DE102012025715B3 - Device for determining the state of charge of an accumulator filled with an electrolyte - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladungszustandes einer mit Elektrolyt gefüllten Batterie 1. Die Vorrichtung umfasst mindestens einen Behälter 6, der für den Einbau in die Batterie 1 ausgebildet ist, und der einen Innenraum festlegt und eine Öffnung aufweist, durch die der Elektrolyt der Batterie 1 in den Innenraum des Behälters 6 einfließen kann, einen Körper 7, der in dem Innenraum des Behälters 6 beweglich angeordnet ist, eine Ermittlungseinheit 5, die zur Ermittlung einer Lage des Körpers 7 in dem Behälter 6 und zur Ausgabe eines Ausgangssignals, dessen Intensität von der Lage des Körpers abhängt, eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit 8, die zum Empfang des Ausgangssignals der Ermittlungseinheit 5 und zur Bestimmung einer Dichte des Elektrolyts in Abhängigkeit von der Intensität des Ausgangssignals und folglich zur Bestimmung des Ladungszustandes der Batterie 1 eingerichtet ist, wobei die Dichte des Körpers 7 so ausgewählt ist, dass die Abmessung desjenigen Teilabschnitts des Körpers 7, der über die Oberfläche des Elektrolyts hinausragt, proportional zur Dichte des Elektrolyts und somit zum Ladungszustand des Akkumulators (1) ist.The present invention relates to a device for determining a state of charge of a battery 1 filled with electrolyte. The device comprises at least one container 6 which is designed for installation in the battery 1 and which defines an interior space and has an opening through which the electrolyte of the battery 1 can flow into the interior of the container 6, a body 7, which is movably arranged in the interior of the container 6, a determination unit 5, which is used to determine a position of the body 7 in the container 6 and to output an output signal whose intensity depends on the position of the body, and an evaluation unit 8, which is set up to receive the output signal of the determination unit 5 and to determine a density of the electrolyte as a function of the intensity of the output signal and consequently to determine the state of charge of the battery 1, wherein the density of the body 7 is selected so that the Dimension of that section of the body 7, which protrudes beyond the surface of the electrolyte, is proportional to the density of the electrolyte and thus to the state of charge of the battery (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladungszustandes eines mit einem Elektrolyt gefüllten Akkumulators.The present invention relates to a device for determining the state of charge of a rechargeable battery filled with an electrolyte.

Vorrichtungen zur Bestimmung des Ladungszustands eines mit Elektrolyt gefüllten Akkumulators sind aus der DE 39 15 475 A1 , der US 4,203,065 A und der FR 2 484 714 A1 bekannt.Devices for determining the state of charge of a battery filled with electrolyte are from DE 39 15 475 A1 , the US 4,203,065A and the FR 2 484 714 A1 famous.

Ein Bleiakkumulator umfasst gewöhnlich zwei in einem Gehäuse untergebrachte Bleiplatten, die als positive bzw. negative Elektrode dienen, und einen Elektrolyt, in dem gewöhnlich Schwefelsäure enthalten ist. Im entladenen Zustand lagert sich an der positiven und an der negativen Elektrode eine Schicht aus Blei(II)-sulfat (PbSO4) an, während im aufgeladenen Zustand die positive Elektrode aus Blei(IV)-oxid (PbO2), und die negative Elektrode aus fein verteiltem, porösem Blei bzw. Bleischlamm besteht.A lead-acid storage battery usually comprises two lead plates housed in a case, which serve as positive and negative electrodes, respectively, and an electrolyte, which usually contains sulfuric acid. In the discharged state, a layer of lead(II) sulfate (PbSO4) accumulates on the positive and negative electrodes, while in the charged state, the positive electrode is made of lead(IV) oxide (PbO 2 ), and the negative electrode consists of finely distributed, porous lead or lead sludge.

Aufgrund der Anlagerung von Schwefel an der negativen Elektrode im (teilweise) entladenen Zustand wird der Schwefelsäure Schwefel entzogen, wodurch sich die Dichte des Elektrolyts ändert. Daher kann anhand einer Dichtemessung des Elektrolyts auf den Ladungszustand des Bleiakkumulators geschlossen werden.Due to the accumulation of sulfur on the negative electrode in the (partially) discharged state, sulfur is extracted from the sulfuric acid, which changes the density of the electrolyte. A density measurement of the electrolyte can therefore be used to draw conclusions about the state of charge of the lead-acid battery.

Eine bekannte Anordnung zur Bestimmung der Dichte des Elektrolyts besteht beispielsweise aus einer Pipette, in der mehrere Kugeln unterschiedlicher Dichte, oder ein einzelner Schwimmkörper vorgesehen sind, und mit der das Elektrolyt aus dem Bleiakkumulator entnommen werden kann.A known arrangement for determining the density of the electrolyte consists, for example, of a pipette in which several balls of different densities or a single floating body are provided, and with which the electrolyte can be removed from the lead-acid battery.

