DE2536053A1 - Verfahren und vorrichtung zum ermitteln der kapazitaet eines akkumulators - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum ermitteln der kapazitaet eines akkumulators

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DE2536053A1 DE19752536053 DE2536053A DE2536053A1 DE 2536053 A1 DE2536053 A1 DE 2536053A1 DE 19752536053 DE19752536053 DE 19752536053 DE 2536053 A DE2536053 A DE 2536053A DE 2536053 A1 DE2536053 A1 DE 2536053A1
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Description

Patentanwälte Dipl.- Ing. W. Scherrmann Dr.- Ing. R. Rüger
7300 Esslingen (Neckar), Fabrikstraße 24, Postfach 348
12. AUgUSt 1975 Telefon
Stuttgart (0711) 356539
PA 20 beku 359619
Telex 07256610 smru
Telegramme Patentschulz Esslingenneckar
REGIE NATIONALE DES USINES RENAULT, 8-10 Avenue Emile Zola, 92105 Boulogne-Billancourt, Frankreich
AUTOMOBILES PEUGEOT, 75 Avenue de la Grande-Armee, 75016 Paris, Frankreich
Verfahren und Vorrichtung zum Ermitteln der Kapazität eines Akkumulators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Kapazität eines Akkumulators durch Integrieren der während des Entladens in dem Akkumulator fließenden Stromstärke, sowie eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Es sind verschiedene Arten von Geräten zur Bestimmung der in Ampere-Stunden gemessenen Kapazität von Akkumulatoren bekannt, die auf dem Prinzip einer Integration des durch einen Akkumulator während seiner Entladung fließenden Stromes basieren. Ein Analog-Integrator liefert das Ergebnis der Integration direkt in Form einer Spannung Uc der Form:
uc «= / ι (t).dt (1)
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worin I (t) der Momentanwert der durch den Akkumulator fließenden Stromstärke und t die seit dem Beginn (t = O) des Entladevorgangs verstrichene Zeit ist.
Ein numerischer Integrator liefert das Ergebnis der Integration in Form einer an dem Ausgang eines Zählers erscheinenden Zahl/ die in einfacher Weise in eine ihr proportionale Spannung umgeformt werden kann.
Die Spannung ü_ ist proportional der dem Akkumulator von dem Zeitpunkt Null an entnommenen Elektrizitätsmenge und sie ermöglicht die Bestimmung der noch zur Verfügung stehenden Elektrizitätsmenge nach der Beziehung:
ÜR
worin U0 eine der noch zur Verfügung stehenden, d.h. in dem Akkumulator verbleibenden Rest-Elektrizitätsmenge proportionale Spannung, die für die Normalisierung verwendet wird, und Uv, eine der Maximalkapazität des Akkumulators entsprechende Spannung ist.
Bei den bekannten Meßvorrichtungen wird U„ einer Konstanten gleichgesetzt und die Beziehung (2) auf die Sichtanzeigeebene übertragen, um der Bedienungsperson die restliche Elektrizitätsmenge anzuzeigen.
Die bekannten Meßvorrichtungen weisen, mögen sie auch sonst genau und zuverlässig sein, einen schwerwiegenden Nachteil auf. Die an den Klemmen eines Akkumulators verfügbare Maximalkapazität ist nämlich keine konstante Größe, sie hängt
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vielmehr von zwei Parametern ab, der Entladestromstärke und der Temperatur des Akkumulator-Elektrolyten.
Die Nennkapazität von Akkumulatoren für Fahrzeugantriebe wird in der Regel für eine Entladezeit von 5 Stunden definiert. Wenn die Entladung schneller stattfindet, ist die entnehmbare Elektrizitätsmenge kleiner als die Nennkapazität.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen der Kapazität eines Akkumulators zu schaffen, das den Einfluß der genannten Parameter berücksichtigt und beispielsweise dem Fahrer eines mit Akkumulatoren versehenen Elektrofahrzeuges die jeweilige Leistungsreserve so exakt anzeigt, daß die vorhandene Antriebsenergie optimal und ohne die Gefahr einer Schädigung der Akkumulatoren genutzt werden kann.
