CH683209A5 - Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie. - Google Patents
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Description
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Beschreibung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederaufladba-ren Batterie nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Eine verbreitete Methode zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie ist die Messung der Batteriespannung unter einer definierten Last. In der EP-B-0 188 477 oder der DE-A 3 815 001 ist eine derartige Methode zur Bestimmung des Ladezustands beschrieben, bei der zur Verbesserung der Methode die Kenndaten beim Laden und Entladen einer Batterie erfasst und abgespeichert werden. Diese können dann als Referenzwerte bei späteren Lade- und Entladevorgängen dienen. Der Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, dass die Bestimmung des Ladezustands abhängig von der Batteriespannung erfolgt, die von Batterie zu Batterie bei gleichem Ladezustand grosse Unterschiede aufweisen kann. Insbesondere bei gasdichten NiCd-Batterien, die eine sehr flache Entladekennlinie aufweisen, sind diese bekannten Verfahren ungenau und kaum einsetzbar.
Aus der DE-A 3 823 038 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederauflad-baren Batterie nach der Gattung des Hauptanspruchs bekannt. Dort ist ein elektronischer Zähler zur Stromsimulation als Abwärtszähler geschaltet und zählt während des Betriebs eines Verbrauchers von einem Anfangszählerstand aus, auf den der Zähler bei voll geladener Batterie gesetzt wird, abwärts. Der Zählerstand ist dann jeweils ein Mass für den Ladezustand der Batterie.
Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, dass Teilladungen der Batterie nicht berücksichtigt werden können. Ebensowenig berücksichtigt werden kann ein gleichzeitiges Laden und Entladen der Batterie, so dass die bekannte Vorrichtung wenig variabel und für die meisten Anwendungen nicht einsetzbar ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemässe Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass zum einen der Ladezustand der Batterie unabhängig von der Batteriespannung erfolgt, so dass sich diese Vorrichtung insbesondere zur Bestimmung des Ladezustands von NiCd-Batterien eignet, und dass zum anderen auch Teilladungen des Ladegeräts berücksichtigt werden können, selbst wenn sie gleichzeitig mit einer Entladung stattfinden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Massnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Eine zweckmässige Realisierung der erfindungs-gemässen Vorrichtung besteht darin, dass wenigstens eine während der Entladung der Batterie in der einen Zählrichtung gezählte Entlade-Zählfre-quenz und eine während des Ladevorgangs in der anderen Zählrichtung gezählte Lade-Zählfrequenz vorgesehen ist. Hierdurch wird im wesentlichen nur ein einziger elektronischer Zähler zur Bestimmung des Ladezustands der Batterie benötigt.
Bei mehreren Verbrauchern ist jedem Verbraucher eine individuelle Entlade-Zählfrequenz zugeordnet, wobei sich die entsprechenden Zählimpulse bei mehreren gleichzeitig eingeschalteten Verbrauchern addieren. Dies kann beispielsweise auch dadurch erfolgen, dass beispielsweise zwei Verbraucher eine zusätzliche Entlade-Zählfrequenz zur Zählung in der Zählvorrichtung auslösen, deren Frequenz die Summe der individuell zugeordneten Entlade-Zähifrequenzen ist. Alternativ hierzu ist es selbstverständlich auch möglich, einen Strom-Fre-quenz-Wandler zur Erzeugung der Entlade-Zählfre-quenz vorzusehen. Eine individuelle Zuordnung von Verbrauchern zu Zählfrequenzen ist dann nicht mehr erforderlich.
Um die gleichzeitige Registrierung von Lade- und Entladevorgängen sicherzustellen, weist die Zählvorrichtung unabhängig voneinander arbeitende Zähleingänge für den Abwärts- und Aufwärtszähl-vorgang auf.
Anstelle des Zählens von Zählfrequenzen in einem Zähler kann auch ein Rechner vorgesehen sein, der der Entladung proportionale Zahlenwerte mit der Aufladung proportionalen Zahlenwerten nach Betrag und Richtung addiert. Hierbei dienen insbesondere interne Register eines Mikroprozessors als Zählvorrichtung. Da in einem solchen Rechner Taktfrequenzen ohnehin vorliegen, kann die Realisierung einer derartigen Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie mit einem handelsüblichen Mikrorechner realisiert werden, der lediglich ein speziell angepasstes Programm aufweist.
