Die Erfindung betrifft Verfahren
und Vorrichtungen der in der Oberbegriffen der Ansprüche 1, 15, 16
und 17 angegebenen Gattungen.The invention relates to methods
and devices of the type defined in the preamble of claims 1, 15, 16
and 17 specified genera.
Der Ladezustand eines wieder aufladbaren elektrochemischen,
im folgenden kurz als Batterie bezeichneten Speichers ist z.B. definiert
als Eins reduziert um den Quotienten aus einer zum betrachteten
Zeitpunkt entnommenen, überlicherweise
in Amperestunden (Ah) angegebenen und nachfolgend allgemein mit
Q bezeichneten Ladung einer Batterie und einer maximal nutzbaren
bzw. entnehmbaren, ebenfalls in Amperestunden angegebenen Ladung, die
der Nennkapazität
CN entspricht. Eine Alterung der Batterie
führt dazu,
daß der
Batterie weniger Ladung entnommen werden kann, als durch die Nennkapazität CN angegebenen ist. Daher tritt bei der Bestimmung
des Ladezustands einer gealterten Batterie an die Stelle der Nennkapazität CN eine aktuelle oder momentan erreichbare
Kapazität
Ca, die kleiner als die Nennkapazität CN ist.The state of charge of a rechargeable electrochemical storage, hereinafter referred to briefly as a battery, is defined, for example, as one reduced by the quotient of a battery charge and a maximum usable charge taken at the time under consideration, usually given in ampere hours (Ah) and subsequently generally designated Q or removable charge, also specified in ampere hours, which corresponds to the nominal capacity C N. Aging of the battery means that less charge can be drawn from the battery than is indicated by the nominal capacity C N. Therefore, when determining the state of charge of an aged battery, the current or currently achievable capacity Ca, which is smaller than the nominal capacity C N , takes the place of the nominal capacity C N.
Da die einer Batterie entnommene
Ladung nicht unmittelbar gemessen werden kann, wird der Ladezustand
gewöhnlich
aus dem zeitlichen Verlauf der Batteriespannung und des Bateriestroms
abgeschätzt.
Bekannte Verfahren und Vorrichtungen der in den Oberbegriffen der
Ansprüche
1 und 16 angegebenen Gattungen ( DE 27 18 499 A1 ) gehen dazu von der Berechnung
der mit der letzten Volladung der Batterie entnommenen Ladung durch
Integration des schrittweise oder kontinuierlich gemessenen Batteriestroms
aus. Zur Vermeidung der stetigen Aufsummierung von unvermeidbaren
Meßfehlern,
insbesondere wenn zwischen zwei Volladungen lange Zeiträume von
z.B: zwei Monaten liegen, werden dabei die mit
dem gemessenen Batteriestrom erhaltenen Ladungen von Zeit zu Zeit
mit Ladungswerten korrigiert, die einer für die Batterie charakteristischen
Kennlinie entnom men werden, die die Abhängigkeit der Ladung von der
Ruhespannung angibt. Eine solche Ruhespannung kann allerdings bisher
nur dann genau bestimmt werden, wenn sich die Batterie bei der Durchführung der
Messung bereits seit vielen Stunden im stromlosen Zustand befindet.
Da ein solcher Zustand bei in Stromkreisen befindlichen Batterien nur
selten eintritt, kann der Ladezustand auf diese Weise zwar relativ
genau, aber nicht kontinuierlich oder quasikontinuierlich und auch
immer nur dann ermittelt werden, wenn nach dem Erreichen eines stromlosen
Zustands eine Wartezeit von von einigen Stunden eingehalten wird.Since the charge taken from a battery cannot be measured directly, the state of charge is usually estimated from the time course of the battery voltage and the battery current. Known methods and devices of the genera specified in the preambles of claims 1 and 16 ( DE 27 18 499 A1 ) are based on the calculation of the charge withdrawn with the last full charge of the battery by integrating the battery current measured step by step or continuously. To avoid the constant accumulation of unavoidable measurement errors, especially if there are long periods of time between two full charges, for example : two months, the charges obtained with the measured battery current are corrected from time to time with charge values that are taken from a characteristic curve for the battery , which indicates the dependence of the charge on the rest voltage. Such a no-load voltage has so far only been able to be determined precisely if the battery has been in a de-energized state for many hours when the measurement is carried out. Since such a state occurs only rarely in batteries in electrical circuits, the state of charge can be determined relatively precisely in this way, but not continuously or quasi-continuously and only if a waiting time of a few hours has been observed after reaching a de-energized state becomes.
Zur Ermittlung der in diesem Zusammenhang
ebenfalls bedeutsamen aktuellen oder momentan noch erreichbaren
Kapazität
Ca sind Verfahren und Vorrichtungen nach
den Oberbegriffen der Ansprüche
15 und 17 bekannt ( DE
35 20 985 C2 ), bei denen aus der Ruhespannung einer Starterbatterie für Kraftfahrzeuge
eine fiktive Batteriekapazität
berechnet und bei der erneuten Inbetriebnahme des Fahrzeugmotors
die dabei weiter , > berechnete
Ladungsentnahme fortlaufend in Bezug zu der bei der vorausgegangen
Abschaltung errechneten fiktiven Batteriekapazität gebracht und daraus der Ladezustand
ermittelt wird. Dadurch wird zwar eine Möglichkeit zur Ermittlung der
aktuellen Nennkapazität
Ca geschaffen. Ein Problem besteht jedoch
darin, daß hierzu
eine bekannte, gegebene Anfangsspannung benötigt wird und die aus der Integration
des Batteriestroms erhaltenen Ladungen mit nicht näher eingegrenzten
Fehlern behaftet sein können.Methods and devices according to the preambles of claims 15 and 17 are known for determining the current or currently still achievable capacity C a which is also significant in this context ( DE 35 20 985 C2 ), in which a fictitious battery capacity is calculated from the open-circuit voltage of a starter battery for motor vehicles and when the vehicle engine is started up again, the charge calculation calculated continuously is brought into relation with the fictitious battery capacity calculated during the previous shutdown and the state of charge is determined from this. This creates a possibility for determining the current nominal capacity C a . One problem, however, is that a known, given initial voltage is required for this, and the charges obtained from the integration of the battery current can be subject to errors which are not identified in more detail.
Weiterhin ist es bekannt ( DE 37 06 076 A1 ), die
Ruhespannung nicht in Abhängigkeit
vom Strom, sondern durch Approximation mit Hilfe von zwei zuvor
ohne Batteriebelastung ermittelten Werten über die Zeit zu bestimmen,
um dadurch eine Restnutzungsdauer der Batterie zu erhalten. Dadurch
lassen sich weder die zur Ermittlung der Ruhespannungen erforderlichen
langen Zeitspannen noch die bei der Ermittlung der aktuellen Kapazität Ca auftretenden Ungenauigkeiten vermeiden.It is also known ( DE 37 06 076 A1 ) to determine the open-circuit voltage over time, not as a function of the current, but by approximation using two values previously determined without battery loading, in order to obtain a remaining service life of the battery. As a result, neither the long periods of time required to determine the rest voltages nor the inaccuracies that occur when determining the current capacitance C a can be avoided.
Schließlich ist es bekannt ( DE 43 39 568 A1 ), die
Genauigkeit bei der Ermittlung der gemessenen entnommenen Ladung
dadurch zu verbessern, daß Gasungsverluste
berücksichtigt
werden.Finally, it is known ( DE 43 39 568 A1 ) to improve the accuracy in determining the measured charge removed by taking gassing losses into account.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Verfahren und Vorrichtungen der eingangs bezeichneten Gattungen
dahingehend zu verbessern; daß einerseits
die Ruhespannung bei Batterieströmen
ungleich Null permanent und schrittweise oder kontinuierlich und
andererseits die aktuelle Kapazität genauer als bisher ermittelt
werden kann.The invention is based, which
Methods and devices of the genera described in the introduction
to improve; that on the one hand
the no-load voltage for battery currents
non-zero permanent and gradual or continuous and
on the other hand, the current capacity is determined more precisely than before
can be.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen
die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 15, 16 und 17.Serve to solve this task
the characterizing features of claims 1, 15, 16 and 17.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous configurations
the invention emerge from the subclaims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:The invention is described below
of the accompanying drawings using exemplary embodiments. It
demonstrate:
1 schematisch
eine Batterie in einem üblichen
Stromkreis und mit Messgeräten,
die zur Messung von physikalischen, in die erfindungsgemäße Berechnung
des Ladezustands eingehenden Größen dienen; 1 schematically shows a battery in a conventional circuit and with measuring devices that are used to measure physical quantities that are included in the calculation of the state of charge according to the invention;
2 ein
schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung des
Ladezustands; und 2 a schematic flow diagram of the inventive method for calculating the state of charge; and
3 ein
schematisches Ablaufdiagramm einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, nach
der u.a. auch Änderungen
der aktuellen Kapazität
der Batterie berücksichtigt
werden können. 3 a schematic flow diagram of a variant of the method according to the invention, according to the changes of the current Kapa battery capacity can be taken into account.
Zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Ladezustands
wird auf die Messung der physikalischen Größen Batteriespannung U, Batterietemperatur
T und Batteriestom I zurückgegriffen.
Hierzu wird gemäß 1 von einer Batterie 1 ausgegangen,
die an einen Verbraucher 2 und/oder wenigstens ein Ladegerät 3,
z.B. einen Generator in Form eines photovoltaischen (PV) Moduls,
eines Dieselgenerators oder dgl. angeschlossen ist. Derartige Schaltungsanordnungen
dienen in bekannter Weise z.B. dem Zweck, die mittels eines PV-Moduls
bei Sonnenstrahlung erzeugte elektrische Energie dem Verbraucher 2 zuzuführen bzw. überschüssige Energie
in der Batterie 1 zu speichern. Die Batteriespannung U
wird dabei nach 1 zwischen
den Polen 4a, 4b der Batterie 1 mit einem
ersten Voltmeter 5 gemessen. Die Batterietemperatur T wird
mit einem Temperaturfühler 6 gemessen,
der sich vorzugsweise im Säurebad der
Batterie 1 bzw. einer Zelle davon , befindet. Der Batteriestrom
I kann z.B. über
den. mit einem zweiten Voltmeter 7 aufgenommenen Spannungsabfall
an einem Shunt-Widerstand 9 im Verbraucherkreis gemessen.
Dabei wird die Erfindung nachfolgend am Beispiel eines üblichen
Bleiakkumulators näher erläutert.To determine the state of charge according to the invention, the measurement of the physical quantities battery voltage U, battery temperature T and battery current I is used. For this, according to 1 from a battery 1 assumed that to a consumer 2 and / or at least one charger 3 , for example a generator in the form of a photovoltaic (PV) module, a diesel generator or the like is connected. Such circuit arrangements serve in a known manner, for example, the purpose, the electrical energy generated by a PV module in solar radiation to the consumer 2 supply or excess energy in the battery 1 save. The battery voltage U becomes after 1 between the poles 4a . 4b the battery 1 with a first voltmeter 5 measured. The battery temperature T is measured with a temperature sensor 6 measured, which is preferably in the acid bath of the battery 1 or a cell thereof. The battery current I can, for example, via the. with a second voltmeter 7 recorded voltage drop across a shunt resistor 9 measured in the consumer group. The invention is explained in more detail below using the example of a conventional lead accumulator.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung
des Ladezustands der Batterie 1 ergibt sich in seiner allgemeinsten
Form aus dem Ablaufdiagramm nach 2.
Als Meßgrößen dienen
der Batteriestrom I und die Batteriespannung U der Anordnung gemäß 1. Die Meßgrößen I und
U werden jeweils in ein zustandsunabhängig arbeitendes Modul eingelesen
und in diesem vorzugsweise durch Analog/Digital-Wandler in quasikontinuierliche
Größen verwandelt.
Alternativ wäre
aber auch eine kontinuierliche analoge Verarbeitung oder eine schrittweise,
z. B. in Abständen
von einigen Minuten erfolgende Ermittlung der Meßgrößen I und U möglich. Das
Modul 10 integriert den Batteriestrom I in einem Integrator 11 zeitlich
auf, um daraus eine momentane, zur Zeit t der Batterie entnommenen
Ladung zu bestimmen, die in ein Modul 12 gegeben und nachfolgend
als die "gemessene" entnommene Ladung QB bezeichnet wird. Die Integrationszeit t
im Integrator 11 wird dabei bei der jeweils letzten Volladung
der Batterie 1 gestartet. Bei der Integration wird ein
kleiner Fehler bei der Messung des Batteriestroms I durch die ständige Aufsummierung
in einen nicht mehr vernachlässigbaren
Fehler der gemessenen entnommenen Ladung QB übertragen.The method according to the invention for determining the state of charge of the battery 1 in its most general form follows from the flow chart 2 , The battery current I and the battery voltage U are used as measured variables in accordance with the arrangement 1 , The measured variables I and U are each read into a state-independent module and preferably converted into quasi-continuous variables in this module by means of analog / digital converters. Alternatively, however, would also be a continuous analog processing or a step by step, for. B. at intervals of a few minutes, the measurement variables I and U can be determined. The module 10 integrates the battery current I in an integrator 11 in order to determine a current charge taken from the battery at time t, which into a module 12 given and hereinafter referred to as the "measured" withdrawn charge Q B. The integration time t in the integrator 11 the last full charge of the battery 1 started. During the integration, a small error in the measurement of the battery current I is transferred by the constant summation into an error of the measured charge Q B that is no longer negligible.
Erfindungsgemäß wird die entnommene Ladung
daher nicht nur aus dem zeitlichen Verlauf des Batteriestroms I,
sondern auch in einem Modul 13 unter vorgewählten Bedingungen
mit Hilfe der Ruhespannung UR der Batterie 1 ermittelt.
Diese Ladung wird nachfolgend als die "aus der Ruhespannung UR ermittelte" entnommene Ladung
QR bezeichnet. Dabei wird von der Tatsache
Gebrauch gemacht, daß bei
den meisten wieder aufladbaren Batterien ein eindeutiger, meistens
linearer Zusammenhang zwischen der entnommenen Ladung und der im
stromlosen Zustand gemessenen Ruhespannung UR besteht.
Diese charakteristische Korrelation kann durch eine erste Kennlinie 14 (2) dargestellt werden, in der
die entnommene Ladung QR längs der
Ordinate und die Ruhespannung UR längs der
Abzisse abgetragen ist und die zwei ausgezeichnete Punkte aufweist,
nämlich
diejenige maximale Ruhespannung (beim Bleiakkumulator z.B. 2,1 V),
die sich nach dem Aufladen der Batterie auf die Nennkapazität, d.h.
bei QR = 0 ergibt, und diejenige minimale
Ruhespannung (beim Bleiakkumulator z.B. 1,96 V), die sich nach der Entnahme
der Nennkapazität,
d.h. bei Entladeschluß ergibt
(QR = CN = 100%).
Die Kennlinie 14 kann mit hinreichender Genauigkeit bereits
aus diesen beiden Wertepaaren berechnet oder, falls erforderlich,
auch aus einer Vielzahl von gemessenen Wertepaaren oder aus einer
Korrelation zwischen der Säuredichte und
der Ruhespannung UR genauer ermittelt werden.According to the invention, the charge removed is therefore not only from the time profile of the battery current I, but also in a module 13 under preselected conditions using the open circuit voltage U R of the battery 1 determined. This charge is referred to below as the "charge Q R " determined from the rest voltage U R. Use is made of the fact that with most rechargeable batteries there is a clear, mostly linear relationship between the charge removed and the no-load voltage U R measured in the de-energized state. This characteristic correlation can be determined by a first characteristic 14 ( 2 ) are shown, in which the removed charge Q R is plotted along the ordinate and the rest voltage U R along the abscissa and which has two excellent points, namely the maximum rest voltage (for the lead accumulator, for example 2.1 V) that occurs after charging of the battery to the nominal capacity, ie at Q R = 0, and the minimum no-load voltage (eg 1.96 V in the case of a lead accumulator), which results after the nominal capacity has been removed, ie at the end of discharge (Q R = C N = 100%) , The characteristic 14 can already be calculated with sufficient accuracy from these two pairs of values or, if necessary, can also be determined more precisely from a large number of measured pairs of values or from a correlation between the acid density and the no-load voltage U R.
Ein Problem bei dieser Methode der
Bestimmung der entnommenen Ladung QR besteht
darin, daß die
Ruhespannung UR ermittelt werden muß, was aufgrund
der elektrochemischen, in der Batterie ablaufenden Vorgänge meßtechnisch
nur selten möglich
ist, da hierfür
im allgemeinen nur die häufig von
der Ruhespannung abweichende Batteriespannung zur Verfügung steht.
