DE19725204C1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer Batterie - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung des Ladezustands einer Batterie

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachung der Kapazität einer Batterie, insbesondere in Schlüsselsendern oder Fernbedienungen in automotiven Anwendungen, mit Meßmitteln für die Klemmenspannung und mit Mitteln zur Berechnung des Innenwiderstandes der Batterie sowie mit weiteren Mitteln zur Feststellung des Ladezustandes der Batterie aus den gemessenen Größen.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 44 18 194 bekannt. Es handelt sich um ein System zum Bestimmen der Kapazität einer aufladbaren Speicherbatterie eines Automobiles, insbesondere zur Bestimmung der Restkapazität (Ladezustand) einer solchen Batterie. Es ist aus dieser Druckschrift bekannt, daß die Batterierestkapazität eine Funktion der Elektrolytdichte ist und die Elektrolytdichte mit dem Innenwiderstand der Batterie und mit dem Entladungsstrom von der Batterie korreliert ist. Hierbei wird der Innenwiderstand der Batterie berechnet durch Erfassung der Klemmenspannung in einem unterbrochenen Zustand, bei dem die Verbindungen zu allen elektrischen Verbrauchern unterbrochen sind, und einer davon unterschiedlichen Klemmenspannung in einem selektiv verbundenen Zustand, bei dem eine Verbindung nur zu einem elektrischen Verbraucher hergestellt ist, sowie aus dem Entladungsstrom in diesem verbundenen Zustand. Die Erfassung der Batterierestkapazität erfolgt anschließend bei der aktuellen Temperaturbedingung im Zusammenhang mit einer Tabelle, die den Zusammenhang zwischen Batterierestkapazität, Entladungsstrom und Innenwiderstand darstellt.
Dieses Verfahren ist aufwendig, weil hierzu in mehreren Schritten Berechnungen durchgeführt werden müssen und darüber hinaus das Abschalten der Batterie von allen Verbrauchern bzw. selektiv von einzelnen Verbrauchern einen erheblichen Schaltvorgang hervorruft.
Daneben ist aus der DE-PS 34 07 409 ein Prüfverfahren für Batterien bekannt, bei dem deren Innenwiderstand gemessen wird und aus dem Vergleich mit einer mit dem Prüfling typgleichen Gleichstromquelle eines festgelegten Ladezustandes der Ladezustand des Prüflings ermittelt wird. Dieses Verfahren ist aufwendig, weil eine zweite Bezugsbatterie ständig vorgehalten werden muß.
Schließlich ist aus der DE-OS-38 18 034 ein Meßgerät bekannt, welches den Innenwiderstand von Batterien direkt anzeigt. Die Messung erfolgt über eine frequenzbandbegrenzte Verstärkerstufe durch Beaufschlagung der Batterie als Prüfobjekt mit einer Wechselstromquelle.
Andererseits sind aus der Praxis Verfahren bekannt, die Restkapazität einer Batterie durch Überwachung der Klemmenspannung an der Batterie vorzunehmen, da die Spannung einer typischen Lithium-Zelle bei einer konstanten Belastung zum Ende der Lebensdauer hin progressiv abnimmt. Findet eine Belastung einer Lithium- Zelle jedoch nur gelegentlich statt, wie es beispielsweise bei einem Schlüsselsender der Fall ist, so nähert sich die Zellspannung stets wieder dem Gleichgewichtswert. In einem solchen Fall ist eine Methode zur Abschätzung der Batteriekapazität, die sich nur auf die Batteriespannung bezieht, nicht geeignet, da durch das zwischenzeitliche "Erholen" der Batterie eine voll geladenen Batterie vorgetäuscht wird.
