DE2242510B2 - Verfahren zur Messung des Ladezustandes von galvanischen Energiequellen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Messung des Ladezustandes von galvanischen Energiequellen und Vorrichtung zur Durchführung dieses VerfahrensInfo
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Description
daß ein Gegenkopplungskondensator (C) zwischen Ausgang (6) und Eingang (3) des
Spannungskomparators (4) geschaltet ist, welcher dessen Ausgangssignal, das auf einen Transistor (Tl) wirkt, in seinem zeitlichen
Verhalten dem Ladeverhalten der Energiequelle anpaßt,
daß ferner ein als Proportionalverstärker (9) geschalteter Operationsverstärker vorgesehen
ist, dem eine dem Batteriestrom proportionale, in einem Stromwandler (7) umgewandelte
Spannung zuführbar ist und in welchem die dem Ladestrom proportionale Spannung über ein erstes Gegenkopplungsnetzwerk
(R 6, Dl) mit einem konstanten Faktor multiplizierbar ist, anschließend über die
Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors (Tl) mit einem vom Ausgangssignal des Spannungskomparators (4) abhängigen Faktor
zwischen 0 und 1 multiplizierbar ist und dann dem Eingang (11) eines Rechenverstärkers
(12) zuführbar ist,
daß die dem Entladestrom proportionale Spannung im Proportionalverstärker (9) über ein zweites Gegenkopplungsnetzwerk (R 7, D 2), bei welchem der Widerstand (R 7) einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, mit einem von der Batterietemperatur abhängigen Faktor multiplizierbar ist, anschließend über die Parallelschaltung eines Widerstandes (R9) mit einem spannungsabhängigen Widerstand (R 8) mit einem Faktor (1 -fm) potenzierbar ist und dann ebenfalls dem Eingang (11) des Rechenverstärkers (12) zuführbar ist,
und daß durch den Rechenverstärker (12) mit den Widerständen (R 13, R14) ein der Summe der Eingangsspannungen proportionaler Ausgangsstrom (/„) dem integrierenden Meßgerät zuführbar ist.
daß die dem Entladestrom proportionale Spannung im Proportionalverstärker (9) über ein zweites Gegenkopplungsnetzwerk (R 7, D 2), bei welchem der Widerstand (R 7) einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, mit einem von der Batterietemperatur abhängigen Faktor multiplizierbar ist, anschließend über die Parallelschaltung eines Widerstandes (R9) mit einem spannungsabhängigen Widerstand (R 8) mit einem Faktor (1 -fm) potenzierbar ist und dann ebenfalls dem Eingang (11) des Rechenverstärkers (12) zuführbar ist,
und daß durch den Rechenverstärker (12) mit den Widerständen (R 13, R14) ein der Summe der Eingangsspannungen proportionaler Ausgangsstrom (/„) dem integrierenden Meßgerät zuführbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das integrierende Meßgerät
(13) mit einer Warnsignaleinrichtung ausgestattet ist, welche ein Signal abgibt, wenn die verfügbare
Batieriekapazität einen vorgebbaren Mindestwert unterschreitet.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Ladezustandes von galvanischen Energiequellen
mittels eines an sich bekannten integrierenden Meßgerätes und eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens. Bei den bisher praktisch benutzten Verfahren wird teilweise als Meßgröße, die den Ladezustand
charakterisieren soll, die Spannung der galvanischen Energiequelle verwendet, wobei in dieser
Messung, da aus der Batteriespannung allein — insbesondere im stromlosen Zustand — praktisch kaum
auf den Entladezustand der Batterie geschlossen werden kann, gegebenenfalls noch die Größe des
Entladestromes etwas berücksichtigt wird. Jedoch ist letzterer Einfluß vom Innenwiderstand der Batterie
abhängig, dessen Wert sich mit dem Entladezustand. der Temperatur und dem Typ der verwendeten Batterie
stark ändern kann, so daß auch diese Anzeige nur ungenaue Werte liefert und man mit diesem Verfahren
überdies nur dann, wenn ein Entladestrom fließt, den Entladezustand der Batterie beurteilen
kann.
