DE102006009556B4

DE102006009556B4 - Method for analyzing the electrolyte system of a battery and associated device

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Publication number: DE102006009556B4
Application number: DE200610009556
Authority: DE
Inventors: Mario Bechtold; Dr. Graf Hans-Michael; Dr. Hahn Alexander; Dr. Waidhas Manfred
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2026-03-01
Also published as: EP1989520A1; DE102006009556A1; WO2007099123A1

Abstract

Verfahren zur Analyse des Elektrolytsystems einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass die über einen Sensor vermessenen akustischen und/oder mechanischen Eigenschaften der flüssigkeitsbefüllten Batterie zur Bestimmung des Elektrolytfüllstandes herangezogen werden, wobei die Batterie durch ein passives Impulsanregesystem angeregt wird.Method for analyzing the electrolyte system of a battery, characterized in that the acoustic and / or mechanical properties of the liquid-filled battery measured by a sensor are used to determine the electrolyte level, the battery being excited by a passive impulse excitation system.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Analyse des Elektrolytsystems einer Batterie. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for analyzing the electrolyte system of a battery. In addition, the invention also relates to the associated device for carrying out the method.

Die Kenntnis des Elektrolytfüllstandes einer Batterie ist wichtig zur Beurteilung ihrer Funktionsfähigkeit. Insbesondere bei Traktionsbatterien wird daher der Füllstand regelmäßig optisch vom Wartungspersonal kontrolliert und wird gegebenenfalls Elektrolyt nachgefüllt. Ggf. erfolgt auch eine automatische Nachfüllung im Elektrolyten mittels einer Schwimmermechanik.The knowledge of the electrolyte level of a battery is important for assessing its functionality. In particular, in the case of traction batteries, the fill level is therefore checked optically by maintenance personnel on a regular basis and, if appropriate, the electrolyte is replenished. Possibly. An automatic refilling in the electrolyte also takes place by means of a float mechanism.

Bei wartungsfreien Autobatterien ist dagegen eine Kontrolle nur noch möglich, wenn bei der Fertigung ein optisches Kontrollsystem, das als so genanntes magisches Auge bezeichnet wird, eingebaut wurde. Dies befindet sich üblicherweise an einer von den sechs Zellen einer 12-Volt-Batterie. Auch hier erfolgt die Kontrolle durch im Allgemeinen geschultes Personal, wobei die Batterie zur Inspektion zugänglich sein muss.In maintenance-free car batteries, however, a control is only possible if the manufacturing an optical control system, which is referred to as a so-called magic eye, was installed. This is usually located on one of the six cells of a 12 volt battery. Again, the control is carried out by generally trained personnel, the battery must be accessible for inspection.

DE 101 09 152 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Füllstandsregelung von Flüssigkeitsbehältern, insbesondere Batterien, Wasservorratsbehältern oder Wasserkästen von Toiletten. Ein Ausführungsbeispiel betrifft eine Batterie, die Flüssigkeit (Elektrolyt) aufnimmt. Ein kapazitiver Sensor wird als Pegelsensor 30 verwendet, wobei auch akustische Messsignale aufgenommen werden können. DE 101 09 152 A1 relates to a device for level control of liquid containers, in particular batteries, water storage tanks or water tanks of toilets. One embodiment relates to a battery that receives liquid (electrolyte). A capacitive sensor becomes a level sensor 30 used, with acoustic measurement signals can be recorded.

Die Offenlegungsschrift DE 2 417 734 A betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Füllstandskontrolle von Behältern, welche am Fließband zu kontrollieren sind. Dabei wird vorgeschlagen, einen Luftstrahl gegen eine Behälteröffnung zu richten, so dass die Luft im Behälter zum Mitschwingen angeregt wird, wobei Wandler vorgesehen sind, um die akustischen Schwingungen in elektrische Signale umzusetzen. Es wird also eine aktiv anregende Vorgehensweise vorgeschlagen, die eine Behälteröffnung voraussetzt.The publication DE 2 417 734 A relates to a method and a device for level control of containers, which are to be controlled on the assembly line. It is proposed to direct an air jet against a container opening, so that the air is excited to resonate in the container, wherein transducers are provided to convert the acoustic vibrations into electrical signals. It is therefore proposed an actively stimulating procedure that requires a container opening.