Es ist bekannt, daß die maximal verfügbare Kapazität eines Akkumulators für Antriebszwecke durch folgende Beziehung gegeben ist:
CM - a * \/ xm (3)
worin a, b konstante Koeffizienten und I die durch den Akkumulator geflossene mittlere Stromstärke ist.
Mit der Beziehung (1) ergibt sich für die bis zu einem Zeitpunkt t in einem VerbraucherStromkreis geflossene mittlere Stromstärke:
ο J
ι - r uc
Im = 1 . f I (t) dt = ^- (4)
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem die mittlere Entladestromstärke des Akkumulators in Abhängigkeit von der entnommenen Strommenge und von der seit dem Entladebeginn verstrichenen Zeit kontinuierlich ermittelt und die zu erwartende maximale Kapazität in Abhängigkeit von der Entladestromstärke während der seit dem Entladebeginn verstrichenen Zeit berechnet wird.
Verändert sich die Entladestromstärke, so ändert sich mit ihr die zu erwartende maximale Kapazität, womit die Fähigkeit des Akkumulators berücksichtigt werden kann, sich in zwischen Perioden schneller Entladung liegenden Ruheperioden zu "erholen". Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelte, einem Akkumulator zu entnehmende maximale Strommenge entspricht somit weitgehendst der tatsächlich zur Verfügung stehenden Strommenge.
Zwischen der Temperatur T des Akkumulator-Elektrolyten und der maximalen Kapazität CM besteht eine lineare Beziehung:
CM = cT + d (5)
worin c und d konstante Koeffizienten sind.
Aus dieser Beziehung ist ersichtlich, daß die zur Verfügung stehende maximale Kapazität innerhalb bestimmter Grenzen mit der Temperatur zunimmt, daß sie aber nicht allein durch die Temperaturänderung gegeben ist.
Um die Möglichkeit zu berücksichtigen, daß ein Akkumulator bei ansteigender Elektrolyttemperatur Energie "wiedergewinnt" und sich dadurch die maximale Kapazität des Akkumulators erhöht, wird in Weiterbildung der Erfindung die ,Temperatur
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des Elektrolyten kontinuierlich gemessen und der für die zu erwartende maximale Kapazität errechnete Wert in Abhängigkeit von der Elektrolyttemperatur kontinuierlich korrigiert.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß sie einen die einem Akkumulator seit dem Entladebeginn entnommene Strommenge ermittelnden ersten Integrator sowie einen die seit dem Entladebeginn verstrichene Zeit feststellenden zweiten Integrator aufweist und daß sie mit einer die mittlere Stromstärke während der seit dem Entladebeginn verstrichenen Zeit ermittelnden ersten Recheneinrichtung sowie mit einer die zu erwartende maximale Kapazität in Abhängigkeit von dieser mittleren Stromstärke ermittelnden zweiten Recheneinrichtung versehen ist.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung,
Fig. 2a eine in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendete Einrichtung zum Berechnen der mittleren Entladestromstärke,
Fig. 2b den Verlauf von an zwei Punkten der Recheneinrichtung nach Fig.2a erfassten Signalen,
Fig. 3 die Übertragungsfunktion eines in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Funktionsgenerators.
In Fig. 1 sind eine Gruppe von Akkumulatoren 1 und ein zugehöriger Verbraucherstromkreis 2 zu erkennen. Ein in den Stromkreis 2 eingefügter Shuntwiderstand 3 liefert an seinen Klemmen eine Spannung U, die der Entladestromstärke der Akkumulatoren 1 proportional ist. Diese Spannung U ist an einen Integrator 4 angelegt. Der Integrator 4 gibt an seinem Ausgang eine Spannung U ab, die der den Akkumulatoren 1 entnommenen Gesamtstrommenge proportional ist.