Zur Berücksichtigung der Selbstentladung der Batterie sind in vorteilhafter Weise Mittel zur Erzeugung einer fortlaufend gezählten Selbstentlade-Zählfrequenz oder zur Erzeugung von zyklisch den Zählerstand verändernden Selbstentlade-Zahlenwer-ten vorgesehen. Hierdurch werden die tatsächlichen Verhältnisse in einer aufladbaren Batterie noch exakter simuliert. Diese Exaktheit kann noch dadurch gesteigert werden, dass die Selbstentlade-Zählfrequenz oder die erzeugten Selbstentlade-Zahlenwerte temperaturabhängig sind, da die Selbstentladung der Batterie von ihrer Temperatur abhängt. Zur Realisierung kann hierzu ein von einem NTC-Wi-derstand gesteuerter Taktgenerator oder Zahlen-wertgenerator vorgesehen sein.
Um einen Über- oder Unterlauf des Zählers zu verhindern, die zu unrealistischen Ergebnissen führen würden, sind zwei Zählerstände als Grenzwerte für einen maximalen und einen minimalen Ladezustand der Batterie vorgesehen, wobei Mittel zur Verhinderung des Überschreitens des oberen und des Unterschreitens des unteren Zählerstands vorgesehen sind. Hierdurch erfolgt bei vollem Ladezustand oder im tiefstentladenen Zustand eine ständige Normierung der Vorrichtung.
Die beiden Zählerstände sind zweckmässigerweise der Zählerstand 0 und der maximale Zählerstand der Zählvorrichtung, wobei Zählimpulse oder zu addierende Zahlenwerte, die zu Werten ausserhalb
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der beiden Grenzwerte führen würden, als Rücksetz- und Setzsignale auf jeweils diese Zählerstände ausgebildet sind. Hierdurch kann auf einfache Weise ein Überschreiten der Grenzwerte verhindert werden.
Ein weiteres Mittel zur Korrektur des Zählerstandes bzw. zu seiner Normierung ist eine Spannungs-überwachungsvorrichtung für die Batterie, durch die bei Absinken der Batteriespannung unter einen vorgebbaren Wert die Zählvorrichtung auf den dem minimalen Zustand entsprechenden Zählerstand setzbar ist, vorzugsweise auf den Zählerstand 0.
Zur Wiedergabe des durch Zählersimulation ermittelten Ladezustands der Batterie sind zweckmässigerweise Mittel zur Erzeugung eines optischen und/oder akustischen Warnsignais bei Erreichen eines einen vorgebbaren niedrigen Ladezustand entsprechenden Zählerstands vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich können Mittel zur Wiedergabe des jeweiligen Zählerstands als Anzeigevorrichtung für den Ladezustand der Batterie vorgesehen sein. Hierdurch kann kontinuierlich der Ladezustand abgelesen werden.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäs-sen Vorrichtung mit einem elektronischen Zähler zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederauf-ladbaren Batterie als erstes Ausführungsbeispiel und
Fig. 2 eine ähnliche Vorrichtung mit einem Mikrorechner zur Bestimmung des Ladezustands als zweites Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist ein Ladegerät 10 mit einer auflad-baren Batterie 11 verbunden, die beispielsweise als NiCd-Batterieblock ausgebildet sein kann. Diese Batterie 11 versorgt zwei Verbraucher 12, 13 über zwei Schalter 14, 15. Bei dieser Anordnung kann es sich beispielsweise um einen batteriebetriebenen Handscheinwerfer oder ein batteriebetriebenes Elektrowerkzeug handeln. Die beiden Verbraucher 12, 13 sind bei einer derartigen Anwendung als Glühlampen unterschiedlicher Stärke und/oder als Elektromotoren ausgebildet, insbesondere als Elektromotoren mit unterschiedlichen Leistungsanschlüssen. In einer einfacheren Ausführung kann selbstverständlich auch nur ein einziger Verbraucher 12 bzw. 13 vorgesehen sein, oder es können noch weitere zusätzliche Verbraucher zugeschaltet werden.