Bei der Ausführungsform mit mehreren Kugeln, die beispielsweise jeweils eine Dichte von 1,26 g/cm3, 1,22 g/cm3, 1,19 g/cm3, 1,16 g/cm3 bzw. 1,12 g/cm3 aufweisen, lässt sich anhand der Anzahl der Kugeln, die in dem innerhalb der Pipette aufgenommenen Elektrolyten aufgrund ihres Auftriebs schwimmen, ein Bereich ermitteln, in dem die Dichte des Elektrolyts liegt. In einem Fall, in dem alle Kugeln schwimmen, ist die Dichte des Elektrolyts größer als 1,26 g/cm3, woraus geschlossen werden kann, dass der Bleiakkumulator voll geladen ist. Schwimmen hingegen beispielsweise nur zwei der Kugeln, so liegt die Dichte des Elektrolyts im Bereich zwischen 1,19 g/cm3 und 1,22 g/cm3, woraus geschlossen werden kann, dass der Bleiakkumulator halb entladen ist.In the embodiment with multiple balls, for example each having a density of 1.26 g/cm 3 , 1.22 g/cm 3 , 1.19 g/cm 3 , 1.16 g/cm 3 and 1.12 g /cm 3 , a range in which the density of the electrolyte lies can be determined on the basis of the number of balls that swim in the electrolyte contained within the pipette due to their buoyancy. In a case where all the balls are floating, the density of the electrolyte is greater than 1.26 g/cm 3 , from which it can be concluded that the lead-acid battery is fully charged. If, on the other hand, only two of the balls float, the density of the electrolyte is in the range between 1.19 g/cm 3 and 1.22 g/cm 3 , from which it can be concluded that the lead-acid battery is half-discharged.

Bei der Ausführungsform mit dem Schwimmkörper ragt in Abhängigkeit von der Dichte des Elektrolyts ein bestimmter Abschnitt des Schwimmkörpers über die Oberfläche des Elektrolyts hinaus. Anhand einer auf dem Schwimmkörper vorgesehenen Skala kann damit die Dichte des Elektrolyts abgelesen werden.In the embodiment with the floating body, depending on the density of the electrolyte, a specific section of the floating body projects beyond the surface of the electrolyte. The density of the electrolyte can be read using a scale provided on the float.

Nachteilig an den bekannten Anordnungen zur Bestimmung der Dichte des Elektrolyts ist, dass zur Ladungszustandsbestimmung Elektrolyt aus dem Akkumulator entnommen werden muss und dadurch der Benutzer gegebenenfalls in Kontakt mit der Schwefelsäure kommt, was zu Verätzungen der Augen oder der Haut des Benutzers führen kann.A disadvantage of the known arrangements for determining the density of the electrolyte is that electrolyte has to be removed from the accumulator to determine the state of charge, which means that the user may come into contact with the sulfuric acid, which can cause burns to the user's eyes or skin.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladungszustandes eines Akkumulators bereitzustellen, bei der eine gesundheitliche Gefährdung des Benutzers weitestgehend ausgeschlossen ist.It is therefore an object of the present invention to provide a device for determining the state of charge of an accumulator, in which a health hazard to the user is largely ruled out.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladungszustands eines mit einem Elektrolyt gefüllten Akkumulators, die mindestens einen Behälter, der für den Einbau in den Akkumulator ausgebildet ist, und der einen Innenraum festlegt und eine Öffnung aufweist, durch die der Elektrolyt des Akkumulators in den Innenraum des Behälters einfließen kann, mindestens einen Körper, der in dem Innenraum des Behälters beweglich angeordnet ist, eine Ermittlungseinheit, die zur Ermittlung einer Lage des Körpers in dem Behälter und zur Ausgabe eines Ausgangssignals, dessen Intensität von der Lage des Körpers abhängt, eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit, die zum Empfang des Ausgangssignals der Ermittlungseinheit und zur Bestimmung einer Dichte des Elektrolyts in Abhängigkeit von der Intensität des Ausgangssignals und folglich zur Bestimmung des Ladungszustandes des Akkumulators eingerichtet ist, umfasst.This object is achieved by a device for determining the state of charge of a rechargeable battery filled with an electrolyte, which has at least one container which is designed for installation in the rechargeable battery and which defines an interior space and has an opening through which the electrolyte of the rechargeable battery can flow into can flow into the interior of the container, at least one body that is movably arranged in the interior of the container, a determination unit that is set up to determine a position of the body in the container and to output an output signal, the intensity of which depends on the position of the body and an evaluation unit which is set up to receive the output signal of the determination unit and to determine a density of the electrolyte as a function of the intensity of the output signal and consequently to determine the state of charge of the accumulator.

Dadurch, dass der Behälter für den Einbau in den Akkumulator (Batterie) ausgebildet ist und der Ladungszustand des Akkumulators von der Ermittlungseinheit automatisch ermittelt wird, kommt der Benutzer nicht in Kontakt mit dem gesundheitsschädlichen Elektrolyt, wodurch eine Verletzungsgefahr des Benutzers weitestgehend ausgeschlossen ist. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Ladungszustand als Identifikationsmerkmal des Akkumulators bzw. als Merkmal, dass es sich bei dem Akkumulator um ein Originalprodukt eines bestimmten Herstellers handelt, zu benutzen. So kann ein Kraftfahrzeughersteller sicherstellen, dass in seine Fahrzeuge nur Akkumulatoren eingebaut werden, deren Ladungszustand einem vorbestimmten Wert entspricht.Because the container is designed for installation in the accumulator (battery) and the state of charge of the accumulator is automatically determined by the determination unit, the user does not come into contact with the harmful electrolyte, which means that the risk of injury to the user is largely ruled out. In addition, there is the possibility of using the state of charge as an identification feature of the battery or as a feature that the battery is an original product from a specific manufacturer. In this way, a motor vehicle manufacturer can ensure that only accumulators whose state of charge corresponds to a predetermined value are installed in their vehicles.