Die Erfindung bedient sich hierzu eines Kunstgriffs. Es wurde festgestellt,
daß zumindest
bei kleinen Batterieströmen
I ein ausreichend definierter Zusammenhang zwischen dem Batteriestrom
und der Ruhespannung beispielsweise dann hergestellt werden kann,
wenn a) seit der letzten Aufladung der Batterie z. B. 10 % der Nennkapazität CN entnommen wurden, b) nur in Entladerichtung
fließende
und ausreichend kleine Batterieströme I berücksichtigt werden (vorzugsweise
I < I50,
d.h. kleiner als ein Strom, der die Batterie in 50 h bis zur Entladeschluß-Spannung
entlädt)
und c) nur solche Werte der Batteriespannung U verwendet werden, die
sich nach einer Wartezeit von z.B. 30 min bis 2 h ab Erreichen des
Stroms nach b) ergeben. Unter diesen vorgewählten Bedingungen läßt sich
für die
jeweilige Batterie eine zweite, im wesentlichen exponentiell ansteigende
Kennlinie 15 bestimmen, in der längs der Abzisse der Strom I
und längs
der Ordinate eine Spannung ΔU
abgetragen ist, die angibt, um wieviel die Ruhespannung UR bei einem gegebenen Batteriestrom I größer als
die gemessene Batteriespannung U ist. Außer den genannten vorgewählten Bedingungen
mögen auch
andere Bedingungen zur Bestimmung der Ruhespannung UR geeignet
sein, doch haben sich die genannten Bedingungen a) bis c) als vorteilhaft
und für
die Erfindung ausreichend brauchbar erwiesen.A problem with this method of determining the charge Q R removed is that the open circuit voltage U R has to be determined, which is only rarely possible from a measurement point of view due to the electrochemical processes taking place in the battery, since in general only the often open circuit voltage is used for this deviating battery voltage is available. The invention uses a trick for this. It was found that, at least for small battery currents I, a sufficiently defined relationship between the battery current and the no-load voltage can be established, for example, if a) z. B. 10% of the nominal capacity C N have been taken, b) only battery currents I flowing in the discharge direction and sufficiently small are taken into account (preferably I <I 50 , ie less than a current which discharges the battery in 50 h to the end of discharge voltage) and c) only those values of the battery voltage U are used which result after a waiting time of, for example, 30 minutes to 2 hours after reaching the current according to b). Under these preselected conditions, a second, essentially exponentially increasing characteristic curve can be obtained for the respective battery 15 determine in which along the abscissa the current I and along the ordinate a voltage .DELTA.U is plotted, which indicates by how much the rest voltage U R is greater than the measured battery voltage U for a given battery current I. In addition to the preselected conditions mentioned, other conditions may also be suitable for determining the no-load voltage U R , but the conditions a) to c) mentioned have proven to be advantageous and sufficiently useful for the invention.
Das Eintreten der vorgewählten Bedingungen
wird vorzugsweise mit Hilfe eines eingangsseitig im Modul 13 vorgesehenen
Filterkreises 16 überprüft, der
z. B. als logischer Operator ausgebildet ist und beim Eintritt der
vorgewählten
Bedingungen rechentechnische Vorgänge im Modul 13 in
Gang setzt, insbesondere an seinem Ausgang die gemessenen Batteriespannungen
und -ströme
abgibt. Dabei kann das Eintreten der Bedingung a) z.B. dadurch ermittelt werden,
daß ein
dem Integrator 11 ähnlicher
Integrator zur Ermittlung einer Größe ∫Idt verwendet wird, der bei
jedem Vorzeichenwechsel des Batteriestroms auf Null zurückgesetzt
wird, wobei über
eine Überprüfung des
Vorzeichens des Batteriestroms I sichergestellt werden kann, daß sich die
Batterie 1 im Entladezustand befindet. Wird dann ein Wert ∫Idt erreicht,
der größer als
0,1 CN ist, ist die Bedingung a) erfüllt. Der
Eintritt der Bedinungen b) und c) kann dagegen mittels einer einfachen
Strom- und Zeitmessung festgestellt werden.The occurrence of the preselected conditions is preferably checked with the help of an input in the module 13 provided filter circuit 16 checked the z. B. is designed as a logical operator and re when the preselected conditions occur technical processes in the module 13 sets in motion, in particular outputs the measured battery voltages and currents at its output. The occurrence of condition a) can be determined, for example, in that the integrator 11 Similar integrator is used to determine a variable ∫Idt, which is reset to zero each time the sign of the battery current changes, whereby a check of the sign of the battery current I can ensure that the battery 1 is in the discharged state. If a value ∫Idt is then reached which is greater than 0.1 C N , the condition a) is fulfilled. The occurrence of conditions b) and c), however, can be determined by means of a simple current and time measurement.
Ist festgestellt worden, daß die vorgewählten Bedinungen
vorliegen, wird mit Hilfe des gemessenen Batteriestroms I oder eines über einige
Minuten ermittelten Mittelwerts davon zunächst die zugehörige Differenzspannung ΔU bestimmt.
Diese wird in einer Addierstufe 17 zur Batteriespannung
U oder zu einem über
einige Minuten ermittelten Mittelwert davon addiert. An einem Ausgang 18 der
Addierstufe 17 wird die Ruhespannung UR abgenommen.
Mit dieser Ruhespannung UR wird dann aus
der ersten, z.B. in einem elektrischen Chip gespeicherten Kennlinie 14 die
entnommene Ladung QR errechnet, die ebenfalls dem
Modul 12 zugeführt
wird.If it has been determined that the preselected conditions are present, the associated differential voltage .DELTA.U is first determined with the aid of the measured battery current I or an average value determined over a few minutes. This is done in an adding stage 17 added to the battery voltage U or to an average of it determined over a few minutes. At an exit 18 the adder 17 the open circuit voltage U R is removed. With this open-circuit voltage U R , the first characteristic curve, for example stored in an electrical chip, then becomes 14 the charge Q R removed, which is also calculated by the module 12 is fed.
Die Ladung QR wird
im Modul 12 zur Korrektur der Ladung QB bzw.
zur Ermittlung einer "korrigierten" entnommenen Ladung
QU verwendet. Hierbei wird davon ausgegangen,
daß die
aus der Ruhespannung UR ermittelte Ladung
QR zwar vergleichsweise genau der tatsächlich entnommenen
Ladung entspricht, aber wegen der vorgewählten Bedingungen nur vergleichsweise
selten berechnet werden kann, weil der Batteriestrom I in Entladerichtung meistens
größer als
I50 ist. Bei der anhand der 1 beschriebenen Schaltungsanordnung treten
die vorgewählten
Bedingungen z.B. in den Nachtstunden ein, in denen das z.B. aus
einem PV-Modul bestehende Ladegerät 3 inaktiv ist und
normalerweise nur geringe Mengen an Energie verbraucht werden, z.
B. um bei einem Inselbetrieb in einem Krankenhaus eine Nachtbeleuchtung
aufrecht zu erhalten. Ändert sich
während
der Nachtstunden die Ladung QR nur wenig,
kann durch schaltungstechnische Maßnahmen auch vorgesehen werden,
den jeweils letzten Wert QR während des
Vorliegens der vorgewählten Bedingungen
in den Modul einzugeben.The charge Q R is in the module 12 used to correct the charge Q B or to determine a "corrected" removed charge Q U. Here, it is assumed that the charge Q R determined from the rest voltage U R corresponds Although comparatively accurately the actual charge drawn but can rarely be calculated only comparatively because of the pre-selected conditions, because the battery current I in the unloading direction is usually greater than I fiftieth When using the 1 Described circuit arrangement, the preselected conditions occur, for example, at night, when the charger consisting of a PV module, for example 3 is inactive and normally only small amounts of energy are used, e.g. B. to maintain night lighting in an island operation in a hospital. If the charge Q R changes only slightly during the night, circuitry measures can also be used to enter the last value Q R in the module during the preselected conditions.
Die erfindungsgemäße Korrektur der Werte QB mit den Werten QR erfolgt
gemäß 2 dadurch, daß in einer
ersten Subtrahierstufe 19 die Differenz zwischen QB und QR gebildet
und die erhaltene Differenz dann in einen elektronischen Speicher 20 eingelesen
wird. Diese Eingabe erfolgt nur solange, wie die vorgewählten Bedingungen
vorliegen und QR-Werte aktuell ermittelt
werden. Mit anderen Worten bleibt die in den Speicher 20 eingegebene
Differenz (QB – QR)
solange erhalten, bis aus der ersten Kennlinie .14 ein neuer Wert
für QR berechnet und dem Modul 12 zugeführt wird.
