Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation eines Innenwiderstands eines Energiespeichers sowie ein System zur Kompensation des Innenwider stands nach dem Obergriff der nebengeordneten Ansprüche.

Stand der Technik

Eine Vielzahl elektrischer Verbraucher wird mit wieder aufladbaren Energiespei chern betrieben, die entsprechend durch den elektrischen Verbraucher entladen werden und mittels eines Ladegeräts wieder aufladbar sind. In der Regel beste hen derartige Energiespeicher aus einer Mehrzahl in Reihe und/oder parallel ver- schalteter Energiespeicherzellen zur Erzielung einer geforderten Betriebsspan nung bzw. -kapazität. Sind die Energiespeicherzellen beispielsweise als Lithium- lonen-Zellen (Li-Ion) ausgebildet, so lässt sich mit besonderem Vorteil eine sehr hohe Leistungs- und Energiedichte erzielen. Derartige Energiespeicher bzw. Energiespeicherzellen sind jedoch besonders empfindlich gegenüber einer Tie fentladung, die zu ihrer Zerstörung führen kann. Daher ist es notwendig, dass der elektrische Verbraucher die Spannung des Energiespeichers überwacht und bei Erreichen einer unteren Schwellspannung das weitere Entladen verhindert.

Jeder Energiespeicher weist einen Innenwiderstand auf, der über ein entspre chendes Ersatzschaltbild in Reihe mit einer ideal widerstandslosen Energiespei cherzelle geschaltet ist. Wird dem Energiespeicher Strom entnommen oder zuge führt, fällt auch an diesem Innenwiderstand eine Spannung ab. Dieser ungewollte Spannungsabfall führt dazu, dass der elektrische Verbraucher zu früh abschalten würde, obwohl die tatsächliche Spannung des Energiespeichers (OCV: Open Cir cuit Voltage) noch ausreichend für einen weiteren Betrieb wäre. Deshalb ist es bekannt, den Innenwiderstand des Energiespeichers derart zu kompensieren, dass der elektrische Verbraucher unter dessen Kenntnis mittels einer Überwa chungseinheit den Spannungsabfall am Innenwiderstand errechnet und daraus eine neue Abschaltschwelle ableitet. Problematisch ist jedoch, dass der Innenwi derstand sehr von der Temperatur des Energiespeichers bzw. der Energiespei cherzelle abhängt. Die Charakteristik des Verlaufs des Innenwiderstands über die Temperatur wird maßgeblich von der Zellchemie beeinflusst, die für verschiedene Zelltypen unterschiedlich ist.

Neben einer festen Integration des Energiespeichers in den elektrischen Ver braucher gibt es insbesondere bei elektrischen Verbrauchern mit hohen Strom- verbräuchen und längeren Betriebszeiten, wie z.B. Elektrowerkzeugen, auch Energiespeicher, die als so genannte Wechselakkupacks ausgestaltet sind. Über eine elektromechanische Schnittstelle des Wechselakkupacks kann dieser werk zeuglos lösbar mit einerweiteren elektromechanischen Schnittstelle des elektri schen Verbrauchers oder des Ladegeräts gekoppelt werden. Dabei ist jeweils ein erster der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem ersten Be zugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte der Schnittstellen als ein mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt ausgebildet.

Wechselakkupacks können jedoch mit sehr unterschiedlichen Energiespeicher zellen ausgerüstet sein, die sehr unterschiedliche Innenwiderstände und Tempe raturcharakteristiken aufweisen. Aus der DE 102016209822.5 ist eine Lösung be kannt, bei der der Innenwiderstand eines Wechselakkupacks über jeweils einen dritten, als Signal- oder Datenkontakt ausgebildeten Kontakt der elektromechani schen Schnittstellen in Abhängigkeit von einer im Wechselakkupack gemessenen Temperatur an den elektrischen Verbraucher übertragen wird. Alternativ kann der Signal- oder Datenkontakt auch zum Abschätzen des Innenwiderstands auf Grundlage eines im Wechselakkupack verbauten Codierwiderstands und einer im elektrischen Verbraucher hinterlegen Look-Up-Tabelle genutzt werden. Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte zell- und temperaturabhängige Kompensa tion des Innenwiderstands eines Energiespeichers, insbesondere eine Wech selakkupacks, zu ermöglichen und somit die Betriebszeit des elektrischen Ver brauchers zu verlängern bzw. den Ladezyklus eines Ladegeräts zu optimieren.

Vorteile der Erfindung

Zur Lösung der gesellten Aufgabe ist vorgesehen, dass die Kompensation des Innenwiderstands in einem mit dem Energiespeicher verbundenen elektrischen Verbraucher oder Ladegerät auf Grundlage einer exponentiell abfallenden Appro ximation erfolgt, deren Verlauf von der Temperatur und der Zellchemie der zu mindest einen Energiespeicherzelle abhängt.