Des Weiteren ermöglicht eine solche Vorrichtung, den tatsächlichen Ladungszustand genau und zu jeder Zeit ermitteln zu können, was insbesondere für Kraftfahrzeuge mit einer Start-Stopp Automatik von Vorteil ist, da bei niedrigen Außentemperaturen, bei denen die Start-Stopp Automatik gewöhnlich deaktiviert ist, der Betrieb der Start-Stopp Automatik vom tatsächlichen Ladungszustand des Akkumulators abhängig gemacht werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich sozusagen um ein Batteriemanagementsystem, dessen Ausgangssignale in das Motorenmanagementsystem des Kraftfahrzeuges eingespeist werden können, wo sie zur Steuerung bzw. Regelung weiterer das Bordnetz des Kraftfahrzeuges belastender Fahrzeugkomponenten (Start-Stopp Automatik, Klimaanlage etc.) verwendet werden können.Furthermore, such a device makes it possible to determine the actual state of charge precisely and at any time, which is particularly advantageous for motor vehicles with a start-stop system, since at low outside temperatures, where the automatic start-stop is usually deactivated, the operation of the automatic start-stop can be made dependent on the actual state of charge of the accumulator. The device according to the invention is, so to speak, a battery management system whose output signals can be fed into the engine management system of the motor vehicle, where they can be used to control or regulate other vehicle components (automatic start-stop system, air conditioning system, etc.) that load the on-board network of the motor vehicle .

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Behälter eine Längsachse auf, wobei die Ermittlungseinheit zur Bestimmung der Lage des Körpers in Bezug auf die Längsachse des Behälters eingerichtet ist.According to a preferred embodiment of the invention, the container has a longitudinal axis, with the determination unit being set up to determine the position of the body in relation to the longitudinal axis of the container.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Ladungszustand in jeder Zelle des Akkumulators zu bestimmen.The evaluation unit is preferably set up to determine the state of charge in each cell of the accumulator.

Weiterhin bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zur Messung einer Temperatur des Elektrolyts auf, wobei die Auswerteeinheit ferner dazu eingerichtet ist, den Ladungszustand in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur zu korrigieren.Furthermore, the device preferably comprises a device for measuring a temperature of the electrolyte, the evaluation unit also being set up to correct the state of charge as a function of the measured temperature.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von Körpern in dem Innenraum des Behälters angeordnet, die jeweils eine unterschiedliche Dichte aufweisen.According to a further preferred embodiment of the invention, a multiplicity of bodies are arranged in the interior of the container, each of which has a different density.

Die Ermittlungseinheit umfasst mindestens eine elektrische Spule, in die zumindest ein Abschnitt des Behälters eingesetzt ist, und der im Innenraum des Behälters angeordnete Körper aus einem ferromagnetischen Material hergestellt ist, und das Ausgangssignal in Abhängigkeit von einer Änderung der Induktivität der Spule variiert.The detecting unit includes at least one electric coil in which at least a portion of the container is inserted, and the body disposed inside the container is made of a ferromagnetic material, and the output signal varies depending on a change in inductance of the coil.

Die Auswerteeinheit weist einen Speicher auf, in dem eine Korrelationstabelle zur Korrelation unterschiedlicher Stromwerte mit unterschiedlichen Dichten des Elektrolyts und unterschiedlichen Ladungszuständen des Akkumulators gespeichert ist.The evaluation unit has a memory in which a correlation table for correlating different current values with different densities of the electrolyte and different states of charge of the accumulator is stored.

Gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist die Ermittlungseinheit eine lichtemittierende und eine lichtdetektierende Einrichtung auf, die an einer Außenseite des Behälters angeordnet sind, wobei das Ausgangssignal in Abhängigkeit von der Intensität des detektierten Lichts und/oder in Abhängigkeit von einem Verhältnis zwischen emittierter und detektierter Lichtintensität variiert.According to an embodiment not according to the invention, the determination unit has a light-emitting device and a light-detecting device, which are arranged on the outside of the container, the output signal varying depending on the intensity of the detected light and/or depending on a ratio between the emitted and detected light intensity .

Nach einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung weist die Auswerteeinheit einen Speicher auf, in dem eine Korrelationstabelle zur Korrelation unterschiedlicher detektierter Lichtintensitäten und/oder unterschiedlicher Verhältnisse zwischen emittierter und detektierter Lichtintensitäten mit unterschiedlichen Dichten des Elektrolyts und unterschiedlichen Ladungszuständen des Akkumulators gespeichert ist.According to one embodiment of the invention, the evaluation unit has a memory in which a correlation table for correlating different detected light intensities and/or different ratios between emitted and detected light intensities with different densities of the electrolyte and different charge states of the accumulator is stored.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung des Weiteren eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen des Ladungszustands des Akkumulators.Preferably, the device also includes a display device for displaying the state of charge of the accumulator.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Akkumulator, der eine voranstehend beschriebene Vorrichtung umfasst.According to a further aspect, the invention relates to an accumulator which comprises a device as described above.

Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung durch einen Akkumulator gelöst, der eine voranstehend beschriebene Vorrichtung umfasst.Furthermore, the object of the invention is achieved by an accumulator which comprises a device as described above.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Akkumulator mindestens einen länglichen elektrischen Pol, der ein im Innern des Akkumulators angeordnetes Ende und ein außerhalb des Akkumulators angeordnetes Ende aufweist, die jeweils elektrisch mit der Auswerteeinheit verbunden sind, wobei der im Betrieb des Akkumulators über die Längsachse des Pols auftretende Spannungsabfall als Maß für den Ladungszustand des Akkumulators verwendet wird. Ist beispielsweise der Ladungszustand der Batterie so gering oder gar nicht ausreichend, um im Winterbetrieb ein Kraftfahrzeug starten zu können, kann dies von der Auswerteeinheit erkannt und an das Motorenmanagement des Kraftfahrzeuges weitergeleitet werden. Dadurch kann der Kraftfahrzeugführer rechtzeitig über eine drohende, zu geringe Ladespannung der Batterie informiert werden.According to a preferred embodiment, the accumulator comprises at least one elongate electrical pole, which has an end arranged inside the accumulator and an end arranged outside the accumulator, which are each electrically connected to the evaluation unit occurring voltage drop is used as a measure of the state of charge of the battery. If, for example, the state of charge of the battery is so low or not at all sufficient to be able to start a motor vehicle in winter operation, this can be recognized by the evaluation unit and forwarded to the engine management system of the motor vehicle. As a result, the motor vehicle driver can be informed in good time about an impending charging voltage of the battery that is too low.

Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnungen eine Ausführungsform der Erfindung näher beschrieben. Darin zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung aus einer Starterbatterie und einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
  • 2 eine Ansicht einer Ermittlungseinheit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
An embodiment of the invention is described in more detail below with reference to the associated drawings. Show in it:
  • 1 a schematic view of an arrangement of a starter battery and a device according to an embodiment of the invention, and
  • 2 a view of a determination unit of the device according to the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung aus einer Starterbatterie und einer Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladungszustands eines mit einem Elektrolyt gefüllten Akkumulators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. 1 shows a schematic representation of an arrangement of a starter battery and a device for determining a state of charge of an accumulator filled with an electrolyte according to an embodiment of the invention.

Die in 1 dargestellte Batterie 1 umfasst sechs Bleiakkumulatorzellen 2-1, ..., 2-6, die jeweils eine Nennspannung von etwa 2 Volt aufweisen und mit Elektrolyt, der Schwefelsäure enthält, gefüllt sind.In the 1 Battery 1 shown comprises six lead-acid storage cells 2-1, ..., 2-6, each have a nominal voltage of about 2 volts and are filled with electrolyte containing sulfuric acid.

Die einzelnen Bleiakkumulatorzellen 2-1, ..., 2-6 können in Reihe geschaltet sein, so dass sich insgesamt eine Nennspannung der Batterie von 12 Volt ergibt. In der Batterie 1 sind Bleiplatten 3-1, ..., 3-5 vorgesehen, die sich jeweils über zwei einander angrenzende Bleiakkumulatorzellen 2-1, ..., 2-6 erstrecken. Des Weiteren sind zwei Pole 4-1, 4-2 vorgesehen, an welche die Pole des Bordnetzes eines Kraftfahrzeugs angeschlossen werden können.The individual lead-acid battery cells 2-1, . Lead plates 3-1, ..., 3-5 are provided in the battery 1, each of which extends over two adjacent lead-acid battery cells 2-1, ..., 2-6. Furthermore, two poles 4-1, 4-2 are provided, to which the poles of the electrical system of a motor vehicle can be connected.

Die Vorrichtung umfasst eine innerhalb einer Zelle 2-1, ..., 2-6 der Batterie 1 vorgesehene Ermittlungseinheit 5, welche ein Signal ausgibt, das in Abhängigkeit von der Dichte des Elektrolyts variiert, sowie eine mit der Ermittlungseinheit 5 elektrisch verbundene Auswerteeinheit 8, die beispielsweise an die Pole 4-1, 4-2 der Batterie 1 angeschlossen wird und die das von der Ermittlungseinheit 5 ausgesendete Signal empfängt und basierend auf dem empfangenen Signal die Dichte des Elektrolyts oder zumindest einen Bereich, in dem die Elektrolytdichte liegen kann bzw. sollte, ermittelt.The device comprises a determination unit 5 provided within a cell 2-1, ..., 2-6 of the battery 1, which outputs a signal which varies depending on the density of the electrolyte, and an evaluation unit 8 which is electrically connected to the determination unit 5 , which is connected, for example, to the poles 4-1, 4-2 of the battery 1 and which receives the signal sent out by the determination unit 5 and, based on the signal received, calculates the density of the electrolyte or at least a range in which the electrolyte density can lie or .should,determined.

In 1 ist lediglich eine Ermittlungseinheit 5 dargestellt, jedoch können auch in jeder der einzelnen Bleiakkumulatorzellen 2-1, ..., 2-6 Ermittlungseinheiten 5 vorgesehen sein, die an die Auswerteeinheit 8 angeschlossen sind, um den Ladungszustand jeder einzelnen Bleiakkumulatorzelle 2-1, ..., 2-6 separat, d.h. zellabhängig (ortsabhängig) zu ermitteln.In 1 only one determination unit 5 is shown, but determination units 5 can also be provided in each of the individual lead-acid battery cells 2-1, . . . .., 2-6 to be determined separately, ie cell-dependent (location-dependent).

Des Weiteren kann in einer der Bleiakkumulatorzellen 2-1, ..., 2-6 oder in jeder Bleiakkumulatorzelle 2-1, ..., 2-6 ein nicht gezeigter Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Elektrolyts vorgesehen sein, der ebenfalls an die Auswerteeinheit 8 angeschlossen ist und in Abhängigkeit von der Temperatur ein variierendes Signal an die Auswerteeinheit 8 liefert. Das von dem Temperatursensor gelieferte Signal kann insbesondere dazu verwendet werden, einen basierend auf der Dichte des Elektrolyts ermittelten Ladungszustand der Batterie 1 zu korrigieren, da die Dichte des Elektrolyts von der Temperatur abhängig ist.Furthermore, in one of the lead-acid battery cells 2-1, ..., 2-6 or in each lead-acid battery cell 2-1, ..., 2-6, a temperature sensor, not shown, for measuring the temperature of the electrolyte can be provided, which is also connected to the Evaluation unit 8 is connected and supplies a varying signal to the evaluation unit 8 depending on the temperature. The signal supplied by the temperature sensor can be used in particular to correct a state of charge of the battery 1 determined based on the density of the electrolyte, since the density of the electrolyte is dependent on the temperature.

