DE102020126879A1

DE102020126879A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher

Info

Publication number: DE102020126879A1
Application number: DE102020126879.3A
Authority: DE
Inventors: Dominik Fehrenbach; Marius Isenmann
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2020-10-13
Filing date: 2020-10-13
Publication date: 2022-04-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer in einem elektrischen Energiespeicher (2) zur elektrischen Versorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers (3, 4, 5) während seines bestimmungsgemäßen Betriebs enthaltenen elektrischen Energiemenge, bei dem während des bestimmungsgemäßen Betriebs die im Energiespeicher (2) enthaltene Energiemenge mittels wenigstens einer bei betriebsgemäßer Aktivierung des Verbrauchers (3, 4, 5) vorabbestimmten Energieaufnahmegröße entsprechend einer bei tatsächlicher Aktivierung des Verbrauchers (3, 4, 5) durch diesen bewirkten Energieaufnahme rechnerisch ermittelt wird.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer in einem elektrischen Energiespeicher (2) zur elektrischen Versorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers (3, 4, 5) während seines bestimmungsgemäßen Betriebs enthaltenen elektrischen Energiemenge.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere zur Bestimmung einer in dem elektrischen Energiespeicher (z. B. Batterie oder Akku) zur elektrischen Versorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers während seines bestimmungsgemäßen Betriebs enthaltenen elektrischen Energiemenge.
Herkömmlich werden Batterien oder Akkus, mit denen ein elektrischer Verbraucher gespeist wird, messtechnisch kontinuierlich überwacht, um jederzeit die in der Batterie bzw. dem Akku enthaltene Energiemenge zu schließen. Hierzu wird beispielsweise kontinuierlich die Entnahme der Energie messtechnisch erfasst, z. B. mittels Laststrommessung, und so auf die Restkapazität der Batterie/des Akkus geschlossen, wie beispielsweise bei Smartphones üblich.
Eine weitere herkömmliche Methode zur Erfassung der Energiemenge in dem Energiespeicher ist, die Restkapazität des Energiespeichers durch Messen der elektrischen Spannung am Energiespeicher selbst zu ermitteln. Diese messtechnische Methode lässt sich bei Lithium-Akkus jedoch nur schwer und bei Lithium-Batterien aufgrund ihres Aufbaus nicht durchführen.
Die vorstehend beschriebenen messtechnischen Verfahren zur Bestimmung der Restkapazität eines Energiespeichers benötigen außerdem selbst einen Teil der elektrischen Energie, die vom Energiespeicher bereitgestellt wird, sodass diese Methoden bevorzugt nur in bestimmten zeitlichen Abständen durchgeführt werden. Die Verfahren setzen zudem voraus, dass der zur Messung benötigte Energieanteil wesentlich geringer als die Energieaufnahme eines von dem Energiespeicher gespeisten elektrischen Verbrauchers ist. Zudem muss bei der intermittierenden Erfassung sichergestellt sein, dass in den Zeiträumen ohne Messung keine Änderung der Energieaufnahme durch den/die Verbraucher stattfindet, da die gesamte Energieaufnahme interpoliert werden muss.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes, alternatives Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers bereitzustellen, welche die vorstehend erläuterten Nachteile des Stands der Technik überwinden. Insbesondere soll die Bestimmung der Energiemenge in dem Energiespeicher zuverlässig und genau sein und darüber hinaus im Vergleich zu den vorstehend erwähnten messtechnischen Verfahren im Wesentlichen keine bzw. einen demgegenüber vernachlässigbar kleinen Bruchteil an elektrischer Energie erfordern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können (auch über Kategoriegrenzen, beispielsweise zwischen Verfahren und Vorrichtung, hinweg) und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass ein hierin verwendetes, zwischen zwei Merkmalen stehendes und diese miteinander verknüpfendes „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung einer in einem elektrischen Energiespeicher, z. B. wiederaufladbarer Akku oder nicht wiederaufladbare Batterie (auch als Primärzelle bezeichnet), der/die einer elektrischen Versorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers während seines bestimmungsgemäßen Betriebs dient, enthaltenen elektrischen Energiemenge wird während des bestimmungsgemäßen Betriebs die im Energiespeicher enthaltene Energiemenge mittels wenigstens einer bei betriebsgemäßer Aktivierung des Verbrauchers vorabbestimmten Energieaufnahmegröße entsprechend einer bei tatsächlicher Aktivierung des Verbrauchers durch diesen bewirkten Energieaufnahme rechnerisch ermittelt.
