DE2405151B2

DE2405151B2 - Vorrichtung zur ueberwachung des ladezustandes eines akkumulators

Info

Publication number: DE2405151B2
Application number: DE19742405151
Authority: DE
Inventors: Harald 6232 Neuenhain Collonia
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1974-02-04
Filing date: 1974-02-04
Publication date: 1976-09-16
Also published as: DE2405151A1; GB1473633A; NL7500924A; FR2260192A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes eines Akkumulators, insbesondere eines Fahrzeug-Akkumulators mit einem über die an einem vom Akkumulatorenstrom durchflossenen Meßwiderstand abfallende Spannung, angesteuerten Amperestundenzähler.

Bei Akkumulatoren ist es notwendig, um jederzeit die noch im Akkumulator enthaltene Strommenge kontrollieren zu können, Amperestundenzähler vorzusehen. Da weiterhin die Kapazität des Akkumulators mit der Zahl der erfolgten Aufladungen und Entladungen abnimmt, werden Zyklenzähler benötigt, um die voraussichtliche Lebenserwartung des Akkumulators zu bestimmen. Bisher wurden zu diesem Zweck insbesondere elektromechanisch arbeitende Amperestundenzähler bzw. Zyklenzähler verwendet.

Derartige mechanische Zähler besitzen den Nachteil sich bewegender Teile und sind fertigungsmäßig mit hohen Kosten belastet. Dazu sind sie insbesondere dann nur schwierig einzusetzen, wenn die mit der Zvklenzahl abnehmende Kapazität des Akkumulators berücksichtigt werden soll. Bekannte Einrichtungec, in denen sowohl die Zahl der Zyklen gezählt werden als auch die nichtlineare Kennlinie der Kapazität des Akkumulators berücksichtigt werden soll, arbeiten mit mechanisch verstellbaren Widerständen zur Ansteuerung der Amperestundenzähler sowie mit Unters.etzungsgetrieben (OE-PS 2 38 830).

Weiterhin ist es bei einer Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes gemäß der DT-PS

ίο 15 13 700 bekannt, durch den Spannungsabfall an einem vom Akumulatorstrom durchflossenen Widerstand einen in der Emitter-Basis-1 -Strecke eines Doppelbasistransistors angeordneten Kondensator aufzuladen, wobei an der Basis 1 dieses Transistors Impulse entstehen, mit denen direkt oder über weitere Transistoren verstärkt elektromechanische oder elektronische Zähleinrichtungen ansteuerbar sind.

Diese bekannten Amperestundenzähler besitzen den großen Nachteil, daß mit ihrer Hilfe keine ge-

ao naue Aussage über den noch vorhandenen Rest-Energieinhalt der Batterie gemacht werden kann, da die Kapazität stark von der Entladestromstärke abhängt, was aber bei der Strommengenbilanzierung mit den bekannten Amperestundenzähler nicht be-

a5 rücksichtigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Ausführungsformen zu vermeiden und eine Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes von Akkumulatoren zu entwickeln, die eine genaue Aussage über die in einer Batterie vorhandene Kapazität durch Berücksichtigung der Entladestromstärke ermöglicht. Dabei soll sowohl für den Entlade- als auch für den Ladevorgang eine genaue Aussage über die Kapazität ermöglicht werden, indem neben der Stromstärke auch der Ladefaktor berücksichtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zum Meßwiderstand der Eingang eines die Akkumulatorenstromstärke bewertenden aktiven nichtlinearen Netzwerkes geschaltet ist; und daß der Ausgang dieses Netzwerkes in Reihe mit dem Meßwiderstand an die Eingangsklemmen des AmpiTestundenzählers geschaltet ist.

Eire erfindungsgemäße Vorrichtung enthält als

♦5 wesertliche Bestandteile eine Anordnung zur Bewertung der Akkumulatorenstromstärke, wellche im folgenden als Korrekturspannungsgeber bezeichnet ist und als Amperestundenzähler eine Spannungs/ Frequenzumsetzerstufe, über welche die bewertete Spannung in eine Impulsfolge zerlegt und in einer Zäh'einheit integriert wird.

De^- Korrekturspannungsgeber ist als aktives nichtlineares Netzwerk aufgebaut und bildet das Verhalten d'5s Akkumulators nach, in dem Sinne, daß mit zunehmender Entladestromstärke die Zählrate nicht stromlinear, sondern überproportional erhöht wird.