Der Pol 4-2 ist in 1 durch zwei konzentrische Ringe angedeutet. Der äußere Ring ist dabei mit einem innerhalb der Batterie befindlichen Ende des Pols 4-2 elektrisch verbunden, während der innere Ring auf das sich außerhalb der Batterie befindliche Ende des Pols 4-2 hinweist. Aufgrund des Widerstandes des meist aus Blei hergestellten, stiftförmigen Pols 4-2 tritt beim Stromdurchfluss ein Spannungsabfall entlang der Längsachse des Pols 4-2 auf. Dieser Spannungsabfall kann mittels der ebenso in 1 eingezeichneten Leitungen in die Auswerteeinheit 8 eingespeist werden. Er dient ebenso als Maß für den Ladungszustand der Batterie. Ist beispielsweise der Ladungszustand der Batterie zu gering oder mitunter nicht ausreichend, um im Winterbetrieb ein Kraftfahrzeug zu starten, kann dies von der Auswerteeinheit 8 erkannt und an das Motorenmanagement des Kraftfahrzeuges weitergeleitet werden. Dadurch kann der Kraftfahrzeugführer rechtzeitig über eine drohende, zu geringe Ladespannung der Batterie informiert werden. Dies gibt dem Kraftfahrzeugführer die Möglichkeit, rechtzeitig vor dem Ausfall der Batterie Abhilfe zu schaffen.The pole 4-2 is in 1 indicated by two concentric rings. The outer ring is electrically connected to an end of pole 4-2 located inside the battery, while the inner ring points to the end of pole 4-2 located outside of the battery. Due to the resistance of the pin-shaped pole 4-2, which is usually made of lead, a voltage drop occurs along the longitudinal axis of the pole 4-2 when the current flows through. This voltage drop can be compensated by means of the also in 1 drawn lines are fed into the evaluation unit 8. It also serves as a measure of the state of charge of the battery. If, for example, the state of charge of the battery is too low or sometimes not sufficient to start a motor vehicle in winter operation, this can be recognized by the evaluation unit 8 and forwarded to the engine management system of the motor vehicle. As a result, the motor vehicle driver can be informed in good time about an impending charging voltage of the battery that is too low. This gives the motor vehicle driver the opportunity to take remedial action in good time before the battery fails.

Mit Bezug auf 2 ist zur Bestimmung der Dichte des Elektrolyts ein länglicher Behälter oder ein längliches Rohr 6 vorgesehen, das in der Bleiakkumulatorzelle 2-1 derart angeordnet ist, dass eine Längsachse des Rohrs 6 im Wesentlichen senkrecht zum Boden der Batterie 1, d.h. in vertikaler Richtung verläuft. Das Rohr 6 weist nicht gezeigte Öffnungen auf. Durch diese Öffnungen kann das Elektrolyt in den Innenraum des Rohrs 6 einströmen. Wenn in jeder der Bleiakkumulatorzellen 2-1, ..., 2-6 eine Ermittlungseinheit 5 angeordnet ist, so sind auch in jeder der anderen Bleiakkumulatorzellen 2-2, ..., 2-6 entsprechende Rohre 6 angeordnet.Regarding 2 For example, an elongate container or tube 6 is provided for determining the density of the electrolyte, which is arranged in the lead-acid battery cell 2-1 such that a longitudinal axis of the tube 6 runs substantially perpendicularly to the bottom of the battery 1, ie in the vertical direction. The tube 6 has openings, not shown. The electrolyte can flow into the interior of the tube 6 through these openings. If a detection unit 5 is arranged in each of the lead-acid battery cells 2-1, ..., 2-6, corresponding tubes 6 are also arranged in each of the other lead-acid battery cells 2-2, ..., 2-6.

Wie in 2 veranschaulicht ist, sind im Innenraum des Rohrs 6 mehrere Körper oder Kugeln 7 angeordnet, die jeweils eine unterschiedliche spezifische Dichte aufweisen. Dabei sind beim bestimmungsgemäßem Gebrauch die Kugeln 7 derart in dem Rohr 6 angeordnet, dass die Kugel 7 mit der größten Dichte ganz unten vorgesehen ist, und die restlichen Kugeln 7 in einer Reihenfolge mit abnehmender Dichte darüber angeordnet sind. Die jeweilige Dichte der Kugeln 7 ist so gewählt, dass die Dichte der untersten Kugel ein Maß für die Dichte des Elektrolyts und somit des Ladungszustandes der Batterie 1 ist.As in 2 is illustrated, a plurality of bodies or balls 7 are arranged in the interior of the tube 6, each having a different specific density. When used as intended, the balls 7 are arranged in the tube 6 in such a way that the ball 7 with the greatest density is provided at the very bottom, and the remaining balls 7 are arranged above in a sequence with decreasing density. The respective density of the spheres 7 is chosen such that the density of the lowest sphere is a measure of the density of the electrolyte and thus of the state of charge of the battery 1 .

Um einen vorbestimmten Abschnitt oder Bereich des Rohrs 6, vorzugsweise am oberen Ende desselben, ist die Ermittlungseinheit 5 vorgesehen, die feststellt, ob ein oder mehrere Körper 6 oder auch nur ein Teilabschnitt eines Körpers 6 sich in dem vorbestimmten Bereich des Rohrs 6 befindet. The determination unit 5 is provided around a predetermined section or area of the pipe 6 , preferably at the upper end of the same, and determines whether one or more bodies 6 or just a partial section of a body 6 is located in the predetermined area of the pipe 6 .

Die Ermittlungseinheit 5 umfasst eine, vorzugsweise mehrere elektrische Spulen, die um den vorbestimmten oberen Bereich des Rohrs 6 angeordnet ist/sind. In diesem Fall sind die Kugeln 7 vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material hergestellt, während das Rohr 6 aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. Kunststoff, gebildet ist.The determination unit 5 comprises one, preferably several, electrical coils which is/are arranged around the predetermined upper area of the tube 6 . In this case the balls 7 are preferably made of a ferromagnetic material, while the tube 6 is formed of an electrically insulating material such as plastic.