WO 2005/100928 A2 betrifft ein System und ein Verfahren zur Füllstandsmessung eines Flüssigkeitsbehälters, insbesondere für den Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges. Ein solches System weist einen Schwingungserzeuger und einen Schwingungssensor auf. Gemessen werden sollen Körper- oder Luftresonanzfrequenzen des Flüssigkeitsbehälters und/oder des Systems. Insbesondere soll der Füllstandssensor verschleißfrei sein, so dass weder Schwingungserzeuger noch Schwingungssensor mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen sollen. WO 2005/100928 A2 relates to a system and a method for level measurement of a liquid container, in particular for the fuel tank of a motor vehicle. Such a system includes a vibrator and a vibration sensor. To be measured body or Luftresonanzfrequenzen the liquid container and / or the system. In particular, the level sensor should be wear-free, so that neither vibration generator nor vibration sensor should come into contact with the liquid.

US 4,811,595 A offenbart zur Überwachung eines flüssigen Materials in einen Behälter, den akustischen Energieausstoß einer Quelle so zu variieren, dass ein Frequenzband, welches auf Hohlraumresonanzen abgestimmt ist, durchlaufen wird. Auch Quellen der Umgebung sollen einsetzbar sein, beispielsweise Straßengeräusche, die Vibration eines Fahrzeugs, Geräusche von Antriebssystemen, aerodynamische Geräusche oder Kombinationen davon. US 4,811,595 A discloses for monitoring a liquid material in a container to vary the acoustic energy output of a source such that a frequency band tuned to cavity resonances is traversed. Also sources of the environment should be usable, for example road noise, the vibration of a vehicle, noise from drive systems, aerodynamic noise or combinations thereof.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit der letztere Vorgänge automatisiert werden können. Dazu soll eine zugehörige Vorrichtung geschaffen werden.On this basis, it is an object of the invention to provide a method with which the latter operations can be automated. For this purpose, an associated device is to be created.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Eine zugehörige Einrichtung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by a method according to claim 1. An associated device is specified in claim 6. Further developments of the method and the device are the subject of the dependent claims.

Gemäß der Erfindung werden zur automatischen qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung der Elektrolytfüllmenge von Batterien das akustische bzw. das mechanische Verhalten der Batterie ausgewertet. Dies kann einerseits durch Erfassung von Luftschall oder andererseits durch Erfassung von Körperschall erfolgen. Es ist auch möglich, dass der Batteriekörper aktiv angeregt wird, beispielsweise durch mechanisches Anschlagen.According to the invention, the acoustic or mechanical behavior of the battery is evaluated for automatic qualitative and / or quantitative determination of the electrolyte charge of batteries. This can be done on the one hand by detecting airborne sound or on the other hand by detecting structure-borne noise. It is also possible that the battery body is actively excited, for example by mechanical impact.

Die bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise gewonnenen Daten können von einer Kontrolleinheit erfasst werden und stehen dann in elektronischer Form für eine Bewertung im Rahmen eines Batterie-Monitoring zur Verfügung. Zur Auswertung der Daten kann gegebenenfalls ein im Kraftfahrzeug bereits vorhandener Bordcomputer verwendet werden. Eine Inaugenscheinnahme durch Bedienpersonal kann somit entfallen.The data obtained in the procedure according to the invention can be detected by a control unit and are then available in electronic form for evaluation in the context of battery monitoring. If necessary, an on-board computer already present in the motor vehicle can be used to evaluate the data. A visual inspection by operating personnel can thus be omitted.