De: Spannungs/Frequenzumsetzer erhält eine dem

Entla:le- bzw. Ladestrom proportionale Spannung, zu de: die Korrekturspannung addiert ist. Diese Spannung wird in eine Impulsfolge umgesetzt, deren Frequenz der Spannungshöhe entspricht. Die Impulszahl ist damit ein echtes Maß für die entnommene bzw. eingeladene Kapazität.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung

anhand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt dabei den Spannungs/Frequenzumsetzer,
F i g. 2 den Korrekturspannungsgeber,

F i g. 3 die verwendete Zählkurve und

F i g. 4 das Prinzipbild einer Zählein'ieit.

Gemäß F i g. 1 wird das am Meßwiderstand bzw. Shunt ShI (Klemmen a, b) abgenommene und mit der Korrekturspannung U₁₁ beaufschlagte Eingangssignal über die Verstärker /Cl integriert. Die Ausgangsspannung entspricht dem \ U_Edt, wird über Diode Dl ausgekoppelt und einem Schmitt-Trigger, bestehend aus den Transistoren ΤΪ und Γ 2, zugeführt. Bei Erreichen der oberen Schaltspannung gibt der Schmitt-Trigger einen Rücksetzimpuls an die aus den Thyristoren Th 1 und Th 2 bestehende Entladestufe für den Kondensator Cl. Dadurch wird die aufintegrierte Spannung auf Null gesetzt und eine neue Integration ermöglicht. Gleichzeitig wird 3er Rücksetzimpuls vom Kollektor des Transistors Tl als Zählimpuls (Klemme Z) ausgekoppelt und einer Zähleinheit zugeführt. Um auch negative Ausgangsspannungen als /C1 erfassen zu können, ist ein Verstärker /C 2 als Phasenumkehrstufe nachgeschaltet. Dessen Ausgangsspannung wird über Diode D 2 ausgekoppelt, um über den gleichen Schmitt-Trigger Γ1, Γ 2 den Rücksetzimpuls auszulösen. Durch das Widerstandsverhältnis R 1: R 2, welches die Verstärkung des IC 2 bestimmt, kann ein gewünschter Ladefaktor programmiert werden. Die Versorgungsspcnnung ist mit U_B , bezeichnet.

An den Ausgängen χ und y werden Impulse ausgekoppelt, welche zur Vorbereitung der Zählung in einem Vorwärts- bzw. Ruckwäu^ahler benutzt werden können. Mit dem Einstelltrimmer Pl werden Einflüsse der Eingangsströme kompensiert.

Der Korrekturspannungsgeber ist gemäß F i g. 2 ebenfalls an die Klemmen des Meßwiderstandes Sh 1 angeschlossen (Klemmen a" und b"). Die abgenommene Spannung wird im Verstärker /C 3 verstärkt und anschließend einem Dioden-Widerstands-Netzwerk zugeführt. An den mit U_K bezeichneten Anschlüssen wird die Korrekturspannung als Ausgangsspannung abgenommen und dem Spannungs/Frequenzumsetzer zugeführt. Das Dioden-Widerstands-Netzwerk mit Einstellwiderstand P 2 erzeugt eine in F i g. 3 dargestellte Korrekturspannungskurve.

In F i g. 3 ist mit 1 ein linearer Zusammenhang zwischen Spannung am Shunt ShI(V) und Impulsfrequenz Z dargestellt. Da das Kapazitätsverhalten des Akkumulators nicht linear ist, ist in Kurve 2 eine den Werten eines üblich hergestellten Bleiakkumulator entsprechende nichtlineare Zählkurve dargestellt. Aus Kurve 2 ist ersichtlich, daß höhere Ströme überproportional bewertet werden müssen. Entsprechend kann auch das Temperaturverhalten des Akkumulators berücksichtigt werden. Diese Kurve wird dem Spannungs/Frequenzumsetzer durch Einfügung der Korrekturspannung U_K vorgegeben.

An den Spannungs/Frequenzumsetzer wird anschließend eine Zähleinheit geschaltet. In F i g. 4 ist eine mögliche Ausführungsform einer solchen Zähleinheit dargestellt. Die vom Spannungs/Frequenzumsetzer gelieferten Impulse (Z) werden im ersten Zähler I 10:1 geteilt und im zweiten Zähler II gezählt. Der Zählerstand wird mit dem Dekoder III dekodiert und einer optischen Anzeige zugeführt, welche beispielsweise aus den Lampen Ll bis LlO besteht, welche jeweils einer Änderung der Kapazität um lO°/o entsprechen. Sobald die Lampe Ll (10%) aufleuchtet, werden die weiteren Zählimpulse mit

ίο dem Gatter IV gesperrt. Mit der Taste T kann die Zäbleinheit wieder auf den Stand »100%« gesetzt werden. Der Transistor T 3 dient der Impulsformung. Die notwendigen Versorgungsspannungen sind mit Ub v Ub a ^und ^b₃ bezeichnet. Außer einer 10-%-

stufigen Anzeige über ein Lampenband ist es möglich, beliebige Zählerstände über übliche elektronische oder elektromechanische Zähler anzuzeigen.