In Abhängigkeit von der Anzahl der Kugeln 7, die sich aufgrund der Auftriebskraft in dem vorbestimmten Bereich des Rohrs 6 befinden, ändert sich die Induktivität der Spule, d.h. es wird durch die Aufwärtsbewegung einer oder mehrerer Kugeln 7 in der Spule ein Strom induziert, dessen Amplitude proportional zur Anzahl der Kugeln ist. Die Lage der Kugeln im Innenraum des Rohres 6 bestimmt somit die Amplitude des induzierten Stromes. Die Amplitude des induzierten Stromes ist daher ein Maß für die Dichte des Elektrolyts und kann damit für die Bestimmung des Ladungszustandes der Batterie 1 herangezogen werden.Depending on the number of balls 7, which are located in the predetermined area of the tube 6 due to the buoyancy force, changes the inductance of the coil, ie a current is induced in the coil by the upward movement of one or more balls 7, the amplitude of which is proportional to the number of balls. The position of the balls in the interior of the tube 6 thus determines the amplitude of the induced current. The amplitude of the induced current is therefore a measure of the density of the electrolyte and can therefore be used to determine the state of charge of the battery 1.

Ebenso ist es möglich, nicht nur die Amplitude des induzierten Stromes, sondern zusätzlich oder alternativ auch dessen Frequenz als Meßgröße und daher als Maß für die Dichte des Elektrolyts heranzuziehen.It is also possible to use not only the amplitude of the induced current, but additionally or alternatively also its frequency as a measured variable and therefore as a measure of the density of the electrolyte.

Zur Bestimmung der Induktivität wird mittels der Auswerteeinheit 8 eine Wechselspannung an die elektrische Spule angelegt und der durch die Spule fließende Strom gemessen. Anhand einer in einem Speicher der Auswerteeinheit 8 vorab gespeicherten Korrelationstabelle, in der unterschiedliche Dichten des Elektrolyts mit unterschiedlichen Strömen und unterschiedlichen Temperaturen korreliert sind, ermittelt die Auswerteeinheit 8 basierend auf dem gemessenen Strom und der gemessenen Temperatur einen Bereich, in dem die Dichte des Elektrolyts liegt, und einen entsprechenden Ladungszustand des Bleiakkumulators.To determine the inductance, an AC voltage is applied to the electrical coil by means of the evaluation unit 8 and the current flowing through the coil is measured. Using a correlation table previously stored in a memory of evaluation unit 8, in which different densities of the electrolyte are correlated with different currents and different temperatures, evaluation unit 8 determines a range in which the density of the electrolyte lies based on the measured current and the measured temperature , and a corresponding state of charge of the lead-acid battery.

Des Weiteren sendet die Auswerteeinheit 8 an eine nicht gezeigte Anzeigeeinrichtung, die sich beispielsweise auf einem Armaturenbrett eines Fahrzeugs befindet, ein Signal, das proportional zum Ladungszustand des Bleiakkumulators ist, und die Anzeigeeinrichtung zeigt diesen an.In addition, the evaluation unit 8 sends a signal, which is proportional to the state of charge of the lead-acid battery, to a display device (not shown), which is located, for example, on a dashboard of a vehicle, and the display device displays this.

Die Anzeigeeinrichtung kann über elektrische Leitungen mit der Auswerteeinheit 8 verbunden sein oder drahtlos mit der Auswerteeinheit 8 kommunizieren.The display device can be connected to the evaluation unit 8 via electrical lines or communicate wirelessly with the evaluation unit 8 .

Bei einer anderen nicht erfindungsgemäßen (nicht gezeigten) Ausführungsform kann die Ermittlungseinheit 5 eine lichtemittierende und lichtdetektierende Einrichtung, z.B. eine Photodiode oder einen Diodenlaser und einen Photodetektor umfassen, die jeweils in einem vorbestimmten Bereich des Rohrs 6 angeordnet sind. In diesem Fall ist das Rohr 6 aus einem bezüglich des ausgesendeten Lichts transparenten Material gebildet und die Kugeln 7 reflektieren und/oder absorbieren zumindest teilweise das ausgesendete Licht.In another embodiment (not shown) not according to the invention, the detection unit 5 may comprise a light-emitting and light-detecting device, e.g. In this case, the tube 6 is made of a material that is transparent with respect to the emitted light, and the spheres 7 reflect and/or at least partially absorb the emitted light.

In Abhängigkeit von dem Verhältnis zwischen der Intensität des emittierten und des detektierten Lichts kann ermittelt werden, wie viele der Kugeln 7 (oder ein Teilabschnitt einer Kugel) sich in dem vorbestimmten Bereich des Rohrs 6 befinden.Depending on the ratio between the intensity of the emitted and the detected light, it can be determined how many of the spheres 7 (or a partial section of a sphere) are located in the predetermined area of the tube 6 .