Gegenüber einer Lösung per Codierwiderstand ergibt sich auf diese Weise der Vorteil einer größeren übertragbaren Datenmenge zur präziseren Abschätzung des Innenwiderstand im elektrischen Verbraucher bzw. im Ladegerät. Zudem ist keine spezielle Ausgestaltung eines im Energiespeicher integrierten, den Codier widerstand aufweisenden Elektronikmoduls zur individuellen Anpassung an die Charakteristik der eingesetzten Energiespeicherzellen notwendig. Oftmals wird ein Codierwiderstand derart ausgelegt, dass er den kleinstmöglichen Innenwider stand von allen für einen bestimmten Energiespeichertyp verwendbaren Energie speicherzellen codiert. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet demgegenüber den Vorteil, dass die Errechnung des Spannungsabfalls keine mit einer gewissen Sicherheit beaufschlagten Annahme unterliegen muss, so dass dem Anwender letztlich mehr Leistung bzw. Kapazität zur Verfügung gestellt werden kann. Ge genüber der direkten Übertragung des Innenwiderstandwerts über den Signal oder Datenkontakt ergibt sich der Vorteil, dass die Temperatur nicht im Energie speicher gemessen und von einer dortigen Recheneinheit berechnet werden muss.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch ein System bestehend aus zumin dest einem als Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeicher sowie einem elektrischen Verbraucher zum Entladen des Wechselakkupacks und/oder einem Ladegerät zum Aufladen des Wechselakkupacks durchgeführt, wobei der Wech selakkupack, der elektrische Verbraucher und das Ladegerät jeweils eine elektro mechanische Schnittstelle mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte aufweist. Ein erster der elektrischen Kontakte der Schnittstelle dient dabei als ein mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, beaufschlag barer Energieversorgungskontakt, ein zweiter der elektrischen Kontakte der Schnittstelle als ein mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt und ein dritter der elektrischen Kontakte der Schnittstelle als ein Signal- oder Datenkontakt zur Übertragung der zur Berechnung der exponentiell abfallenden Approximation not wendigen Daten.

Als elektrische Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen beispielweise mit ei nem Energiespeicher, insbesondere einem Wechselakkupack, betriebene Elekt rowerkzeuge zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetrie benen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das Elektrowerkzeug sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugma schine ausgebildet sein. Typische Elektrowerkzeuge sind in diesem Zusammen hang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohr hämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen, Kreis-, Tisch-, Kapp- und Stichsägen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch mit einem Energiespeicher, insbesondere Wechselakkupack, betriebene Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Roboter- Breaker und -Bagger oder dergleichen sowie Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc. in Frage. Ebenso ist die Erfindung auf elektrische Verbraucher anwendbar, die gleichzeitig mit einer Mehrzahl von Wechselakkupacks versorgt werden.

Die Spannung eines Energiespeichers ist in der Regel ein Vielfaches der Span nung einer einzelnen Energiespeicherzelle und ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicher zelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespei- cherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegen den Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespeicherzelle, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder derglei chen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Energiespeicher mit Ni-Cd-, Ni- MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-Ion- Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rund zelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energie speicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Energiespeicher und Ener giespeicherzellen, z.B. neben Rundzellen auch Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist die exponentiell abfallende Approximation derart ausgestaltet, dass sie für eine Mehrzahl, insbesondere für alle, Tempera turwerte unterhalb entsprechend real gemessener Werte des Innenwiderstands der zumindest einen Energiespeicherzelle liegt. Damit kann sichergestellt wer den, dass der reale Innenwiderstand größer oder gleich der errechneten Werte ist, um eine sichere Kompensation zu ermöglichen.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die exponentiell abfallende Approximation mittels zumindest zweier Parameter berechnet wird, wobei die zumindest zwei Parame ter die Zellchemie der zumindest einen Energiespeicherzelle charakterisieren. Dabei sind die zumindest zwei Parameter für bestimmte Temperaturwerte in ei ner Look-Up-Tabelle eines Speichers des Energiespeichers hinterlegt. Auf diese Weise ist einerseits eine sehr genaue Approximation des Innenwiderstands mög lich, während andererseits nur wenig Speicherplatz im Speicher des Energiespei chers zum Hinterlegen der Parameter erforderlich ist.

In zumindest einem Verfahrensschritt des Verfahrens wird die Temperatur des Energiespeichers und/oder der Energiespeicherzelle gemessen, wobei in Abhän gigkeit von dem gemessenen Temperaturwert jeweils ein Parameterwert der zu mindest zwei Parameter an den elektrischen Verbraucher oder das Ladegerät übertragen wird. Mit besonderem Vorteil kann dadurch die Übertragungskapazität des Signal- oder Datenkontakts der elektromechanischen Schnittstelle geschont werden, um ggf. weitere Betriebsparameter zu übertragen oder die Kommunika tion zu verifizieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass auf Grundlage der zumindest zwei übertragenen Parameterwerte für den gemessenen Temperaturwert ein Ap proximationswert des Innenwiderstands berechnet wird. In einem weiteren Ver fahrensschritt wird ein Laststrom im elektrischen Verbraucher oder im Ladegerät gemessen und anhand des gemessenen Laststroms, des berechneten Approxi mationswerts und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung der Energiespei cherzelle eine Abschaltspannung mittels der Beziehung

Ustop ⁼ UstopOC ^— Rapp(Ti) I berechnet. Dabei beträgt die bekannte Leerlauf-Abschaltspannung der Energie speicherzelle bevorzugt 2,5 Volt. Der Betrieb des elektrischen Verbrauchers oder der Ladevorgang des Ladegeräts wird gestoppt, wenn eine gemessene Zellspan nung der Energiespeicherzelle die berechnete Abschaltspannung überschreitet.

