DE102004056190B4 - Method for determining a state of charge of a rechargeable battery - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer wiederaufladbaren Batterie, in dem diese über einen Verbraucher bis auf eine bestimmte Restladung entladen ist, bei dem während des Entladens der Batterie über den Verbraucher die Batteriespannung absinkt und mit einem größeren ersten und einem kleineren zweiten Spannungsschwellwert verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des ersten Spannungsschwellwerts (Vth1) bis zum Erreichen des zweiten Spannungsschwellwerts (Vth2) die Betriebszeit des an die Batterie angeschlossenen Verbrauchers oder die während dieser Zeit aus der Batterie entnommene Ladung gemessen wird, daß dann dieser Meßwert mit einem Vergleichswert (RTCth) verglichen wird, daß der erste Spannungsschwellwert (Vth1) erniedrigt wird, wenn der Meßwert größer als der Vergleichswert (RTCth) ist, und daß der erste Spannungsschwellwert (Vth1) erhöht wird, wenn der Meßwert kleiner als der Vergleichswert (RTCth) ist.A method for determining the state of a rechargeable battery in which it is discharged via a consumer to a certain residual charge, during which the battery voltage drops during discharge of the battery via the consumer and is compared with a larger first and a smaller second voltage threshold characterized in that after reaching the first voltage threshold (Vth1) until reaching the second voltage threshold (Vth2), the operating time of the load connected to the battery or the charge removed from the battery during that time is measured, then that value is compared with a comparison value (RTCth ), that the first voltage threshold value (Vth1) is lowered when the measured value is greater than the comparison value (RTCth), and that the first voltage threshold value (Vth1) is increased when the measured value is smaller than the comparison value (RTCth).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung bzw. Anzeige des Zustands einer Sekundärbatterie, in dem diese bis auf eine bestimmte Restladung entladen ist. Mit dieser Restladung kann ein Elektrokleingerät, beispielsweise ein elektrischer Rasierapparat oder eine elektrische Zahnbürste, noch für eine bestimmte Zeit betrieben werden, bevor die Batterie wieder aufgeladen werden muß.The invention relates to a method for determining the state of a secondary battery in which it is discharged to a certain residual charge. With this residual charge, a small electrical appliance, such as an electric shaver or electric toothbrush, still be operated for a certain period of time before the battery must be recharged.

Aus der DE 19905550 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung und Anzeige des Zustands einer Sekundärbatterie bekannt, in dem diese bis auf eine Mindestrestladung entladen ist, mit der ein Elektrokleingerät dann noch eine bestimmte Mindestzeit, beispielsweise einige Minuten, betrieben werden kann. Dabei wird davon ausgegangen, daß das Elektrokleingerät eine im zeitlichen Mittel im wesentlichen konstante Stromaufnahme besitzt. Bei diesem Verfahren wird nach vollständiger Aufladung der wiederaufladbaren Batterie die Zeit gemessen, die vergeht, bis die Batterie durch Betreiben des Elektrokleingeräts soweit entladen ist, daß die Batteriespannung bis auf einen ersten Spannungsschwellwert abgesunken ist. Nach Erreichen des ersten Spannungsschwellwerts wird dieser um einen von der gemessenen Entladezeit abhängigen Betrag erniedrigt. Wenn die Batterie durch das Elektrokleingerät weiter entladen wird, sodaß die Batteriespannung noch weiter absinkt, wird bei Erreichen des erniedrigten Spannungsschwellwerts eine Anzeige aktiviert, die die Entladung der Batterie auf die Mindestrestladung anzeigt. Dieses Verfahren berücksichtigt die sich im Laufe der Zeit ändernden Batterieeigenschaften aufgrund von Alterung und/oder Memory-Effekt, und weist einen Benutzer darauf hin, daß er das Elektrokleingerät noch eine bestimmte Mindestzeit betreiben kann, bevor er die Batterie wieder aufladen muß.From the DE 19905550 A1 a method for determining and indicating the state of a secondary battery is known in which it is discharged to a minimum residual charge, with a small electrical appliance then still a certain minimum time, for example a few minutes, can be operated. It is assumed that the small electrical appliance has a temporally average substantially constant power consumption. In this method, after fully charging the rechargeable battery, the time is measured which elapses until the battery is discharged by operating the small electronic device so far that the battery voltage has dropped to a first voltage threshold. After reaching the first voltage threshold, this is lowered by an amount dependent on the measured discharge time. If the battery is further discharged by the small electrical device, so that the battery voltage drops even further, upon reaching the lowered voltage threshold, a display is activated, indicating the discharge of the battery to the minimum remaining charge. This method takes into account the changing over time battery characteristics due to aging and / or memory effect, and informs a user that he can still operate the small electrical appliance for a certain minimum time before he has to recharge the battery.