Zu diesem Zweck gibt die Ermittlungseinheit 5 ein Signal, das der Intensität des detektierten Lichts entspricht, an die Auswerteeinheit 8 aus. Basierend auf dem empfangenen Signal und einer in einem Speicher gespeicherten Korrelationstabelle, in der unterschiedliche Elektrolytdichten mit unterschiedlichen Verhältnissen aus detektierter und emittierter Lichtintensität und unterschiedlichen Temperaturen korreliert sind, bestimmt die Auswerteeinheit 8 einen Bereich, in dem die Dichte des Elektrolyts liegt, und einen entsprechenden Ladungszustand des Bleiakkumulators. Des Weiteren sendet die Auswerteeinheit 8 an die nicht gezeigte Anzeigeeinrichtung ein dem Ladungszustand des Bleiakkumulators proportionales Signal, die wiederum den Ladungszustand des Bleiakkumulators anzeigt.For this purpose, the determination unit 5 outputs a signal, which corresponds to the intensity of the detected light, to the evaluation unit 8 . Based on the signal received and a correlation table stored in a memory, in which different electrolyte densities are correlated with different ratios of detected and emitted light intensity and different temperatures, the evaluation unit 8 determines a range in which the density of the electrolyte lies and a corresponding charge state of the lead-acid battery. Furthermore, the evaluation unit 8 sends a signal proportional to the state of charge of the lead-acid battery to the display device (not shown), which in turn displays the state of charge of the lead-acid battery.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann im Innenraum des Rohrs 6 nur ein einzelner Körper 7 vorgesehen sein. Dieser Körper kann beispielsweise zylinderförmig sein und kann im unteren Bereich mit einer Verdickung ausgebildet sein. Dieser Schwimmkörper 7 ist in dem Rohr so angeordnet, dass eine Verkippung des Körpers 7 innerhalb des Rohrs 6 weitestgehend ausgeschlossen ist. Dabei ist die Dichte des Körpers 7 derart ausgewählt, dass die Abmessung desjenigen Teilabschnitts des Schwimmkörpers, der über die Oberfläche des Elektrolyts hinausragt, proportional zur Dichte des Elektrolyts und somit zum Ladungszustand der Batterie 1 ist.In a further embodiment, only a single body 7 can be provided in the interior of the tube 6 . This body can be cylindrical, for example, and can be formed with a thickening in the lower area. This floating body 7 is arranged in the tube in such a way that tilting of the body 7 within the tube 6 is largely ruled out. The density of the body 7 is selected in such a way that the dimension of that section of the floating body that protrudes above the surface of the electrolyte is proportional to the density of the electrolyte and thus to the state of charge of the battery 1 .

Da die Ermittlungseinheit 5 eine elektrische Spule umfasst, ist der Schwimmkörper 7 aus einem ferromagnetischen Material gebildet, während das Rohr 6 aus einem elektrisch isolierenden Material wie etwa Kunststoff hergestellt ist. Die Spule ist derart um den vorbestimmten Bereich des Rohrs 6 angeordnet, dass das untere Ende der Spule im Wesentlichen mit der Oberfläche des Elektrolyts fluchtet.Since the detection unit 5 comprises an electric coil, the floating body 7 is made of a ferromagnetic material, while the tube 6 is made of an electrically insulating material such as plastic. The coil is positioned around the predetermined portion of the tube 6 such that the lower end of the coil is substantially flush with the surface of the electrolyte.

In Abhängigkeit von der Abmessung desjenigen Abschnitts des Schwimmkörpers 7, der über die Oberfläche des Elektrolyts hinausragt, variiert der von der Spule 5 gemessene Strom. Die Auswerteeinheit 8 bestimmt dann basierend auf dem gemessenen Strom und einer entsprechenden Korrelationstabelle die Dichte des Elektrolyts und den Ladungszustand der Batterie, welcher von der Anzeigeeinrichtung angezeigt wird.The current measured by the coil 5 varies depending on the dimension of that section of the floating body 7 which protrudes above the surface of the electrolyte. Based on the measured current and a corresponding correlation table, the evaluation unit 8 then determines the density of the electrolyte and the state of charge of the battery, which is displayed by the display device.

Falls die Ermittlungseinheit 5 optoelektronisch die Lage des Schwimmkörpers 7, d.h. die Länge desjenigen Abschnitts des Schwimmkörpers, der über die Oberfläche des Elektrolyts hinausragt, ermittelt, variiert das Verhältnis zwischen emittierter und detektierter Lichtintensität. Die Auswerteeinheit 8 bestimmt basierend auf diesem Verhältnis und einer entsprechenden, vorab in einer Speichereinrichtung gespeicherten Korrelationstabelle die Dichte des Elektrolyts und den entsprechenden Ladungszustand der Batterie 1, welcher von der Anzeigeeinrichtung angezeigt wird.If the determination unit 5 optoelectronically determines the position of the floating body 7, ie the length of that section of the floating body that projects beyond the surface of the electrolyte, the ratio between the emitted and detected light intensity varies. The evaluation unit 8 determines based on this ratio and a corresponding, previously stored in a memory Direction stored correlation table, the density of the electrolyte and the corresponding state of charge of the battery 1, which is displayed by the display device.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vielfältig. So wird eine Verletzung des Benutzers durch Hautkontakt oder gar Augenkontakt mit dem Elektrolyt weitestgehend ausgeschlossen. Ebenso kann der Ladungszustand einer neuen Batterie als Echtheitsnachweis für einen bestimmten Batteriehersteller verwendet werden. Auch eine Fernüberwachung des Batterieladezustandes ist über ein hierfür geeignetes System, beispielsweise das bordeigene Kommunikationssystem eines Kraftfahrzeuges, das über eine GPS Navigation verfügt, möglich. Denkbar ist, dass ein Pannendienst bereits über die Fernüberwachung den genauen Batterietyp bestimmen kann, denn sämtliche Ladezustände und somit auch der ursprüngliche Ladezustand sind abgespeichert, und vor Ort kann die vom Kraftfahrzeughersteller vorgeschriebene Batterie eingebaut werden, ohne dass das Kraftfahrzeug vorher in eine Werkstatt abgeschleppt werden muss, die dann den vorgeschriebenen Batterietyp einbaut.The advantages of the device according to the invention are manifold. Injury to the user through skin contact or even eye contact with the electrolyte is largely ruled out. Likewise, the state of charge of a new battery can be used as proof of authenticity for a specific battery manufacturer. Remote monitoring of the battery state of charge is also possible using a system suitable for this purpose, for example the on-board communication system of a motor vehicle that has GPS navigation. It is conceivable that a breakdown service can already determine the exact battery type via remote monitoring, because all charge levels and thus also the original charge level are stored, and the battery specified by the vehicle manufacturer can be installed on site without the vehicle having to be towed to a workshop beforehand who then installs the prescribed battery type.