Die exponentiell abfallende Approximation kann mittels dreier die Zellchemie cha rakterisierender Parameter über den Zusammenhang

Rapp(T) = a * exp(-b * T) + c berechnet werden. Um Speicherplatz im Energiespeicher zu sparen, liegt ein ers ter Parameter im Bereich von 1 bis 100, insbesondere von 20 bis 50, ein zweiter Parameter im Bereich von 0,01 bis 0,1, insbesondere von 0,03 bis 0,06, und ein dritter Parameter im Bereich von 1 bis 60, insbesondere von 5 bis 30. Auf diese Weise kann die Dimension der Look-Up-Tabelle minimiert werden.

In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die exponentiell abfal lende Approximation durch eine Mehrzahl von Geraden gebildet wird, wobei jede Gerade durch zwei Parameterwerte definiert ist, die sich jeweils aus einem Wer tepaar eines Temperaturwerts und des zugehörigen Innenwiderstands der Ener giespeicherzelle ergeben. Durch die Verwendung von lediglich zwei Parametern kann der Aufwand für die Berechnung der Approximation im elektrischen Ver braucher und/oder im Ladegerät weiter reduziert werden. Zudem werden weniger Speicherplatz im Energiespeicher und weniger Bandbreite für den Signal- oder Datenkontakt benötigt bzw. der Signal- oder Datenkontakt kann zur Übertragung weiterer Betriebsparameter genutzt werden. Mit besonderem Vorteil beträgt die Mehrzahl von Geraden 2 bis 100, insbesondere 3 bis 7. Weiterhin lässt sich die Anzahl zu speichernder bzw. zu übertragender Parameterwerte reduzieren, wenn einer der beiden Parameterwerte zweier benachbarter Geraden identisch ist. So mit sind für N Geraden lediglich N + 1 Parameterwerte erforderlich. In einem Ver fahrensschritt des Verfahrens werden dann auf Grundlage des gemessenen Temperaturwerts zwei zugehörige Parameterwerte aus der Look-Up-Tabelle aus gewählt und ein Approximationswert über den Zusammenhang

Rapp(Ti) = Rn + (Rn+l - Rn) * (Ti - T _n ) / (T _n+1 - T _n ) berechnet. Vorteilhaft an der alternativen Ausgestaltung ist zudem, dass über die Geraden auch nicht-exponentielle Kurvenverläufe approximiert werden können, um somit zukünftige Zellchemien mit anderen temperaturabhängigen Wider standsverläufen berücksichtigt zu können.

Ausführungsbeispiele

Zeichnung

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 6 beispielhaft erläu tert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit ei ner gleichen Funktionsweise hindeuten.

Es zeigen Fig. 1: ein System umfassend zumindest einen als Wechselakkupack ausgestalteten Energiespeicher und zumindest ein mit dem Wechselakkupack verbindbares Ladegerät zum Laden bzw. ei nen mit dem Wechselakkupack verbindbaren elektrischen Ver braucher zum Entladen des Wechselakkupacks in einer schema tischen Darstellung,

Fig. 2: ein Blockschaltbild des Systems aus Figur 1,

Fig. 3: ein Diagramm einer erfindungsgemäßen, exponentiell abfallen den Approximation des Innenwiderstands des Energiespeichers in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 4: ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 5: ein Diagramm einer erfindungsgemäßen, exponentiell abfallen den Approximation des Innenwiderstands des Energiespeichers in einer zweiten Ausführungsform und

Fig. 6: ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt einen als Wechselakkupack 10 ausgestalten Energiespeicher 11 mit einer, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisenden elektromechani schen Schnittstelle 14. Der Wechselakkupack 10 kann mittels eines Ladegeräts 16 geladen und durch diverse elektrische Verbraucher 18 entladen werden. Dazu weisen das Ladegerät 16 und die elektrischen Verbraucher 18 jeweils eine wei tere, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 aufweisende elektromechanische Schnittstelle 20 auf. Figur 1 soll veranschaulichen, dass die Erfindung für ver schiedene elektrische Verbraucher 18 geeignet ist. So sind exemplarisch ein Ak kustaubsauger 22, ein Akkuschlagschrauber 24 und ein Akkurasentrimmer 26 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerk zeuge, Gartengeräte und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 18 in Frage kommen. Zudem ist die Erfindung gleichermaßen auf elektrische Verbrau cher 18 anwendbar, die mit einem als Wechselakkupack 10 oder als fest inte grierten Akku (nicht gezeigt) ausgebildeten Energiespeicher 11 versorgt werden.

