用于评估可更换蓄电池的健康状态的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于评估可更换蓄电池(Wechselakkus)、尤其用于电动工具的可更换蓄电池组的健康状态的方法，还涉及用于执行根据独立权利要求的类别的方法的一种充电设备和一种可更换蓄电池。

背景技术

在许多领域中使用可充电电池(以下也称为蓄电池)；要么固定地集成在设备中，要么作为可更换蓄电池或可更换蓄电池组。制造商通常为特定的应用提供可更换蓄电池。然而，同样经常发生的是，相同功率等级或电压等级的可更换蓄电池可以应用于多种不同的设备。这在电动工具、家用器具和园艺设备领域中尤其是这种情况。在下文中，术语电池、蓄电池、可更换蓄电池或可更换蓄电池组在其技术方面和在本发明的范围内应被理解为同义。

以下参数对于蓄电池是特征性的：

·所使用的电池技术(化学)，例如锂离子、锂聚合物、锂金属、Ni-Cd、Ni-MH等。

·电压(最大/标称/最小电压)。这是由电池技术和蓄电池中串联连接的蓄电池单元的数量得出的。

·容量。这通常以安培小时(Ah)表示并且描述蓄电池可以容纳的充电量。它由单个蓄电池单元的容量和蓄电池中并联连接的蓄电池单元的数量计算出的。在给定的蓄电池电压下，更高的容量意味着电池可以存储更多的能量。

·功率能力

由于各种老化机制，容量和功率能力可能会随着蓄电池的使用寿命而改变。通常，蓄电池会在其整个生命周期的过程中失去容量和功率能力，这对其“健康状态”有直接影响。蓄电池的急性(akute)的健康状态通常称为“健康状态”(SOH)。

由US 2018/0097370 A1、WO 2014/196933 A1和US 2018/0088181 A2已知用于SOH评估的不同方法。然而，评估可更换蓄电池的健康状态结合了其他困难，因为它们对不同设备和应用的相应的负载和功率要求会部分地明显不同。虽然可以测量设备中的放电电流和充电设备中的充电电流，但是通常不知道可更换蓄电池插入设备或充电设备时的准确的充电状态。因此无法精确地测量剩余容量。直接在可更换蓄电池中测量电流是一种替代方案，但是如果待测量的电流大，则有高的空间需求并且成本较高，这尤其是在大功率电动工具中是这种情况。如果可更换蓄电池要适用于大量不同的设备，这将使SOH的评估变得相当困难。由于设备的功率要求不同，可更换蓄电池的老化可能会产生多种影响：

·减少的剩余容量。在这种情况下，将不再能够实现设备的预期运行时间。

·由于内部电阻的增加而导致剩余容量减少。在这种情况下，一些设备(例如角磨机(Winkelschleifer)之类的高功率工具)只能以降低的功率工作或根本不再工作。

发明内容

本发明所基于的任务在于，能够在充电过程期间精确地评估可更换蓄电池的健康状态。本申请还涉及用于执行根据本发明的SOH评估的一种充电设备和一种可更换蓄电池，尤其是一种用于电动工具的可更换蓄电池组。

本发明涉及一种用于评估可更换蓄电池的健康状态的方法，所述可更换蓄电池尤其是用于电动工具的可更换蓄电池组。根据本发明，至少设置以下方法步骤：

i.在充电过程期间如此确定可更换蓄电池的剩余容量，使得

·如果没有充电电流流动或只有最小的充电电流流动，那么通过测量开路电压来确定第一电荷值(Ladewert)，

·通过以限定的时间间隔测量充电电流来求取至少一个另外的电荷值，直到充电过程完成，并且

·计算所求取的电荷值的总和；

ii.在充电过程期间如此确定可更换蓄电池的剩余功率能力，使得

·在达到预定义的蓄电池电压后，短时间地改变充电电流，并且测量相应的蓄电池电压，并且

·由所测量的充电电流的差与蓄电池电压的差的商来计算可更换蓄电池的阻抗。

由于购买新的可更换蓄电池通常给用户带来高昂的成本，因此如果根据本发明的方法向用户提供关于可更换蓄电池的老化的尽可能连续的信息，以便能够更好地计划可更换蓄电池的更换，这对用户来说是特别有利的。此外，如果用户知道其可更换蓄电池的相应容量和功率能力，则对于用户也是有利的。因此，用户可以根据不同设备的功率要求或运行时间，将各个可更换蓄电池分配给相应合适的应用。对于使用大量电动工具和可更换蓄电池组的公司和手工业者而言，这是特别有利的。