Die durch Alterung und Memory-Effekt bedingten Änderungen der Batterieeigenschaften werden nachfolgend beispielhaft anhand von 1 erläutert, in der typische Entladekennlinien einer wiederaufladbaren Batterie dargestellt sind. Die oberste Kurve zeigt den zeitabhängigen Verlauf der Batteriespannung einer neuen Batterie, die ausgehend vom voll aufgeladenen Zustand (Spannung 1,35 V) über einen Zeitraum von ca. 50 Minuten vollständig entladen wird (Spannung < 1 V). Betreibt man die Batterie für eine längere Zeit in einer Weise, bei der sie immer nur wenige Minuten entladen und danach wieder voll aufgeladen wird, so ergibt sich bei einer dann vorgenommenen vollständigen Entladung der Batterie die unterste in 1 dargestellte Kurve. Wird die Batterie daraufhin mehrmals voll aufgeladen und wieder vollständig entladen, so erhält man schließlich die mittlere in 1 dargestellte Kurve. Der Unterschied zwischen der obersten und der mittleren Kurve ist auf Alterung zurückzuführen, wogegen der Unterschied zwischen der untersten und der mittleren Kurve durch den Memory-Effekt bedingt ist.The changes in the battery properties caused by aging and memory effect are described below by way of example with reference to FIG 1 illustrated in the typical discharge characteristics of a rechargeable battery are shown. The top curve shows the time-dependent course of the battery voltage of a new battery, which is completely discharged from a fully charged state (voltage 1.35 V) over a period of approx. 50 minutes (voltage <1 V). If you operate the battery for a long time in such a way that it is discharged only a few minutes and then recharged fully, then the battery is discharged at a complete discharge of the battery 1 illustrated curve. If the battery is then fully charged several times and fully discharged again, you will eventually get the middle in 1 illustrated curve. The difference between the top and middle curves is due to aging, whereas the difference between the bottom and middle curves is due to the memory effect.