Der Wechselakkupack 10 umfasst ein Gehäuse 28, das an einer Seitenwand bzw. an seiner Oberseite 30 die elektromechanische Schnittstelle 14 zur lösbaren Verbindung mit der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladege räts 16 bzw. der elektrischen Verbraucher 18 aufweist. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 18 dienen die elektromechanischen Schnittstellen 14,

20 primär dem Entladen des Wechselakkupacks 10, während sie in Verbindung mit dem Ladegerät 16 dem Aufladen des Wechselakkupacks 10 dienen. Die ge naue Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 und diversen Her stellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 12 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 10 und dem Ladegerät 16 bzw. dem elektrischen Verbraucher 18 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten elektrischen Verbrauchern 18 betreibbar ist. Da die mechanische Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupacks 10 und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 20 des Ladegeräts 16 bzw. des elektrischen Verbrauchers 18 für die Erfindung unerheblich ist, soll hie rauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 16 bzw. des elektri schen Verbrauchers 18 werden diesbezüglich die geeignete Auswahl treffen.

Der Wechselakkupack 10 verfügt über eine mechanische Arretiervorrichtung 32 zur Arretierung der form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung der elekt romechanischen Schnittstelle 14 des Wechselakkupack 10 an der entsprechen den Gegenschnittstelle 20 (nicht im Detail gezeigt) des elektrischen Verbrauchers 18. Dabei ist die Arretiervorrichtung 32 als ein gefederter Drücker 34 ausgebildet, der mit einem Arretierglied 36 des Wechselakkupacks 10 wirkverbunden ist. Auf grund der Federung des Drückers 34 und/oder des Arretierglieds 36 rastet die Ar retiervorrichtung 32 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die Gegen schnittstelle 20 des elektrischen Verbrauchers 18 automatisch ein. Drückt ein Be diener den Drücker 34 in Einschubrichtung, wird die Arretierung gelöst und der Bediener kann den Wechselakkupack 10 entgegen der Einschubrichtung aus dem elektrischen Verbraucher 18 entnehmen bzw. ausschieben.

Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Akkuspannung des Wechselakku packs 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Einzelspannungen der Energie speicherzellen (siehe Figur 2) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Energiespei cherzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfin dung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.

In Figur 2 ist ein Blockschaltbild bestehend aus dem als Wechselakkupack 10 ausgebildeten Energiespeicher 11 auf der linken Seite und einem Ladegerät 16 bzw. elektrischen Verbraucher 18 auf der rechten Seite dargestellt. Der Wech selakkupack 10 und das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 wei sen die zueinander korrespondierenden elektromechanischen Schnittstellen 14 und 20 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 12 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem ersten Bezugspotential Vi, vorzugsweise einem Versorgungspotential V ₊ , beaufschlag barer Energieversorgungskontakt 38 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 12 der Schnittstellen 14, 20 als ein mit einem zweiten Bezugspotential V2, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversor gungskontakt 40 dient. Über den ersten und den zweiten Energieversorgungs kontakt 38, 40 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät 16 mit einem Ladestrom geladen und andererseits durch den elektrischen Verbrau cher 18 mit einem Entladestrom entladen werden. Die Stromstärken von Lade- und Entladestrom können sich signifikant voneinander unterscheiden. So kann der Entladestrom bei entsprechend ausgelegten elektrischen Verbrauchern 18 bis zu 10 Mal höher sein als der Ladestrom des Ladegeräts 16. Im Folgenden soll trotz dieser Unterschiede zwischen Lade- und Entladestrom stets von einem Laststrom I gesprochen werden. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V ₊ und GND insbesondere im Falle eines mit einem Wech selakkupack 10 versorgbaren elektrischen Verbrauchers 18 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 38, 40 anliegen, sondern erst nach Verbin dung der elektrischen Schnittstellen 14, 20. Entsprechendes gilt für einen entla denen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 16.

Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 42 auf, die zwar in Figur 2 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder er gänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung die über die Energieversorgungskontakte 38, 40 abfallende Spannung U _ßatt des Wechselakkupacks 10 definiert, während eine Parallelschal tung einzelner Energiespeicherzellen 42 primär die Kapazität des Wechselakku packs 10 erhöht. Wie bereits erwähnt, können auch einzelne aus parallel ver- schalteten Energiespeicherzellen 42 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung Ußatt des Wechselakkupacks bei gleich zeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-Ion-Energiespeicherzellen 42 mit einer Zellspannung Uceii von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 38, 40 eine Wechselakku- pack-Spannung U _ßatt = Vi - V2 von 5 · 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in ei nem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 42 kann die Kapazi tät gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfin dung ist jedoch nicht von der Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 42 abhängig, sondern kann auf beliebige Wechselakkupacks 10 und Energiespeicherzellen 42 angewendet werden.

Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster des Wechselakkupacks 10 ist eine SCM-Vorstufe 44 (Single- Cell-Monitoring) vorgesehen. Die SCM-Vorstufe 44 weist eine Multiplexer-Mess- vorrichtung 46 auf, die über Filterwiderstände 48 hochohmig mit entsprechenden Abgriffen 50 der Pole der Energiespeicherzellen 42 bzw. Zell-Cluster verbindbar ist. Im Folgenden soll der Begriff Energiespeicherzelle auch das Zell-Cluster um fassen, da diese lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 haben, aber die gleiche Zellspannung Uceii aufweisen. Die insbesondere hochoh mig ausgestalteten Filterwiderstände 50 können im Fehlerfall eine gefährliche Er wärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 46 verhindern.

Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 46 kann über eine im Wech selakkupack 10 integrierte Überwachungseinheit 52 oder auch direkt innerhalb der SCM-Vorstufe 44 erfolgen. Zudem können auf diese Weise parallel zu den Energiespeicherzellen 42 geschaltete Schaltelemente 54 der SCM-Vorstufe 44 geschlossen oder geöffnet werden, um auf diese Weise ein so genanntes Balan- cing der Energiespeicherzellen 42 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entlade zustände der einzelnen Energiespeicherzellen 42 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 44 die gemessenen Zellspannungen Uceii an die Überwachungseinheit 52 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen Uceii direkt von der Überwachungseinheit 52, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.

Die Überwachungseinheit 52 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist denkbar, dass die Überwachungseinheit 52 aus mehreren Mikroprozessoren o- der zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transis torlogik besteht. Zudem weist die erste Überwachungseinheit 52 einen Speicher 55 zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie bei spielsweise der Spannung Ußatt, den Zellspannungen Uceii, einer Temperatur T, des Laststroms I oder dergleichen auf.

Neben der Überwachungseinheit 52 im Wechselakkupack 10 weisen auch das Ladegerät 16 bzw. der elektrische Verbraucher 18 eine Überwachungseinheit 56 auf, die entsprechend der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 ausgebildet sein kann. Im Falle eines elektrischen Verbrauchers 18 steuert die Überwachungseinheit 56 eine mit dem ersten und dem zweiten Energieversor gungskontakt 38, 40 der weiteren Schnittstelle 20 verbundene Last 58, an der die Wechselakkupack-Spannung Ußatt anliegt. Die Last 58 kann beispielsweise als eine Leistungsendstufe ausgebildet sein, die einen Elektromotor zu dessen Dreh zahl- und/oder Drehmomentänderung mit einem pulsweitenmodulierten Signal beaufschlagt, was unmittelbaren Einfluss auf den Laststrom I des Wechselakku packs 10 hat. Es ist aber auch eine andere Leistung umsetzende Last 58 denk bar. Dem Fachmann sind zahlreiche Varianten möglicher elektrischer bzw. elekt romechanischer Lasten bekannt, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegan gen werden soll.

Alternativ kann der in ein Ladegerät 16 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem Laststrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung Ußatt geladen werden. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 16 bzw. dessen Netz teil 60 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen. Die an den Energie versorgungskontakten 38, 40 anliegende Spannung Ußatt kann über eine Span nungsmessvorrichtung 62 im Ladegerät 16 gemessen und von der Überwa chungseinheit 56 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 62 kann auch vollständig oder zum Teil in der Überwachungseinheit 56 des Ladegeräts 16 integriert sein, beispielsweise in Form eines integrierten ADC. Die genaue Ausgestaltung des Netzteils 60 des Ladegeräts 16 ist dem Fachmann bekannt und für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Daher soll hier nicht weiter darauf eingegangen werden.

Zur Messung einer Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der Energie speicherzellen 42 dient ein im Wechselakkupack 10 angeordneter Temperatur sensor 64, der vorzugsweise als NTC ausgebildet ist und im engen thermischen Kontakt mit mindestens einer der Energiespeicherzellen 42 steht. Die derart ge messene Temperatur T kann mittels einer im Wechselakkupack 10 integrierten Messschaltung 66 erfasst und von der Überwachungseinheit 52 des Wechselak kupacks 10 ausgewertet werden. Ergänzend oder alternativ kann die gemessene Temperatur T auch über einen als Signal- oder Datenkontakt 68 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 an das Ladegerät 16 bzw. den elektrischen Verbraucher 18 zur Auswertung mittels der dortigen Über wachungseinheit 56 übertragen werden.

Um den Laststrom I zur Erhöhung der Betriebssicherheit auch innerhalb des Wechselakkupacks 10 unterbrechen oder ermöglichen zu können, weist der Wechselakkupack 10 zumindest ein erstes Schaltelement 70 auf, das von der Überwachungseinheit 52 zum Unterbrechen des Laststroms I geschlossen und zum Ermöglichen des Laststroms I geöffnet werden kann. Im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel ist das zumindest eine erste Schaltelement 70 im Massepfad (Low- Side) zwischen dem zweiten als Energieversorgungskontakt 40 ausgebildeten Kontakt 12 der elektromechanischen Schnittstelle 14 und einem Massekontakt punkt 62 der SCM-Vorstufe 44 angeordnet. Es ist aber auch denkbar, dass das zumindest eine erste Schaltelement 70 im Versorgungspfad (High-Side) zwi schen dem ersten als Energieversorgungskontakt 38 ausgebildeten Kontakt 12 und dem als Versorgungskontaktpunkt ausgebildeten Abgriff 50 der SCM- Vorstufe 44 angeordnet ist. Ebenso kann sowohl im Versorgungspfad als auch im Massepfad jeweils zumindest ein erstes Schaltelement 70 vorgesehen sein. Be vorzugt ist das zumindest eine erste Schaltelement 70 als ein MOSFET ausgebil det. Es sind aber auch andere Schaltelemente, wie beispielsweise ein Relais, ein IGBT, ein Bipolar-Transistor oder dergleichen denkbar.