Die Zählfrequenz eines während des Betriebs des Ladegeräts 10 eingeschalteten ersten Taktgenerators 16 ist einem Aufwärtszähleingang eines digitalen Zählers 17 zugeführt. Die Taktfrequenz eines zweiten Taktgenerators 18 ist einem separaten
Abwärtszähleingang des Zählers 17 zugeführt. Dieser zweite Taktgenerator 18 erzeugt als Grundtaktfrequenz eine von der Temperatur der Batterie 11 abhängige Selbstentlade-Zählfrequenz. Hierzu ist ein NTC-Widerstand 19 an der Batterie 11 oder im Bereich der Batterie 11 angeordnet und mit dem zweiten Taktgenerator 18 verbunden. Anstelle eines NTC-Widerstands 19 kann selbstverständlich prinzipiell auch ein anderes temperaturabhängiges Element treten. In Abhängigkeit des jeweiligen Widerstandswerts des NTC-Widerstands 19 wird die Selbstentlade-Zählfrequenz gesteuert. Darüber hinaus wird die Entlade-Zählfrequenz des zweiten Taktgenerators 18 noch vom Einschaltzustand der beiden Verbraucher 12, 13 beeinflusst. Während des Betriebs dieser Verbraucher 12, 13 werden jeweils zusätzliche Zählimpulse zur Erhöhung der Entlade-Zählfrequenz des zweiten Taktgenerators 18 erzeugt. Diese zusätzlichen Zählimpulse stellen eine feste Rate dar, die proportional dem jeweiligen Stromverbrauch dieser Verbraucher 12, 13 ist. Einschaltsteuersignale von diesen Verbrauchern an entsprechenden Eingängen des zweiten Taktgenerators 18 lösen diese zusätzlichen Zählimpulse aus.
Ein Zählerausgang des Zählers 17 ist mit einer Auswerteschaltung 20 verbunden, durch die der jeweilige Zählerstand in Form von Zahlenwerten auf einem Display 21 wiedergegeben wird. Die optische Wiedergabe kann selbstverständlich auch durch einen analogen Zeiger, durch ein Leuchtband od.dgl. erfolgen. Die jeweiligen Zählerstände werden beispielsweise durch Zahlen zwischen 0 und 100 wiedergegeben, um den prozentualen Ladezustand anzuzeigen. Darüber hinaus wird durch die Auswerteschaltung 20 auch noch eine Leuchte 22 angesteuert, z.B. eine Leuchtdiode. Wenn die Batterie bis zu einem bestimmten Grad entladen ist, wird diese Leuchte 22 angesteuert, um anzuzeigen, dass die Batterie einen kritischen niedrigen Ladezustand erreicht hat. Selbstverständlich ist auch ein inverser Betrieb der Leuchte 22 möglich, das heisst, sie wird dann eingeschaltet, wenn die Batterie noch einen guten bis befriedigenden Ladezustand aufweist. Eine Kombination von Leuchten ist ebenfalls möglich, wobei dann eine Leuchte einen ausreichenden Ladezustand und eine andere Leuchte einen unzureichenden Ladezustand wiedergibt.
Die Batteriespannung der Batterie 11 ist auch einer Spannungsüberwachungsschaltung 23 zugeführt. Sinkt die Spannung der Batterie 11 unter einen vorgebbaren niedrigen Wert ab, der einem kritischen niedrigen Ladezustand entspricht, so wird über einen Ausgang dieser Spannungsüberwachungsschaltung 23 der Zähler 17 auf den Wert 0 rückgesetzt, der dem entladenen Zustand der Batterie entspricht. Hierdurch kann eine Normierung des Zählerstands bei der Tiefentladung herbeigeführt werden.
Weiterhin ist eine Zahlenwert-Erkennungsstufe 24 mit dem Zählerausgang des Zählers 17 verbunden. Durch diese Zahlenwert-Erkennungsstufe 24 werden der Zahlenwert 0 und der maximale Zahlenwert erkannt. Entsprechend werden Ausgangssignale an den Ausgängen 0 und M erzeugt, durch die der
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Zähler 17 jeweils über den Rücksetzeingang R rückgesetzt bzw. über den Setzeingang S auf den maximalen Zählerstand gesetzt wird. Hierdurch wird verhindert, dass der minimale Zählerstand 0 unterschritten bzw. der maximale Zählerstand M überschritten wird. Auch hierdurch erfolgt eine Korrektur bzw. Normierung des Zählerstands beim Erreichen des maximalen Ladezustands bzw. des minimalen Ladezustands.
