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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Impedanz einer Prüfbatterie mit einem ersten Prüfbatterie-Pol erster Polarität und einem zweiten Prüfbatterie-Pol zweiter Polarität, umfassend
- – einen ersten Prüfanschluss zum Anschließen des ersten Prüfbatterie-Pols und einen zweiten Prüfanschluss zum Anschließen des zweiten Prüfbatterie-Pols,
- – eine mit den Prüfanschlüssen verbundene Wechselstromquelle, mittels welcher ein Wechselstrom auf die Prüfbatterie im angeschlossenen Zustand aufbringbar ist,
- – eine parallel zu den Prüfanschlüssen und der Wechselstromquelle geschaltete Spannungserfassungseinrichtung, mittels welcher ein zwischen den Prüfanschlüssen anliegender Spannungsverlauf erfassbar ist,
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung der Impedanz einer Prüfbatterie mit einem ersten Prüfbatterie-Pol erster Polarität und einem zweiten Prüfbatterie-Pol zweiter Polarität, umfassend die Schritte:
- a) Aufbringen eines Wechselstroms auf die Prüfbatterie, mittels einer an ihren Prüfbatterie-Polen angeschlossenen Wechselstromquelle, sodass an den Prüfbatterie-Polen eine entsprechend modulierte Spannung resultiert,
- b) Erfassen des Verlaufs der resultierenden Spannung mittels einer parallel zu der Wechselstromquelle und der Prüfbatterie an deren Prüfbatterie-Polen angeschlossenen Spannungserfassungseinrichtung,
- c) Ermitteln der Impedanz der Prüfbatterie durch Vergleich der Verläufe des aufgebrachten Wechselstroms und der resultierenden Spannung.
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Stand der Technik
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Eine derartige Schaltungsanordnung und ein derartiges Verfahren sind bekannt aus der
WO 2012/088555 A1 . Die Impedanz ist eine wesentliche Eigenschaft einer Batterie, aus der sich beispielsweise deren Alterungszustand bestimmen lässt. In der bekannten Schaltungsanordnung ist eine Wechselstromquelle mit Prüfungsanschlüssen, an denen eine Prüfbatterie angeschlossen werden kann, verbunden. Zusätzlich weist die Schaltungsanordnung einen Spannungsmesser zur Messung des zwischen den Prüfanschlüssen anliegenden, resultierenden Spannungsverlaufs auf.
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Bekanntermaßen erzeugt ein an den Polen einer Batterie angelegter Wechselstrom eine modulierte Spannungsantwort, sodass sich durch Vergleich, insbesondere durch komplexe Division, die Impedanz der Batterie bestimmen lässt. Praktisch erfolgt dies in der Regel durch Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen dem angelegten Strom- und dem resultierenden Spannungssignal sowie Division ihrer realen Amplituden. Zur detaillierteren Charakterisierung der Batterie werden meist Messungen bei unterschiedlichen Strom- bzw. Spannungsfrequenzen und/oder mit komplizierteren, von reinen Sinusanregungen abweichenden Anregungssignalen durchgeführt, wobei dem Fachmann die gesamte Breite spektroskopischer Techniken zur Verfügung steht. Man spricht daher in diesem Zusammenhang auch von Impedanzspektroskopie.
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Der mit dem Spannungsmesser erfasste Spannungsverlauf setzt sich aus einem zeitlich konstantem Gleichanteil, nämlich der Leerlaufspannung der Prüfbatterie, und einem in Abhängigkeit von der Wechselstromaufbringung zeitlich variierenden Wechselanteil zusammen, wobei lediglich aus dem Wechselanteil die für die Impedanzermittlung relevanten Parameter, wie die Phaseninformation, ermittelbar sind. Gleichzeitig wird eine genaue Bestimmung des Wechselanteils jedoch durch die Miterfassung des im Vergleich zum Wechselanteil großen Gleichanteils erschwert, da dieser nahezu den gesamten Auflösungsbereich des Spannungsmessers ausfüllt.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung derart weiterzubilden, dass der im Spannungsverlauf enthaltene Wechselanteil mit höherer Auflösung erfasst werden kann.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Spannungserfassungseinrichtung
- – eine Spannungsmesseinheit zum Messen eines zwischen zwei Messanschlüssen der Spannungsmesseinheit anliegenden Spannungsverlaufs, und
- – eine seriell zu der Spannungsmesseinheit geschaltete, eine Gleichspannung liefernde Kompensationsspannungsquelle mit einem ersten Pol der ersten Polarität und einem zweiten Pol der zweiten Polarität
aufweist,
wobei der erste Pol der Kompensationsspannungsquelle mit dem ersten Prüfanschluss, der zweite Pol der Kompensationsspannungsquelle mit dem ersten Messanschluss und der zweite Messanschluss mit dem zweiten Prüfanschluss verbunden ist.