Ein weiterer Nachteil der reinen Spannungsmessung besteht in der starken Temperaturabhängigkeit des Spannungsverlaufs (Fig. 2), der durch die Nernstsche Gleichung beschrieben wird:
ϕ = ϕ0 + (R.T/z.F).ln (MWG)
Hier wird das Elektrodenpotential ϕ durch das entsprechende Standardelektrodenpotential ϕ0 und einen weiteren Term vorgegeben, in den die absolute Temperatur T linear eingeht. Der zum Ende der Lebensdauer beobachtete Spannungseinbruch hängt also auch von der Temperatur ab und kann somit nur bedingt zur Kapazitätsabschätzung verwendet werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zu entwickeln, die es erlauben, eine zuverlässige Auskunft über die verfügbare Zellkapazität (Ladezustand) zu geben, wobei insbesondere die Kapazität auch bei nur gelegentlichen Belastungen einer Zelle korrekt bestimmt werden soll. Zudem soll eine Temperaturabhängigkeit des Meßergebnisses weitgehend vermieden werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zu der Klemmenspannung eine mikroprozessorgesteuerte Recheneinheit geschaltet ist, an die ein Ohmscher Widerstand und eine über die Recheneinheit auf- bzw. entladbare Kapazität anschließbar sind und daß der Recheneinheit Meß- und Auswertemittel zur Erfassung der an der Kapazität abfallenden Spannung zugeordnet sind derart, daß in einem ersten Betriebszustand der Recheneinheit bei nicht angeschlossenem Widerstand ein erster, sich aus der im ersten Betriebszustand gültigen Entladezeit der Kapazität ergebender Zeitpunkt des Erreichens einer ersten Schwellenspannung registriert wird, daß in einem zweiten Betriebszustand der Recheneinheit bei angeschlossenem Widerstand ein zweiter, sich aus der im zweiten Betriebszustand gültigen Entladezeit der Kapazität ergebender Zeitpunkt des Erreichens einer zweiten Schwellenspannung registriert wird und daß die zeitliche Differenz zwischen den Zeitpunkten des Erreichens der beiden Schwellenspannungswerte auf der Kennlinie der an der Kapazität abfallenden Spannung in der Recheneinheit als dem Innenwiderstand proportionale Meßgröße berechenbar und abspeicherbar ist.
Gemäß dem verfahrensmäßigen Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zur Bestimmung einer dem Innenwiderstand proportionale Meßgröße mittels einer parallel zur Klemmenspannung geschalteten Recheneinheit mit einem zuschaltbaren Ohmschen Widerstand und einer externen Kapazität die an der Kapazität abfallende Spannung derart ausgewertet wird, daß in einem ersten Betriebszustand der Recheneinheit bei nicht angeschlossenem Widerstand ein erster, sich aus der im ersten Betriebszustand gültigen Entladezeit der Kapazität ergebender Zeitpunkt des Erreichens einer ersten Schwellenspannung registriert wird, daß in einem zweiten Betriebszustand der Recheneinheit bei angeschlossenem Widerstand ein zweiter, sich aus der im zweiten Betriebszustand gültigen Entladezeit der Kapazität ergebender Zeitpunkt des Erreichens einer zweiten Schwellenspannung registriert wird und daß die zeitliche Differenz zwischen den Zeitpunkten des Erreichens der beiden Schwellenspannungswerte auf der Kennlinie der an der Kapazität abfallenden Spannung in der Recheneinheit als dem Innenwiderstand proportionale Meßgröße berechenbar und abspeicherbar ist.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Vorrichtung bzw. das Verfahren unabhängig davon sind, ob an der Batterie eine konstante Belastung anliegt, oder aber nur gelegentliche Belastungen stattfinden, da der Innenwiderstand (Zellwiderstand), der erfindungsgemäß bestimmt wird, unabhängig ist von der Art und Weise der erfolgten Belastung. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt in der weitgehenden Temperaturunabhängigkeit des inneren Widerstandes der Batterie. Schließlich sind durch die Bestimmung des inneren Widerstandes der Batterie unter Zuhilfenahme eines Referenzwiderstandes die Kosten niedriger, als bei einer Bestimmung des inneren Widerstandes unter Zuhilfenahme einer Referenzspannung oder eines Referenzstroms.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Lade-/Entladeschaltung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einer Parallelschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators, wobei die Entladung des Kondensators über diesen Widerstand erfolgt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß der Ladevorrichtung ein weiterer Widerstand vorgeschaltet ist, mit dem der Strom beim Aufladen der Ladevorrichtung begrenzt wird.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips,
Fig. 2 ein Blockschaltbild gemäß Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Fig. 3 den Spannungsverlauf Uc an der Kapazität C gemäß der bevorzugten Ausführungsform in Fig. 2.