Eine zweite Integriereinrichtung oder Integrator 5 wird mit einer konstanten Spannung V dauernd gespeist und liefert demnach eine Ausgängsspannung Uj-/ die der Betriebszeit des Akkumulators 1 proportional ist. Die Betriebszeit t ist die Zeit,während.der die Uc entsprechende Strommenge entnommen worden ist. Die beiden Spannungen Uc und Ufc liegen an 2 Eingängen einer Dividiereinrichtung 6. Die Dividiereinrichtung 6 liefert eine Ausgangsspannung U , die durch folgende Beziehung gegeben ist:
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UT ist somit der mittleren durch die Akkumulatoren 1 im
geflossenen Stromstärke proportional. Diese Spannung UT wird an einen Funktionsgenerator 7 angelegt, der seinerseits eine Spannung U erzeugt, die der von der mittleren Stromstärke (Spannung U ) abhängigen maximalen entnehmbaren Kapazität proportional ist.
Eine Temperatursonde 8 steht in Kontakt mit dem Elektrolyten des Akkumulators 1 und liefert eine Spannung UT, die der Temperatur des Elektrolyten proportional ist. Die Spannung U wird auf einen Verstärker 9 übertragen, der eine Spannung U erzeugt, die einem Korrekturwert proportional ist, mit dem die Abhängigkeit der maximal entnehmbaren Kapazität (Spannung U M ) von der Temperatur des Elektrolyten berücksichtigt wird.
In ein Summierglied 1O wird einerseits die Spannung U (Wert der maximalen entnehmbaren Kapazität) und andererseits die Spannung U (temperaturabhängiger Korrekturwert)
eingegeben.
An dem Ausgang des Summiergliedes 10 steht eine Spannung Up zur Verfügung, die der tatsächlich aus den Akkumulatorer 1 entnehmbaren Strommenge proportional ist. Die Spannung U (entnommene Strommenge) und die Spannung U „ werden an ein Subtraktionsglied 11 angelegt, das auf ein Anzeigegerät 12 eine Spannung υ_,Ώ überträgt, die gleich der Differenz
LK
zwischen UCMC und U_ ist. Die Spannung UCR entspricht somit der für die restliche Betriebsdauer unter Berücksichtigung der Entladebedingungen und der Elektrolyttemperatur tatsächlich zur Verfügung stehenden Kapazität, d.h.Strommenge.
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Die Arbeitsweise der aus Fig. 1 ersichtlichen Vorrichtung wird nun im einzelnen beschrieben.
Der Integrator 4, der von irgendeiner herkömmlichen Bauart sein kann, liefert eine Spannung U , die durch folgende Beziehung gegeben ist:
Kt). dt
Die Spannung Uq ist somit gleich der durch den Akkumulator 1 geflossenen Strommenge.
Der Integrator 5, der von gleicher Bauart wie der Integrator 4 ist, liefert eine durch folgende Beziehung gegebene Spannung U :
V . dt
Die Spannung U. ist somit der Entladezeit proportional, da die am Eingang des Integrators 5 anliegende Spannung V konstant ist.
Das Dividierglied 6 bildet den Quotienten U-./U. , der seinerseits dem Verhältnis C/t und somit der mittleren Stromstärke in dem Akkumulator proportional ist. Einzelheiten des Dividiergliedes 6 sind aus Fig. 2a ersichtlich.
Ein Spannungs-Stromwandler 13, an dessen Eingang die Spannung IL, anliegt, liefert an seinem Ausgang einen der Span-
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nung U-, proportionalen Strom Ip. Der Wandler 13 lädt einen Kondensator 14 mit der Stromstärke I_ auf.