Aus der DE 38 75 662 T2 ist ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Anzeige des Zustands einer wiederaufladbaren Batterie anzugeben, in dem diese bis auf eine bestimmte Restladung entladen ist, die einer bestimmten Restlaufzeit eines Elektrokleingeräts entspricht.From the DE 38 75 662 T2 is a method for determining and / or display the state of a rechargeable battery indicate in which it is discharged to a certain residual charge that corresponds to a certain residual life of a small domestic appliance.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein besonders einfaches und genaues Verfahren der vorgenannten Art anzugeben.It is an object of the present invention to provide a particularly simple and accurate method of the aforementioned type.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise für Elektrokleingeräte gedacht, die einen Akkumulator, und mindestens einen Verbraucher enthalten, beispielsweise einen Elektromotor, eine Anzeige für den Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie und eine elektrische oder elektronische Schaltung, die den Verfahrensablauf steuert. Das Verfahren ermöglicht es einem Benutzer eines Elektrokleingeräts, die in der Batterie gespeicherte Ladung ziemlich vollständig auszunutzen, da die Ladezustandsanzeige nicht schon bei Erreichen einer Mindestrestladung sondern erst bei Erreichen einer bestimmten Restladung aktiviert wird, die einer gewünschten Restlaufzeit des Elektrokleingeräts entspricht. In der Schaltung ist ein erster und ein zweiter Schwellwert für die Batteriespannung und ein Wert für die gewünschte Restlaufzeit festgelegt. Sinkt beim Entladen der Batterie, d. h. beim Betreiben des Elektrokleingeräts, die Batteriespannung bis auf den ersten Spannungsschwellwert ab, wird daraufhin die Anzeige aktiviert. Das erfindungsgemäße Verfahren sorgt dafür, daß der erste Spannungsschwellwert im Laufe der Zeit erforderlichenfalls so verändert wird, daß trotz Memory-Effekt bzw. Alterung der wiederaufladbaren Batterie die Batteriespannung am Ende der gewünschten Restlaufzeit gerade bis auf den zweiten Spannungsschwellwert abgesunken ist, der auf die Mindestspannung für den sicheren Betrieb des Verbrauchers festgelegt ist. Auf diese Weise kann die in der Batterie gespeicherte Ladung praktisch vollständig ausgenutzt werden.The method according to the invention is preferably intended for small domestic appliances which contain an accumulator, and at least one consumer, for example an electric motor, a display for the state of charge of the rechargeable battery and an electric or electronic circuit which controls the procedure. The method allows a user of a small electrical device, the charge stored in the battery quite fully exploit, since the charge status indicator is not activated upon reaching a minimum residual charge but only when a certain residual charge corresponding to a desired remaining life of the small electrical device. In the circuit, a first and a second threshold for the battery voltage and a value for the desired residual maturity is set. Decreases when discharging the battery, d. H. When operating the small electrical appliance, the battery voltage to the first voltage threshold, then the display is activated. The inventive method ensures that the first voltage threshold is changed as necessary over time, that in spite of memory effect or aging of the rechargeable battery, the battery voltage at the end of the desired remaining time just dropped to the second voltage threshold, the minimum voltage for the safe operation of the consumer. In this way, the charge stored in the battery can be almost completely utilized.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann besonders genau, wenn der Stromverbrauch der an die Batterie angeschlossenen Verbraucher im zeitlichen Mittel im wesentlichen konstant ist. Die bestimmte Restladung entspricht dann genau der gewünschten Restlaufzeit, für die das Elektrokleingerät nach der Aktivierung der Ladezustandsanzeige noch betrieben werden kann.The method according to the invention is particularly accurate when the power consumption of the consumers connected to the battery is essentially constant over time. The specific residual charge then corresponds exactly to the desired remaining time for which the small electrical appliance can still be operated after the activation of the charge status display.

Nach Ablauf der Restlaufzeit oder Erreichen des zweiten Spannungsschwellwerts kann der Verbraucher abgeregelt oder abgeschaltet werden, um zu vermeiden, daß die Batteriespannung noch weiter absinkt.After expiry of the remaining time or reaching the second voltage threshold, the load can be turned off or turned off to avoid that the battery voltage drops even further.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, das im Flußdiagramm gemäß 2 dargestellt ist.The inventive method will be explained below with reference to an embodiment, which in the flowchart according to 2 is shown.