Außerdem
wird in einer zweiten Subtrahierstufe 21 die Differenz
aus QB und dem im Speicher 21 befindlichen
Wert gebildet und an einem Ausgang 22 des Moduls 12 als
korrigierte entnommene Ladung QU abgegeben.
Das bedeutet, daß QU immer dann auf den Wert QR gesetzt
wird, wenn am entsprechenden Eingang des Moduls 12 ein
neuer Wert für QR erscheint, z.B. einmal pro Nacht, wohingegen
in den übrigen
Zeiten permanent der zuletzt in den Speicher 20 eingegebene
Wert von QB subtrahiert wird. Dadurch wird
der in der Ladung QB enthaltene Meßfehler
praktisch auf einen Fehler begrenzt, der sich zwischen zwei Berechnungen
für die
Ladung QR, d.h. z.B. innerhalb von 24 h
ergeben kann. Während der
dazwischen liegenden Zeitspannen nehmen dagegen sowohl die Ladung
QB als auch der Fehler entsprechend dem
Integral j Idt zu; wobei zu beachten ist, daß die korrigierte entnommene
Ladung QU trotz der von Zeit zu Zeit erfolgenden
Korrektur im Ausfüh rungsbeispiel
eine quasikontinuierlich oder kontinuierlich erscheinende Größe ist.The correction of the values Q B according to the invention with the values Q R takes place in accordance with 2 in that in a first subtraction stage 19 the difference between Q B and Q R is formed and the difference obtained then in an electronic memory 20 is read. This entry is only made as long as the preselected conditions exist and Q R values are currently being determined. In other words, it stays in memory 20 Enter the entered difference (Q B - Q R ) until a new value for Q R is calculated from the first characteristic .14 and the module 12 is fed. In addition, in a second subtraction stage 21 the difference between Q B and that in memory 21 located value and at an output 22 of the module 12 delivered as corrected removed charge Q U. This means that Q U is always set to the value Q R when at the corresponding input of the module 12 A new value for Q R appears, for example once per night, whereas in the remaining times the last one is permanently in the memory 20 entered value is subtracted from Q B. As a result, the measurement error contained in the charge Q B is practically limited to an error which can arise between two calculations for the charge Q R , ie for example within 24 hours. During the intervening periods, however, both the charge Q B and the error increase according to the integral j Idt; It should be noted that the corrected removed charge Q U, despite the correction from time to time in the exemplary embodiment, is a quasi-continuous or continuously appearing variable.
Die korrigierte entnommene Ladung
QU wird einem z.B. numerisch arbeitenden
Modul 23 zugeführt
und in diesem mit dem bekannten Wert für die Nennkapazität CN zur Ermittlung eines Ladezustands gemäß der Formel benutzt.The corrected removed charge Q U is, for example, a numerically working module 23 supplied and in this with the known value for the nominal capacity C N to determine a state of charge according to the formula used.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
nicht zu einer Ladungsänderung
führende
Strombeiträge,
die sich u.a. aus einer Gasung ergeben, vom Batteriestrom I abgezogen
werden. Hierzu wird in dem Modul 10 aus der Batteriespannung
U und der ebenfalls zugeführten
Batterietemperatur T, für
die vorzugsweise die Temperatur des Säurebades der Batterie 1 genommen
wird, mit Hilfe eines numerischen Operators 24 ein Gasungsstrom
IG ermittelt und in einer Subtrahierstufe 25 vom
Batterie strom I abgezogen. Dieser Gasungsstrom IG wird
im numerischen Operator 24 mittels einer theoretisch ermittelten,
spannungs- und temperaturabhängigen,
exponentiellen Formel (vgl. 2,
Operator 24) unter Festlegung von Konstanten U0,
T0, K1, K2 und eines Vorfaktors IGo,
dem sogenannten normierten Gasungsstrom, errechnet. Ein dadurch
erhaltener Differenzstrom ID beschreibt
die elektrochemischen Ladungsumwandlungsprozesse besser als der
gemessene Batteriestrom I. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird der Integrator 11 durch einen Integrator 26 (2) ersetzt, der die zeitliche
Integration des Differenzstrom ID durchführt und
daraus die dem Modul 12 zugeführte, gemessene entnommene
Ladung QB bestimmt. Im Unterschied zur zuerst
beschriebenen Variante wird daher zur Bestimmung der Ladung QB der Batteriestrom I durch den Differenzstrom
ID ersetzt.In a preferred embodiment of the present invention, current contributions that do not lead to a charge change, which result, inter alia, from gassing, can be subtracted from the battery current I. This is done in the module 10 from the battery voltage U and the likewise supplied battery temperature T, for which preferably the temperature of the acid bath of the battery 1 is taken with the help of a numerical operator 24 a gassing current I G is determined and in a subtraction stage 25 subtracted from the battery current I. This gassing current I G is in the numerical operator 24 using a theoretically determined, voltage and temperature dependent, exponential formula (cf. 2 , Operator 24 ) with the determination of constants U 0 , T 0 , K 1 , K 2 and a pre-factor I Go , the so-called standardized gassing flow. A differential current I D obtained in this way describes the electrochemical charge conversion processes better than the measured battery current I. In this preferred embodiment of the invention, the integrator 11 by an integrator 26 ( 2 ), which carries out the time integration of the differential current I D and from that the module 12 supplied, measured removed charge Q B determined. In contrast to the variant described first, the battery current I is therefore replaced by the differential current I D in order to determine the charge Q B.
In einem zweiten, in 3 anhand eines Ablaufdiagramms dargestellten
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung werden mit Hilfe eines weiteren Moduls 30 weitere
Größen zur
Korrektur des Batteriestroms I und anderer Größen ermittelt bzw. zur Anpassung
einer Schaltungsanordnung, die zur Durchführung des Ablaufdiagramms nach 2 geeignet ist, an sich
möglicherweise
verändernde Batteriebedingungen
verwendet. Im Modul 30 wird dazu der Volladezustand der
Batterie ausgenutzt. Ein solcher Vollladezustand tritt allerdings
insbesondere bei Batterien mit photovoltaischen Ladegeräten 3 unter
Umständen
nur selten auf. Typische Zeiträume zwischen
zwei Volladezuständen
betragen hier von zwei bis drei Wochen bis zu zwei bis drei Monaten. Somit
können
an eine Volladung geknüpfte
Korrekturen die in den Zwischenzeiten zwischen zwei Volladungen
anfallenden Fehler bei der Bestimmung der momentanen entnommenen
Ladung nur bedingt korrigieren.In a second, in 3 With the help of a further module, the exemplary embodiment of the present invention that is illustrated on the basis of a flow diagram 30 other variables for correcting the battery current I and other variables are determined or for adapting a circuit arrangement, which is used to carry out the flowchart according to 2 is suitable, used to possibly changing battery conditions. In the module 30 the fully charged state of the battery is used for this. Such a fully charged state occurs, in particular, in batteries with photovoltaic chargers 3 may be rare. Typical periods between two full charge states here range from two to three weeks to two to three months. Corrections linked to a full charge can only partially correct the errors occurring in the meantime between two full charges when determining the current charge removed.
Im Modul 30 wird zunächst mittels
eines Filterkreises 31 anhand der Meßwerte für den Batteriestrom I und die
Batteriespannung U überprüft, wann ein
Volladezustand erreicht ist. Dies gilt je nach Art des verwendeten
Ladegeräts 3 (1) z.B. dann, wenn eine
vorgegebene Batterie-(Lade-)Spannung (z.B. 2,23 V) überschritten
und ein vorgewählter
Batterie-Lade-Strom (z.B. 3 A bei einer Nennkapazität von 100
Ah) unterschritten ist und diese Bedinungen eine vorgewählte Zeitlang
von z.B. 5 h erhalten bleiben. Wird der Vollladezustand auf diese
Weise erkannt, wird angenommen, daß die Batterie zu 100 aufgeladen
ist. Daher wird an einem Ausgang des Filterkreises 31 ein
Wert ausgegeben, der dem Ladezustand "voll" und
im Ausführungsbeispiel
Q = 0 entspricht, da im vollgeladenen Zustand die entnommene Ladung
definitionsgemäß Null ist.