Durch die beschriebene Vorrichtung wird der Lade- und Entladevorgang der Batterie 11 mittels des Zählers 17 simuliert. Der Zählerstand ist dabei jeweils ein Mass für den Ladezustand der Batterie 11. Während des Ladevorgangs ist der erste Taktgenerator 16 eingeschaltet und zählt eine dem Ladestrom entsprechende Taktfrequenz aufwärts, während beim Einschalten der Verbraucher 12, 13 eine dem Entladestrom entsprechende Frequenz abwärtsgezählt wird. Auch wenn kein Verbraucher eingeschaltet ist, wird ständig eine Selbstentlade-Zählfrequenz abwärtsgezählt, die der Selbstentladung der Batterie entspricht. Diese Selbstentlade-Zählfrequenz ist - wie die Selbstentladung der Batterie - von der Temperatur abhängig. Bei gleichzeitig ablaufendem Lade- und Entladevorgang werden entsprechend über die beiden unabhängigen Zähleingänge Zählimpulse aufwärts- und abwärtsgezählt.
Es ist selbstverständlich auch möglich, in umgekehrter Weise bei der Entladung aufwärts- und bei der Aufladung abwärtszuzählen. In diesem Falle entspricht ein niedriger Zählerstand einem hohen Ladezustand und umgekehrt.
In einer einfacheren Version der beschriebenen Vorrichtung kann die Zahlenwert-Erkennungsstufe 24 und/oder die Spannungsüberwachungsschal-tung 23 auch entfallen, wenn man auf eine Korrektur bzw. Normierung der Zählerstände verzichten will. Anstelle einer Zahlenwert-Erkennungsstufe 24 kann auch eine entsprechende Beschaltung des Zählers 17 selbst erfolgen, wenn entsprechende Überlaufausgänge vorgesehen sind, die dann direkt mit den Setz- bzw. Rücksetzeingängen verbunden werden können.
Die Taktgeneratoren 16, 18 können auch im Ladegerät 10 bzw. in den Verbrauchern integriert sein. Die verschiedenen erforderlichen Taktfrequenzen können durch Frequenzteilung aus einer Grundtaktfrequenz gewonnen werden, wobei die Steuersignale vom Ladegerät 10 und von den Verbrauchern 12, 13 auf Steuereingänge zur Beeinflussung des Teilerverhältnisses einwirken können.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zähler 17 durch interne Register eines Mikrocomputers 25 ersetzt. Im übrigen sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile und Baugruppen wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben.
Zur Erfassung des Entladestroms der Batterie 11 ist ein Strom-Frequenz-Wandler 26 in den gemeinsamen Entladekreis der Batterie 11 geschaltet. Er führt dem Mikrocomputer 25 eine vom Entladestrom proportionale Frequenz zu. Anstelle eines Strom-Frequenz-Wandlers kann prinzipiell auch ein Strom-Spannungs-Wandler treten, dessen erzeugte Ausgangsspannung erst im Mikrocomputer 25 in eine Abwärtszählfrequenz bzw. in Zahlenwerte umgewandelt wird, durch die der interne Zählerstand zur Simulation des Ladezustands der Batterie vermindert wird. Die Erfassung des Entladestroms kann selbstverständlich auch hier gemäss Fig. 1 erfolgen, wobei auch in Fig. 1 die Erfassung des Entladestroms wie beim zweiten Ausführungsbeispiel erfolgen kann.
Im Mikrocomputer 25 werden die Zählerstände von internen Registern beim Laden der Batterie entsprechend dem Ladestrom erhöht bzw. bei der Entladung entsprechend verringert. Dies kann gemäss Fig. 1 durch Taktfrequenzen erfolgen, es ist jedoch auch möglich, periodisch durch das Programm des Mikrorechners 25 Zahlenwerte zu ermitteln, die dem Lade- bzw. Entladestrom über eine gewisse Zeitperiode entsprechen. Diese Zahlenwerte werden dann dem Registerstand zuaddiert bzw. von diesem abgezogen. Die so erhaltenen Registerstände können dann wiederum über die Auswerteschaltung 20 wiedergegeben werden. In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann eine als Leuchtdiode 22 auch direkt von einem entsprechenden Steuerausgang des Mikrorechners 25 ein- und ausgeschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich sind auch akustische Warnvorrichtungen möglich.