当今用于电动工具的可更换蓄电池组通常包含锂离子电池单元(Li-Ion)，其通常在所谓的CCCV方法(Constant Current Constant Voltage，恒流恒压)中借助常规的充电设备进行充电。在此，充电设备的充电电子器件通过蓄电池组产生恒定的充电电流(Constant Current，缩写CC，恒定电流)，从而蓄电池电压增大。一旦达到最大的蓄电池电压，充电电子器件就将其保持恒定(Constant Voltage，缩写CV，恒定电压)，并且充电电流减小。如果达到充电电流的预定义的最小值，则充电电子器件就会结束充电过程，并且蓄电池单元充满电。从CC阶段到CV阶段的过渡通常在大约80％的充电状态下进行。由于CCCV方法对于本领域技术人员而言是已知的，因此下面将不对其进行进一步讨论。

一方面，蓄电池驱动的“电动工具”应理解为用于借助电驱动的插入式工具(Einsatzwerkzeug)来加工工件的任何设备。因此，电动工具可以构造为手持式电动工具或固定式电动工具机。在这种情况下，典型的电动工具是手持式钻机或固定式钻机、起子、冲击钻机、刨床、角磨机、振动式磨光机(Schwingschleifer)、抛光机等。然而，在本发明的范畴内，诸如草坪修剪机(Rasentrimmer)、树枝切割器

在此描述的可更换蓄电池组通常具有壳体，该壳体可以通过机械接口力锁合地(kraftschlüssig)可松脱

可更换蓄电池组的蓄电池电压通常是单个蓄电池单元的电压的倍数，并且由蓄电池单元的互连(并联或串联)产生。在电池单元电压为3.6V的普通的锂离子蓄电池单元中，得到3.6V、7.2V、10.8V、14.4V、18V、36V等的示例性蓄电池电压。蓄电池单元优选地构造为至少基本上圆柱体状的圆形电池单元，其中，电池单元极布置在圆柱体形状的端部。电接口包括尤其至少两个构造用于传递能量的电接通元件。然而，替代地，电接口也可以具有用于感应充电的次级充电线圈元件。附加地，电接口可以具有另外的接通元件，所述另外的接通元件构造为用于将优选地通过集成在可更换蓄电池组中的电子器件求取的信息传递到电动工具和/或充电设备中。在此，除了健康状态之外，这还可以是例如可更换蓄电池组的充电状态、可更换蓄电池组内的温度、可更换蓄电池组的编码或剩余容量。

在本发明的一种特定的构型中，以CCCV方法执行充电过程，其中，，为了确定剩余容量，在CC阶段之前求取第一电荷值并且在CC阶段和CV阶段期间求取另外的电荷值。因此，在CC阶段之前测量开路电压，并且接下来执行所谓的“库仑计数(Coulomb Couting)”，其检测电子数量以确定蓄电池中的电荷。

优选地，仅在CC阶段期间通过以下方式确定可更换蓄电池的剩余功率能力：在达到预定义的蓄电池电压之后，将充电电流关于确定的时间段从第一值降低到第二值。此外，为了确定可更换蓄电池的剩余功率能力，在改变充电电流之后可以分别经过(verstreichen)一个等待时间，直到测量出蓄电池电压。此外设置，在充电过程期间、尤其在CC阶段期间，以规则的时间间隔重复剩余功率能力的确定。

补充地，在另一方法步骤中设置，测量可更换蓄电池的温度。然后可以根据所测量的温度来校正可更换蓄电池的计算的阻抗。这是特别有利的，因为温度对可更换蓄电池的阻抗有很大影响，因此也直接影响其当前的健康状态。

阻抗随时间的过程而增加是蓄电池单元的老化效应。相反地，可更换蓄电池或充电设备中的导电元件(接通部、印制导线、电缆等)的阻抗变化可以忽略不计。因此特别有利的是，直接在可更换蓄电池中进行电压测量，以便忽略导电元件的阻抗。可以测量各个电池单元电压或整个蓄电池电压。在充电过程期间，该阻抗测量可以进行一次或多次。多次测量实现可信度检验，从而避免测量错误，而且还可以进行更精确且更详细的评估。

特别有利地，可以将可更换蓄电池的剩余容量、剩余功率能力和/或健康状态在显示单元上输出。在此，不仅显示器(LCD、OLED、电子纸(ePaper)等)可以用作显示单元，而且可更换蓄电池组、充电设备或者替代地或附加地智能手机、平板电脑、PC等的LED显示可以用作显示单元。可更换蓄电池与所提及的显示设备之间的通信通过相应的通信接口进行。在此，专有的BUS同样可以投入使用，例如通过标准协议通过电缆或无线电的传递。