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Die Aufgabe wird weiterhin in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 6 dadurch gelöst, dass die Spannungserfassungseinrichtung
- – eine Spannungsmesseinheit zum Messen eines zwischen zwei Messanschlüssen der Spannungsmesseinheit anliegenden Spannungsverlaufs und
- – eine seriell zu der Spannungsmesseinheit geschaltete, eine Gleichspannung liefernde Kompensationsspannungsquelle mit einem ersten Pol der ersten Polarität und einem zweiten Pol der zweiten Polarität
aufweist,
wobei der erste Pol der Kompensationsspannungsquelle mit dem ersten Prüfbatterie-Pol, der zweite Pol der Kompensationsspannungsquelle mit dem ersten Messanschluss und der zweite Messanschluss mit dem zweiten Prüfbatterie-Pol verbunden ist, sodass beim Erfassen des Verlaufs der resultierenden Spannung deren Gleichanteil durch die Gleichspannung der Kompensationsspannungsquelle wenigstens teilweise kompensiert wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß wird also der ursprünglichen Messspannung eine Gegen-Gleichspannung gegengeschaltet, die einen entsprechenden Gleichanteil der ursprünglichen Messspannung kompensiert. Mit anderen Worten wird der Gleichspannungs-Offset der ursprünglichen Messspannung beseitigt, sodass die resultierende Messspannung nur noch aus dem durch die Wechselstromaufprägung erzwungenen Wechselanteil und – bei unvollständiger Kompensation – einem reduzierten Restbetrag des Gleichanteils besteht. Letzterer kann durch Angleichung der Kompensationsspannung an die Leerlaufspannung der Prüfbatterie vollständig auf Null reduziert werden.
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Der für die Entstehung des Wechselanteils verantwortliche Wechselstrom, der auf die Prüfbatterie aufgebracht wird, kann unterschiedlich ausgestaltet sein. Hierfür kann beispielsweise ein sinusförmiger Wechselstrom einer bestimmten Frequenz eingesetzt werden. Dem Fachmann sind im Zusammenhang mit der Impedanzspektroskopie jedoch auch noch eine Reihe weiterer Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise muss der Wechselstrom nicht zwingend sinusförmig ausgestaltet sein. Entscheidend ist lediglich, dass aus dem Wechselstromverlauf und dem gemessenen Spannungsverlauf die Impedanz der Prüfbatterie bestimmt werden kann. Der Wechselstromverlauf kann beispielsweise mit einer in Reihe zwischen einem der Prüfanschlüsse und der Wechselstromquelle geschalteten Strommesseinheit gemessen werden. Alternativ ist es aber selbstverständlich auch möglich den Wechselstromverlauf direkt aus der Wechselstromquelle oder einer die Wechselstromquelle steuernden Steuereinheit auszulesen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die von der Kompensationsspannungsquelle gelieferte Gleichspannung innerhalb einer vorgegebenen Toleranz gleich der Leerlaufspannung der Batterie ist. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise die Leerlaufspannung der Prüfbatterie nahezu vollständig kompensiert und der Wechselanteil des Spannungsverlaufs daher mit extrem hoher Auflösung und damit äußerst genau bestimmt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass die Kompensationsspannungsquelle als eine steuerbare Gleichspannungsquelle ausgebildet ist. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die Schaltungsanordnung in vorteilhafter Weise für Prüfbatterien, die unterschiedliche Leerlaufspannungen aufweisen, einzusetzen. Die Notwendigkeit, die Kompensationsspannungsquelle für die Ermittlung der Impedanz einer zweiten Prüfbatterie austauschen zu müssen, entfällt somit. Beispielsweise kann vor Anlegen des Wechselstroms die Leerlaufspannung der Prüfbatterie gemessen und an der steuerbaren Kompensationsspannungsquelle eine entsprechende Gegenspannung angesteuert werden.