In Fig. 1 ist eine Batterie B durch ein Ersatzschaltbild aus einer idealen Spannungsquelle U0 und einem in Reihe geschaltetem Innenwiderstand Ri dargestellt. Außerhalb der Batterie B ist zur Kennzeichnung eines Verbrauchers ein Lastwiderstand R4 mit der Batterie in Reihe geschaltet. Zusätzlich ist ein Referenzwiderstand R3 über einen Schalter S1 parallel zu dem Lastwiderstand R4 zu- oder abgeschaltbar:
Ohne Referenzwiderstand R3 wird an der Batterie B die Spannung U1 gemessen. Sobald der Referenzwiderstand R3 zugeschaltet wird, sinkt die Spannung von U1 um ΔU1 auf U1' ab. Aus der folgenden Rechnung wird deutlich, daß der prozentuale Spannungseinbruch ΔU1/U1 der Klemmenspannung bei Belastung mit dem Referenzwiderstand R3 in etwa proportional zum Innenwiderstand Ri der Batterie ist, wenn vorausgesetzt wird, daß R3 klein ist gegen den Lastwiderstand R4:
Wird R3 als fester Widerstand gewählt, so genügt für die Messung des Innenwiderstands Ri und damit für die Überwachung der Batteriekapazität die Bestimmung des Verhältnisses ΔU1/U1.
Für die Bestimmung dieses Verhältnisses wird die Schaltung in Fig. 2 herangezogen, die die bevorzugte Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt.
Fig. 2 zeigt ebenfalls die Batterie B als Reihenschaltung einer idealen Spannungsquelle U0 und eines Innenwiderstands Ri, an deren Klemmenspannung ein Mikrocontroller µC angeschlossen ist. Weiterhin ist zwischen den Ein-/Ausgang des Mikrocontrollers EA und Erde eine Reihenschaltung eines Widerstandes R2 und einer Parallelschaltung eines weiteren Widerstandes R1 mit einem Kondensator C gelegt. Schließlich ist in der Schaltung ein Referenzwiderstand R3 mit der Klemmenspannung (U1) der Batterie B und dem Eingang A des Mikrocontrollers M verbunden, wobei der Widerstand R3 analog zur Betrachtung der Fig. 1 klein gegen die Parallelschaltung des (nicht dargestellten) Lastwiderstandes R4 sein muß, damit Gleichung (1) weiterhin gilt. Der Mikrocontroller µC ist in der Lage, sowohl den Referenzwiderstand R3 als auch die Reihenschaltung von Widerstand R2 mit der Parallelschaltung des Widerstandes R1 mit dem Kondensator C mit der Klemmenspannung U1 der Batterie zu verbinden bzw. diese Verbindung wieder zu unterbrechen.
Der Mikrocontroller arbeitet wie folgt: Der Mikrocontroller M bestimmt ständig eine Schaltschwelle von High nach Low, die der zu der Zeit vorhandenen Betriebsspannung der Batterie mit einem Faktor k (k < 1) proportional ist.
Zunächst wird der Ein-/Ausgang EA des Mikrocontrollers µC als Ausgang geschaltet, wodurch die Reihenschaltung von Widerstand R2 und der Parallelschaltung des Widerstandes R1 mit dem Kondensator C an der Klemmenspannung U1 der Batterie anliegt und der Kondensator C sich, wie in Fig. 3 gezeigt, auflädt.
Sobald die Leerlaufspannung Uo am Kondensator C anliegt (Plateau in Fig. 3), wird der Ein-/Ausgang EA des Mikrocontrollers wieder als Eingang geschaltet. Die Klemmenspannung der Batterie (B) liegt dadurch nicht mehr an der Reihenschaltung an und der Kondensator C entlädt sich über den Widerstand R1. Die Spannung Uc am Kondensator C sinkt also gemäß der in Fig. 3 gezeigten Exponentialfunktion ab.