Wie bereits eingangs erwähnt, weist der Wechselakkupack 10 bzw. dessen Ener giespeicherzellen 42 einen Innenwiderstand R auf, der zu einem ungewollten Spannungsabfall führt, so dass sich der elektrische Verbraucher 18 zu früh ab schalten würde, obwohl die Open Circuit Voltage des Energiespeichers noch ausreichend für einen weiteren Betrieb wäre. Deshalb muss der Innenwiderstand R des Wechselakkupacks 10 derart kompensiert werden, dass der elektrische Verbraucher 18 unter dessen Kenntnis mittels der Überwachungseinheit 56 den Spannungsabfall Uceii am Innenwiderstand R unter Berücksichtigung eines aktu ell gemessenen Temperaturwertes T, und der Zellchemie der Energiespeicher zelle 42 errechnet und daraus eine neue Abschaltspannung Ustop ableitet.

Nachfolgend soll ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfah rens zur Kompensation des Innenwiderstands R des Wechselakkupacks 10 an hand der Figuren 3 und 4 erläutert werden. Dabei ist der Wechselakkupack 10 mit dem elektrischen Verbraucher 18 über die elektromechanischen Schnittstel len 14, 20 in der oben beschriebenen Art und Weise verbunden. Figur 3 zeigt exemplarisch den Verlauf des Innenwiderstands R einer Li-Ion Energiespeicher zelle 42 über die Temperatur T. Dabei stellen die Punkte tatsächlich gemessene Widerstandswerte R, in Abhängigkeit diskreter Temperaturwerte T, dar, während die durchgezogene Linie eine daraus abgeleitete, exponentiell abfallende Appro ximation R _app (T) repräsentiert, deren Verlauf von der Temperatur T und der Zell chemie der Energiespeicherzelle 42 abhängt.

Die exponentiell abfallende Approximation R _{a p} (T) kann nun mittels dreier die Zellchemie charakterisierender Parameter a, b, c über den Zusammenhang

R _app (T) = a * exp(-b * T) + c berechnet werden. Die drei Parameter a, b, c sind in einer Look-Up-Tabelle im Speicher 55 der Überwachungseinheit 52 des Wechselakkupacks 10 für einzelne Temperaturwerte T, hinterlegt. Um Speicherplatz zu sparen, liegt vorzugsweise der erste Parameter a im Bereich von 1 bis 100, insbesondere von 20 bis 50, der zweite Parameter b im Bereich von 0,01 bis 0,1, insbesondere von 0,03 bis 0,06, und der dritte Parameter c im Bereich von 1 bis 60, insbesondere von 5 bis 30. Somit lässt sich die Dimension der Look-Up-Tabelle entsprechend minimieren.

Zudem ist es möglich, bei einem gemessenen Temperaturwert T ,, der nicht direkt in der Look-Up-Tabelle existiert, die Parameterwerte a,, bi, q für den nächst gerin geren, abgelegten Temperaturwert T, heranzuziehen. Auf diese Weise ist sicher gestellt, dass die exponentiell abfallende Approximation R _a (T) für eine Mehrzahl der Temperaturwerte T, unterhalb der real gemessenen Werte des Innenwider stands Ri(Ti) der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 liegt, so dass der reale Innenwiderstand Ri(T,) größer oder gleich der errechneten Approximationswerte R _a (Ti) ist, um eine sichere Kompensation zu ermöglichen. Die Parameterwerte a,, bi, q können aber auch von vornherein so gewählt werden, dass die errechne ten Approximationswerte R _a (Ti) für alle Temperaturwerte T, stets unterhalb der real gemessenen Werte des Innenwiderstands Ri(T,) liegen. Sprich, die in Figur 3 gezeigte Linie verschiebt sich dann um einen gewissen Offset nach unten.

Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens auf Grundlage der in Figur 3 ge zeigten exponentiell abfallenden Approximation R _a (T). In einem ersten Verfah rensschritt 74 wird zunächst eine Betriebsart am elektrischen Verbraucher 18 ein- gestellt und der elektrische Verbraucher 18 gestartet. Im nachfolgenden Verfah rensschritt 76 wird eine Kommunikation zu dem Wechselakkupack 10 über den Signal- oder Datenkontakt 68 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 auf gebaut und die Temperatur T des Wechselakkupacks 10 und/oder der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 mittels des Temperatursensors 64 und der Mess vorrichtung 66 gemessen. Anschließend werden in einem Verfahrensschritt 78 die drei im Speicher 55 des Wechselakkupacks 10 hinterlegten Parameter a, b, c abgefragt und in Abhängigkeit von dem gemessenen Temperaturwert T, jeweils ein zugehöriger Parameterwert a,, b,, q der drei Parameter a, b, c an den elektri schen Verbraucher 18 übertragen. Auf Grundlage der drei übertragenen Parame terwerte a,, bi, q erfolgt dann mittels der Überwachungseinheit 56 im Verfahrens schritt 80 die Berechnung des Approximationswerts R _{a p} (Ti) des Innenwider stands (R) für den gemessenen Temperaturwert T,.