An einem Komparator 15 liegt einerseits die sich an den Anschlüssen des Kondensators 14 ausbildende Span- · nung und anderseits die Spannung U. an. Sobald die Kondensatorspannung den Wert U. erreicht, kippt der Komparator 15 und schließt einen Schalter 16, der den Kondensator 14 entlädt. Das Ausgangssignal des Spannungs-Stromwandlers 13 (an dem Punkt A) weist einen aus dem oberen Teil von Fig. 2b ersichtlichen Verlauf auf. Es handelt sich dabei um ein periodisches Signal, dessen Periode T sich in Abhängigkeit von der Kapazität C des Kondensators 14 folgendermaßen berechnen läßt:
T = C · —
c
Die Frequenz des Ausgangssignales des Komparators 15 (Punkt B), die aus dem unteren Teil der Fiq.2b ersichtlich ist, ist dem vorstehenden Quotienten umgekehrt proportional, d.h. sie ist zu U_/U proportional, da I_ proportional U ist. Ein Frequenz-Spannungswandler 17 (Fig. 2a) erzeugt eine Spannung U-. die somit ein Maß für die durch den Akkumulator 1 geflossene mittlere Stromstärke ist.
Diese Spannung U_ steuert den Funktionsgenerator 7 (Fig.1), der eine Spannung U erzeugt, welche der unter den Bedingung*.; der durch den Akkumulator geflossenen mittleren Stromstärke maximal noch zur Verfügung stehenden Strommenge proportional ist.
Der im Ausführungsbeispiel verwendete Funktionsgenerator ist ein nicht linearer Verstärker, der in herkömmlicher Weise aus einem Operationsverstärker und einer Rückkopplungsschaltung mit passiven Schwellwerteinrichtungen "(Dioden) 609811/0623
- 10 -
1O -
aufgebaut ist. Mit einer solchen Einrichtung können beliebige Funktionen dargestellt werden, indem sie durch eine Folge von Geradenabschnitten approximiert werden. Die dabei erreichbare Genauigkeit hängt von der Anzahl der verwendeten Geradenabschnitte ab. Aus Fig. 3 ist die Übertragungsfunktion ersichtlich, die bei dem Funktionsgenerator 7 des Ausführungsbeispiels zwischen der Eingangsspannung V und der Ausgangsspannung V besteht. e s
Die voll ausgezogene Linie 18 stellt den theoretischen Funktionsverlauf dar, während der strich-punktierte Linienzug 19 ein Beispiel für eine Annäherung durch vier Geradenabschnitte ist.
Der mit der Temperatur sonde 8 verbundene Verstärker 9 liefert eine Spannung U._,, die der Korrektur entspricht, die die Abhängigkeit der maximal entnehmbaren Strommenge von der Temperatur des Elektrolyten berücksichtigt.
Das Suiranierglied 1O erzeugt eine Spannung ü c, -die der unter den festgestellten Betriebsbedingungen (Entladungs-Stromstärke und Temperatur) tatsächlich noch zur Verfügung stehenden Kapazität proportional ist.
Das Subtraktionsglied 11 steuert das Anzeigegerät"12, das im Blickfeld der Bedienungsperson liegt, und dieser die ihr tatsächlich noch zur Verfügung stehenden Energiemenge anzeigt, d.h. die Differenz zwischen der maximal zur Verfügung stehenden Kapazität und der tatsächlich verbrauchten Strommenge.
Die einzelnen Elemente des beschriebenen Ausführungsbeispieles können ohne weiteres durch anders aufgebaute Einrichtungen ersetzt werden. So kann das aus Fig. 2a ersichtliche analoge Dividierglied 6, das im wesentlichen einen Multivibrator aufweist, dessen Frequenz zu der einen
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- 11 -
eingegebenen Spannung proportional und zu der anderen eingegebenen Spannung umgekehrt proportional ist, durch ein beliebiges anderes, das gleiche Ergebnis liefernde Dividierglied ersetzt werden. Der im Ausführungsbeispiel verwendete analoge Funktionsgenerator 7 kann ebenfalls durch jeden anderen Funktionsgenerator ersetzt werden, der in der Lage ist, die verlangte Funktion zu erzeugen.
