DE2261046A1 - Schaltungsanordnung zur kontrolle des ladezustandes einer batterie - Google Patents

Description

R. 1238
11.12.1972 Kü/Dr

Anlage zur
Patentanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1

Schaltungsanordnung zur Kontrolle des Ladezustandes einer Batterie

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Kontrolle des Ladezustandes einer Batterie, insbesondere bei Belastung, mit einem elektrischen Meßwerk.

Die Erfindung geht aus von der Tatsache, daß im Bereich von etwa 90 bis 20 % der Maximalkapazität einer Batterie, worunter im vorliegenden Fall jegliche elektrochemische Spannungsquelle verstanden werden soll, die Klemmenspannung bei konstantem Entladestrom einigermaßen dem Ladezustand umgekehrt proportional ist. Es ist daher möglich, die noch vorhandene Kapazität einer Batterie bei konstantem Entladestrom durch eine Spannungsmessung festzustellen. Bei bekannten Schaltanordnungen wird daher ein Spannungsmesser parallel zu der zu prüfenden Batterie geschaltet, welche mit einem bestimmten Widerstand belastet ist.

Da jedoch die Spannung an der Batterie vom Entladestrom ab-

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hängig ist, muß, sofern man den Entladezustand auch bei veränderlichen Belastungströmen messen will, die Spannungsmessung durch eine zusätzliche Strommessung korrigiert werden. Die nach diesem Prinzip arbeitenden bekannten Geräte sind sehr aufwendig und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der der Ladezustand auch bei veränderbarer Belastung mittels eines einfachen elektrischen Meßwerkes leicht feststellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Meßwerk die Differenz zweier Spannungen anzeigt, von denen die eine um einen konstanten Betrag unter der jeweiligen Batteriespannung liegt, während die andere ein Bruchteil der Spannung ist, die um einen vom Belastungsstrom abhängigen Wert unterhalb der jeweiligen Batteriespannung liegt.

Bei·dieser Schaltungsanordnung wird der Spannungabfall aufgrund eines veränderlichen Ladestromes dadurch korrigiert, daß eine der beiden vergleichbaren Spannungen von einem dem Belastungsstrom proportionalen Wert abhängt.

Durch die Differenzbildung zweier Spannung ist darüberhinaus eine Nullpunktunterdrückung sehr leicht möglich, so daß bei der von dem Batterietyp abhängigen Entladeschlußspannung das Instrument den Wert 0 anzeigt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der eine Anschluß des Meßwerks an den Abgriff eines Spannungsteilers geschaltet, der einerseits direkt und andererseits über einen vom Belastungsstrom durchflossenen Widerstand an die Batterie angeschlossen ist und der andere Anschluß des Meßwerks wird an den gemeinsamen Schaltungspunkt zweier Bauelemente angeschlossen, die andererseits direkt mit der Batterie verbunden sind, wobei eines dieser Bauelemente einen konstanten Spannungsabfall erzeugt. . .

BAD ORIGINAL

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Dieses den konstanten Spannungsabfall erzeugende Bauelement kann eine Diode sein, vorzugsweise wird jedoch eine Zenerdiode verwendet. Das andere Bauelement ist ein Widerstand, wobei, sofern eine Temperaturkompensation der Diodenspannung erforderlich ist, dieser Widerstand ein NTC-Widerstand sein kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Abbildungen näher erläutert und beschrieben.
Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung, Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Entladespannung der Batterie

in Abhängigkeit vom Entladungszustand für mehrere konstante Entladeströme aufgetragen ist und Fig. 3 ein Diagramm, in dem über dem Entladezustand die Entladespannung sowie die beiden durch das Meßwerk verglichenen Spannungen aufgetragen sind.

An die Batterie 10 ist die Reihenschaltung zweier Bauelemente 11 und 12 angeschlossen, von denen das eine eine Zenerdiode und das andere ein Widerstand 12 ist. Wenn eine Temperaturkompensation der Zenerdiode 11 erforderlich ist, wird dieser Widerstand 12 als NTC-Widerstand ausgebildet sein. In den Laststromkreis ist ein Widerstand 14 sowie als Verbraucher beispielsweise ein Elektromotor 15 geschaltet. Der Widerstand 14 wird also vom Belastungsstrom durchflossen.

Der aus den Widerständen 16 und 17 gebildete Spannungsteiler 18 liegt einerseits direkt an der Batterie und ist andererseits zwischen den Widerstand 14 und den Elektromotor 15 geschaltet. Das Meßwerk 19 ist einerseits über den Vorwiderstand 21 an den Abgriff 20 des Spannungsteilers 18 und andererseits an den gemeinsamen Schaltungspunkt 22 der Zenerdiode 11 und des Widerstandes 12 geschaltet. Das Meßxferk zeigt also · die Differenz der beiden an dem Schaltungspunkt 22 bzw. an dem Abgriff 20 gegenüber dem Bezugspotential anliegenden Spannungen an. AO 9 8 26/04 7 5