Die Erfindung ist nicht nur bei Starterbatterien anwendbar, sondern kann vielmehr bei jeder Art von Bleiakkumulator mit flüssigem Elektrolyt verwendet werden.The invention is not only applicable to starter batteries, but rather can be used in any type of lead-acid battery with liquid electrolyte.

Claims (8)

Vorrichtung zur Bestimmung eines Ladungszustandes eines mit Elektrolyt gefüllten Akkumulators (1), umfassend: mindestens einen Behälter (6), der für den Einbau in den Akkumulator (1) ausgebildet ist und der einen Innenraum festlegt und eine Öffnung aufweist, durch die der Elektrolyt des Akkumulators (1) in den Innenraum des Behälters (6) einfließen kann, einen Körper (7), der in dem Innenraum des Behälters (6) beweglich angeordnet ist, eine Ermittlungseinheit (5), die eine elektrische Spule ist, die um einen bestimmten Bereich des Behälters (6) derart angeordnet ist, dass das untere Ende der Spule (5) im Wesentlichen mit der Oberfläche des Elektrolyts fluchtet, und die zur Ermittlung einer Lage des Körpers (7) in dem Innenraum des Behälters (6) und zur Ausgabe eines, in Abhängigkeit von der Abmessung desjenigen Abschnitts des Körpers (7), der über die Oberfläche des Elektrolyts hinausragt, von der Spule (5) gemessenen variierenden Strom eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit (8), die zum Empfang des von der Spule (5) gemessenen variierenden Stroms der Ermittlungseinheit (5) und zur Bestimmung einer Dichte des Elektrolyts in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom und einer in einem Speicher der Auswerteeinheit (8) vorab gespeicherten Korrelationstabelle und folglich zur Bestimmung des Ladungszustandes des Akkumulators (1) eingerichtet ist, wobei die Dichte des Körpers (7) so ausgewählt ist, dass die Abmessung desjenigen Teilabschnitts des Körpers (7), der über die Oberfläche des Elektrolyts hinausragt, proportional zur Dichte des Elektrolyts und somit zum Ladungszustand des Akkumulators (1) ist. Device for determining the state of charge of a rechargeable battery (1) filled with electrolyte, comprising: at least one container (6) which is designed for installation in the accumulator (1) and which defines an interior space and has an opening through which the electrolyte of the accumulator (1) can flow into the interior space of the container (6), a body (7) which is movably arranged in the interior of the container (6), a detection unit (5) which is an electric coil arranged around a certain area of the container (6) such that the lower end of the coil (5) is substantially flush with the surface of the electrolyte and used for detecting a position of the body (7) in the interior of the container (6) and for outputting a varying current measured by the coil (5) as a function of the dimension of that portion of the body (7) which protrudes above the surface of the electrolyte , and an evaluation unit (8) for receiving the varying current measured by the coil (5) from the determination unit (5) and for determining a density of the electrolyte as a function of the measured current and a correlation table previously stored in a memory of the evaluation unit (8). and is consequently set up to determine the state of charge of the accumulator (1), wherein the density of the body (7) is selected such that the dimension of that section of the body (7) which protrudes above the surface of the electrolyte is proportional to the density of the electrolyte and thus to the state of charge of the accumulator (1). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7) zylinderförmig ist und in seinem unteren Bereich eine Verdickung ausgebildet ist.device after claim 1 , characterized in that the body (7) is cylindrical and in its lower part a thickening is formed. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (7) aus einem ferromagnetischen Material und der Behälter (6) aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist.Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the body (7) is made of a ferromagnetic material and the container (6) is made of an electrically insulating material. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinheit (8) dazu eingerichtet ist, den Ladungszustand in jeder Zelle des Akkumulators (1) zu bestimmen.Device according to one of the preceding claims, in which the evaluation unit (8) is set up to determine the state of charge in each cell of the accumulator (1). Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Einrichtung zur Messung einer Temperatur des Elektrolyts, wobei die Auswerteeinheit (8) ferner dazu eingerichtet ist, den Ladungszustand in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur zu korrigieren.Device according to one of the preceding claims, further comprising a device for measuring a temperature of the electrolyte, wherein the evaluation unit (8) is also set up to correct the state of charge depending on the measured temperature. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen des Ladungszustands des Akkumulators (1). Device according to one of the preceding claims, further comprising a display device for displaying the state of charge of the accumulator (1). Akkumulator (1) mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.Accumulator (1) with a device according to one of the preceding claims. Akkumulator gemäß Anspruch 7, umfassend mindestens einen länglichen elektrischen Pol (4-2), der ein im Innern des Akkumulators angeordnetes Ende und ein außerhalb des Akkumulators angeordnetes Ende aufweist, die jeweils elektrisch mit der Auswerteeinheit (8) verbunden sind, wobei der im Betrieb des Akkumulators über die Längsachse des Pols auftretende Spannungsabfall als Maß für den Ladungszustand des Akkumulators verwendet wird.accumulator according to claim 7 , comprising at least one elongate electrical pole (4-2), which has an end arranged inside the accumulator and an end arranged outside the accumulator, which are each electrically connected to the evaluation unit (8), wherein the during operation of the accumulator via the Longitudinal axis of the pole occurring voltage drop is used as a measure of the state of charge of the battery.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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