Im Rahmen der Erfindung können in Verbindung mit einem Batterie-Monitoring-System einzelne Batterietypen mit festgelegtem Elektrolyten, beispielsweise Gel oder Vlies, von Batterien mit flüssigem Elektrolyten unterschieden werden. Es ist somit möglich, bei der Nutzung der Batterie korrekte Betriebsbedingungen einzustellen. Dies kann insbesondere bei der Ladeprozedur einer Kraftfahrzeugbatterie von Bedeutung sein.Within the scope of the invention, in connection with a battery monitoring system, individual battery types with a fixed electrolyte, for example gel or fleece, can be distinguished from batteries with liquid electrolyte. It is thus possible to set correct operating conditions when using the battery. This may be particularly important in the charging procedure of a motor vehicle battery.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing in conjunction with the claims.

Es zeigen jeweils in schematischer DarstellungEach show in a schematic representation

1 eine Schnittdarstellung einer Batterie mit normalem Füllstand, 1 a sectional view of a battery with normal level,

2 eine Schnittdarstellung der Batterie gemäß 1 mit kritischem Füllstand, 2 a sectional view of the battery according to 1 with critical level,

3 eine Darstellung gemäß 1 mit Mitteln zum Auswerten des Schwappgeräusches, 3 a representation according to 1 with means for evaluating the sloshing noise,

4 eine schematische Darstellung von Auswerteelektronik mit Schnittstelle zur Bordelektronik, 4 a schematic representation of evaluation with interface to the on-board electronics,

5 eine Batterie gemäß 1 mit Mitteln zum Auswerten der Hohlraumresonanz, 5 a battery according to 1 with means for evaluating the cavity resonance,

6 eine schematische Darstellung entsprechend 4 und 6 a schematic representation accordingly 4 and

7 ein passives Impulsanregesystem für eine Batterie gemäß 1. 7 a passive pulse driving system for a battery according to 1 ,

Gleiche Elemente haben in den Figuren gleiche Bezugszeichen. Insbesondere die 1 und 2 werden gemeinsam beschrieben.Like elements have the same reference numerals in the figures. especially the 1 and 2 are described together.

In vereinfachter Darstellung besteht eine Batterie aus einem Batteriegehäuse 1, das einen nach außen dichten Behälter bildet und das Anschlusspole 4 bzw. 4' aufweist. Im Batteriegehäuse 1 befindet sich ein Elektrolyt 10, dessen korrekter Füllstand kontrolliert werden soll.In a simplified representation, a battery consists of a battery case 1 , which forms an outwardly sealed container and the connecting pole 4 respectively. 4 ' having. In the battery case 1 there is an electrolyte 10 whose correct level is to be checked.

Im Elektrolyt 10 sind einzelne Batterieelektroden 2 im Abstand auf Bleiplatten angeordnet, wobei von der äußeren Platte jeweils eine Verbindung 3 bzw. 3' zu einem der Anschlusspole 4 bzw. 4' vorhanden ist.In the electrolyte 10 are individual battery electrodes 2 spaced apart on lead plates, each having a connection from the outer plate 3 respectively. 3 ' to one of the connecting poles 4 respectively. 4 ' is available.

Derartige Batterien sind vom Stand der Technik bekannt. Für den bestimmungsgemäßen Gebrauch einer solchen Batterie beispielsweise als Starterbatterie in einem Kraftfahrzeug (KFZ) ist ein hinreichender Füllstand des Elektrolyten notwendig, was bedeutet, dass die Batterieelektroden 2 vom Elektrolyten 10 vollständig bedeckt sein müssen.Such batteries are known in the art. For the intended use of such a battery, for example, as a starter battery in a motor vehicle (motor vehicle), a sufficient level of the electrolyte is necessary, which means that the battery electrodes 2 from the electrolyte 10 must be completely covered.

In 1 zeigt Pfeil 5 den korrekten Füllstand der Batterie. In diesem Fall befindet sich eine ausreichende Menge Elektrolyt 10 über den Batterieelektroden, beispielsweise 1–3 cm über der oberen Kante der Bleiplatten, was bedeutet, dass der Füllstand in Ordnung ist.In 1 shows arrow 5 the correct level of the battery. In this case there is a sufficient amount of electrolyte 10 above the battery electrodes, for example, 1-3 cm above the top edge of the lead plates, which means that the level is OK.