Im Sinne der Erfindung ist unter dem aktivierten Zustand des Verbrauchers nach seiner Aktivierung ein Zustand zu verstehen, in dem der Verbraucher dem Energiespeicher elektrische Energie entnimmt, um seinen bestimmungsgemäßen Betrieb durchzuführen und bevorzugt eine Funktion auszuführen. Im Gegensatz hierzu ist ein Ruhezustand des Verbrauchers ein Zustand, in dem der Betrieb des Verbrauchers im Wesentlichen oder tatsächlich ganz eingestellt ist und dieser seine bestimmungsgemäße Funktion damit nicht ausführt und entsprechend im Wesentlichen gar keine oder nur eine vernachlässigbar kleine elektrische Energiemenge aus dem Energiespeicher entnimmt. Es ist hierbei zu verstehen, dass der Verbraucher zwischen seinem Ruhezustand und seinem aktivierten Zustand beliebig wechsein kann, so dass beide Zustände vom Verbraucher jeweils für eine gewisse begrenzte Zeitdauer eingenommen werden können. Der Wechsel kann beispielsweise ereignisgesteuert (automatisch) erfolgen, nämlich in Reaktion auf das Eintreten eines vorbestimmten Ereignisses (z. B. Erreichen eines vorbestimmten Grenz-/Schwellenwerts einer Prozessgröße wie beispielsweise ein Füllstand, Grenzstand, Viskosität, Dichte, Druck etc. eines Mediums), wobei die Länge der einzelnen Ruhephasen des Verbrauchers im Voraus nicht bekannt sein muss und dementsprechend variieren kann. Der Wechsel kann alternativ oder zusätzlich auch nach einem zeitlich vorab festgelegten Raster erfolgen, wobei der Verbraucher dann periodisch in festen Zeitabständen aktiviert wird und nach Ausführung seiner bestimmungsgemäßen Funktion (automatisch) wieder in den Ruhezustand wechselt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, dass vorab, bevorzugt (z. B. einmalig) vor der bestimmungsgemäßen Verwendung des Verbrauchers, die für die betriebsmäßige Aktivierung des Verbrauchers charakteristische Energieaufnahmegröße bestimmt wird. Diese kann beispielsweise vor dem erstmaligen bestimmungsgemäßen Betrieb in einem Labor messtechnisch genau ermittelt werden. Die Energieaufnahmegröße kann beispielsweise eine elektrische Leistungsaufnahme (= Energiemenge pro Zeit) des Verbrauchers sein, wenn dieser während seiner Aktivierung eine bestimmungsgemäße Funktion ausführt. Die Energieaufnahmegröße ist jedoch nicht auf eine Leistungsaufnahme beschränkt. Beispielsweise kann die den Aktivierungszustand charakterisierende Energieaufnahmegröße des Verbrauchers ebenso eine Gesamtenergieaufnahme für die Durchführung der bestimmungsgemäßen Funktion des Verbrauchers bei (z. B. einmaliger) Aktivierung des Verbrauchers angeben. In diesem Fall führt jede Aktivierung des Verbrauchers zu der durch die Energieaufnahmegröße definierten Gesamtenergieaufnahme.
Unabhängig von der spezifischen Art der den Verbraucher beschreibenden Energieaufnahmegröße wird die in dem Energiespeicher enthaltene Energiemenge bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stets nur berechnet, nicht jedoch messtechnisch bestimmt. Es versteht sich, dass zumindest einmalig die Ausgangsenergiemenge in dem Energiespeicher vor der (z. B. erstmaligen) Aktivierung des Verbrauchers bekannt sein muss (z. B. in Form einer spezifizierten Nennkapazität des Energiespeichers oder als Ergebnis einer einmaligen messtechnischen Vorabbestimmung), um die durch die Aktivierung des Verbrauchers bewirkte Energieaufnahme anhand der vorabbestimmten Energieaufnahmegröße rechnerisch ermitteln zu können, indem die vom Verbraucher infolge seiner Aktivierung aufgenommene Energiemenge von der Anfangsenergiemenge im Energiespeicher abgezogen wird. Das Ergebnis stellt die neue Anfangsenergiemenge des Energiespeichers für eine nachfolgende Aktivierung des Verbrauchers dar, wobei vorstehende Berechnung bei jeder erneuten Aktivierung des Verbrauchers in dieser Weise wiederholt wird. Somit lässt sich über den gesamten bestimmungsgemäßen Betrieb des Verbrauchers stets die im Energiespeicher vorhandene Energiemenge abhängig von den tatsächlich stattfindenden Aktivierungen ermitteln, ohne etwa kontinuierlich eine vom Energiespeicher (noch) bereitstellbare elektrische Spannung und/oder einen zum Verbraucher fließenden elektrischen Strom messen zu müssen.
Da lediglich eine Berechnung der im Energiespeicher enthaltenen Energiemenge anstelle einer messtechnischen Bestimmung durchgeführt wird, beträgt der für die zusätzlichen Berechnungsschritte aufzuwendende Energieeinsatz, wenn die Berechnungsschritte beispielsweise mittels einer elektronischen Rechen-/Steuereinheit (z. B. Mikrocontroller) durchgeführt werden, lediglich ein Bruchteil dessen, was herkömmliche messtechnische Verfahren für dieselbe Aufgabe erfordern. Dennoch vermag das erfindungsgemäße Verfahren während des gesamten bestimmungsgemäßen Betriebs des Verbrauchers stets zuverlässige und genaue Ergebnisse hinsichtlich der im Energiespeicher noch vorhandenen Energiemenge liefern.