Es ist ebenso denkbar, dass die Verfahrensschritte 76 und 78 vertauscht werden. In dem Fall erfolgt zunächst im Verfahrensschritt 76 ein Kommunikationsaufbau zwischen dem elektrischen Verbraucher 18 und dem Wechselakkupack 10 über den Signal- oder Datenkontakt 68, um sämtliche in der Look-Up-Tabelle des Speichers 55 hinterlegten Parameterwerte a,, bi, q der drei Parameter a, b, c an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 zu übertragen. Im nachfolgenden Verfahrensschritt 78 wird dann zunächst die Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 ge messen und der gemessene Temperaturwert T, über den Signal- oder Datenkon takt 68 an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 über tragen, damit die Überwachungseinheit 56 anschließend den zugehörigen Para meterwert a,, bi, q auswählt.

Im Verfahrensschritt 82 misst der elektrische Verbraucher 18 mittels der Überwa chungseinheit 56 den Laststrom I und berechnet anhand des gemessenen Last stroms I, des im Verfahrensschritt 80 berechneten Approximationswerts R _app (Ti) und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung Usto oc der Energiespeicher zelle 42 die Abschaltspannung Usto mittels der Beziehung

Ustop ^— UstopOC Rapp(Ti) I im nachfolgenden Verfahrensschritt 84. Dabei kann die bekannte Leerlauf-Ab- schaltspannung Us _top oc der Energiespeicherzelle 42 beispielsweise 2,5 Volt be tragen. Je nach Art und Zellchemie der Energiespeicherzelle 42 sind jedoch auch abweichende Leerlauf-Abschaltspannungen Us _top oc denkbar.

Im Verfahrensschritt 86 erfolgt dann eine Entscheidung, ob der Betrieb des elektrischen Verbrauchers 18 gestoppt werden muss oder nicht. Überschreitet die gemessene Zellspannung Uceii der Energiespeicherzelle 42 die berechnete Abschaltspannung Ustop, so wird der elektrische Verbraucher 18 im Verfahrens schritt 88 abgeschaltet. Andernfalls wird zum Verfahrensschritt 76 zurückge sprungen und die Temperatur T erneut gemessen, bis der elektrische Verbrau cher 18 durch den Bediener abgeschaltet wird.

Die Berechnung einer Exponentialfunktion kann insbesondere in elektrischen Verbrauchern 18 oder Ladegeräten 16 mit einer leistungsschwächeren Überwa chungseinheit 56 nicht oder nur schwer umsetzbar sein. Daher sieht das erfin dungsgemäße Verfahren in einer alternativen Ausführungsform gemäß der nach folgenden Figur 5 vor, dass die exponentiell abfallende Approximation R _{a p} (T) durch eine Mehrzahl N von Geraden G _n gebildet wird, wobei jede Gerade G _n durch zwei Parameterwerte S _n (T _n , R _n ), S _n+i (T _n+i , R _n+i ) definiert ist, die sich je weils aus einem Wertepaar eines Temperaturwerts T _n , T _n+i und des zugehörigen Innenwiderstands R _n , R _n+i der Energiespeicherzelle 42 ergeben. So wird im ge zeigten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 die exponentiell abfallende Approxi mation R _app (T) durch insgesamt N = 5 Geraden Gi,..., G ₅ mit den Stützpunkten Si(Ti,Ri),..., Se(T ₆ ,R ₆ ) gebildet. Dabei ist jeweils ein Stützpunkt S ₂ (T ₂ ,R ₂ ),...,

Ss(T ₅ , R ₅ ) zweier benachbarter Geraden Gi,..., G ₅ identisch, so dass sich die Ge raden Gi,..., G ₅ an diesen Stützpunkten S ₂ (T ₂ ,R ₂ ),..., SeCTs.Rs) schneiden. Um die temperaturabhängige Kompensation des Innenwiderstands R über N Gera den zu berechnen, müssen somit nur N+l Stützpunkte im Speicher 55 des Wechselakkupacks 10 hinterlegt bzw. an den elektrischen Verbraucher 18 oder das Ladegerät 16 übertragen werden. Des Weiteren können der Speicherbedarf im Speicher 55 des Wechselakkupacks 10 und die Leistungsanforderung an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 bzw. des Ladegeräts 16 möglichst gering gehalten werden, wenn die Mehrzahl N von Geraden G _n auf 2 bis 100, besonders bevorzugt auf 3 bis 7, beschränkt ist.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Stützpunkte S _n (T _n , R _n ), S _n+i (T _n+i , R _n+i ) derart ausgelegt sind, dass die berechneten Geraden G _n bei allen gemessenen Tempe raturwerten Ti stets unterhalb der realen Innenwiderstandswerte R, der Energie speicherzellen 42 verlaufen. Damit ist sichergestellt, dass der Innenwiderstand R immer größer oder gleich der errechneten Werte ist, um eine sichere Kompensa tion zu erzielen. Ein weiterer Vorteil der zweiten Ausführungsform ist, dass über die Geraden G _n auch nicht-exponentielle Kurvenverläufe angenähert werden können, um somit auch zukünftige Zellchemien mit eventuell anderen tempera turabhängigen Widerstandsverläufen berücksichtigen zu können.