Denselben Wert müßte jetzt
QB aufweisen. Trifft dies nicht zu, ergibt sich
in einer Subtrahierstufe 32 eine Differenzladung QDiff, die als Maß für die Güte der gemessenen Ladung QB beurteilt und dazu benutzt wird, den Maßfehler
für den
Batteriestrom I abzuschätzen.
Ist beispielsweise QDiff = 10 Ah und beträgt die Zeitspanne seit
der letzten Volladung 50 h, dann kann daraus ein Maßfehler
für I von
0,2 A abgeleitet werden. Dieser Maßfehler wird in einer Dividierstufe 33 errechnet und
einem zweckmäßig als
Schieberegister ausgebildeten elektronischen Speicher 34 zugeführt, in dem
beispielsweise die letzten fünf
für QDiff/t ermittelten Werte gespeichert werden.
Aus diesen Werten wird in einem numerischen Operator 35 ein
Mittelwert für
die im Speicher 34 vorhandenen Werte QDiff/t
berechnet, und dieser Mittelwert wird an einem Ausgang des Operators 35 als
Kompensationsstrom IK ausgegeben, der für den Zeitabschnitt
bis zur nächsten
Volladung unverändert
bleibt.In the module 30 is first by means of a filter circuit 31 on the basis of the measured values for the battery current I and the battery voltage U, it checks when a fully charged state has been reached. This applies depending on the type of charger used 3 ( 1 ) e.g. when a specified battery (charging) voltage (e.g. 2.23 V) is exceeded and a pre-selected battery charging current (e.g. 3 A with a nominal capacity of 100 Ah) is undershot and these conditions for a preselected time of eg remain for 5 hours. If the fully charged state is recognized in this way, it is assumed that the battery is charged to 100. Therefore, at an output of the filter circuit 31 a value is output which corresponds to the "fully" state of charge and in the exemplary embodiment corresponds to Q = 0, since the charge removed is by definition zero in the fully charged state. Q B should now have the same value. If this is not the case, there is a subtraction step 32 a differential charge Q Diff , which is assessed as a measure of the quality of the measured charge Q B and is used to estimate the dimensional error for the battery current I. For example, if Q Diff = 10 Ah and the time span since the last full charge is 50 h, then a dimensional error for I of 0.2 A can be derived. This dimensional error is in a dividing stage 33 calculated and an electronic memory designed as a shift register 34 supplied in which, for example, the last five values determined for Q Diff / t are stored. These values are converted into a numeric operator 35 an average of those in memory 34 existing values Q Diff / t are calculated, and this mean is taken at an output of the operator 35 output as compensation current I K , which remains unchanged for the period up to the next full charge.
Das Modul 10 enthält bei diesem
Beispiel zweckmäßig anstelle
des Integrators 26 (2)
einen Integrator 36, wobei zwischen dessen Eingang 15 und
die Subtrahierstufe 25 nach 2 eine
weitere Subtrahierstufe 37 geschaltet ist, durch die dem
Integrator 36 die Differenz IH aus
dem Strom ID und dem Strom IK zugeführt wird.
In diesem Fall wird die gemessene entnommene Ladung QB daher
aus dem Integral ∫ IHdt erhalten, wobei IH =
I – IG – IK ist. Alternativ könnte QB natürlich auch
ohne Anwendung von IG aus einer Differenz
von I und IK ermittelt werden, wobei für IK anstelle eines Mittelwerts auch der nach
irgendeiner Volladung in der Dividierstufe 33 ermittelte Wert
verwendet werden könnte.
Außerdem
wird bei allen genannten Ausführungsformen
vorzugsweise ein mit dem Filterkreis 31 synchronisierter
Impulsgeber 38 dazu verwendet, immer dann einen Rücksetzimpuls
für den
Integrator 36 zu erzeugen, der den Wert des Integrators 36 auf
Null setzt, wenn eine Volladung erkannt wurde.The module 10 In this example it is useful to replace the integrator 26 ( 2 ) an integrator 36 , between its entrance 15 and the subtraction level 25 to 2 another subtraction level 37 is switched by the integrator 36 the difference I H from the current I D and the current I K is supplied. In this case, the measured charge Q B is therefore obtained from the integral ∫ I H dt, where I H = I - I G - I K. Alternatively, of course, Q B could also be determined without using I G from a difference between I and I K , with I K instead of a mean value being also that after any full charge in the divider stage 33 determined value could be used. In addition, in all the embodiments mentioned, one with the filter circuit is preferred 31 synchronized pulse generator 38 used to always reset the integrator 36 to generate the value of the integrator 36 sets to zero when a full charge has been detected.
Mit Hilfe des Operators 35 wird
aus den im Speicher 34 vorhandenen Werten vorzugsweise
außerdem
eine Standardabweichung IS für die Werte QDiff/t errechnet, die ein Maß für die Schwankung
des Kompensationsstroms IK ist. Die Standardabweichung
IS wird im Modul 10 mittels eines
weiteren Integrators 39 nach der Zeit integriert, dessen
Ausgang somit eine Kenngröße SB liefert, die ein Maß für die Ungenauigkeit des Maßwerts für die entnommene Ladung
QB ist. Es kann nämlich davon ausgegangen werden,
daß der
Fehler für
die gemessene entnommene Ladung QB um so
größer ist,
je stärker
die Werte QDiff/t schwanken und um so größer daher
die im Operator 35 ermittelten Werte für die Standardabweichung IS sind. Ideal wäre IS =
SB = 0, d.h. QDiff/t
= 0. Die Kenngröße SB wird gemäß 3 einerseits den Modulen 12 und 23,
andererseits einem weiteren Modul 41 zugeführt, wobei
zu beachten ist, daß bei
jeder Volladung ein neuer Wert für
IS erscheint und der Integrator 39 durch
den Impulsgenerator 38 bei jeder Volladung auf Null zurückgesetzt
wird.With the help of the operator 35 becomes from the in memory 34 existing values preferably also calculates a standard deviation I S for the values Q Diff / t, which is a measure of the fluctuation of the compensation current I K. The standard deviation I S is in the module 10 by means of another integrator 39 integrated after the time, the output of which thus supplies a parameter S B , which is a measure of the inaccuracy of the measurement value for the charge Q B removed. It can be assumed that the error for the measured charge Q B is greater, the more the values Q Diff / t fluctuate and therefore the greater that in the operator 35 determined values for the standard deviation I S are. Ideally, I S = S B = 0, ie Q Diff / t = 0. The parameter S B is according to 3 on the one hand the modules 12 and 23 , on the other hand another module 41 supplied, it should be noted that with each full charge a new value for I S appears and the integrator 39 through the pulse generator 38 is reset to zero with each full charge.
Im Modul 30 kann schließlich auch
eine Anpassung des normierten Gasungsstroms IGo an
die tatsächlichen
Verhältnisse
vorgenommen werden. Hierzu wird z.B. davon ausgegangen, daß am Schluß der für die Erkennung
des Volladezustands gewählten
Wartezeit von z.B. 5 h nur noch ein Restladestrom fließt, der
voll für
die Gasung verantwortlich ist. Für
diesen Fall ist daher der Batteriestrom I gleich dem Gasungsstrom
IG, so daß aus I, der dabei gemessenen
Batteriespannung U und der Batterietemperatur T mittels der in 2 im Operator 24 angegebenen
Formel für
IG der normierte Gasungsstrom IGo berechnet
werden kann, was z.B. in 3 in
einem numerischen, an den Filterkreis 31 angeschlossenen Operator 42 erfolgt.
Der auf diese Weise erhaltenen Wert für IGo wird über eine
elektrische Leitung 43 dem Modul 24 zugeführt, um
in diesem den bei der letzten Volladung ermittelten Wert von IGo zu ersetzen. Dabei kann in die Leitung 43 nach
ein elektronischer Baustein 44 in Form eines Tiefpaßfilters
oder dgl. geschaltet sein, der zu große Schwankungen oder Absolutwerte
von IGo vermeidet bzw. begrenzt, die aufgrund
der besonders kleinen Ströme
im Volladezustand und der daraus resultierenden großen Meßfehler
auftreten können.In the module 30 Finally, the standardized gassing current I Go can also be adapted to the actual conditions. For this purpose, it is assumed, for example, that at the end of the waiting time of, for example, 5 hours selected for the detection of the fully charged state, only a residual charging current flows which is fully responsible for the gassing. In this case, the battery current I is therefore equal to the gassing current I G , so that from I, the battery voltage U measured here and the battery temperature T by means of the in 2 in the operator 24 specified formula for I G the normalized gassing current I Go can be calculated, which, for example, in 3 in a numerical, to the filter circuit 31 connected operator 42 he follows. The value for I Go obtained in this way is via an electrical line 43 the module 24 supplied in order to replace the value of I Go determined in the last full charge. It can be in the line 43 after an electronic component 44 be switched in the form of a low-pass filter or the like, which avoids or limits excessive fluctuations or absolute values of I Go , due to the particularly small currents in the full charge stood and the resulting large measurement errors can occur.