Nach einer einfach zu verwirklichenden und energiesparenden Ausgestaltung der Erfindung repräsentiert die Energieaufnahmegröße eine absolute Energieaufnahme des Verbrauchers je (einmaliger) Aktivierung. Diese Art der den Verbraucher charakterisierenden Energieaufnahmegröße lässt sich dann vorteilhaft einsetzen, wenn der Verbraucher infolge seiner Aktivierung eine bestimmungsgemäße Funktion ausführt, die stets zu derselben elektrischen Energieaufnahme führt. Dann ergibt die Summe aller Aktivierungen des Verbrauchers die Gesamtenergieaufnahme und ausgehend von der allerersten Ausgangs-/Anfangsenergiemenge im Energiespeicher die Restenergiemenge, die im Energiespeicher augenblicklich noch gespeichert ist. Beispielsweise kann die temporäre Aktivierung eines Sensors (= elektrischer Verbraucher) zur Bestimmung einer Prozessgröße (z. B. eines Füllstands, Grenzstands, Viskosität, Dichte, Drucks und dergleichen eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums) eine stets konstante Energieaufnahme je Aktivierung hervorrufen, die in vorteilhafter Weise wie vorstehend erläutert abgebildet werden kann.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung repräsentiert die Energieaufnahmegröße eine Energieaufnahme des Verbrauchers pro Zeiteinheit (z. B. eine Leistungsaufnahme). In diesem Fall wird die bei der Aktivierung des Verbrauchers durch diesen bewirkte Energieaufnahme entsprechend einer während seiner Aktivierung gemessenen Zeitdauer in Verbindung mit der entsprechenden Leistungsaufnahme (Energieaufnahmegröße) berechnet. Es wird dementsprechend zusätzlich zur eigentlichen Aktivierung des Verbrauchers auch die Aktivierungsdauer erfasst, was zum Beispiel mittels einer elektronischen Rechen- und Steuereinheit (z. B. Mikrocontroller) ohne großen Aufwand verwirklicht werden kann. Beispielsweise kann die erforderliche Aktivierungsdauer einer Datenübertragungseinrichtung (= elektrischer Verbraucher) zur drahtlosen oder leitungsgebundenen Datenfernübertragung (z. B. von einem Sensor ermittelten Messdaten wie Füllstand, Grenzstand, Druck, Dichte, Viskosität u. dgl.) aufgrund von sporadisch auftretenden Übertragungsfehlern und damit einhergehenden Übertragungswiederholungen variieren, so dass die während einer Aktivierung von dem Verbraucher aufgenommene Gesamtenergie über die tatsächliche Aktivierungsdauer genauer und zuverlässiger berechnen lässt.
Es ist zu verstehen, dass eine geeignete Energieaufnahmegröße entsprechend der zu erwartenden Energieaufnahme je nach vom Verbraucher auszuführenden Funktionsverlauf festgelegt werden kann, wie vorstehend bereits erläutert wurde.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden dem Verbraucher mehrere von seiner Betriebstemperatur abhängige Energieaufnahmegrößen zugeordnet. Diese charakterisieren unterschiedliche hohe Energieaufnahmen des Verbrauchers, die von seiner Betriebstemperatur abhängen. Beispielsweise können manche Sensoren eine temperaturabhängige Energieaufnahme aufweisen, die für eine noch präzisere und zuverlässigere Bestimmung der Energiemenge im Energiespeicher nicht vernachlässigbar ist. Gemäß dieser Ausgestaltung wird bei der Aktivierung des Verbrauchers die durch diesen bewirkte Energieaufnahme entsprechend einer vor und/oder während und/oder nach seiner Aktivierung gemessenen Betriebstemperatur und der jeweils zugeordneten Energieaufnahmegröße berechnet. Die Temperaturbestimmung kann mittels eines Temperatursensors am Verbraucher direkt oder vorzugsweise zumindest in unmittelbarer Nähe zum Verbraucher erfolgen. Der Temperatursensor kann ebenfalls aus dem Energiespeicher gespeist sein.
Die Betriebstemperatur kann zum Beispiel einmalig zu Beginn jeder Aktivierung oder einmal nach Ende jeder Aktivierung gemessen werden. Sie kann auch einmalig vor der Aktivierung und einmalig nach der Aktivierung bestimmt werden, um näherungsweise eine Durchschnittstemperatur während der gesamten Aktivierung zu bestimmen. Diese Messungen können jeweils lediglich ein einziges Mal je Aktivierung erfolgen. Die Temperaturbestimmung kann jedoch ebenso zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Aktivierung des Verbrauchers wiederholt durchgeführt werden, um ein noch genaueres Betriebstemperaturprofil zu erhalten und die entsprechende Energieaufnahmegröße für die Berechnung des aus dem Energiespeicher entnommenen Energiemenge heranzuziehen.