Erreicht die Spannung am Kondensator C die Schaltschwelle US1 (= k . U1), so wird dies vom Mikrocontroller µC registriert und im selben Moment der Zusatzlastwiderstand R3 zugeschaltet. Infolge des Spannungseinbruchs an der Batterie sinkt dann auch die Schaltschwelle auf der Kennlinie in Fig. 3 um ΔUS auf US2 (= k . U1'), so daß ein zweiter Übergang erfolgen kann.
Die Zelt tdrop (siehe Fig. 3) vom ersten bis zum zweiten Übergang wird vom Mikrocontroller µC gemessen. Für diese Zeit gilt:
Der auftretende Logarithmus kann in eine Reihe entwickelt werden, es gilt:
Vernachlässigt man Glieder höherer Ordnung als eins dieser Reihe, so erhält man unter der Voraussetzung eines verhältnismäßig kleinen Spannungseinbruchs:
Laut Annahme sind die Schwellenspannungen jeweils mit einem Faktor k (k < 1) proportional zur Betriebsspannung, also folgt:
wobei sich der unbekannte Proportionalitätsfaktor k herauskürzt.
Somit wurde das benötigte Verhältnis ΔU1/U1 bestimmt.
Insgesamt erhält man mit den Gleichungen (1) und (4) für den Innenwiderstand Ri der Batterie:
Da die gemessene Zeit tdrop im Mikrocontroller als Zählergebnis vorliegt, ist mittels eines im Mikroprozessor vorgegebenen Vergleichers das Erkennen einer schwachen Batterie leicht durchzuführen, wenn der Meßwert tdrop mit einem Sollwert (Vorgabewert) verglichen wird.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie, insbesondere einer Lithiumbatterie für Schlüsselsender oder Fernbedienungen in automotiven Anwendungen, mit Meßmitteln für die Klemmenspannung (U1) und mit Mitteln zur Berechnung des Innenwiderstandes (Ri) der Batterie (B) sowie mit weiteren Mitteln zur Feststellung des Ladezustandes der Batterie aus den gemessenen Größen (U1, Ri), dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Klemmenspannung (U1) eine mikroprozessorgesteuerte Recheneinheit (µC) geschaltet ist, an die ein Ohmscher Widerstand (R3) und eine über die Recheneinheit (µC) auf- bzw. entladbare Kapazität (C) anschließbar sind und daß der Recheneinheit Meß- und Auswertemittel zur Erfassung der an der Kapazität (C) abfallenden Spannung (UC) zugeordnet sind derart, daß in einem ersten Betriebszustand der Recheneinheit (µC) bei nicht angeschlossenem Widerstand (R3) ein erster, sich aus der im ersten Betriebszustand gültigen Entladezeit der Kapazität (C) ergebender Zeitpunkt des Erreichens einer ersten Schwellenspannung (US1) registriert wird, daß in einem zweiten Betriebszustand der Recheneinheit bei angeschlossenem Widerstand (R3) ein zweiter, sich aus der im zweiten Betriebszustand gültigen Entladezeit der Kapazität (C) ergebender Zeitpunkt des Erreichens einer zweiten Schwellenspannung (US2) registriert wird und daß die zeitliche Differenz (tdrop) zwischen den Zeitpunkten des Erreichens der beiden Schwellenspannungswerte (US1, US2) auf der Kennlinie der an der Kapazität (C) abfallenden Spannung (UC) in der Recheneinheit als dem Innenwiderstand (Ri) proportionale Meßgröße berechenbar und abspeicherbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur externen Kapazität (C) ein weiterer Widerstand (R1) geschaltet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Begrenzung des Aufladestromes ein zwischen Recheneinheit (µC) und Kapazität (C) geschalteter Widerstand (R2) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinheit (µC) eine Vergleichereinheit enthält, in der ein vorgebbarer Sollwert für die zeitliche Differenz zwischen dem Auftreten der beiden Schwellenspannungswerte (Us1, Us2) abspeicherbar ist, welcher mit dem gemessenen zeitlichen Differenzwert (tdrop) derart verglichen wird, daß, falls der gemessene Wert den Sollwert überschreitet, auf einen unzulässigen Restladezustand geschlossen wird.