Im übrigen kann vorgesehen sein,
einen Volladezustand bereits dann anzunehmen, wenn die Batterie
z. B. erst auf 95 % oder irgendeinen anderen Wert aufgeladen ist,
da eine 100%ige Volladung je nach der Schaltungsanordnung, in der
die Batterie 1 (1)
angewendet wird, unter Umständen
nie oder zu selten erreicht wird. Je nach Fall sind dann im Filterkreis 31 andere
Bedingungen für
das Erkennen eines Volladezustands festzulegen bzw. an seinem Ausgang
Ladungswerte anzugeben, die dem noch nicht voll aufgeladenen Zustand
der Batterie Rechnung tragen und daher z.B. einem Wert QB = 0,05 CN oder
dgl. entsprechen.In addition, it can be provided to assume a fully charged state when the battery, for. B. is only charged to 95% or any other value, since a 100% full charge depending on the circuit arrangement in which the battery 1 ( 1 ) is used, may never be reached or may be achieved too rarely. Depending on the case, are then in the filter circuit 31 to define other conditions for the detection of a fully charged state or to indicate at its output charge values which take into account the not yet fully charged state of the battery and therefore correspond, for example, to a value Q B = 0.05 C N or the like.
Gemäß einer weiteren Variante der
Erfindung ist vorgesehen, auch die erste Kennlinie 14 von Zeit
zu Zeit an die u. U. veränderten
Verhältnisse
der Batterie anzupassen. Hierzu dient das Modul 41, das je
einen Eingang aufweist, dem die vom Modul 10 abgegebenen
QB-Werte und die vom Modul 13 abgegebenen
UR-Werte zugeführt werden, und der einen dritten
Eingang zur Aufnahme der SB-Werte aufweist. Dabei
ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß das Modul 41 mittels
eines Filterkreises 45 nur dann aktiviert wird, wenn die
Kenngröße SB kleiner als ein vorgewählter Wert, z. B, kleiner als
10 % . der gemessenen entnommenen Ladung QB ist.
Für diesen
Fall wird angenommen, daß die
Meßwerte
für die gemessene
entnommene Ladung QB den Ladezustand vergleichsweise
gut beschreiben. Anstelle der Kenngröße SB kann
auch irgendeine andere Kenngröße zur Beschreibung
der Ungenauigkeit der gemessenen Ladung QB verwendet
werden.According to a further variant of the invention, the first characteristic curve is also provided 14 from time to time the u. U. to adapt to changing battery conditions. The module is used for this 41 , each with an input to which the module 10 delivered Q B values and those of the module 13 emitted U R values are supplied, and which has a third input for recording the S B values. The arrangement is preferably such that the module 41 by means of a filter circuit 45 is only activated if the parameter S B is smaller than a preselected value, e.g. B, less than 10%. measured charge Q B is. In this case, it is assumed that the measured values for the measured charge Q B measured describe the state of charge comparatively well. Instead of the parameter S B , any other parameter can be used to describe the inaccuracy of the measured charge Q B.
Das Modul 41 enthält einen
Speicher/Schieberegister-Baustein 46, der z.B. jeweils
sechs Wertepaare QB/UR aufnehmen
kann. Dabei muß einerseits die
Kenngröße SB die gestellte Bedingung (z. B. < 10 % ) erfüllen, andererseits
müssen
die oben erläuterten,
für die
Ermittlung von UR maßgeblichen Bedingungen erfüllt sein.
Wird mit dem obigen Beispiel angenommen, daß einmal pro Nacht ein Wert
für UR ermittelt wird, kann daher jede Nacht auch
ein Wertepaar aus diesem UR und dem zugehörigen, gemessenen
QB gebildet und in den Baustein 46 eingegeben werden.
Dabei wird der Baustein 46 außerdem
so aufgebaut, daß beim
Eingeben eines neuen Wertepaars QB/UR das jeweils älteste Wertepaar aus dem Schieberegister
entfernt wird. Allerdings bleibt das Modul 41 im beschriebenen Ausführungsbeispiel
nur so viele, Nächte
nach einer Volladung aktiv, wie z.B. SB < 0,1 QB ist.The module 41 contains a memory / shift register block 46 , which can hold six pairs of values Q B / U R , for example. On the one hand, the parameter S B must meet the condition (e.g. <10%), on the other hand, the conditions explained above, which are decisive for the determination of U R, must be fulfilled. If it is assumed with the above example that a value for U R is determined once a night, a pair of values can therefore also be formed each night from this U R and the associated measured Q B and into the module 46 can be entered. Module 46 is also constructed such that when a new value pair Q B / U R is entered, the oldest pair of values is removed from the shift register. However, in the exemplary embodiment described, the module 41 remains active only as many nights after a full charge as, for example, S B <0.1 Q B.
Vor dem Eintreffen des ersten Wertepaars QB/UR sind im Baustein 46 beispielsweise
nur diejenigen zur Festlegung der ersten Kennlinie 14 maßgeblichen
Wertepaare gespeichert. die sich bei Volladung auf die Nennkapazität CN bzw. nach Entnahme der vollen Nennkapazität ergeben,
d.h. die die maximale bzw. minimale Ruhespannung enthalten. Aus diesen
Wertepaaren wird eine Gerade berechnet. Werden neue Wertepaare QB/UR in den Baustein 46 übernommen,
wird diese Gerade in einer Berechnungseinheit 47 anhand
der insgesamt in Baustein 46 befindlichen Wertepaare neu
berechnet, bis schließlich
eine nur aus Wertepaaren QB/UR gebildete,
d.h. nach Art einer Regressionsgeraden ermittelte Gerade vorliegt.
Aus dieser Geraden werden in der Berechnungseinheit 47 z.B.
die Steigung der Geraden und das Wertepaar für die Ruhespannung und die
zugehörige
Ladung bei Entladeschluß berechnet, um
mit diesen die Kennlinie 14 ständig nachzuführen. Das
hat dann zur Folge, daß die
Werte für
die aus der Ruhespannung UR abgeleitete
entnommene Ladung QR letztlich einer Kennlinie 14 entnommen
werden, die mit Hilfe der gemessenen Ladungen QB unter
der Voraussetzung ermittelt wurde, daß diese Werte eine hohe Genauigkeit
besitzen. Eine derartige Nachführung
der Kennlinie 14 ist allerdings nur vergleichsweise selten,
d.h. zu Zeitpunkten möglich,
zu denen die vorgewählten
Bedingungen (Filterkreis 16) vorliegen. Zwischen diesen
Zeitpunkten bleibt die erste Kennlinie 14 unverändert. In
Zeiten mit vielen, in kurzen Abständen erfolgenden Volladungen
ist dagegen davon auszugehen, daß die Kennlinie 14 vergleichsweise genau
den tatsächlichen
Verhältnissen
entspricht.Before the arrival of the first pair of values Q B / U R are in the block 46 for example, only those for defining the first characteristic 14 relevant pairs of values saved. which result from full charge to the nominal capacity C N or after removal of the full nominal capacity, ie which contain the maximum or minimum open circuit voltage. A straight line is calculated from these pairs of values. Are new value pairs Q B / U R in the block 46 this straight line is adopted in a calculation unit 47 based on the total in building block 46 existing value pairs are recalculated until finally there is a straight line formed only from value pairs Q B / U R , ie determined in the manner of a regression line. This straight line becomes the calculation unit 47 For example, the slope of the straight line and the pair of values for the no-load voltage and the associated charge at the end of discharge are calculated in order to use them to generate the characteristic curve 14 constantly track. This then has the result that the values for the deduced from the rest voltage U R taken charge Q of a characteristic curve ultimately R 14 can be taken, which was determined with the aid of the measured charges Q B under the condition that these values have a high accuracy. Such a tracking of the characteristic 14 is, however, only comparatively rare, ie possible at times when the preselected conditions (filter circuit 16 ) are available. The first characteristic curve remains between these times 14 unchanged. In contrast, at times with many full loads occurring at short intervals, it can be assumed that the characteristic curve 14 corresponds comparatively exactly to the actual conditions.
Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Regressionsanalyse
für die
Kennlinie 14 besteht darin, daß durch sie Alterungseffekte
der Batterie 1 berücksichtigt
werden können.
Bei einem Bleiakkumulator beispielsweise hat die Bildung von Bleisulfatkristallen
eine ineversible Reduzierung der für elektrische Umsätze zur
Verfügung
stehenden Ionen und eine Reduzierung der Kapazität zur Folge. Die zugehörige erste
Kennlinie 14 verläuft
dann weniger steil. In der Berechnungseinheit 47 kann aus
der veränderten
Steigung und dem für
den Entladeschluß berechneten
Wertepaar QB/UR die
neue, aufgrund der Alterung maximal noch erreichbare Kapazität errechnet werden.
Erfindungsgemäß wird diese
veränderte Nennkapazität ständig berechnet
und an einem Ausgang der Berechnungseinheit 47 als aktuelle
Nennkapazität
Ca ausgegeben. Vorzugsweise wird die Kapazität Ca dem Modul 23 zugeführt und
in diesem anstelle der ursprünglich
vorhandenen Nennkapazität CN zur Berechnung des Ladezustands verwendet.
In der Berechnungseinheit 47 wird schließlich auch
eine Standardabweichung für
diejenigen Werte der gemessenen entnommenen Ladungen QB ermittelt,
die zur Berechnung der Regressionsgeraden verwendet werden. Diese
Standardabweichung wird in Form einer Kenngröße SR,
die ein Maß für die Ungenauigkeit der
Ladungen QB in der Regressionsgeraden ist,
dem Modul 12 zugeführt
und in diesem zur Korrektur der Kenngröße SB verwendet.
Analog zur Korrektur der gemessenen Ladung QB handelt
es sich bei der Kenngröße SB um eine quasikonstante oder in kurzen Zeitabständen erhaltene
Größe. Dagegen
wird die Kenngröße SR immer nur dann ausgegeben, wenn einerseits
auch ein neuer Wert für
QR ausgegeben wird, d.h. z. B. einmal pro
Nacht, und wenn andererseits die gewählten Bedingungen für die Kenngröße SB erfüllt
sind.A particular advantage of the regression analysis described for the characteristic 14 is that it causes aging effects of the battery 1 can be taken into account. In the case of a lead accumulator, for example, the formation of lead sulfate crystals results in an irreversible reduction in the ions available for electrical conversions and a reduction in the capacity. The associated first characteristic 14 then runs less steep. In the calculation unit 47 can be calculated from the changed slope and the value pair Q B / U R calculated for the end of discharge, the new maximum achievable due to aging. According to the invention, this changed nominal capacity is continuously calculated and at an output of the calculation unit 47 output as the current nominal capacity C a . The capacitance C a is preferably the module 23 supplied and used in this instead of the original nominal capacity C N to calculate the state of charge. In the calculation unit 47 Finally, a standard deviation is also determined for those values of the measured charges Q B that are used to calculate the regression line. This standard deviation is given to the module in the form of a parameter S R , which is a measure of the inaccuracy of the charges Q B in the regression line 12 supplied and used in this to correct the characteristic variable S B. Analogous to the correction of the measured charge Q B , the parameter S B is a quasi-constant variable or a variable obtained at short time intervals. In contrast, the parameter S R is only ever output if, on the one hand, a new value for Q R is also output, that is to say, once per night, and if on on the other hand, the selected conditions for the parameter S B are met.
Die Korrektur im Modul 12 erfolgt
dadurch, daß in
einer ersten Subtrahierstufe 48 die Differenz aus SB und SR gebildet
und diese Differenz in einen elektronischen Speicher 49 eingelesen
wird, während
in einer zweiten Subtrahierstufe 50 die Differenz aus SB und dem gespeicherten, wie QR z.B.
nur einmal pro Nacht veränderten
Wert von SR gebildet wird. Die zuletzt genannte
Differenz wird an einem Ausgang 51 des Moduls 12 als
korrigierte Kenngröße SU ausgegeben und dem Modul 23 zugeführt. Immer wenn
QB mit einem neuen Wert von QR verglichen wird,
passiert dasselbe mit SB und SR.
Daher läßt sich die
korrigierte Kenngröße SU wie die korrigierte Ladung QU als
eine sägezahnartige
Kurve beschreiben, die beim Erscheinen eines neuen Wertes für QR auf die Größe von SR zurückgesetzt
wird und bis zur Bildung des nächsten
Wertes von QR mit der Zeit ansteigt. Zu
berücksichtigen
ist dabei jedoch, daß sich der
Wert von SR nur ändern kann, solange SB den gestellten Bedingungen genügt. Sind
diese Bedingungen bei einem Vergleich von Q$ mit QR nicht
erfüllt, wird
weiterhin der zuletzt erhaltene SR-Wert
verwendet.The correction in the module 12 takes place in that in a first subtraction stage 48 the difference is formed from S B and S R and this difference in an electronic memory 49 is read in while in a second subtraction stage 50 the difference between S and B to the stored as Q R, for example, only once per night changed value of R S is formed. The latter difference is at an output 51 of the module 12 output as corrected parameter S U and the module 23 fed. Whenever Q B is compared to a new value of Q R , the same thing happens with S B and S R. Therefore, the corrected parameter S U, like the corrected charge Q U, can be described as a sawtooth-like curve, which is reset to the size of S R when a new value for Q R appears and over time until the next value of Q R is formed increases. However, it should be taken into account that the value of S R can only change as long as S B meets the conditions. If these conditions are not met when comparing Q $ with Q R , the most recently obtained S R value will continue to be used.
Die Berechnung des Ladezustands L
im Modul 23 erfolgt in Abhängigkeit davon, welche der
Größen QB, QU, SB,
SU, CN und Ca im Einzelfall verwendet werden. Im einfachsten
Fall wird, wie oben erläutert, L
aus CN und QU berechnet
(2). Dabei kann alternativ
anstatt CN der Wert Ca verwendet
werden (3), so daß dann gilt.The calculation of the state of charge L in the module 23 takes place depending on which of the quantities Q B , Q U , S B , S U , C N and C a are used in individual cases. In the simplest case, as explained above, L is calculated from C N and Q U ( 2 ). Alternatively, the value C a can be used instead of C N ( 3 ), so that then applies.
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit besteht
darin, den Ladezustand nach der Formel
zu berechnen, wobei gilt.Another possibility according to the invention is the state of charge according to the formula to calculate where applies.
Hierdurch wird ein mit den Kenngrößen SB und SU gewichteter
Mittelwert aus der gemessenen entnommenen Ladung QB und
der korrigierten entnommenen Ladung QU verwendet.
Dadurch wird zur Bildung von QBU überwiegend
immer derjenige der beiden Werte von QB bzw.
QU verwendet, der vermutlich der genauere
ist. Ist z. B. SB kurz vor einer Volladung
wegen eines großen
Zeitabstands zur vorherigen Volladung sehr groß, geht überwiegend die korrigierte
Ladung QU in die Rechnung ein, da für diesen Fall
die gemessene entnommene Ladung QB sehr ungenau
ist. Umgekehrt ist vermutlich kurz nach einer Volladung QB sehr genau, solange SB ausreichend
klein ist, so daß in
diesem Fall wegen der kleinen Kenngröße SB die
gemessene entnommene Ladung QB stärker in
die Rechnung eingeht. Im Idealfall QB =
QU schließlich wäre QBU =
QB = QU. Durch die Mittelwertbildung
mit QBU soll somit erreicht werden, daß vorwiegend
der zur irgendeinem Zeitpunkt glaubwürdigere der beiden Werte von
QB und QU die Berechnung
von L bestimmt. Daher wird in Fällen,
in denen die Batterie in kurzen Zeitabständen voll aufgeladen wird, überwiegend
QB, dagegen bei großen Abständen zwischen zwei Volladungen überwiegend QB in die Berechnung von L eingehen.As a result, an average value, weighted with the parameters S B and S U, from the measured charge Q B and the corrected charge Q U removed is used. As a result, the one of the two values of Q B or Q U that is presumably the more precise is mostly used to form Q BU . Is z. B. S B shortly before a full charge because of a large time interval to the previous full charge, the corrected charge Q U is mainly included in the calculation, since in this case the measured charge Q B is very imprecise. Conversely, shortly after a full charge Q B is presumably very precise as long as S B is sufficiently small that in this case the measured charge Q B taken into account more due to the small parameter S B. In the ideal case Q B = Q U would finally be Q BU = Q B = Q U. Averaging with Q BU is intended to ensure that the one of the two values of Q B and Q U, which is more credible at some point in time, determines the calculation of L. Therefore, mainly Q B on the other hand received at large distances between two full charges Q B predominantly in the calculation of L in cases where the battery is fully charged in short time intervals.