Besonders bevorzugt kann die rechnerische Ermittlung der im Energiespeicher enthaltenen Energiemenge sowie die Aktivierung des wenigstens einen Verbrauchers mittels einer elektronischen Rechen- und Steuereinheit, z. B. Mikroprozessor, Mikrocontroller und dergleichen, durchgeführt werden. Da die Rechen- und Steuereinheit die Aktivierung des Verbrauchers selbst steuert, ist stets gewährleistet, dass jede Energieaufnahme des Verbrauchers erfasst wird und damit das Berechnungsergebnis hinsichtlich der im Energiespeicher verbleibenden Energiemenge sehr genau ist. Des Weiteren weist die Rechen- und Steuereinheit vorzugsweise ebenso eine elektronische Speichereinheit auf, z. B. RAM, ROM, Flash und dergleichen, in welcher die vorabbestimmten Energieaufnahmegrößen gespeichert sind. Auf diese Weise lässt sich in kompakt bauender Weise eine hochzuverlässige Bestimmung der Restkapazität des Energiespeichers bereitstellen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Rechen- und Steuereinheit selbst einen elektrischen Verbraucher darstellen kann, der aus dem Energiespeicher gespeist wird und dementsprechend bei einer Fremd- und/oder Eigenaktivierung seine eigene Energieaufnahme ebenfalls für die jeweilige Aktivierungsdauer rechnerisch ermittelt.
Nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden wenigstens zwei elektrische Verbraucher aus dem Energiespeicher versorgt, wobei der eine Verbraucher ein Sensor zur Bestimmung einer Prozessgröße ist, z. B. ein Radar-, Ultraschall-, Infrarot-, Kapazitäts-, Vibrationssensor u. dgl. zur Erfassung beispielsweise eines Füllstands, Grenzstands, einer Viskosität, Dichte oder eines Drucks eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums, und der andere Verbraucher eine Datenübertragungseinrichtung zur Fernübertragung wenigstens der vom Sensor bestimmten Prozessgröße ist. Die Datenfernübertragung kann bevorzugt drahtlos erfolgen, wobei jedoch auch eine leitungsgebundene Datenübertragung nicht ausgeschlossen sein soll.
Als elektrischer Energiespeicher kann bevorzugt wenigstens eine Primärzelle, insbesondere eine Lithium-Batterie, verwendet werden. Als Primärzelle ist hierin eine galvanische Zelle zu verstehen, die nach der Entladung nicht wieder neu aufgeladen werden kann, wie z. B. die zuvor erwähnte Lithium-Batterie. Andere Batterietypen können jedoch ebenfalls verwendet werden. Außerdem ist auch die Verwendung eines wiederaufladbaren Akkumulators, z. B. Lithium-Ionen-Akku, nicht von der vorliegenden Erfindung ausgeschlossen.
Nach einer noch weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Aktivierung des Verbrauchers mehrere Aktivierungsstufen auf. Diese sind jeweils durch eine unterschiedliche, vorabbestimmte Energieaufnahmegröße festgelegt. Beispielsweise kann eine Datenübertragungseinrichtung in einer ersten Aktivierungsstufe eine Netzverbindung mit einer ersten Energieaufnahme und in einer zweiten Aktivierungsstufe eine Datenübertragung mit einer zweiten, z. B. höheren (oder niedrigeren) Energieaufnahme durchführen. Die Aktivierung des Verbrauchers durchläuft in diesem Fall entsprechend die zuvor festgelegten unterschiedlichen Aktivierungsstufen. Dementsprechend wird in diesem Fall die bei der Aktivierung des Verbrauchers durch diesen bewirkte Energieaufnahme entsprechend der jeweiligen Energieaufnahmegröße der bei seiner Aktivierung jeweils durchlaufenen Aktivierungsstufen berechnet, um das Berechnungsergebnis hinsichtlich der im Energiespeicher verbleibenden Restenergie noch zuverlässiger und genauer zu machen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer in einem elektrischen Energiespeicher zur elektrischen Versorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers während seines bestimmungsgemäßen Betriebs enthaltenen elektrischen Energiemenge gemäß der Erfindung eine Rechen- und Steuereinheit, z. B. Mikroprozessor, Mikrocontroller und dergleichen, zur wahlweisen Aktivierung des Verbrauchers auf. Die Rechen- und Steuereinheit ist hierbei eingerichtet, ein Verfahren nach einer der hierin beschriebenen Ausgestaltungen auszuführen.
Mit anderen Worten ermittelt die Rechen- und Steuereinheit rechnerisch während des bestimmungsgemäßen Betriebs die im Energiespeicher enthaltene Energiemenge mittels wenigstens einer bei betriebsgemäßer Aktivierung des Verbrauchers vorabbestimmten Energieaufnahmegröße entsprechend einer bei tatsächlicher Aktivierung des Verbrauchers durch diesen bewirkten Energieaufnahme.
Da die Rechen- und Steuereinheit die Aktivierung des Verbrauchers selbst steuert, ist stets gewährleistet, dass jede Energieaufnahme des Verbrauchers erfasst wird und damit das Berechnungsergebnis hinsichtlich der im Energiespeicher verbleibenden Energiemenge äußerst genau und zuverlässig ist. Des Weiteren weist die Rechen- und Steuereinheit vorzugsweise auch eine elektronische Speichereinheit auf, z. B. RAM, ROM, Flash und dergleichen, in welcher die vorabbestimmte(n) Energieaufnahmegröße(n) gespeichert ist/sind. Die Rechen- und Steuereinheit wird bevorzugt ebenfalls aus dem Energiespeicher gespeist und stellt damit ebenfalls einen elektrischen Verbraucher dar, dessen Energieaufnahme während seiner Aktivierungsdauer in der hierin beschriebenen Weise zur Bestimmung der im Energiespeicher vorhandenen Energiemenge berücksichtigt wird.