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Mit anderen Worten wird ein Verfahren als vorteilhaft angesehen, bei dem eine steuerbare Kompensationsspannungsquelle zum Einsatz kommt, die so angesteuert wird, dass sie vor Erfassung des Verlaufs der aus der Wechselstromaufbringung auf die Prüfbatterie resultierenden Spannung eine Gleichspannung liefert, die innerhalb einer vorgegebenen Toleranz gleich der Leerlaufspannung der Prüfbatterie ist. Die steuerbare Kompensationsspannungsquelle kann beispielsweise in Form eines Digital-Analog-Wandlers realisiert werden, der in Abhängigkeit von einer vorgenommenen Einstellung eine entsprechende Gleichspannnung liefert.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass die Kompensationsspannungsquelle eine Batterie oder einen Kondensator umfasst. Der Einsatz eines Kondensators ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da er eine äußerst kostengünstige Kompensationsspannungsquelle darstellt. Nachteilhaft ist hingegen, dass der Kondensator aufgrund von Leckströme nach einem Ladevorgang relativ schnell wieder entladen wird. Alternativ ist daher vorgesehen, dass die Kompensationsspannungsquelle eine Batterie umfasst. Der Einsatz einer Batterie ist zwar gegenüber dem Kondensator deutlich kostenintensiver und weniger flexibel, im Gegensatz zum Kondensator wirken sich Leckströme jedoch weniger stark auf die erzeugte Kompensationsspannung aus. Der Fachmann kann somit durch die Wahl der Kompensationsspannungsquelle die Schaltungsanordnung an die jeweiligen Anforderungen anpassen.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass bei Ausführungsformen mit Kondensator oder Batterie als Kompensationsspannungsquelle die Spannungserfassungseinrichtung weiter einen die Spannungsmesseinheit überbrückenden Schalter aufweist. Hierdurch kann die von der Kompensationspannungsquelle gelieferte Gleichspannung, wie in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, vor Anlegen des Wechselstroms sehr exakt auf die Leerlaufspannung der Prüfbatterie eingestellt werden, indem der Schalter zunächst geschlossen und anschließend zum Aufbringen des Wechselstroms auf die Prüfbatterie und zur Erfassung des Spannungsverlaufs wieder geöffnet wird. Durch das Schließen des Schalters wird die Prüfbatterie selbst zum Laden des Kondensators bzw. zur Spannungsanpassung der Kompensationsbatterie genutzt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer angeschlossenen Prüfbatterie,
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2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer angeschlossenen Prüfbatterie.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem ersten Prüfanschluss 11 und einem zweiten Prüfanschluss 12 zu sehen. An den ersten Prüfanschluss 11 ist ein erster Prüfbatteriepol 21 und an den zweiten Prüfanschluss ein zweiter Prüfbatteriepol 22 einer Prüfbatterie 2 angeschlossen. In 1 ist weiterhin eine mit den Prüfanschlüssen 11, 12 verbundene Wechselstromquelle 14 sowie eine parallel zu den Prüfanschlüssen 11, 12 und der Wechselstromquelle 14 geschaltete Spannungserfassungseinrichtung 16 dargestellt. Die Spannungserfassungseinrichtung 16 verfügt über eine Spannungsmesseinheit 161 und eine Kompensationsspannungsquelle 162. Die Kompensationsspannungsquelle 162 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel als Kondensator mit einem ersten Pol 1621 und einem zweiten Pol 1622 ausgebildet. Die Spannungserfassungseinrichtung 16 verfügt zusätzlich über einen die Spannungsmesseinheit 161 überbrückenden Schalter 163. In 1 ist weiterhin zu sehen, dass der erste Pol 1621 der Kompensationsspannungsquelle 162 über die Masse mit dem ersten Prüfanschluss 11, der zweite Pol 1622 