In F i g. 1 sind zusätzlich zum Ausgang Z bereits Ausgänge χ und y vorgesehen, über welche elektro-

ao nische oder elektromechanische Zählvorrichtungen so angesteuert werden können, daß vor- und rückwärts gezählt werden kann. Dies ist insbesondere möglich, da der Integrationsbaustein IC 1 so geschaltet ist, daß er positive und negative Meßspannungen

a5 entsprechende Lade- und Entladeströme verarbeiten kann.

Besonders vorteilhaft läßt sich eine Anordnung gemäß der Erfindung in einem Elektrostraßenfahrzeug mit einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Bleiakkumulatorenbatterie verwenden, bei dem beim Bremsvorgang Energie durch Nutzbremsung an den Akkumulator zurückgeführt wird. Bei entsprechender Auslegung insbesondere der Bauelemente R_v und Cj des Integrationsbausteines /Cl ist es mög-

lieh, nur mit einem Vorwärtszähler gemäß F i g. 4 zu arbeiten. Die in kurzen Energiepulsen zuriickgespeiste Energie wird dabei automatisch in einer Umladung von C₁ berücksichtigt, ohne daß eine zweiseitige Zählanordnung notwendig ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Zählerstände in beliebiger Weise elektrisch fernübertragen werden können.

Sämtliche Baueinheiten, insbesondere der Korrekturspannungsgeber, und die Anzeige und Zähleinheit können durch modularen Aufbau den verschiedensten Erfordernissen angepaßt werden.

Außer den Variationsmöglichkeiten durch Kombination der Zähler- und Anzeigeeinheiten soll noch erwähnt werden, daß man das Dioden-Widerstandsnetzwerk des Korrekturspannungsgebers für verschiedene Batterien mit Festwiderständen aufbauen und als steckbares Modul ausbilden kann. Ebenso kann man die Integrationseinheit, bestehend aus C₁ und R_v, als steckbares Modul fertigen. Dem Anwender würden somit zu einem Grundgerät (80 bis 90% des Gesamtpreises) mehrere Blockmodule zur Verfügung stehen, um durch Kombination derselben alle gängigen Batterietypen überwachen zu können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes eines Akkumulators, insbesondere eines Fahrzeug-Akkumulators mit einem über die an einem vom Akkumulatorenstrom durchflossenen Meßwiderstand abfallende Spannung angesteuerten Amperestundenzähler, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Meßwideretand (ShI) der Eingang eines die Akkumulatorenstromstärke bewertenden aktiven nichtlinearen Netzwerkes geschaltet ist und daß der Ausgang dieses Netzwerkes in Reihe mit dem Meßwiderstand (ShI) an die Eingangsklemmen des Amperestundenzählers geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Amperestundenzähler einen Verstärker (/Cl) enthält, zwischen dessen Ausgang und Eingang die Parallelschaltung aus einem Kondensator (C₁) und zwei antiparallel geschalteten Thyristoren (Tl, ThI) liegt, daß die Ausgangsklemmen des Verstärkers (/Cl) über eine erste Diode (D 1) direkt und über eine zweite Diode (D 2) über einen als Phasenumkehrstufe geschalteten zweiten Verstärker (/C 2) mit der Eingangsklemme eines Schmitt-Triggers (Tl, Tl) verbunden ist und daß ein Ausgang des Schmitt-Triggers (Γ1, Tl) jeweils mit den Steuerelektroden der Thyristoren (TkI, ThI) und die zweite Ausgangsklemme des Schmitt-Triggers (Tl, Tl) mit einem Impulszähler verbunden sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturspannungsgeber einen Verstärker (/C 3) und ein Dioden-Widerstandsnetzwerk enthält.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (/Cl) ein zweiter Verstärker (/C 2) nachgeschaltet ist und daß der Ausgang und der invertierende Eingang des zweiten Verstärkers (/C 2) über einen Rückkopplungswiderstand (R 2) verbunden sind.