Dennoch werden durch dieses Mittelungsverfahren
vorzugsweise immer beide Größen als
gegenseitiges Korrektiv berücksichtigt.
Das zeigt ihre Auswirkungen für
die Bestimmung des Ladezustands besonders in mittleren Bereichen,
wenn beide Größen etwa
gleich gut zur Bestimmung des Ladezustands geeignet sind.Nevertheless, through this averaging process
preferably always both sizes as
mutual corrective considered.
That shows their impact on
determining the state of charge, especially in medium-sized areas,
if both sizes are about
are equally suitable for determining the state of charge.
Schließlich wird vorzugsweise mit
einem weiteren Modul 52 berücksichtigt, daß bei großen Entladeströmen, die
z.B. größer als
der 10-stündige Entladestrom
I10 sind, aufgrund der begrenzten Diffusionsgeschwindigkeit
in der Batterie weniger Ladung entnommen werden kann, als der Nennkapazität CN bzw. Ca entspricht.
Um eine ungewünschte
Tiefentladung zu vermeiden, wird der Modul 52 daher mit
einem Filterkreis 53 versehen, der überprüft, ob der Entladestrom gleich
oder größer als
der 10-stündige Entladestrom
ist. Trifft dies zu, wird in einem dem Filterkreis 53 nachgeschalteten
numerischen Operator 54 ein Mittelwert Im des
Batteriestroms I über
z.B. 10 bis 15 min berechnet, und mit diesem Mittelwert Im wird aus einer dritten Kennlinie 55 ein
zwischen 0 und 1 liegender Korrekturfaktor KD bestimmt,
der dem Modul 16 zugeführt
und in diesem mit Cn bzw. Ca multipliziert
wird. Die reduzierte Kapazität
gibt dann die beim aktuellen hohen Batteriestrom Im reduzierte
entnehmbare Kapazität,
L dagegen den unter diesen Bedingungen errechneten Ladezustand an.
Zusätzlich
zum Batteriestrom I kann bei Bedarf auch die Temperatur T zur Ermittlung
des Korrekturfaktors KD benutzt werden.Finally, another module is preferred 52 takes into account that with large discharge currents, which are, for example, greater than the 10-hour discharge current I 10 , due to the limited diffusion rate in the battery, less charge can be drawn than corresponds to the nominal capacitance C N or C a . In order to avoid undesired deep discharge, the module 52 therefore with a filter circuit 53 provided, which checks whether the discharge current is equal to or greater than the 10-hour discharge current. If this is the case, the filter circuit 53 downstream numeric operator 54 an average value I m of the battery current I is calculated over, for example, 10 to 15 minutes, and with this average value I m a third characteristic curve is obtained 55 a correction factor K D between 0 and 1 is determined, which corresponds to the module 16 supplied and multiplied in this by C n or C a . The reduced capacity then indicates the removable capacity which is reduced at the current high battery current I m , while L, on the other hand, indicates the state of charge calculated under these conditions. In addition to the battery current I, the temperature T can also be used to determine the correction factor K D if required.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Zahlreiche Elemente und Verfahrensschritte können auch anders als in der
beschriebenen Weise ausgeführt
werden. Insbesondere kann die Erfindung zur Bestimmung des Ladezustands
von anderen Batterien als Bleiakkumulatoren verwendet werden. Die
zur Ladezustandsberechnung benutzten Modul können einzelne Digital-Logik-Bausteine
enthalten oder aber als Mikroprozessoren ausgebildet sein, die die
beschriebenen Funktionen nach einem fest eingegebenen Programm realisieren.
Entsprechendes gilt für
die Kennlinien 14, 47 und 55, die durch
Mikroprozessoren berechnet und aktualisiert und nach Art von Tabellen
in geeigneten Speichern abgelegt sein können. Weiter ist es möglich, andere
als von den Filterkreisen 16, 55 und 53 zu
erkennende Bedingungen festzulegen, die auch von Baterie zu Batterie
unterschiedlich sein können.
Außerdem
könnten
die Kenngrößen SB, SR und/oder SU auch als Schaltgrößen in dem Sinne verwendet
werden, daß sie
den Modul 23 dazu veranlassen, den Ladezustand in Abhängigkeit
davon, ob sie einen vorgewähltem
Schwellwert über-
oder unterschreiten, nur aus einer vergewählten der beiden Ladungen QB oder QU zu bestimmen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described. Numerous elements and method steps can also be carried out differently than in the manner described. In particular, the invention can be used to determine the state of charge of batteries other than lead acid batteries. The modules used for calculating the state of charge can contain individual digital logic modules or can be designed as microprocessors which implement the functions described according to a fixed program. The same applies to the characteristic curves 14 . 47 and 55 that be by microprocessors calculates and updates and can be stored in suitable memories in the manner of tables. It is also possible to use other than filter circuits 16 . 55 and 53 Determine conditions to be recognized, which can also vary from battery to battery. In addition, the parameters S B , S R and / or S U could also be used as switching variables in the sense that they are the module 23 cause to determine the state of charge depending on whether they exceed or fall below a preselected threshold value only from a selected one of the two charges Q B or Q U.
Die im Modul 13 durchgeführte Ermittlung der
Ruhespannung UR wird aufgrund der in den
Filterkreis 16 eingegebenen Kriterien immer dann gemacht,
wenn die vorgewählten
Bedingungen von einem Entladevorgang her erreicht werden. Erfindungsgemäß könnte die
Ruhespannung aber auch während
eines Aufladevorgangs der Batterie ermittelt werden, in welchem
Fall die genannten Bedingungen für
den Bateriestrom und die Wartezeiten entsprechend geändert werden
müßten. Außerdem müßte anstatt
der in 2 und 3 dargestellten Kennlinie 15 eine
entsprechend geänderte
Kennlinie vorgegeben werden, weil die Ruhespannung in diesem Fall
kleiner als die jeweilige Batteriespannung wäre. Weiterhin ist klar, daß als charakteristische
Größe für den Ladezustand
auch die jeweils noch in der Batterie vorhandene Ladung anstelle
der jeweils bereits entnommenen Ladung verwendet werden könnte, in welchem
Fall die verschiedenen Größen entsprechend
umgerechnet werden müßten.The one in the module 13 The idle voltage U R is determined on the basis of the filter circuit 16 entered criteria always made when the preselected conditions are achieved by an unloading process. According to the invention, the quiescent voltage could also be determined during a charging process of the battery, in which case the conditions mentioned for the battery current and the waiting times would have to be changed accordingly. In addition, instead of in 2 and 3 characteristic curve shown 15 a correspondingly changed characteristic curve can be specified, because in this case the quiescent voltage would be less than the respective battery voltage. Furthermore, it is clear that the characteristic quantity for the state of charge could also be the charge that is still present in the battery instead of the charge that has already been removed, in which case the different quantities would have to be converted accordingly.
Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen
Merkmale auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen
Kombinationen angewendet werden können. Insbesondere könnte die
anhand der 3 beschriebene
Verfahrensweise auch ausschließlich
zur Ermittlung der bei einer Batterie aufgrund von Alterungseffekten
maximal noch verfügbaren
Kapazität
Ca benutzt werden. Da das Modul 41 die
erste Kennlinie 14 beim normalen Betrieb der Batterie aus
Wertepaaren von UR und QB selbst
erstellt, könnte
es zur Abschätzung
von Ca auch dann verwendet werden, wenn
die ursprüngliche
oder momentan noch vorhandene Kapazität unbekannt ist. Eine solche
Vorgehensweise kann z. B. bei der Durchführung von Batteriewechseln
bei einem Kraftfahrzeug zweckmäßig sein.Finally, it goes without saying that the various features can also be used in combinations other than those shown and described. In particular, the could be based on the 3 The procedure described can also be used exclusively to determine the maximum available capacity C a in a battery due to aging effects. Because the module 41 the first characteristic 14 created during normal operation of the battery from pairs of values of U R and Q B itself, it could also be used to estimate C a if the original or currently existing capacity is unknown. Such an approach can e.g. B. be useful when performing battery changes in a motor vehicle.
