DE102004056190A1 - Process to determine the charge condition of a rechargeable battery sets upper and lower voltage threshold limits and measures and compares residual operating time - Google Patents

Process to determine the charge condition of a rechargeable battery sets upper and lower voltage threshold limits and measures and compares residual operating time Download PDF

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Abstract

A process to determine the condition of a rechargeable battery in which the declining voltage is compared with upper and lower thresholds comprises measuring and comparing the operating time of a consumer from the first threshold (Vth1) to the second (Vth2) and lowering the former if the time exceeds the compared 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 The invention relates to a method for determining or displaying the State of a secondary battery, in which this is discharged to a certain residual charge. With This residual charge can be a small electrical appliance, such as an electric shaver or an electric toothbrush, yet for one be operated at certain time before recharging the battery must become.

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 Kur ve. 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 cure ve. 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.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, 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.It It is an object of the present invention to provide a method for the determination and / or indicating the state of a rechargeable battery, in which this is discharged to a certain residual charge, the corresponds to a certain remaining life of a small electrical appliance.

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 inventive method is preferably for Small electrical appliances thought to be an accumulator, and at least one consumer included, for example, an electric motor, a display of the state of charge the rechargeable battery and an electrical or electronic circuit, which controls the procedure. The procedure makes it possible a user of a small electrical device, stored in the battery Charge pretty complete exploit because the charge status indicator is not already on reaching a minimum residual charge but only when a certain Residual charge is activated, which corresponds to a desired remaining life of the small electrical appliance. In the circuit is a first and a second threshold for the battery voltage and a value for the desired Remaining term specified. Decreases when discharging the battery, i. when operating the small electrical appliance, the battery voltage up to the first voltage threshold, then the display activated. The inventive method provides for this, that the first voltage threshold over time if necessary so changed will that despite Memory effect or aging of the rechargeable battery the battery voltage at the end of the desired Remaining time has just fallen to the second voltage threshold which is at the minimum voltage for the safe operation of the Consumer is set. That way, that can be done in the battery stored charge are practically fully 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 inventive method is particularly accurate when the power consumption of the battery connected consumers in the time average substantially is constant. The specific residual charge then corresponds exactly desired Remaining time, for after the small electrical appliance Activation of the charge status indicator can still be operated.

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.To Expiration of the remaining time or reaching the second voltage threshold the consumer can be down-regulated or shut down to avoid that 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 so long continuous with the first voltage threshold value V th1 is compared, such 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 has decreased th1, 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, it is compared continuously so long as the second voltage threshold V th2 in a third step the current battery voltage V bat, 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 dropped th2 to the second voltage threshold value V, in a fourth step, the counter is stopped, and the count QC compared with a comparison value RTC th, corresponding 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 value QC is smaller than this comparison value RTC th , or by a certain amount dV th , if the count value QC is greater than this comparison value RTC th . Thereafter, as long continuously compared with the first threshold voltage V th1 in a sixth stage the current battery voltage V bat, to 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 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 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 fallen th2, 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 Vergleicswert 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, the determined amount dV th has no fixed value, but depends on the size of the difference between the count QC and the Vergleicswert RTC th , ie the greater the difference between the difference dV th 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, below the first voltage threshold value V th1 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.Of the almost discharged state of the battery can by a known per se optical, acoustic or haptic display device displayed become.

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 die gemessene Laufzeit größer als der Vergleichswert (RTCth) ist, und daß der erste Spannungsschwellwert (Vth1) erhöht wird, wenn die gemessene Laufzeit größer 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 the drops during the discharging of the battery via the load, 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 (V th1 ) is lowered when the measured transit time is greater than the comparison value (RTC th ), and that the first voltage threshold (V th1 ) is increased when the measured transit time greater 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.A method according to claim 1, characterized gekenn shows that the larger 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 characterized in that Charging the battery the reading reset to zero becomes.
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