Da die von der Rechen- und Steuereinheit für die Berechnung benötigte elektrische Energie gegenüber einer herkömmlichen messtechnischen Bestimmung des Energiegehalts im Energiespeicher lediglich einen winzigen Bruchteil ausmacht, ermöglicht die Vorrichtung einen besonders energiesparenden Betrieb und gewährleistet hierbei jederzeit eine zuverlässige und genaue Bestimmung der im Energiespeicher enthaltenen Energiemenge, was insbesondere bei Energiespeichern, z. B. Lithium-Batterien, die keine messtechnische Bestimmung der Restkapazität auf herkömmliche messtechnische Weise ermöglichen, ein besonders großer Vorteil ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass bezüglich vorrichtungsbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile vorrichtungsgemäßer Merkmale vollumfänglich auf die Offenbarung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens verwiesen wird. Entsprechend können Offenbarungen hierin bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Auch können Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in sinngemäßer Weise zur Definition der erfindungsgemäßen Vorrichtung herangezogen werden. Insofern kann auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zugunsten einer kompakteren Beschreibung verzichtet werden, ohne dass derartige Auslassungen als Einschränkung auszulegen wären.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands weist der Energiespeicher wenigstens eine Primärzelle, beispielsweise eine Lithium-Batterie, auf. Außerdem sind wenigstens zwei elektrische Verbraucher vorgesehen, von denen der eine Verbraucher ein Sensor zur Bestimmung einer Prozessgröße ist, z. B. ein Radar-, Ultraschall-, Infrarot-, Kapazitäts-, Vibrationssensor u. dgl. zur Erfassung beispielsweise eines Füllstands, Grenzstands, einer Viskosität, Dichte oder eines Drucks eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums, und der andere Verbraucher eine Datenübertragungseinrichtung zur Fernübertragung wenigstens der vom Sensor bestimmten Prozessgröße ist. Die Datenfernübertragung kann bevorzugt drahtlos erfolgen, wobei jedoch auch eine leitungsgebundene Datenübertragung nicht ausgeschlossen sein soll. Auf diese Weise lässt sich eine kompakt und einfach bauende, energiesparende und autark betreibbare Vorrichtung bereitstellen, die eine lange Betriebsdauer aufweist und einen notwendigen Wartungseinsatz zum Wechsels des annähernd entladenen Energiespeichers zuverlässig und frühzeitig veranlassen kann (z. B. mittels entsprechender Datenfernübertragung).
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:

1 ein Funktionsblockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energie-speicher gemäß der Erfindung,
2 ein Stromaufnahmediagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher und
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher gemäß der Erfindung.

In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 stellt ein Funktionsblockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher 2 gemäß der Erfindung dar. Der Energiespeicher 2 ist vorliegend als Primärzelle bzw. Lithium-Batterie ausgeführt, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Andere Batterietypen sind ebenfalls denkbar.
Wie 1 zu entnehmen ist, dient der Energiespeicher 2 zur elektrischen Versorgung mehrerer elektrischer Verbraucher, vorliegend beispielhaft ein Sensor 3 zur Bestimmung einer Prozessgröße, z. B. ein Radar-, Ultraschall-, Infrarot-, Kapazitäts-, Vibrationssensor u. dgl. zur Erfassung beispielsweise eines Füllstands, Grenzstands, einer Viskosität, Dichte oder eines Drucks eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums (nicht dargestellt), und weiterhin eine Datenübertragungseinrichtung 4 zur Fernübertragung wenigstens der vom Sensor 3 bestimmten Prozessgröße zu einer in 1 ebenfalls nicht dargestellten Datenempfangseinrichtung (z. B. ein zentraler Datenserver u. dgl.).
Weiterhin weist die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 eine elektronische Rechen- und Steuereinheit 5, z. B. Mikroprozessor, Mikrocontroller und dergleichen, mit einer elektronischen Speichereinheit auf, z. B. RAM, ROM, Flash und dergleichen, auf. Die Rechen- und Steuereinheit 5 ist eingerichtet, die angeschlossenen elektrischen Verbraucher 3 und 4 zu steuern, das heißt zum Beispiel den Sensor 3 (bevorzugt lediglich temporär) zu aktivieren, wenn ein Messwert zu erfassen ist, und die Datenübertragungseinrichtung (bevorzugt lediglich temporär) zu aktivieren, um den erfassten Messwert beispielsweise zu einer zentralen Datenerfassungseinrichtung (nicht dargestellt) zu übertragen.
Wenigstens ein Temperatursensor 6 zur Bestimmung einer Betriebstemperatur der Vorrichtung 1 bzw. der elektrischen Verbraucher 3 und/oder 4 (evtl. auch 5) kann ebenfalls vorhanden sein, wie in 1 angedeutet ist. Der wenigstens eine Temperatursensor 6 kann in der Nähe der Verbraucher 3 und 4 angeordnet sein. Es können auch mehrere Temperatursensoren 6 vorgesehen sein (nicht dargestellt), wobei ein Temperatursensor 6 jeweils einem der Verbraucher 3, 4 (eventuell auch 5) zugeordnet und an diesem angebracht sein kann. Der Temperatursensor 6 kann beispielsweise über die Rechen- und Steuereinheit 5 elektrisch versorgt werden.