5. Verfahren zur Bestimmung des Ladezustandes einer Batterie, insbesondere einer Lithiumbatterie für Schlüsselsender oder Fernbedienungen in automotiven Anwendungen, bei dem sowohl die Klemmenspannung (U1) der Batterie als auch deren Innenwiderstand (Ri) gemessen und zur Ermittlung des Ladezustandes aus den gemessenen Größen (U1, Ri) ein Bezugswert ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung einer dem Innenwiderstand (Ri) proportionalen Meßgröße mittels einer parallel zur Klemmenspannung (U1) geschalteten Recheneinheit mit einem zuschaltbaren Ohmschen Widerstand (R3) und einer externen Kapazität (C) die an der Kapazität (C) abfallende Spannung derart ausgewertet wird, daß in einem ersten Betriebszustand der Recheneinheit (µC) bei nicht angeschlossenem Widerstand (R3) ein erster, sich aus der im ersten Betriebszustand gültigen Entladezeit der Kapazität (C) ergebender Zeitpunkt des Erreichens einer ersten Schwellenspannung (US1) registriert wird, daß in einem zweiten Betriebszustand der Recheneinheit bei angeschlossenem Widerstand (R3) ein zweiter, sich aus der im zweiten Betriebszustand gültigen Entladezeit der Kapazität (C) ergebender Zeitpunkt des Erreichens einer zweiten Schwellenspannung (US2) registriert wird und daß die zeitliche Differenz (tdrop) zwischen den Zeitpunkten des Erreichens der beiden Schwellenspannungswerte (US1, US2) auf der Kennlinie der an der Kapazität (C) abfallenden Spannung (UC) in der Recheneinheit als dem Innenwiderstand (Ri) proportionale Meßgröße berechenbar und abspeicherbar ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuschaltung des externen Widerstandes (R3) zeitgleich mit dem Erreichen des ersten Schwellenspannungswertes (Us1) erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocontroller (µC)
  • 1. in einem ersten Schritt an die Parallelschaltung eines weiteren Widerstandes (R1) und eines Kondensators mit der Kapazität (C) die Spannung (U1) der zu überwachenden Batterie (B) anlegt, so daß sich der Kondensator (C) auflädt,
  • 2. in einem zweiten Schritt die Parallelschaltung des Widerstandes (R1) und des Kondensators (C) wieder von der Batteriespannung (U1) abschaltet, wodurch sich der Kondensator über (R1) wieder entlädt,
  • 3. in einem dritten Schritt eine Schwellenspannung (Us1) entsprechend der am Kondensator (C) anliegenden Spannung (Uc) bestimmt,
  • 4. in einem vierten Schritt den Zeitpunkt bestimmt, bei dem die Spannung am Kondensator C die Schwellenspannung (Us1) unterschreitet, diesen Zeitpunkt speichert und gleichzeitig zusätzlich einen Referenzwiderstand (R3) an die Batteriespannung (U1) legt,
  • 5. in einem fünften Schritt eine zweite Schwellenspannung (Us2), entsprechend der dann am Kondensator (C) anliegenden Spannung (Uc) bestimmt,
  • 6. in einem sechsten Schritt den Zeitpunkt bestimmt, bei dem die Spannung am Kondensator (C) die zweite Schwellenspannung (Us2) unterschreitet, und
  • 7. in einem siebten Schritt aus der Differenz (tdrop) des ersten und des zweiten Zeitpunktes, bei dem der erste und der zweite Schwellenwert unterschritten wurden, aus dem Ohmschen Widerstand (R3), dem weiteren Widerstand (R1) und der Kapazität (C) den Innenwiderstand (Ri) der Batterie bestimmt aus dem Zusammenhang:
    Ri = tdrop.R3/(R1.C).
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