本发明还涉及用于执行根据本发明的方法的一种充电设备和一种可更换蓄电池，该可更换蓄电池尤其是用于电动工具的可更换蓄电池组。

附图说明

接下来根据图1至图4示例性地阐述本发明，其中，附图中相同的标记表示具有相同作用方式的相同组成部分。

附图示出：

图1示出一种系统，该系统包括用于未示出的电动工具的可更换蓄电池组、用于为可更换蓄电池组充电的充电设备以及以智能电话形式的外部设备，其中，该充电设备和可更换蓄电池组尤其用于执行根据本发明的方法；

图2示出用于说明根据本发明的方法的基于CCCV充电方法的曲线图；

图3示出用于说明在根据本发明的方法的框架中的阻抗测量的曲线图；

图4示出用于说明在根据本发明的方法的框架中的阻抗测量的另一曲线图。

具体实施方式

图1示出用于电动工具(未示出)的可更换蓄电池组12充电的充电设备10。使用针对不同电动工具的可更换蓄电池组对于本领域技术人员是众所周知的，因此在此不作更详细的讨论。

为了给可更换蓄电池组12充电，它以其机电接口14插入到充电设备10的相应机电接口14中，从而实现从充电设备10到可更换蓄电池组12的能量传输。同时，可以通过机电接口14传输与充电参数(例如温度、充电状态、剩余容量等)有关的数据和/或与可更换蓄电池组12的健康状态有关的数据。本领域技术人员已知蓄电池组、充电设备和电动工具的机电接口14一方面设计用于给电动工具供电，另一方面设计用于借助充电设备10对可更换蓄电池组12进行充电，因此这一点不再进一步讨论，特别是因为这对于本发明而言没有进一步的意义。此外应该指出，本发明也可以不受限制地应用于无线地、尤其感应式地工作的充电设备和可更换蓄电池。

借助操作单元16，用户可以例如在充电设备10上设置不同的充电模式。在此，可以在“标准(Standard)”模式(通常为CCCV充电方法)、具有增大的充电电流和非常短的充电时间的“升压(Boost)”模式、具有特别低的充电电流和非常长的充电时间的“长使用寿命(Long-Life)”模式、具有低充电电流和较长充电时间的“储存(Storage)”模式、以及具有与“储存”模式相对应的充电电流和充电时间但相比之下降低的充电极限的“飞行(Flight)”模式之间作区分。在此仅示例性地提及各个充电模式，并不限制本发明。此外，操作单元16通过一个或多个LED和/或具有不同颜色和/或闪烁频率的显示器用作当前设置的充电模式的显示18。

通过接口20，用户可以替代地或附加地借助具有相应的对接接口(Gegenschnittstelle)26的外部设备24(例如智能手机、平板电脑、PC、遥控器等)来切换充电模式，所述接口20可以——如已经提及地那样——构造作为机电接口14的无线电接口22(例如蓝牙、WLAN、NFC、无线个域网(Zigbee)、LoRa、GSM、UMTS等)，但也可以构造作为有线接口(例如USB、以太网、雷电接口(Thunderbolt)、闪电接口(Lightning)、RS232等)。此外，用户借助接口20、22、26接收给外部设备24的关于当前设置的充电模式、上述充电参数和/或可更换蓄电池组12的健康状态的反馈。

充电设备10还具有充电状态显示28，该充电状态显示被划分为用于不同充电状态范围的多个显示区段(例如<＝20％，<＝40％，<＝60％，<＝80％，<＝100％)。因此，用户可以快速且容易地识别所插入的可更换蓄电池组12的充电状态。充电状态显示28可以如此构造，使得所有区段都分别用于显示当前设置的充电模式。然后替代地也可以设想，区段总是与待充电的可更换蓄电池组12的完全充电状态有关，其中，当前所设置的充电模式的充电过程的结束例如通过单个或多个区段的闪烁或另一颜色来显示，直到当前的充电极限。借助状态显示30，充电设备10可以向用户发信号通知充电设备10和/或可更换蓄电池组12中的任何故障，例如温度过高或充电过程的临界中断，以及可更换蓄电池组12的临界健康状态。显示18、28、30可以通过单色或多色的LED、通过LCD或OLED元件、通过电子纸等来实现。补充地或替代地，单个或全部显示18、28、30也可以实现为声音信号发生器和/或触觉信号发生器。在此，扬声器、尤其压电式扬声器例如可以考虑作为声音信号发生器，而具有由其驱动的不平衡盘(Unwuchtscheibe)的电动机形式的振动发生器可以考虑作为触觉信号发生器。