Daten- und Steuerleitungen zwischen der Rechen- und Steuereinheit 5 und den Verbrauchern 3 und 4 sind in 1 durch Doppelpfeile angegeben, Energieversorgungsleitungen zwischen dem Energiespeicher 2 und den Verbrauchern 3, 4 und 5 mittels gestrichelter Richtungspfeile.
Die Komponenten 2, 3, 4 und 5 (falls vorhanden auch der oder die Temperatursensoren 6) sind bei dem in 1 dargestellten Fall in einem gemeinsamen Gehäuse 7 der Vorrichtung aufgenommen. Insgesamt kann die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 als eine kompakte, batterieversorgte, autarke und mittels der Rechen- und Steuereinheit 5 gesteuerte Messeinrichtung zur Bestimmung einer Prozessgröße bezeichnet werden. Die Messeinrichtung kann beispielsweise zur Bestimmung eines Füllstands, Grenzstands, einer Viskosität, Dichte oder eines Drucks u. dgl. eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums verwendet werden. Hierbei kann die Messeinrichtung in einer industriellen Umgebung, zum Beispiel an das Medium aufnehmenden Behältern, Containern und dergleichen verwendet werden, aber auch in einer natürlichen Umgebung, zum Beispiel einem Gewässer wie einem Fluss oder Kanal zur Erfassung eines Wasserstands, oder an einer Wetter-/Klimastation zur Erfassung eines Luftdrucks, einer Temperatur, Regenmenge u. dgl.
Die Rechen- und Steuereinheit 5 der in 1 beispielhaft gezeigten Vorrichtung 1 ist neben den vorbeschriebenen Steuerungsaufgaben ebenfalls eingerichtet, während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Vorrichtung 1 die in dem Energiespeicher 2 enthaltene Energiemenge abhängig von den tatsächlich stattfindenden und von der Rechen- und Steuereinheit 5 veranlassten Aktivierungen der elektrischen Verbraucher 3, 4 und den hierbei durch diese jeweils bewirkten Energieaufnahmen rechnerisch zu ermitteln. Hierzu werden vor der eigentlichen bestimmungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung 1 beispielsweise in einem Labor mittels herkömmlicher, messtechnischer Methoden einmalig für jeden Verbraucher 3, 4 (optional auch 5) die für deren betriebsgemäße Aktivierung entsprechenden Energieaufnahmegrößen bestimmt und vorzugsweise in der Speichereinheit der Rechen- und Steuereinheit 5 gespeichert. Die Energieaufnahmegröße kann beispielsweise eine Leistungsaufnahme des Verbrauchers sein, so dass aus einer zu erfassenden Zeitdauer der jeweiligen Aktivierung eine Gesamtenergieaufnahme durch den Verbraucher während dieser Aktivierung berechnet werden kann. Die Energieaufnahmegröße kann auch bereits eine Gesamtenergieaufnahme durch den Verbraucher angeben, sofern jede Aktivierung des Verbrauchers im Wesentlichen stets dieselbe Energieaufnahme zur Folge hat. In diesem Fall kann eine Zeiterfassung der Aktivierung entfallen.
Es kann auch vorgesehen sein, vor der eigentlichen bestimmungsgemäßen Verwendung der Vorrichtung 1 beispielsweise in einem Labor mittels herkömmlicher, messtechnischer Methoden einmalig für jeden Verbraucher 3, 4 (optional auch 5) und für vorher festgelegte Betriebstemperaturen der jeweiligen Verbraucher die für deren Aktivierung entsprechenden Energieaufnahmegrößen zu bestimmen und vorzugsweise in der Speichereinheit der Rechen- und Steuereinheit 5 zu speichern. In diesem Fall kann mittels des wenigstens einen Temperatursensors 6 während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Vorrichtung 1 zu jeder Aktivierung des Verbrauchers 3, 5 (evtl. auch 5) dessen aktuelle Betriebstemperatur oder Umgebungstemperatur erfasst werden und abhängig von der erfassten Betriebstemperatur die entsprechende Energieaufnahmegröße zur Berechnung der im Energiespeicher enthaltenen Energiemenge herangezogen werden. Die Betriebs-/Umgebungstemperatur kann vor und/oder während und/oder nach der jeweiligen Aktivierung des Verbrauchers gemessenen werden.
2 stellt ein Stromaufnahmediagramm zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher, zum Beispiel dem Energiespeicher 2 der Vorrichtung 1 aus 1, dar. Über die Stromaufnahme I und die dem Verbraucher hierbei zugeführte elektrische Spannung, vorliegend z. B. 3,3 V, lässt sich die Energieaufnahmemenge unmittelbar bestimmen.