In einem ersten Schritt wird die aktuelle Batteriespannung Vbat so lange fortlaufend mit dem ersten Spannungsschwellwert Vth1 verglichen, wie die Batteriespannung Vbat größer ist als der erste Spannungsschwellwert Vth1. Der erste Spannungsschwellwert Vth1 ist vorzugsweise auf einen Anfangswert festgelegt, der die Streuung der Batterieeigenschaften berücksichtigt, und den Betrieb des Verbrauchers für die gewünschte Restlaufzeit gewährleistet. Wenn die Batterie über den Verbraucher soweit entladen worden ist, daß die Batteriespannung Vbat bis auf den ersten Spannungsschwellwert Vth1 abgesunken ist, wird in einem zweiten Schritt ein Zähler gestartet, der entweder die nachfolgende Betriebszeit des an die Batterie angeschlossenen Verbrauchers oder die nachfolgend aus der Batterie entnommene Ladung mißt. Gleichzeitig kann eine Anzeigevorrichtung aktiviert werden, die den fast leeren Zustand der Batterie anzeigt. Danach wird in einem dritten Schritt die aktuelle Batteriespannung Vbat so lange fortlaufend mit dem zweiten Spannungsschwellwert Vth2 verglichen, wie die Batteriespannung Vbat größer ist als der zweite Spannungsschwellwert Vth2. Der zweite Spannungsschwellwert Vth2 ist auf einen Spannungswert festgelegt, bei dem der Betrieb des Verbrauchers gerade noch möglich ist. Ist die Batteriespannung Vbat bis auf den zweiten Spannungsschwellwert Vth2 abgesunken, wird in einem vierten Schritt der Zähler angehalten, und der Zählerstand QC mit einem Vergleichswert RTCth verglichen, der der gewünschten Restlaufzeit oder Restladungsmenge entspricht. In einem fünften Schritt wird der erste Spannungsschwellwert Vth1 um einen bestimmten Betrag dVth erhöht, sofern der Zählerstand QC kleiner ist als dieser Vergleichswert RTCth, bzw. um einen bestimmten Betrag dVth erniedrigt, sofern der Zählerstand QC größer ist als dieser Vergleichswert RTCth. Danach wird in einem sechsten Schritt die aktuelle Batteriespannung Vbat so lange fortlaufend mit dem ersten Spannungsschwellwert Vth1 verglichen, bis die Batteriespannung Vbat wieder größer ist als der erste Spannungsschwellwert Vth1, d. h. die Batterie aufgeladen wurde, und dann in einem siebenten Schritt der Zählerstand QC auf ”Null” zurückgesetzt.In a first step, the current battery voltage V bat is so long compared continuously with the first voltage threshold value V th1, as the battery voltage V bat is greater than the first voltage threshold value V th1. The first voltage threshold value V th1 is preferably set to an initial value, which takes into account the dispersion of the battery characteristics, and ensures the operation of the consumer for the desired residual maturity. When the battery has so far been discharged via the consumer, that the battery voltage V bat up to the first voltage threshold value V th1 is lowered, in a second step, a counter is started, either the subsequent operating time of the connected to the battery consumer or below from the charge taken from the battery measures. At the same time, a display device can be activated which indicates the almost empty state of the battery. Thereafter, in a third step the current battery voltage V bat is so long continuously compared with the second voltage threshold value V th2, as the battery voltage V bat is greater than the second voltage threshold V th2. The second voltage threshold value V th2 is set to a voltage value at which the operation of the load is just possible. If the battery voltage V bat up to the second voltage threshold V th2 dropped, in a fourth step, the counter is stopped, and the count of QC with a comparison value RTC th compared, which corresponds to the desired remaining time or remaining charge amount. In a fifth step, the first voltage threshold value V th1 is increased by a specific amount dV th , provided that the count QC is smaller than this comparison value RTC th , or by a certain amount dV th lowered, if the count QC is greater than this comparison value RTC th . Thereafter, in a sixth step, the current battery voltage V bat so long continuously compared with the first voltage threshold value V th1, until the battery voltage V bat is again greater than the first voltage threshold value V th1, that is, the battery was charged, and then in a seventh step of Meter reading QC reset to "zero".

Nachdem die Batterie wieder aufgeladen wurde, ist der erste Spannungsschwellwert Vth1 so festgelegt, daß nach erneutem Entladen der Batterie über den Verbraucher am Ende der Restlaufzeit die Batteriespannung Vbat genau auf den zweiten Spannungsschwellwert Vth2 abgesunken ist, und somit die in der Batterie gespeicherte Ladung optimal ausgenutzt wird.After the battery is recharged, the first threshold voltage V th1 is set so that after re-discharging the battery on the consumer at the end of the remaining term of the battery voltage V bat precisely to the second voltage threshold V th2 has dropped, and thus the energy stored in the battery Charge is optimally utilized.

Bei einer bevorzugten Variante des Verfahrens besitzt der bestimmte Betrag dVth keinen festen Wert, sondern hängt von der Größe der Differenz zwischen dem Zählerstand QC und dem Vergleichswert RTCth ab, d. h. der bestimmte Betrag dVth ist um so größer je größer die Differenz zwischen dem Zählerstand QC und dem Vergleichswert RTCth ist und umgekehrt.In a preferred variant of the method of the certain amount dV th does not have a fixed value, but depends on the magnitude of the difference between the count QC and the comparison value RTC th, that is, the certain amount dV th is the greater the greater the difference between the Count QC and the comparison value RTC th and vice versa.