der Kompensationsspannungsquelle 162 mit einem ersten Messanschluss 1611 der Spannungsmesseinheit 161 und der zweiten Messanschluss 1612 der Spannungsmesseinheit 161 mit dem zweiten Prüfanschluss 12 verbunden ist. In 1 ist ebenfalls dargestellt, dass an der Kompensationsspannungsquelle 162 eine der Leerlaufspannung UOVC der Prüfbatterie 2 entsprechende Spannung anliegt. Hierfür ist, nachdem die Prüfbatterie 2 an die Prüfanschlüsse 11, 12 angeschlossen wurde, der Schalter 163 geschlossen worden. Vor Aufbringung eines Wechselstroms auf die Prüfbatterie 2 mittels der Wechselstromquelle 14 ist der Schalter 163 dann wieder geöffnet worden. Im Ergebnis liegt daher zwischen den Prüfanschlüssen 11, 12 eine aus der Leerlaufspannung UOCV der Prüfbatterie und einem in Abhängigkeit von der Wechselstromaufbringung zeitlich variierenden Wechselanteil U* bestehende Spannung an, deren Verlauf von der Spannungserfassungseinrichtung erfasst wird. Die Kompensationsspannungsquelle 162 kompensiert den Gleichanteil UOCV des von der Spannungserfassungseinrichtung erfassten Spannungsverlaufs, sodass der zwischen den Messanschlüssen 1611 und 1612 gemessene Spannungsverlauf lediglich den Wechselanteil U* enthält. Hierdurch kann der für die Impedanzermittlung relevante Wechselanteil U* mit hoher Genauigkeit von der Spannungsmesseinheit 161 gemessen werden und mittels einer nicht dargestellten und mit der Spannungserfassungseinheit verbundenen Impedanzermittlungseinheit mit dem Wechselstromverlauf zu einem Impedanzwert verknüpft werden. Hierfür steuert die Impedanzermittlungseinheit die Wechselstromquelle 14, sodass der auf die Prüfbatterie 2 aufgebrachte Wechselstromverlauf bereits in der Impedanzermittlungseinheit hinterlegt ist.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, bei dem die Kompensationsspannungsquelle 162 als Digital-Analog-Wandler ausgebildet ist, wodurch die von der Kompensationsspannungsquelle 162 gelieferte und zwischen deren ersten und zweiten Pol anliegende Gleichspannung entsprechend einstellbar ist. In dem in 2 gezeigtem Ausführungsbeispiel ist die von der Kompensationsspannungsquelle 162 gelieferte Spannung exakt auf die Leerlaufspannung der Prüfbatterie 2 eingestellt, wodurch, wie bereits in der Beschreibung zu 1 erläutert, der durch die Aufbringung eines Wechselstroms auf die Prüfbatterie entstehende Wechselanteil des an der Spannungserfassungseinrichtung erfassten Spannungsverlaufs mit hoher Genauigkeit von der Spannungsmesseinheit gemessen werden kann. Der gemessene Wechselanteil des Spannungsverlaufs wird daraufhin an eine nicht dargestellte Impedanzbestimmungseinheit übermittelt, die aus dem übermittelten Spannungsverlauf und dem Wechselstromverlauf eine Impedanz für die Prüfbatterie 2 ermittelt. Der Wechselstromverlauf wird in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine nicht dargestellte, in Reihe zwischen der Wechselstromquelle 14 und dem zweiten Prüfanschluss 22 geschaltete Strommesseinheit erfasst und an die Impedanzermittlungseinheit übermittelt.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaltungsanordnung
- 2
- Prüfbatterie
- 21
- Erster Prüfbatterie-Pol
- 22
- Zweiter Prüfbatterie-Pol
- 11
- Erster Prüfanschluss
- 12
- Zweiter Prüfanschluss
- 14
- Wechselstromquelle
- 16
- Spannugserfassungseinrichtung
- 161
- Spannungsmesseinheit
- 1611
- Erster Messanschluss der Spannungsmesseinheit
- 1612
- Zweiter Messanschluss der Spannungsmesseinheit
- 162
- Kompensationsspannungsquelle
- 1621
- Erster Pol der Kompensationsspannungsquelle
- 1622
- Zweiter Pol der Kompensationsspannungsquelle
- 163
- Schalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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