BAD

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung läßt sich am besten anhand der Diagramme erläutern, die in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind. In Fig. 2 ist über dem Entladezustand E die Entladespannung Uß bei verschiedenen Belastungsströmen I₁ und I_maY aufgetragen. Die oberste Kurve zeigt die EMK der Batterie, die theoretisch dadurch ermittelt ist, daß .zu den jeweiligen Spannungslinien der innere Spannungsabfall der Batterie hinzuaddiert ist. In Wirklichkeit weichen diese Kurven geringfügig von einer Geraden ab. Es ist erkennbar, daß die ßatteriespannung bei einer Vergrößerung des Ladestromes um einen bestimmten Spannungswert dU_ß2 absinkt. Weiterhin ist erkennbar, daß bei einem' konstanten Entladestrom die Batteriespannung um einen Wert dU_ß1 abnimmt. Mit U_ß . sind diejenigen Spannungswerte bezeichnet, die die Batterie in entladenem Zustand einnimmt.

In Fig. 3 sind über dem Entladezustand neben einer Entladespannungskurve die beiden von dem Meßwerk verglichenen Spannungen U₁ und U_? aufgetragen. Der oberste Kurvenzug zeigt in seinem Teil a die Abhängigkeit der Entladespannung bei einem bestimmten Entladestrom und in Teil b bei einem größeren Entladestrom in Abhängigkeit vom Entladezustand E. Mit der Entnahme eines größeren Belastungsstromes fällt die Batterie spannung um einen bestimmten Betrag <W ·

Die Spannungskurve U- läuft parallel zu der oberen Kurve, da sie immer um einen bestimmten konstanten Betrag unterhalb der jeweiligen Batteriespannung liegt. Dieser bestimmte Betrag ist abhängig von der Zenerspannung U der Zenerdiode 11.

_o Die Kurve der Spannung Uj liegt immer unterhalb der Spannung U₁, wobei die Differenz beider Spannungen bei einem Entladungszustan Null am größten ist und bei einem willkürlich gewählten

v» Entladungszustand von beispielsweise 80 % auf den Wert

^ 0 zurückgellt. Diese Kurve hat also eine geringere Steigung, ^³ was dadurch erreicht wird, daß die Batteriespannung durch den Spannungsteiler 18 aufgeteilt wird. Wesentlich ist nun, daß bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung der BAD ORIGINAL Abstand χ zwischen der Spannung U. und der Spannung U2

kurz vor dem Einschalten des größeren Belastungsstromes gleich der Differenz y nach dem Einschalten des größeren Belastungsstromes ist. Dadurch ist nämlich sichergestellt, daß die Anzeige, d. h. die Differenz der beiden Spannungen U₁ und, U_?, unabhängig vom jeweiligen ßelastungsstrom ist.

Die in Fig. 3 gestrichelt eingezeichneten Kurvenzügo zeigen die Spannungsverläufe bei konstantem Entladestrom.

Wenn man den durch das Instrument fließenden Querstrom vernachläßigt, was wegen des großen Innenwiderstandes des Meßwerkes ohne weiteres zulässig ist, kann man folgende Gleichungen für die Spannungen IL und U„ aufstellen:

^Ü1 ^=UBn,in^{+ dU}B1 - ^dUB2 " ^Uz (1)

R₁₇

^U2 - (»Bmin ^{+ dU}B1 - ^dUB2

Für die durch das Meßwerk angezeigte Spannung U erhält

ei

man dann

U » U₁ - U₀ = U_n . ΓΙ -c) ■+ dU^-O-c) - dU_DO(1+c) -U- dU_D»c, (3) a ι i, um in jj ι d δ . ζ κ

*]7 _ist '

^{WObei C = R}17 ^{+ R}16 ' (4)

Anhand dieser Gleichungen lassen sich nun folgende Forderungen für die Auslegung der in der Schaltung verwendeten Bauteile aufstellen:

Die angezeigte Spannung U muß 0 sein, wenn die Batterie

in unbelastetem Zustand entladen ist, d. h; die ßatteriespannung auf den'Wert U_R · abgesunken ist. In diesem Fall sind in der obigen Gleichung (3) dU_D sowie dU,,-, und dU_u1 gleich 0, da keine Entladung stattfindet und'damit weder an dem Widerstand R 14 noch an dem inneren Widerstand der Batterie ein

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Spannungsabfall auftritt. Man erhält damit aus Gleichung (3)

⁰ - ^UBmin '¹^ - ^U

woraus sich bei vorgegebenen Werten von U^ . und U das Teilerverhältnis C bestimmen läßt. Die angezeigte Spannung U darf sich aber bei einer plötzlichen Änderung des Ladestromes nicht ändern, wie dies in Fig. 3 dargestellt und erläutert ist. Das bedeutet, daß

- dU_DO (1+c) - dU_n· c=0 (6)

sein muß.Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, daß der Spannungsabfall dU_R an dem Widerstand Rl4 in einem bestimmten Verhältnis zu der Änderung der Batteriespannung durch die Belastung stehen muß, diese also in einem bestimmten Verhältnis kompensieren muß. Aus dieser Gleichung ist bei vorgegebenem Spannungsteilerfaktor c und bei vorgegebener Änderung der Batteriespannung dU,,~ der Spannungsabfall an dem Widerstand Rl4 und damit über den maximalen Laststrom I dessen Widerstand errechenbar.