Entsprechende Mittel zur Simulation der Selbstentladung der Batterie sind selbstverständlich ebenfalls im Mikrorechner 25 enthalten, um dort die Registerstände kontinuierlich bzw. stufenweise zu verringern. Eine Abhängigkeit von der Batterietemperatur kann ebenfalls gemäss Fig. 1 vorgesehen werden. Auch eine Spannungsüberwachung kann analog zum ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein. Ein Überschreiten des höchsten und ein Unterschreiten des niedrigsten Registerstandes kann durch geeignete Programmierung des Mikrorechners 25 verhindert werden. Falls die Steuersignale vom Ladegerät 10 und von einem Strom-Span-nungs-Wandler (anstelle eines Strom-Frequenz-Wandlers 26) nur als Spannungssignale vorliegen, werden im Mikrorechner 25 in Abhängigkeit der Dauer dieser Spannungssignale Zahlenwerte zur entsprechenden Veränderung des Registerstands gebildet. Alternativ hierzu können auch während der Dauer dieser Spannungssignale direkt interne Taktsignale in den Registern aufsummiert bzw. subtrahiert werden.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie, mit einer elektronischen Zählvorrichtung, deren diesen Ladezustand wiedergebender Zählerstand beim Betrieb eines an die Batterie angeschlossenen Verbrauchers proportional in einer ersten Richtung veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (16; 25) zur proportionalen Veränderung dieses Zählerstands in der entgegengesetzten Richtung beim Aufladen der Batterie (11) vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine während der
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Entladung der Batterie (11) in der einen Zählrichtung gezählte Entlade-Zählfrequenz und eine während des Ladevorgangs in der anderen Zählrichtung gezählte Lade-Zählfrequenz vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Verbrauchern (12, 13) jedem Verbraucher eine individuelle Entlade-Zählfrequenz zugeordnet ist, wobei sich die entsprechenden Zählimpulse bei mehreren gleichzeitig eingeschalteten Verbrauchern (12, 13) addieren.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom-Frequenz-Wandler (26) oder ein Strom-Spannungs-Wandler zur Erzeugung der Entlade-Zählfrequenz vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zählvorrichtung (17; 25) unabhängig voneinander arbeitende Zähleingänge für den Abwärts- und Aufwärts-zählvorgang aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Entladung proportionale Zahlenwerte und der Aufladung proportionale Zahlenwerte berechnender und diese Zahlenwerte dem Zählerstand nach Betrag und Richtung zuaddierender Rechner (25) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass interne Register des Rechners (25) als Zählvorrichtung vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berücksichtigung der Selbstentladung der Batterie (11) Mittel zur Erzeugung einer fortlaufend gezählten Selbstentlade-Zählfrequenz oder zur Erzeugung von zyklisch den Zählerstand verändernden Selbstentlade-Zahlenwerten vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstentlade-Zählfrequenz oder die gebildeten Selbstentlade-Zahlenwerte temperaturabhängig sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem NTC-Widerstand (19) gesteuerter Taktgenerator (18) oder Zahlen-wertgenerator vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zählerstände als Grenzwerte für einen maximalen und einen minimalen Ladezustand der Batterie vorgesehen sind, und dass Mittel (24) zur Verhinderung des Überschreitens des oberen und des Unterschreitens des unteren Zählerstands vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zählerstände der Zählerstand 0 und der maximale Zählerstand der Zählvorrichtung (17; 25) sind, und dass Zählimpulse oder zu addierende Zahlenwerte, die zu Werten ausserhalb der beiden Grenzwerte führen würden, als Rücksetz- und Setzsignale auf jeweils diese Zählerstände ausgebildet sind.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Zählerstand der Zählvorrichtung (17; 25) dem vollständig geladenen Zustand der Batterie (11) entspricht.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsüberwachungsvorrichtung (23) für die Batterie (11) vorgesehen ist, durch die beim Absinken der Batteriespannung unter einen vorgebbaren Wert die Zählvorrichtung (17) auf den dem minimalen Ladezustand entsprechenden Zählerstand setzbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (22) zur Erzeugung eines optischen und/oder akustischen Warnsignals bei Erreichen eines einem vorgebbaren niedrigen Ladezustand entsprechenden Zählerstands vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (21) zur Wiedergabe des jeweiligen Zählerstands als Anzeigevorrichtung für den Ladezustand der Batterie (11) vorgesehen sind.
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