Andere bekannte Verfahren zur Messung des Ladezustandes verwenden integrierende Meßgeräte
(Ah-Zähkr), wobei der Aufladestrom gegebenenfalls unter Bewertung mit einem festen Ladefaktor berücksichtigt
wird. Hierbei kann zwar die bei der Entladung der Batterie entnommene elektrische Ladung
genau gemessen werden. Jedoch ist bekanntlich die gesamte Ladung, die der Batterie entnommen werden
kann — d. h. ihre nutzbare Kapazität —, stark von der Größe des Entladestroms und der Temperatur
abhängig, so daß auch bei diesem Verfahren bei stark wechselnden Entladeströmen, wie es etwa für die
Antriebsbatterien elektrischer Fahrzeuge zutrifft, eine nur wenig befriedigende Aussage darüber getroffen
werden kann, welche nutzbare Kapazität der Batterie zu jedem Zeitpunkt noch zur Verfügung steht. Überdies
wird durch die Bewertung der Aufladeströme mit einem festen Ladefaktor den physikalischen Gegebenheiten
der Batterie nur unzureichend Rechnung getragen, da bekanntlich der Ladefaktor bzw. der Ladewirkungsgrad
stark von der Temperatur und vom Ladezustand abhängt und sich insbesondere dann stark verschlechtert, wenn in der Batterie eine Gasentwicküung
einsetzt.
Aus der US-PS 3 617 850 ist eine Vorrichtung zur Messung des Ladezustandes einer Batterie bekannt,
welche eine lineare Bewertung der umgesetzten Elektrizitätsmengen
mit einer temperaturabhängigen Bewertung der Anzeige des Ladezustandes vorsieh!. Mit
einem zusätzlichen Integrator wird die gesamte, vorzugsweise bei den Ladevorgängen umgesetzte Elektrizitätsmenge
erfaßt und hiervon die Anzeige beeinflußt wodurch Alterungsvorgänge in der Batterie
berücksichtigt werden.
Aus der GB-PS 1163 377 ist eine weitere Vorrichtung
zur Feststellung des Ladezustandes einer Bat- ίο terie und ?ur Steuerung eines Ladegerätes bekannt,
welche beim Laden einen temperaturabhängigen, dem Verhältnis der nutzbaren zur gespeicherten Kapazitätsmenge
entsprechenden Ladefaktor berücksichtigt, beim Entladen jedoch den Strom linear bewertet.
Dabei ist die Temperaturabhängigkeit entgegen den üblichen Erfah.ungen so ausgestaltet, daß sich der
Ladewirkungsgrad mit steigender Temperatur verschlechtert.
Es hat sich gezeigt, daß die einer Batterie entnehmbare Kapazität K in folgender Weise vom Entladestrom
/ der Batterie abhängt
a:
Der Index 5 kennzeichnet dabei die jeweils für den fünfstündigen Betrieb geltenden Werte. Der Exponent
m ist vom Typ der Batterie abhängig und weist etwa folgende Werte auf: 3D
Ni/Cd mit Sinterfolienplatten .. m ^ 0,15
Pb Starterbatterien m ^ 0,25
Pb Traktionsbatterien m «0,33
Der angeführte Zusammenhang weist für den Bereich , = 1 ... 15, der auch etwa beim Antrieb
'S
eines elektrischen Fahrzeugs vorliegt, eine völlig ausreichende Genauigkeit auf.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, welches in der Lage ist, den Ladezustand
von galvanischen Energiequellen präziser anzugeben, als es mit herkömmlichen Verfahren möglich
ist
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ladestrom oder eine dazu proportionale
Größe mit einem von der vorgegebenen, mit der Temperatur sich verändernden Gasungsspannung abhängigen
und in seinem zeitlichen Verhalten dem Ladeverhalten der Energiequelle angepaßten Ladefaktor
— und gegebenenfalls mit einem von der jeweiligen Batterietemperatur abhängigen Faktor und
abhängig vom Ladezustand — bewertet wird, bevor er dem integrierenden Meßgerät zugeführt wird, und
daß der Entladestrom oder eine dazu proportionale Größe mit einem von der jeweiligen Batterietemperatur
abhängigen Faktor multipliziert und anschließend mit einem Exponenten (l+w), dessen
Summand in selbst abhängig von der Batterietemperatur veränderbar ist, potenziert wird, bevor er
seinerseits dem integrierenden Meßgerät zugeführt wird. Wenn man eriindungsgemäß einem integrierenden
Meßgerät eine dem Entladestrom proportionale Spannung, die aber noch vor der Integration mit dem
Exponenten (1+m) potenziert wurde, zuführt, so wird auch die etwa in Prozenten geeichte Skala des
Meßgerätes den jeweils noch zur Verfügung stehenden Bruchteil der nutzbaren Batteriekapazität richtig
wiedergeben. Es sei angemerkt, daß der Exponent m in weit geringerem Maße von Alterlingsvorgängen in
der Batterie beeinflußt wird als der bei dem eingangs geschilderten Verfahren zur Messung benutzte Innenwiderstand
der Batterie.
