptbatterie in Zusammenhang gebracht werden kann. Die Sensorzelle kann zum Beispiel eine chemische Zelle sein, deren Reaktionsgeschwindigkeit durch die Menge des zugeführten Stroms oder der zugeführten Wärme gesteuert werden kann. Die chemische Zelle kann mit einem Farbänderungsmechanismus ausgestattet sein, um anzugeben, wenn ein bestimmter Schwellwert erreicht ist.
  • Weitere Abwandlungen, die in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen, werden dem Fachmann leicht einfallen.
  • Die Sensorzelle ist vorzugsweise eine Batterie (oder ein Batteriesatz). Ein Sensor ermittelt eine elektrische Eigenschaft der Sensorzelle (zum Beispiel die Spannung oder den Widerstand), um eine Angabe zu dem in der Hauptbatterie verbleibenden Ladungspegel zu erhalten. Eine Ausgabe 16, zum Beispiel eine visuelle Anzeige oder ein akustisches Alarmsignal, informiert über die verbleibende Kapazität der Hauptbatterie und/oder warnt bei niedrigem Ladezustand. Text in der Zeichnung Figur 1
    Load Last
    Figur 2
    To cell under load Zur Zelle unter Last
    To controller Zum Controller

Claims (18)

  1. Batteriesystem mit: einer Hauptbatterie (10), die Strom an eine Hauptlast (24) liefert, und einem Batteriekapazitätsindikator, wobei der Batteriekapazitätsindikator Folgendes umfasst: eine Sensorzelle (22); Mittel (30; 36–38) zum Beeinflussen eines Parameters der Sensorzelle, der mit der verbleibenden Kapazität der Hauptbatterie in Zusammenhang steht; und Mittel (32) zum Überwachen des beeinflussten Parameters der Sensorzelle; dadurch gekennzeichnet, dass das Batteriesystem ferner eine Schaltung umfasst, die die Sensorzelle in Reihe mit der Hauptbatterie schaltet.
  2. Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei das Mittel zum Beeinflussen eines Parameters der Sensorzelle Mittel zum Leiten eines Stroms durch die Sensorzelle umfasst.
  3. Batteriesystem nach Anspruch 1, wobei der Batteriekapazitätsindikator ferner eine Ausgabe (16) und Mittel (14; 28) umfasst, um der Ausgabe ein Signal zu senden, das in Zusammenhang mit dem gemessenen Parameter der Sensorzelle steht.
  4. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Hauptbatterie (10) eine Lithiumbatterie umfasst.
  5. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Mittel zum Beeinflussen eine zusätzliche Last (18; 30; 37) umfasst.
  6. Batteriesystem nach Anspruch 5, wobei die zusätzliche Last (30) eine programmierbare Last ist.
  7. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das ferner Mittel (34) umfasst, die verhindern, dass Strom von der Hauptbatterie (10) in die Sensorzelle (22) fließt, nachdem die Sensorzelle erschöpft ist.
  8. Batteriesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Sensorzelle (22) eine Batterie vom gleichen Typ wie die Hauptbatterie ist.
  9. Verfahren zum Ermitteln eines Batteriezustands in einem System, das Elektrizität von einer Hauptbatterie (10) an eine Last (24) liefert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen einer Sensorzelle (22); Beeinflussen einer Eigenschaft der Sensorzelle (22) auf eine Weise, die mit der verbleibenden Kapazität einer Hauptbatterie in Zusammenhang steht; Überwachen eines Parameters der Sensorzelle; und Ermitteln eines Zustands der Hauptbatterie anhand des überwachten Sensorzellenparameters; dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorzelle (22) mit der Hauptbatterie (10) in Reihe geschaltet ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Beeinflussens das Leiten eines Stroms durch die Sensorzelle umfasst.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, das weiterhin den Schritt des Angebens des ermittelten Zustands der Hauptbatterie umfasst.
  12. Verfahren nach Anspruch 9, das weiterhin den Schritt des Vorsehens einer programmierbaren Last (30) umfasst, die elektrisch mit der Sensorzelle (22) verbunden ist, wobei der Schritt des Beeinflussens das Justieren der programmierbaren Last umfasst.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Hauptbatterie eine Vielzahl von Batteriezellen umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Sensorzelle im Wesentlich identisch mit den Hauptbatteriezellen ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem weiterhin der von der Hauptbatterie an die Last gelieferte Strom ermittelt wird; und ein Strom von der Sensorzelle gezogen wird, der größer ist als der Strom, der von der Hauptbatterie an die Last geliefert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Stromziehens den Schritt des Ziehens eines Stroms von einer Sensorzelle umfasst, die im Wesentlichen identisch mit der Hauptbatteriezelle in der Hauptbatterie ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, das weiterhin den Schritt des Lieferns eines Stroms von der Sensorzelle an die in Reihe mit der Hauptbatterie geschaltete Last umfasst.
  18. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Vorsehen das Vorsehen einer Hauptbatterie umfasst, die über eine Vielzahl von Zellen verfügt, und einer Sensorzelle in Reihe mit der Batterie, und wobei das Beeinflussen das Beschleunigen der Entladung der Sensorzelle in Bezug auf die Entladung der Hauptbatteriezellen umfasst.
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