DE2242510C3 - Verfahren zur Messung des Ladezustandes von galvanischen Energiequellen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

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) 45, 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 (Γ1) 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 (J? 9) mit einem spannungsabhängigen Widerstand (R 8) mit einem Faktor (\ + m) 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 (Z₀) 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 Batteriekapazität 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. 1

Andere bekannte Verfahren zur Messung des Ladezustandes verwenden integrierende Meßgeräte (Ah-Zähler), 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 Gasentwicklung 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 vorsieht. 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 Batterie und zur 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 Erfahrungen 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

^K =(J\

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:

Ni/Cd mit Sinterfolienplatten .. in « 0,15

Pb Starterbatterien m « 0,25

Pb Traktionsbatterien m «r- 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 (1+m), dessen Summand m selbst abhängig von der Batterietemperatur veränderbar ist, potenziert wird, bevor er seinerseits dem integrierenden Meßgerät zugeführt wird. Wenn man erfindungsgemäß 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 Alterungsvorgängen in der Batterie beeinflußt wird als der bei dem eingangs geschilderten Verfahren zur Messung benutzte Innenwiderstand der Batterie.

Es wird eine dem Aufladestmm proportionale Spannung, die ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweist, wie die entsprechende Spannung beim Entladen, 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%>, 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 Battcriekapazität 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 Batteriespannung 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 Spannungskomparators 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 umgewandeltete Spannung zuführbar ist und in welchem die dem Ladestrom proportionale Spannung über ein erstes

Gegcnkopplungsnetzwerk mit einem konstanten Faktor multiplizierbar ist, anschließend über die Kollektor-Emittcr-Streckc 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 Rechenverstärkers 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 R1 der Eingangskiemme 3 eines Operationsverstärkers 4 zugeführt. Gleichzeitig ist der Eingang über den Widerstand R 2 noch mit dem Punkt 5 des aus den Widerständen /?3 und R4 bestehenden Spannungsteilers verbunden, wobei R 4 ein Widerstand 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 dcT Batterie an. Die Spannung an der Klemme 6 selbst ist in der gezeichneten Schaltung, wenn die Batterie die Gasungsspannutig überschreitet, negativ.

Der Strom der Batterie wird im Stromwandler 7 vorzeichenrichtig erfaßt und über den Widerstand RS der Eingangskiemme 8 des Verstärkers 9 zugeführt. 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 l_B dann auch positiv sein soll und damit zum Aufladen der Batterie dient. Der aus dem Widerstand Rl und der Diode Dl bestehende Teil des Gegenkopplungsnetzwerkes beeinflußt die Messung des Entladestromes der Batterie. Dabei stimmt das prinzipielle Temperaturverhalten des Widerstandes R 7 mit dem des Widerstandes R 4 überein, so daß die Ausgangsspannung des Verstär- - kers 9 am Punkt 10 bei gleichbleibendem Entladestrom der Batterie mit abnehmbarer Temperatur ansteigt, womit bei geeigneter Wahl des Widerstandes R 7 die Temperaturabhängigkeit der bei Entladung nutzbaren Batteriekapazität berücksichtigt wird. Die Spannung der Klemme 10 wird über die Parallelschaltung des spannungsabhängigen Widerstandes RS und des Widerstandes R9 der Eingangsklemme 11 des Verstärkers 12 zugeführt. Diese Parallelschaltung aus einem spannungsabhängigen Λ 8 und einem

ίο spannungsunabhängigen Widerstand R9 verwirklicht den Zusammenhang, daß die Messung des Entladestromes, die schon nach Maßgabe der Temperatur bewertet wurde, mit einem Exponenten 1 + 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 Λ11, die zur Einstellung des Ladefaktors dienen, die dem Aufladestrom proportionale Spannung von Klemme 14 zugeführt. Der als Eingangsspannungsteiler wirksame Transistor T\ 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 Λ14 ergibt sich ein der entsprechenden Summe der Eingangsspannungen des Verstärkers 12 proportionaler Ausgangsstrom /„, der einem integrierenden Meßgerät 13, das beispielsweise aus einem Ah-Zähler bestehen kann, zugeführt wird.

Die vorgestellte prinzipielle Schaltung ist nur als eine Möglichkeit zur Verwirklichung der Erfindungsgedanken anzusehen; es ist ohne weiteres verständlich, daß zur Realisierung der Erfindung sta;t 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 A4 und R 7, in einen guten Wärmekontakt 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 einem elektrischen Fahrzeug — müssen dann nur, wenn die gesamte Schaltung mit der Batterie fest vereinigt ist die beiden Meßleitungen der Meßeinrichtung umgesteckt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

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 dein Ladeverhalten der Energiequelle angepaßten Ladefaktor — und gegebenenfalls mit einem von der jeweiligen Batterietemperatur abhängigen Faktor und abhängig vom Ladezustand — bewertet wird, bevor ei dem integrierenden Meßgerät zugeführt wird und daß der Entladestroni oder eine dazu

^; proportionale Größe mit einem von der jeweiligen Batterietemperatur abhängigen Faktor multiplitiert und anschließend mit einem Exponenten ac (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 as nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Spannugskemparator (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,