Es wird eine dem Aufladestrom proportionale Spannung, die ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist,
wie die entsprechende Spannung beim Entiaden. direkt, d. h. mit dem Exponenten 1, dem integrierenden
Meßgerät zugeführt. Dabei wird der Aufladestrom so lange mit einem Ladefaktor von ungefähr
eins bewertet, als nicht die Batteriespannung die temperaturabhängig vorgegebene Gasungsspannung
überschreitet. Beim Überschreiten dieser Spannungsschwelle wird die Bewertung des Ladestroms mit
einer der Batterie angepaßten zeitlichen Verzögerung bis auf Null abgesenkt, d. h. es wird die Ladungsmenge,
die der Batterie zugeführt wird, wenn ihre Gasentwicklung eingesetzt hat, nur zu einem Bruchteil
bzw. überhaupt nicht vom integrierenden Meßgerät registriert. Dieses Vorgehen entspricht den bei
Bleibatterien vorliegenden physikalischen Gegebenheiten. Bei Batterien mit andersartigem Ladeverhalten
läßt sich die Erfindung leicht so modifizieren, daß die Bewertung des Ladestromes abhängig vom Ladezustand,
der durch das integrierende Meßgerät angezeigt ist. und gegebenenfalls temperaturabhängig
kontinuierlich verkleinert wird, da sich bekanntlich der Ladefaktor, d. h. das Verhältnis der der Batterie
zugeführten zu der in ihr gespeicherten Ladung, mit fortschreitender Aufladung vergrößert.
Um dem Verhalten der nutzbaren Batteriekapazität in einem weiten Temperaturbereich Rechnung zu
tragen, wird nach einem weiteren Erfindungsmerkmal einerseits der Wert des Exponenten m mit sinkender
Temperatur vergrößert — in einem bestimmten Anwendungsfall ergab sich eine Vergrößerung von m
um etwa 15° 0. wenn die Temperatur von 20 auf — 10 C abgesenkt wurde — und andererseits erfährt
die dem Entladestrom proportionale Spannung noch eine zusätzliche proportionale Vergrößerung in Abhängigkeit
von der Temperatur, um den Rückgang der nutzbaren Batteriekapazität bei niedrigen Temperaturen
zu berücksichtigen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht erfindungsgemäß darin, daß ein als
Spannungskomparator geschalteter Operationsverstärker vorgesehen ist, dem eine der tatsächlichen
Battenespannung proportionale Spannung und eine der zulässigen Gasungsspannung proportionale Spannung,
welche am Abgriff eines Spannungsteilers, dessen Teilwiderstand einen negativen Temperaturkoeffizienten
aufweist, abgreifbar ist, zuführbar sind und in welchem diese beiden Spannungen miteinander
vergleichbar sind,
daß ein Gegenkopplungskondensator zwischen Ausgang und Eingang des Spannungskompara-Jors
geschaltet ist, welcher dessen Ausgangssignal, das auf einen Transistor wirkt, in seinem
zeitlichen Verhalten dem Ladeverhalten der Energiequelle anpaßt,
daß ferner ein als Proportionalverstärker geschalteter Operationsverstärker vorgesehen ist,
dem eine dem Batteriestrom proportionale, in einem Stromwandler umgewandelte te Spannung
zuführbar ist und in welchem die dem Ladestrom proportionale Spannung über ein erstes
Gegenkopplungsnetzwerk mit einem konstanten Faktor multiplizierbar ist, anschließend über die
Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors mit einem vom Ausgangssignal des Spannungskomparators
abhängigen Faktor zwischen 0 und 1 multiplizierbar ist und dann dem Eingang eines
Rechenverstärkers zuführbar ist, daß die dem Entladestrom proportionale Spannung
im Proportionalverstärker über ein zweites Gegenkopplungsnetzwerk, bei welchem der
Widerstand einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, mit einem von der Batterietemperatur
abhängigen Faktor multiplizierbar ist, anschließend über die Parallelschaltung eines Widerstandes mit einem spannungsabhängigen
Widerstand mit einem Faktor potenzierbar ist und dann ebenfalls dem Eingang des Rechen-Verstärkers
zuführbar ist,
und daß durch den Rechenverstärker mit den Widerständen ein der Summe der Eingangsspannungen
proportionaler Ausgangsstrom dem integrierenden Meßgerät zuführbar ist.