Während der Betriebsdauer kann der Elektrolyt verbraucht werden. Zur Funktionsweise der Batterie ist es aber unerlässlich, dass die Batterieelektroden 2 vollständig mit Elektrolyt bedeckt sind. Der Pfeil 6 in 2 zeigt zwischen Elektrolytoberfläche und der inneren Wandung (Innenwand) des Gehäuses 1 einen merklichen Hohlraum. In diesem Fall sind die Bleiplatten mit den Batterieelektroden 2 gerade noch bedeckt, der Batteriefüllstand kann aber als kritisch bezeichnet werden.During the period of operation, the electrolyte can be consumed. For the functioning of the battery, it is essential that the battery electrodes 2 completely covered with electrolyte. The arrow 6 in 2 shows between the electrolyte surface and the inner wall (inner wall) of the housing 1 a noticeable cavity. In this case, the lead plates are with the battery electrodes 2 just covered, but the battery level can be described as critical.

Der Hohlraum in 2 bzw. dessen zeitliche Änderungen ist insbesondere akustisch erfassbar bzw. auch qualitativ messbar, sofern geeignete Messmittel vorhanden sind.The cavity in 2 or whose temporal changes are particularly acoustically detectable or qualitatively measurable, provided that suitable measuring means are available.

In 3 ist eine Batterie entsprechend 2 dargestellt, bei der der Säurelevel des Elektrolyten 10 gering und damit der Füllstand insgesamt kritisch ist. In 3 befindet sich auf dem Anschlusspol 4 eine spezifische Anschlussklemme 7, die mit Mitteln zum Batteriemonitoring verbunden ist.In 3 is a battery accordingly 2 shown at the acid level of the electrolyte 10 low and thus the level is critical overall. In 3 is located on the connection pole 4 a specific connection terminal 7 which is connected to means for battery monitoring.

Eine spezifische Einrichtung zum Batteriemonitoring ist in der 4 insgesamt mit 8 bezeichnet und wird anhand 4 erläutert. Die Einrichtung 8 beinhaltet im Einzelnen eine erste Einheit 11 mit einer Auswerteelektronik und eine zweite Einheit 12 mit einer Schnittstelle zu weiteren Auswerteeinheiten. Als Sensor wird vorteilhafterweise ein Mikrophon 9, verwendet, von dem das aufgenommene Signal auf die Auswerteeinheit 11 mit zugehöriger Elektronik gegeben wird.A specific device for battery monitoring is in the 4 in total with 8th designated and is based on 4 explained. The device 8th contains in detail a first unit 11 with an evaluation and a second unit 12 with an interface to other evaluation units. As a sensor is advantageously a microphone 9 , from which the recorded signal is applied to the evaluation unit 11 with associated electronics is given.

Die Auswerteeinheit 11 beinhaltet vom Stand der Technik bekannte Mittel, mit denen beispielsweise eine spektrale Auswertung von akustischen Signalen erfolgen kann. Auch Mittel zum Mustervergleich sind hierfür geeignet. Weiterhin beinhaltet die Einheit 8 zum Batteriemonitoring die Schnittstelle 12 zu den weiteren elektronischen Mitteln, insbesondere zur Bordelektronik bei einem Kraftfahrzeug (KFZ). Eine solche Bordelektronik bzw. ein Bordcomputer ist in zunehmendem Maße bei den heutzutage auf den Markt kommenden Kraftfahrzeugen vorhanden.The evaluation unit 11 includes means known in the art with which, for example, a spectral evaluation of acoustic signals can take place. Also means for pattern comparison are suitable for this purpose. Furthermore, the unit includes 8th for battery monitoring the interface 12 to the other electronic means, in particular to the on-board electronics in a motor vehicle (motor vehicle). Such an on-board electronics or an on-board computer is increasingly available in the motor vehicles that are coming onto the market today.