In 2 ist beispielhaft eine Stromaufnahme I (in Milliampere) einer Datenübertragungseinrichtung, z. B. die Datenübertragungseinrichtung 4 der Vorrichtung 1 aus 1, gegenüber der Zeit t (in Sekunden) während eines Aktivierungsvorgangs aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass die Aktivierung insgesamt mehrere unterschiedliche Aktivierungsstufen S1, S2, S3, S4 aufweist, wobei jede Aktivierungsstufe durch eine andere Strom- bzw. Energieaufnahme (= unterschiedliche Energieaufnahmegrößen) gekennzeichnet ist. Zum Beispiel nimmt die Datenübertragungseinrichtung 4 in Stufe S1 während eines Aufbaus einer Netzwerkverbindung, z. B. einer NB-IoT-Netzwerkverbindung (Narrow Band IoT), eine Gesamtenergie von 130 mJ auf. In Stufe S2 wird die Durchführung einer Datenübertragung mit mehreren Wiederholungen unternommen, wobei hierfür z. B. insgesamt 530 mJ aufgewendet werden. Da die Datenübertragung in Stufe S2 letztendlich fehlschlägt, wird in Stufe S3 die Sendeleistung der Datenübertragungseinrichtung 4 erhöht und die Datenübertragung schließlich mit einer Energieaufnahme von 260 mJ in Stufe S3 erfolgreich durchgeführt. In Stufe S4 wird die Netzwerkverbindung ordnungsgemäß beendet, wofür 80 mJ Energie benötigt werden. Entsprechend der jeweils während der Gesamtaktivierung des Verbrauchers durchlaufenen Aktivierungsstufe S1, D2, S3 und S4 wird die zugeordnete Energieaufnahmegröße zur Berechnung der Energieaufnahme herangezogen. Wenigstens die Stufen S2 und S3 können abhängig von der Anzahl versuchter Datenübertragungswiederholungen in ihrer Dauer variieren, so dass die Energieaufnahmegröße für diese beiden Stufen sinnvollerweise eine Leistungsangabe (= Energieaufnahme pro Zeit) des Verbrauchers ist. Die Energieaufnahmegrößen für den Netzwerkaufbau (Stufe S1) und Netzwerkabbau (Stufe S4) können aufgrund einer im Wesentlichen fixen Zeitdauer auch jeweils auch eine absolute Energieaufnahme des Verbrauchers repräsentieren, also z. B. 130 mJ für Stufe S1 und 80 mJ für Stufe S4, ohne jedoch zwingend hierauf beschränkt zu sein. Die tatsächliche Zeitdauer der Aktivierungsstufen S1 und S4 kann ebenso erfasst und mit einer Leistungsangabe des Verbrauchers in den entsprechenden Stufen zu einer jeweiligen Energieaufnahme umgerechnet werden.
3 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher, z. B. Energiespeicher 2 der Vorrichtung aus 1, gemäß der Erfindung dar.
Das Verfahren startet mit Schritt S100. Im folgenden Schritt S110 wird eine Zeitmessung für einen Netzwerkaufbau, z. B. für eine NB-IoT Netzwerkverbindung, gestartet, der als erste Aktivierungsstufe (ähnlich der Stufe S1 in 2) einer Datenübertragungseinrichtung (z. B. Datenübertragungseinrichtung 4 der Vorrichtung 1 aus 1) angesehen werden kann. Die Netzwerkverbindung wird in Schritt S120 aufgebaut. In Schritt S130 wird überprüft, ob der Netzwerkaufbau abgeschlossen ist. Solange dieser nicht abgeschlossen ist, kehrt das Verfahren zu Schritt S120 zurück. Andernfalls wird in Schritt S140 die Zeitmessung für den Aufbau der Netzwerkverbindung beendet und in Schritt S150 aus der für den Netzwerkaufbau vorabbestimmten Energieaufnahmegröße und der zuvor gemessenen Zeitdauer die für den Netzwerkaufbau benötigte Energie rechnerisch bestimmt.
Im nachfolgenden Schritt S160 wird ausgehend von einer vorbekannten Anfangsenergiemenge im Energiespeicher die in diesem nach der Entnahme der zuvor bestimmten Energieaufnahme durch den Verbraucher verbleibende Restenergiemenge rechnerisch bestimmt.
In Schritt S170 wird eine Zeitmessung für eine zweite Aktivierungsstufe des Verbrauchers gestartet, die ähnlich der Stufe S2 oder S3 in 2 eine Datenfernübertragung aufweist, die in Schritt S180 durchgeführt wird. In Schritt S190 wird überprüft, ob die Datenübertragung abgeschlossen ist. Solange das nicht der Fall ist, kehrt das Verfahren zu Schritt S180 zurück. Andernfalls wird in Schritt S200 die Zeitmessung beendet, in Schritt S210 die für den Datenversand aufgewendete Energie aus der Zeitdauer und der Energieaufnahmegröße berechnet und in Schritt S220 erneut die im Energiespeicher verbleibende Restenergie nach Abzug der zuvor berechneten Energieaufnahme für den Datenversand rechnerisch ermittelt. Das in 3 beispielhaft dargestellte Verfahren wird in Schritt S230 zunächst beendet.