Die angezeigte Spannung U ist damit nur von der Spannungsänderung der Batterie dU_ß1 nach folgender Gleichung abhängig:

u_a = du_B1 Cc-D (7)

Setzt man für U_a die maximal angezeigte Spannung ein, lassen sich der Vorwiderstand 21 und ein bestimmtes Instrument festlegen,

Aus diesen Gleichungen errechnet man für eine 24 V-Batterie, deren maximale Spannung 25 V beträgt und die nicht unter die Spannung U_ß ■ von 22 V entladen werden soll, bei der also dUg-i = 3 V beträgt, und unter Zugrundelegung eines dU_ß2 ^von 3 V bei einem maximalen Laststrom von 45 A bei Verwendung einer Zenerdiode mit einer Zenerspannung von

1,5 V folgende Werte:

BAD

409826/0475 " ⁷ -

c = 0,932
dU_R = 0,225 V.

U_a =0,204 V

Aus diesen Werten können die Größen der.einzelnen Widerstände leicht ermittelt werden. Man erhält: R16 = 220 Ohm

R17 = 3 k Ohm . RH = S m Ohm

Bei Verwendung eines Instruments mit einem Innenwiderstand von 1 k Ohm und einem Vollausschlag von 100 μ A ist ein Vorwiderstand R-.. von 1,1 k Ohm einzusetzen. Der Widerstand 12 läßt sich schließlich aus den technischen Daten der Zenerdiode 11 ermitteln, die im gewählten Beispiel einen Strom von 25 Milliampere aufnimmt. Der Widerstand 12 kann dann zu 1 k 0hm gewählt werden.

Die beschriebene Schaltungsanordnung zeichnet sich durch ihre Einfachheit aus, zeigt aber dennoch den Entladezustand sehr korrekt an. Das liegt daran, daß eine Spannungsänderung an der Batterie dem einen Anschluß des Meßwerkes über die Zenerdiode 11 voll, dem anderen Anschluß des Meßwerkes aber über den Spannungsteiler 18 nur teilweise zugeführt wird, und daß der durch den inneren Widerstand der Batterie hervorgerufene Spannungsabfall du _? bei größeren Entladeströmen durch den Spannungsabfall dU™ am Widerstand 14 im Laststromkreis kompensiert ist.

Durch eine entsprechende Dimensionierung der Bauelemente ist eine Nullpunktunterdrückung leicht möglich, d. h. es ist willkürlich festlegbar, bei welchem Entladezustand das Instrument bereits den Wert 0 anzeigt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Schaltanordnung in einem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug verwendet werden soll, weil bei einem solchen Anwendungsfall oftmals gefordert wird, daß das Instrument schon eine entladene Batterie anzeigt, wenn diese eigentlich noch Kapazität für eine bestimmte Betriebs zeit aufweist, , um somit sicherzustellen, daß das Fahrzeug nicht überraschend ausfällt.

409826/0475 . ₈ _

Claims (7)

1. Ansprüche

   !.Schaltungsanordnung zur Kontrolle des Ladezustandes einer Batterie, insbesondere bei veränderlicher Belastung, mit einem elektrischen Meßwerk, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßwerk (19) die Differenz zweier Spannungen anzeigt, von denen die eine (U₁) um einen konstanten Betrag unter der jeweiligen ßatteriespannung liegt, während die andere (U₂) ein Bruchteil der Spannung ist, die um einen vom Belastungsstrom abhängigen Viert unterhalb der jeweiligen Batteriespannung liegt.
2. 2.Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß des Meßwerks an den Abgriff (20) eines Spannungsteilers (18) geschaltet ist, der einerseits direkt und andererseits über einen vom Belastungsstrom durchflosscnen Widerstand (14) an die Batterie angeschlossen ist, und daß der andere Anschluß des Meßwerks an den gemeinsamen Schaltungspunkt (22) zweier Bauelemente (11, 12) angeschlossen ist, die andererseits direkt mit der Batterie verbunden sind, wobei eines dieser Bauelemente (11) einen konstanten Spannungsabfall erzeugt.
3. 3.Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den konstanten Spannungsabfall erzeugende Bauelement (11) eine Diode, insbesondere eine Zenerdiode ist.

   409826/0475 '-⁹ "
4. 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Bauelement (12) ein Widerstand, insbesondere ein NTC-Widerstand ist.
5. 5· Schaltungsanordnung nach den vorhergehenden Alisprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsverhältnis C des Spannungsteilers (18) durch die Formel

   C = ^Bmin " ζ

   ^UBmin

   festgelegt ist.
6. 6. Schaltungsanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (14) aus der Gleichung

   1
   dU_R2 (c - 1)

   ¹⁴

   errechnet wird.
7. 7. Schaltungsanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Instrument gewählt wird, das eine maximale Spannung

   u_a = du_B1

   anzeigt. 409826/04-75

   eerseite