Erfindungsgemäß ist das integrierende Meßgerät mit einer Warnsignaleinrichtung ausgestattet, welche
ein Signal abgibt, wenn die verfügbare Batteriekapazität einen vorgebbaren Mindestwert unterschreitet.
Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
Die Spannung der zu überwachenden Batterie 1 wird über einen Spannungswandler 2 und einen
Widerstand Rl der Eingangsklemme 3 eines Operationsverstärkers
4 zugeführt. Gleichzeitig ist der Eingang über den Widerstand R 2 noch mit dem Punkt 5
des aus den Widerständen R 3 und R 4 bestehenden Spannungstcilcrs verbunden, wobei R4 ein WiHerstand
mit negativer Widerstandscharakteristik ist, so daß das Potential des Punktes 5 bei abnehmbarer
Temperatur und geeigneter Dimensionierung von R 3 und R 4 in demselben Maße sinkt, wie die zulässige
Gasungsspannung der Batterie 1 bei abnehmbarer Temperatur ansteigt. Der Gegenkopplungskondensator
C paßt das zeitliche Verhalten der Ausgangsspannung des Verstärkers 4 an der Klemme 6 dem
der Batterie an. Die Spannung an der Klemme 6 selbst ist in der gezeichneten Schaltung, wenn die
Batterie die Gasungsspannung überschreitet, negativ.
Der Strom der Batterie wird im Stromwandler 7 vorzeichenrichtig erfaßt und über den Widerstand
RS der Eingangsklemme 8 des Verstärkers 9 zügeführt.
Das Gegenkopplungsnetzwerk dieses Verstärkers besteht einmal aus dem Widerstand R 6 und der
Diode Dl; es wird dann wirksam, wenn die vom Stromwandler 7 abgegebene Spannung positiv ist,
wobei der Batteriestrom /fl dann auch positiv sein soll und damit zum Aufladen der Batterie dient. Der
aus dem Widerstand R 7 und der Diode D 2 bestehende Teil des Gegenkopplungsnetzwerkes beeinflußt
die Messung des Entladestromes der Batterie. Dabei stimmt das prinzipielle Temperaturverhalten
des Widerstandes R7 mit dem des Widerstandes A4
überein, so daß die Ausgangsspannung des Verstärkers 9 am Punkt 10 bei gleichbleibendem Entladestrom
der Batterie mit abnehmbarer Temperatur ansteigt, womit bei geeigneter Wahl des Widerstandes
Rl die Temperaturabhängigkeit der bei Entladung nutzbaren Batteriekapazität berücksichtigt wird. Die
Spannung der Klemme 10 wird über die Parallelschaltung des spannungsabhängigen Widerstandes
R 8 und des Widerstandes R 9 der Eingangsklemme 11 des Verstärkers 12 zugeführt. Diese Parallelschaltung
aus einem spannungsabhängigen R 8 und einem ι ο spannungsunabhängigen Widersland R 9 verwirklicht
den Zusammenhang, daß die Messung des Entladestromes, die schon nach Maßgabe der Temperatur
bewertet wurde, mit einem Exponenten H- m potenziert wird, um den Rückgang der nutzbaren Batteriekapazität
bei höheren Entladeströmen zu erfassen.
Die Parallelschaltung ist notwendig zur Einstellung des Exponenten 1 + m« 1,15 ... 1,33, da sich aus
Herstellungsgründen als niedrigster Exponent für spannungsabhängige Widerstände nur etwa der
Wert 2 verwirklichen läßt. Gleichzeitig wird der Klemme 11 über die Widerstände R10 und R11, die
zur Einstellung des Ladefaktors dienen, die dem Aufladesirom proportionale Spannung von Klemme 14
zugeführt. Der als Eingangsspannungsteiler wirksame Transistor 71 erhöht dabei den Ladefaktor, d.h., er
verringert die dem Aufladestrom proportionale Eingangsspannung, wenn die Spannung an Klemme 6
negativ wird bzw. die Batterie die Gasungsspannung überschreitet. Mit Hilfe der Widerstände R13 und
R 14 ergibt sich ein der entsprechenden Summe der
F.ingangsspannungcn des Verstärkers 12 proportionaler
Ausgangsstrom ia, der einem integrierenden Meßgerät 13, das beispielsweise aus einem Ah-Zähler
bestehen kann, zugeführt wird.