Mit dem Mikrophon 9 der 3 werden in einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung insbesondere die Geräusche der Batterieflüssigkeit, welche bei einem mobilen Betrieb des Kraftfahrzeuges zwangsläufig entstehen, erfasst. Solche Geräusche werden auch als „Schwappgeräusche” bezeichnet, wobei zu deren Erfassung hinreichend genau arbeitende Mikrophone, insbesondere ein sog. MEM, und eine diesbezügliche Auswerteelektronik vorhanden sein müssen.With the microphone 9 of the 3 are in a non-inventive embodiment in particular the noise of the battery fluid, which inevitably arise in a mobile operation of the motor vehicle, detected. Such noises are also referred to as "sloshing noises", in which case sufficiently accurately operating microphones, in particular a so-called MEM, and a relevant evaluation electronics must be present for their detection.

In 5 ist eine Batterie entsprechend 3 dargestellt, bei der neben der Anschlussklemme 7 und einer Einheit 8 zum Batteriemonitoring zusätzlich ein Element 15 zur mechanischen Anregung des Hohlraumes vorhanden ist. Weiterhin ist aus 6, die im Wesentlichen 4 entspricht, wieder das Mikrophon 9 ersichtlich, wobei das mechanische Element 15 hier als Stößel 15 in einer Führung 16 dargestellt ist.In 5 is a battery accordingly 3 shown at the next to the terminal 7 and a unit 8 for battery monitoring additionally an element 15 is present for mechanical excitation of the cavity. Furthermore, it is off 6 that, in essence 4 corresponds, again the microphone 9 it can be seen, the mechanical element 15 here as a pestle 15 in a guided tour 16 is shown.

Wesentlich ist hier, dass eine mechanische Anregung des Batteriehohlraumes 1 durch den in der Führung 16 linear verschiebbar geführten Stößel 15 erfolgt. Damit wird gewissermaßen ein Klopfgeräusch zur akustischen Anregung des gesamten Systems erzeugt. Der sich im Batteriegehäuse 1 durch die mechanische Anregung des Hohlraumes fortpflanzende Körperschall ist von der Elektrolytfüllmenge abhängig.It is essential here that a mechanical excitation of the battery cavity 1 by the one in the leadership 16 linearly displaceable guided ram 15 he follows. This effectively produces a knocking sound for the acoustic excitation of the entire system. Located in the battery case 1 Structure-borne noise propagating through the mechanical excitation of the cavity depends on the electrolyte filling quantity.

Es lässt sich somit mit dem Mikrophon 9 ein Signal erzeugen, das den Elektrolytfüllstand in der Batterie aufzeigt. Dazu ist in 6 wiederum dem Mikrophon 9 eine Auswerteelektronik 11 nachgeschaltet und eine Schnittstelle zur Bordelektronik 12 vorhanden.It can thus be with the microphone 9 generate a signal indicating the electrolyte level in the battery. This is in 6 turn the microphone 9 an evaluation 11 downstream and an interface to the on-board electronics 12 available.

In 7 ist ein passives Impulsanregesystem 25 für eine anhand der vorhergehenden Figuren beschriebene Batterie dargestellt. In diesem Fall ist die Anschlussklemme 7 der 1 bis 6 mit 24 bezeichnet. Die Anschlussklemme 24 trägt einen Zylinder mit einer Anregekugel 26 und einer Kugelbahnführung 28. Im Zylinder ist ein Hindernis 27 vorhanden, das im Ruhezustand die Kugel in diesem Zustand hält.In 7 is a passive impulse activation system 25 for a battery described with reference to the preceding figures. In this case, the terminal is 7 of the 1 to 6 With 24 designated. The terminal 24 carries a cylinder with a picking ball 26 and a ball track guide 28 , In the cylinder is an obstacle 27 available holding the ball in this state at rest.