如果可更换蓄电池组12以其机电接口14插入到充电设备10的机电接口14中，那么通过将充电设备10的电源插头32插入到插座中，充电设备10自动地开始充电过程。同样，在插入电源插头32的情况下可以通过将可更换蓄电池组12插入到充电设备10中和/或在操纵操作单元16之后开始充电过程。当可更换蓄电池组12充满电和/或用户从充电设备10中移除可更换蓄电池组12时，正常地结束充电过程。此外，在探测到故障的情况下或当可更换蓄电池组12已经达到临界健康状态时，充电装置10结束充电过程。

此外，可以通过接口20和/或操作单元16将充电设备10重置为出厂状态。为此，充电装置10包括控制单元34，例如以未示出的、但本领域技术人员已知的微处理器的形式，其具有相应的重置功能或复位功能，其响应于操作单元16的操纵。

现在将参考图2阐述根据本发明的基于可更换蓄电池组12的剩余容量和功率能力来评估健康状态的方法。在图2中绘制了充电电流I

在第一方法步骤I中，在充电过程期间如此确定可更换蓄电池组12的剩余容量，使得如果没有充电电流流动或只有最小的充电电流I

然后以限定的时间间隔通过测量相应的充电电流I

在整个充电过程期间，充电设备10以限定的间隔测量充电电流I

在另一方法步骤II中，在充电过程期间如此确定可更换蓄电池组12的剩余功率能力，使得首先在达到预定义的蓄电池电压U

根据图3，当达到预定义的蓄电池电压U

由于两次测量仅彼此相隔几秒钟，因此充电状态不会改变或仅不显著地改变。通过由两个蓄电池电压值的差U

在求取充电设备10中的阻抗Z时，以下方面也可能很重要：

·电池的阻抗Z与温度非常相关。因此，在求取阻抗期间检测可更换蓄电池组12的温度T，并且基于阻抗Z根据该温度T来确定功率能力。

·阻抗Z随着蓄电池年龄的增加而增加是蓄电池单元老化的效应。相反地，可更换蓄电池组12或充电设备10中的导电元件(接通部、印制导线、电缆等)的阻抗几乎不变。因此特别有利的是，直接在可更换蓄电池组12中进行电压测量，以便排除导电元件的阻抗的影响。在此，可以测量各个电池单元电压或可更换蓄电池组12的整个蓄电池电压。

·根据图4，在CC阶段内的充电过程期间，上述阻抗测量也可以进行多次。在时间点t

SOH评估所需的测量(例如电压、温度值等)可以在充电设备10或待充电的可更换蓄电池组12中进行。如果它们在可更换蓄电池组12中执行，则可以通过已经结合图1阐述的通过接通连接的接口14(例如有线连接地)和/或通过非接通连接或无线连接的接口20或22将所求取的值发送到充电设备10。然后，可以要么在充电设备10中，要么补充地或替代地通过外部设备24中的无线电接口22和26对测量进行分析处理。如果在充电设备10中进行分析处理，则可以直接通过充电状态显示28和/或状态显示30输出结果。如果在外部设备24中进行该分析处理，则可以通过其显示器以更多的细节和阐述来实现显示。当然，也可以在充电设备10中、在可更换蓄电池组12中或在外部设备24中进行计算和分析处理，并分别在另外的设备10、12或24中显示结果。由于分析处理通常是复杂的并且需要大量的数据(关于不同可更换蓄电池组的存储的曲线和表格)和资源(复杂的公式)，因此特别有利的是，直接在外部设备24中进行分析处理。这节省了处理器的成本且必要时节省了充电设备10中的结构空间，并且可以使用更成本有利的微处理器作为控制单元34。附加地，在外部设备24中的分析处理允许根据数据采集进行后续优化，例如通过安装在外部设备24上的应用程序的更新。此外，可更换蓄电池组12的、在销售充电设备10时还不存在的数据可以后续存储在外部设备24中。如果在具有相应的功率强大的控制单元34的充电设备10中进行分析处理，那么当然也可以通过其接口20、22进行数据更新。

最后，应当指出，所示的实施例并不限于图1至图4，也不限于所描述的CCCV充电方法。因此，本发明也可以用于具有不同充电曲线的另一种合适的充电方法。还可以使用多于两个不同的充电电流I