Die vorgestellte prinzipielle Schaltung ist nur als eine Möglichkeit ?ur Verwirklichung der Erfindungsgedanken
anzusehen; es ist ohne weiteres verständlieh,
daß zur Realisierung der Erfindung statt der spannungs- und temperaturabhängigen Widerstände
auch andere Schaltmittel mit entsprechender Charakteristik verwandt werden können. Dabei wird man
die gesamte Anordnung, die vorteilhaft mit integrierten Schaltkreisen ausgeführt wird und dann ein nur
unbedeutendes Volumen aufweist, zweckmäßigerweise mit dem Stromwandler, der beispielsweise als
Shunt ausgeführt sein kann, zusammen direkt an die Batterie anbauen. Man kann dann die Temperaturfühler
der Schaltung, etwa die Widerstände R 4 und R 7. in einen guten Wännekontakt mit den metallischen
Teilen der Batterie bringen und so die für das Verhalten der Batterie charakteristische Temperatur
der Elektroden erfassen. Die elektrische Versorgung der Schaltung kann hierbei auch gleichzeitig von der
Batterie übernommen werden, da diese zusätzliche Belastung angesichts der geringen Leistungsaufnahme
der Schaltung kaum ins Gewicht fällt
Das integrierende Meßgerät selbst bzw. dessen Anzeige kann selbstverständlich an beliebiger, hierfüi
geeigneter Stelle eingebaut werden. Im Falle eines Batteriewechsels — etwa bei einerr
elektrischen Fahrzeug — müssen dann nur, wenn dif
gesamte Schaltung mit der Batterie fest vereinigt ist die beiden Meßleitungen der Meßeinrichtung umge
steckt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Messung des Ladezustandes von galvanischen Energiequellen mittels eines an
sich bekannten integrierenden Meßgerätes, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom
oder eine dazu proportionale Größe mit einem von der vorgegebenen, mit der Temperatur
sich verändernden Gasungsspannung abhängigen und in seinem zeitlichen Verhalten dem Ladeverhalten
der Energiequelle angepaßten Ladefaktor — und gegebenenfalls mit einem von der
jeweiligen Batterietemperatur abhängigen Faktor und abhängig vom Ladezustand — bewertet wird,
bevor er dem integrierenden Meßgerät zugeführt wird und daß der EnUadestrom oder eine dazu
proportionale Größe mit einem von der jeweiligen featterietemperatur abhängigen Faktor multipliliert
und anschließend mit einem Exponenten ao (1 + m), dessen Summand m selbst abhängig von
der Batterietemperatur veränderbar ist, potenziert wird, bevor er seinerseits dem integrierenden
Meßgerät zugeführt wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
ein als Spannugskomparator (4) geschalteter Operationsverstärker vorgesehen ist, dem eine der
tatsächlichen Batteriespannung proportionale Spannung und eine der zulässigen Gasungsspannung
proportionale Spannung, welche am Abgriff eines Spannungsteilers (R 3, R 4), — dessen Teilwiderstand
(R 4) einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist —, abgreifbar ist, zuführbar
sind und in welchem diese beiden Spannungen miteinander vergleichbar sind,
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19722242510 DE2242510C3 (de) | 1972-08-30 | Verfahren zur Messung des Ladezustandes von galvanischen Energiequellen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens | |
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FR7331349A FR2198279B1 (de) | 1972-08-30 | 1973-08-30 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19722242510 DE2242510C3 (de) | 1972-08-30 | Verfahren zur Messung des Ladezustandes von galvanischen Energiequellen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2242510A1 DE2242510A1 (de) | 1974-04-04 |
DE2242510B2 true DE2242510B2 (de) | 1975-02-13 |
DE2242510C3 DE2242510C3 (de) | 1976-06-10 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007004488A1 (de) | 2007-01-19 | 2008-07-31 | Vb Autobatterie Gmbh & Co. Kgaa | Batterieüberwachungsgerät und Verfahren zur Bestimmung einer aktuellen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102007004488A1 (de) | 2007-01-19 | 2008-07-31 | Vb Autobatterie Gmbh & Co. Kgaa | Batterieüberwachungsgerät und Verfahren zur Bestimmung einer aktuellen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie |
DE102007004488B4 (de) | 2007-01-19 | 2018-03-01 | Johnson Controls Autobatterie Gmbh & Co. Kgaa | Verfahren zur Bestimmung einer integralen Kenngröße für einen aktuellen Zustand einer elektrochemischen Speicherbatterie nebst zugehöriger Einrichtung, zugehörigem Computerprogramm sowie Batterieüberwachungsgerät |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2242510A1 (de) | 1974-04-04 |
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Legal Events
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