In Figur 6 ist ein Flussdiagramm des zweiten Ausführungsform des erfindungsge mäßen Verfahrens zur Kompensation des Innenwiderstands R des Wechselakku packs 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 gezeigt. Dabei wei sen die zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß der Figuren 3 und 4 identischen Verfahrensschritte dieselben Bezugszeichen auf.

Im ersten Verfahrensschritt 74 wird wiederum zunächst eine Betriebsart am elektrischen Verbraucher 18 eingestellt und der elektrische Verbraucher 18 ge startet. Im Verfahrensschritt 76 wird sodann seitens des elektrischen Verbrau chers 18 eine Kommunikation zu dem Wechselakkupack 10 über den Signal- o- der Datenkontakt 68 der elektromechanischen Schnittstellen 14, 20 aufgebaut, um mittels der Messvorrichtung 66 und des Temperatursensors 64 die Tempera tur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 zu messen und den gemessenen Temperaturwert T, über den Signal- oder Datenkontakt 68 an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 zu übertragen. Im Verfahrensschritt 90 werden in Abhängigkeit des gemesse nen Temperaturwerts T, die beiden im Speicher 55 des Wechselakkupacks 10 zum entsprechenden Temperaturfenster T _n , T _n+i gehörenden Stützpunkte S _n (T _n , R _n ), S _n+i (T _n+i , R _n+i ) aus der Look-Up-Tabelle ausgewählt und an den elektrischen Verbraucher 18 übertragen. Auf Grundlage der beiden übertragenen Stützpunkte S _n (T _n , R _n ), S _n+i (T _n+i , R _n+i ) und des gemessenen Temperaturwerts T, wird dann mittels der Überwachungseinheit 56 im Verfahrensschritt 92 der Approximations werts R _a (Ti) des Innenwiderstands (R) mittels linearer Interpolation über den Zusammenhang

R _apP (Ti) = Rn + (Rn+l - Rn) * (Ti - Tn) / (T _n+1 - T _n ) berechnet.

Analog zum ersten Ausführungsbeispiel können auch hier die beiden Verfahrens schritte 76 und 90 in ihrer Reihenfolge vertauscht werden.

In dem Fall erfolgt zunächst im Verfahrensschritt 76 ein Kommunikationsaufbau zwischen dem elektrischen Verbraucher 18 und dem Wechselakkupack 10 über den Signal- oder Datenkontakt 68, um sämtliche in der Look-Up-Tabelle des Speichers 55 hinterlegten Stützpunkte Si(Ti, Ri), S _N+ I(T _N+ I, R _N+ I) an die Überwa chungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 zu übertragen. Im nachfol genden Verfahrensschritt 90 wird dann zunächst die Temperatur T des Wech selakkupacks 10 bzw. der zumindest einen Energiespeicherzelle 42 gemessen und der gemessene Temperaturwert T, über den Signal- oder Datenkontakt 68 an die Überwachungseinheit 56 des elektrischen Verbrauchers 18 übertragen. Im Verfahrensschritt 92 wählt die Überwachungseinheit 56 anhand des übertrage nen Temperaturwerts T, ein zugehöriges Temperaturfenster T _n , T _n+i aus, um im Verfahrensschritt 94 auf Grundlage der zugehörigen Stützpunkte S _n (T _n , R _n ),

S _n+i (T _n+i , R _n+i ) den Approximationswert R _app (Ti) gemäß der obigen linearen Inter polation zu berechnen.

Die nachfolgenden Verfahrensschritte 82 bis 88 sind dann wieder identisch zu dem Verfahren der ersten Ausführungsform gemäß Figur 4. Im Verfahrensschritt 82 misst der elektrische Verbraucher 18 mittels der Überwachungseinheit 56 den Laststrom I und berechnet anhand des gemessenen Laststroms I, des im Verfah rensschritt 94 berechneten Approximationswerts R _a (Ti) und einer bekannten Leerlauf-Abschaltspannung Usto oc der Energiespeicherzelle 42 die Ab schaltspannung Usto mittels der Beziehung Ustop ^— UstopOC Rapp(Ti) I im nachfolgenden Verfahrensschritt 84. Im Verfahrensschritt 86 erfolgt eine Ent scheidung, ob der Betrieb des elektrischen Verbrauchers 18 in Verfahrensschritt 88 gestoppt werden muss oder nicht. Muss er nicht gestoppt werden, springt das

Verfahren zurück zum Verfahrensschritt 76, um die Temperatur T so lange zu messen, bis der elektrische Verbraucher 18 durch den Bediener abgeschaltet wird. Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungs beispiele weder auf die Figuren 1 bis 6 noch auf die darin gezeigte Art der Wech selakkupacks 10, Ladegeräte 16 oder elektrischen Verbraucher 18 beschränkt ist. Entsprechendes gilt für die Anzahl der Energiespeicherzellen 46 und der da mit verbundenen Ausgestaltung der Multiplexer-Messvorrichtung 46. Zudem sind die gezeigten Ausgestaltungen der Schnittstellen 14, 20 sowie die Anzahl ihrer

Kontakte 12 lediglich exemplarisch zu verstehen. Dies gilt auch für Art und An zahl der dargestellten Temperatursensoren, Schaltmittel, Überwachungseinhei ten, etc.