Es ist zu verstehen, dass die Verfahrensschritt S100-S230 bei jeder Aktivierung der Datenübertragungseinrichtung erneut ausgeführt werden. Die Energieaufnahme anderer elektrischer Verbraucher, z. B. des in 1 dargestellten Sensors 3, kann in an den jeweiligen Verbraucher angepasster Weise durchgeführt werden.
Die hierin offenbarte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher sowie das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher sind nicht auf die hierin jeweils offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale der Vorrichtung sowie des Verfahrens ergeben. Insbesondere sind die vorstehend in der allgemeinen Beschreibung und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen nicht nur in den jeweils hierin explizit angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
In bevorzugter Ausführung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Energiemenge in einem elektrischen Energiespeicher, insbesondere einem wenigstens eine Primärzelle aufweisenden Energiespeicher (z. B. Lithium-Batterie), der wenigstens einen oder mehrere elektrische Verbraucher, vorzugsweise z. B. einen Sensor zur Bestimmung einer Prozessgröße (z. B. Füllstand, Grenzstand, Viskosität, Dichte, Druck u. dgl. eines festen, flüssigen oder gasförmigen Mediums) und ggfs. zusätzlich eine Datenübertragungseinrichtung zur Fernübertragung der von dem Sensor bestimmten Prozessgröße, verwendet.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Energiespeicher
3: Sensor
4: Datenübertragungseinrichtung
5: Rechen-, Speicher- und Steuereinheit
6: Temperatursensor
7: Gehäuse
I: Strom
S1-S4: Unterschiedliche Aktivierungsstufen
t: Zeit

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer in einem elektrischen Energiespeicher (2) zur elektrischen Versorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers (3, 4, 5) während seines bestimmungsgemäßen Betriebs enthaltenen elektrischen Energiemenge, bei dem während des bestimmungsgemäßen Betriebs die im Energiespeicher (2) enthaltene Energiemenge mittels wenigstens einer bei betriebsgemäßer Aktivierung des Verbrauchers (3, 4, 5) vorabbestimmten Energieaufnahmegröße entsprechend einer bei tatsächlicher Aktivierung des Verbrauchers (3, 4, 5) durch diesen bewirkten Energieaufnahme rechnerisch ermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahmegröße eine absolute Energieaufnahme des Verbrauchers (3, 4, 5) je Aktivierung repräsentiert.
Verfahren () gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieaufnahmegröße eine Energieaufnahme des Verbrauchers (3, 4, 5) pro Zeiteinheit repräsentiert, wobei die bei der Aktivierung des Verbrauchers (3, 4, 5) durch diesen bewirkte Energieaufnahme entsprechend einer während seiner Aktivierung gemessenen Zeitdauer (t) und der Energieaufnahmegröße berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verbraucher (3, 4, 5) mehrere von seiner Betriebstemperatur abhängige Energieaufnahmegrößen zugeordnet werden, wobei die bei der Aktivierung des Verbrauchers (3, 4, 5) durch diesen bewirkte Energieaufnahme entsprechend einer vor und/oder während und/oder nach seiner Aktivierung gemessenen Betriebstemperatur und der jeweils zugeordneten Energieaufnahmegröße berechnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rechnerische Ermittlung der im Energiespeicher (2) enthaltenen Energiemenge sowie die Aktivierung des wenigstens einen Verbrauchers (3, 4, 5) mittels einer elektronischen Rechen- und Steuereinheit (5) durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei elektrische Verbraucher (3, 4, 5) aus dem Energiespeicher (2) versorgt werden, wobei der eine Verbraucher ein Sensor (3) zur Bestimmung einer Prozessgröße ist und der andere Verbraucher eine Datenübertragungseinrichtung (4) zur Fernübertragung wenigstens der vom Sensor (3) bestimmten Prozessgröße ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als der elektrische Energiespeicher (2) wenigstens eine Primärzelle, insbesondere eine Lithium-Batterie, verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung des Verbrauchers (3, 4, 5) mehrere Aktivierungsstufen (S1, S2, S3, S4) aufweist, die jeweils durch eine unterschiedliche Energieaufnahmegröße festgelegt sind, wobei die bei der Aktivierung des Verbrauchers (3, 4, 5) durch diesen bewirkte Energieaufnahme entsprechend der jeweiligen Energieaufnahmegröße der bei seiner Aktivierung jeweils durchlaufenen Aktivierungsstufen (S1, S2, S3, S4) berechnet wird.
Vorrichtung (1) zur Bestimmung einer in einem elektrischen Energiespeicher (2) zur elektrischen Versorgung wenigstens eines elektrischen Verbrauchers (3, 4, 5) während seines bestimmungsgemäßen Betriebs enthaltenen elektrischen Energiemenge, aufweisend eine Rechen- und Steuereinheit (5) zur wahlweisen Aktivierung des Verbrauchers (3, 4), wobei die Rechen- und Steuereinheit (5) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Vorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (2) wenigstens eine Primärzelle aufweist und wenigstens zwei elektrische Verbraucher vorgesehen sind, von denen der eine Verbraucher ein Sensor (3) zur Bestimmung einer Prozessgröße ist und der andere Verbraucher eine Datenübertragungseinrichtung (4) zur Fernübertragung wenigstens der vom Sensor (3) bestimmten Prozessgröße ist.