Bei einer weiteren Variante des Verfahrens wird der Zähler bereits dann wieder auf ”Null” zurückgesetzt, wenn die Batteriespannung Vbat nach Unterschreiten des ersten Spannungsschwellwerts Vth1 den ersten Spannungsschwellwert Vth1 wieder überschreitet, ohne zuvor bis auf den zweiten Spannungsschwellwert Vth2 abgefallen zu sein. Dieser Fall entspricht beispielsweise einem Aufladen der Batterie während der Restlaufzeit, kann aber auch eintreten, wenn das Elektrokleingerät abgeschaltet wurde, kurz nachdem die Batteriespannung Vbat den ersten Spannungsschwellwert Vth1 unterschritten und die Batterie sich danach wieder erholt hat.In a further variant of the method, the counter is then reset to "zero" again when the battery voltage V bat after falling below the first voltage threshold V th1 again exceeds the first voltage threshold V th1 , without having previously fallen to the second voltage threshold V th2 , This case corresponds to, for example, a charging of the battery during the remaining term, but may also occur when the small electrical appliance has been switched off, the first voltage threshold value V th1 below shortly after the battery voltage V bat and the battery then has recovered.

Statt eines Zählers kann auch eine andere geeignete Einrichtung verwendet werden, die die Betriebszeit des an die Batterie angeschlossenen Verbrauchers oder die während dieser Zeit aus der Batterie entnommene Ladung mißt. Statt des Zählerstands wird dann der entsprechende Meßwert mit dem Vergleichswert RTCth verglichen.Instead of a counter, another suitable device may be used which measures the operating time of the load connected to the battery or the charge removed from the battery during this time. Instead of the count then the corresponding measured value is compared with the comparison value RTC th .

Der fast entladene Zustand der Batterie kann durch eine an sich bekannte optische, akustische oder haptische Anzeigevorrichtung angezeigt werden.The almost discharged state of the battery can be indicated by a per se known optical, acoustic or haptic display device.

Claims (4)

Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer wiederaufladbaren Batterie, in dem diese über einen Verbraucher bis auf eine bestimmte Restladung entladen ist, bei dem während des Entladens der Batterie über den Verbraucher die Batteriespannung absinkt und mit einem größeren ersten und einem kleineren zweiten Spannungsschwellwert verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des ersten Spannungsschwellwerts (Vth1) bis zum Erreichen des zweiten Spannungsschwellwerts (Vth2) die Betriebszeit des an die Batterie angeschlossenen Verbrauchers oder die während dieser Zeit aus der Batterie entnommene Ladung gemessen wird, daß dann dieser Meßwert mit einem Vergleichswert (RTCth) verglichen wird, daß der erste Spannungsschwellwert (Vth1) erniedrigt wird, wenn der Meßwert größer als der Vergleichswert (RTCth) ist, und daß der erste Spannungsschwellwert (Vth1) erhöht wird, wenn der Meßwert kleiner als der Vergleichswert (RTCth) ist.Method for determining the state of a rechargeable battery, in which it is discharged through a load to a certain residual charge in which during discharge of the battery via the consumer drops the battery voltage and is compared with a larger first and a smaller second voltage threshold, characterized characterized in that after reaching the first voltage threshold (V th1 ) to reach the second voltage threshold (V th2 ), the operating time of the consumer connected to the battery or the charge taken during this time from the battery is measured, then that measured value is compared with a comparison value (RTC th ) is compared, that the first voltage threshold value (V th1 ) is lowered when the measured value is greater than the comparison value (RTC th ), and that the first voltage threshold value (V th1 ) is increased if the measured value is smaller than the comparison value (RTC th ) is. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spannungsschwellwert (Vth1) um so mehr geändert wird, je größer die Differenz zwischen dem Meßwert und dem Vergleichswert (RTCth) ist. Method according to Claim 1, characterized in that the greater the difference between the measured value and the comparison value (RTC th ), the more the first voltage threshold value (V th1 ) is changed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absinken der Batteriespannung (Vbat) auf die Spannung des ersten Spannungsschwellwerts (Vth1) durch eine Anzeigevorrichtung angezeigt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the decrease of the battery voltage (V bat ) to the voltage of the first voltage threshold value (V th1 ) is indicated by a display device. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufladung der Batterie der Meßwert auf ”Null” zurückgesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that after charging the battery, the measured value is reset to "zero".
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