Das passive Impulsanregesystem 25 gemäß der 7 ermöglicht eine einfache Messung: Beim Beschleunigen des Kraftfahrzeuges und damit auch des Batteriegehäuses gelangt die Kugel 26 durch ihre Massenträgheit hinter das Hindernis 27 und verweilt dort im Ruhezustand. Beim Bremsen des Kraftfahrzeuges und damit Verzögerungsbewegung des Batteriegehäuses kann die Kugel 26 das Hindernis 27 überwinden. Diese Impulsanregung kann durch geeignete Messmittel erfasst werden.The passive impulse activation system 25 according to the 7 allows a simple measurement: When accelerating the motor vehicle and thus also the battery housing, the ball passes 26 by their inertia behind the obstacle 27 and stays there at rest. When braking the motor vehicle and thus deceleration movement of the battery case, the ball 26 the obstacle 27 overcome. This pulse excitation can be detected by suitable measuring means.

Wesentlich bei den vorstehend beschriebenen, unterschiedlichen Beispielen ist, dass jeweils solche Signale bzw. Daten geliefert werden, die mittels eines üblicherweise vorhandenen Prozessors ausgewertet werden können. Damit kann das beschriebene Batteriemonitoring in das System eines bereits vorhandenen Bordcomputers eingebunden werden, sofern ein solcher Computer System eine Option für das Batterie-Monitoring-System aufweist.It is essential in the different examples described above that in each case such signals or data are supplied, which can be evaluated by means of a processor usually present. Thus, the battery monitoring described can be integrated into the system of an existing on-board computer, if such a computer system has an option for the battery monitoring system.

Insgesamt ist vorteilhaft, dass nunmehr mit einfachsten Mitteln und somit kostengünstig die Funktionsfähigkeit von mit flüssigen Elektrolyten bestückten Batterien überwacht werden kann, ohne dass die Batterie visuell zugänglich sein müsste. Dies Verfahren eignet sich in besonderer Weise zur Überwachung einer KFZ-StarterbatterieOverall, it is advantageous that now with the simplest means and thus cost the functionality of batteries equipped with liquid electrolyte can be monitored without the battery would have to be visually accessible. This method is particularly suitable for monitoring a motor vehicle starter battery

Claims

Method for analyzing the electrolyte system of a battery, characterized in that the measured via a sensor acoustic and / or mechanical properties of the liquid-filled battery are used for determining the electrolyte level, wherein the battery is excited by a passive impulse excitation system.

A method according to claim 1, characterized in that for detecting the acoustic and / or mechanical properties of structure-borne noise is used.

A method according to claim 1, characterized in that for the detection of the acoustic and / or mechanical properties, the cavity resonance of the battery interior, which is dependent on the filling of the battery, is evaluated.

Method according to one of the preceding claims, characterized in the application in a mobile system, in particular road vehicle, rail vehicle.

A method according to claim 4, characterized in the application in a motor vehicle starter battery.

Device for carrying out the method according to claim 1 or one of claims 2 to 5, with an externally closed battery housing, characterized in that the device comprises the passive impulse- triggering system ( 25 ) for the excitation of the battery and an evaluation system ( 8th ) with a sensor ( 9 ) for detecting the frequency of the cavity resonance of the battery case ( 1 ) having.

Device according to claim 6, characterized in that the sensor ( 9 ) on the outside of the battery case ( 1 ), at the battery pole ( 4 . 4 ' ) or is arranged on the battery holder.

Device according to Claim 6 or 7, characterized in that the passive impulse-response system ( 25 ) a pendulum, a sphere ( 26 ) in railway structure or a specific storage of the battery with a mechanical stop includes.

Device according to claim 8, characterized in that the web structure is designed such that when accelerating storage energy stored and released during braking as an impulse.

Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that an acoustic coupling of energy takes place in the cavity above the cell through the terminal contact and the internal connection to the battery plates.

Device according to claim 10, characterized in that the excitation for single cell monitoring is selectively formed.

Device according to claim 10, characterized in that an evaluation device for a spectral analysis of the signals is present.

Device according to claim 12, characterized in that an evaluation device for a pattern comparison of the signals is present.

Device according to one of claims 11 to 12, characterized in that the evaluation unit is self-learning.

Device according to claim 14, characterized in that deviations of an aged battery to a new battery can be detected.

Device according to one of claims 13 to 15, characterized in that with the evaluation electrolyte of batteries can be seen.

Device according to one of claims 6 to 16, characterized in that an independent battery monitoring system is formed.