Andererseits ist es möglich, statt daß auf dem Anzeigegerät 12 die noch zur Verfügung stehende Restenergie (Spannung U^0) angezeigt wird, auf einem zweifachen Sichtanzeigegerät die maximal entnehmbare Kapazität (Spannung U_,Mr,) und gleichzeitig die tatsächlich entnommene Kapazität (Spannung U_) anzuzeigen. Die Bedienungsperson kann so einerseits durch Vergleich der jeweiligen Zeigerstellungen die noch verfügbare Energiemenge und andererseits die maximal entnehmbare Kapazität ablesen und aus den beiden Anzeigen die Betriebsbereitschaft des Fahrzeuges feststellen. Je geringer die maximale Kapazität ist, desto näher befindet sich das Fahrzeug an seiner Betriebsgrenze. Abgesehen davon, daß hierbei das Subtraktionsglied 11 entfällt, ändert sich der Aufbau und die Wirkungsweise gegenüber dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel nicht.
- Patentansprüche -
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Claims (12)

  1. Patentansprüche
    (j J Verfahren zum Ermitteln der Kapazität eines Akkumulators durch Integrieren der während des Entladens in dem Akkumulator fließenden Stromstärke, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Entladestromstärke des Akkumulators in Abhängigkeit von der entnommenen Strommenge und von der seit dem Entladebeginn verstrichenen Zeit kontinuierlich ermittelt und die zu erwartende maximale Kapazität in Abhängigkeit von der Entladestromstärke während der seit dem Entladebeginn verstrichenen Zeit berechnet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Einfluß der Temperatur des Akkumulator-Elektrolyten auf die Kapazität des Akkumulators kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Elektrolyten kontinuierlich gemessen wird und daß der für die zu erwartende maximale Kapazität errechnete Wert in Abhängigkeit von der Elektrolyttemperatur kontinuierlich korrigiert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximal zu erwartende Kapazität und die seit dem Entladebeginn verbrauchte Strommenge angezeigt werden,
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß in Abhängigkeit von der zu erwartenden maximalen Kapazität und von der seit dem Entladebeginn verbrauchten Strommenge die noch zur Verfügung stehende Strommenge ermittelt und angezeigt wird.
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    - 13 -
  5. 5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen die einem Akkumulator (1) seit dem Entladebeginn entnommene Strommenge ermittelnden ersten Integrator (4) sowie einen die seit dem Entladebeginn verstrichene Zeit feststellenden zweiten Integrator (5) aufweist und daß sie mit einer die mittlere Stromstärke während der seit dem Entladebeginn verstrichenen Zeit ermittelnden ersten Recheneinrichtung (6) sowie mit einer die zu erwartende maximale Kapazität in Abhängigkeit von dieser mittleren Stromstärke ermittelnden zweiten Recheneinrichtung (7) versehen ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet , daß die erste Recheneinrichtung (6) ein Dividierglied ist, in dem in Abhängigkeit von einer der entnommenen Strommenge proportionalen Spannung (U-J und von einer der seit dem Entladebeginn verstrichenen Zeit proportionalen Spannung (U.) eine dem mittleren Entladestrom proportionale Spannung (U, J erzeugbar ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Dividierglied (6) ein einen Multivibrator (14, 15, 16), dessen Frequenz der einen Spannung (U-J proportional und der anderen Spannung (U,) umgekehrt proportional ist, aufweisendes analoges Dividierglied ist und daß diesem Dividierglied (6) ein Frequenz-Spannungwandler (17) nachgeordnet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Recheneinrichtung (7) ein eine übertragungsfunktion realisierender Funktionsgenerator ist, in dem in Abhängigkeit von der dem mittleren Entladestrom proportionalen Spannung (U_ ) eine der zu erwartenden maximalen Kapazität proportionale Spannung (UCM) erzeugbar ist.
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    - 14 -
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Funktionsgenerator (7) ein die Übertragungsfunktion durch Linearisierung darstellender analoger Funktionsgenerator ist.
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2, mit einer den Einfluß der Elektrolyttemperatur des Akkumulators auf dessen Kapazität ausgleichenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung eine die Elektrolyttemperatur messende Temperatursonde (8) und eine in Abhängigkeit von dem Aus— gangssignal der Temperatursonde (8) den Wert der zu erwartenden maximalen Kapazität korrigierende Recheneinrichtung (1O) aufweist.
  11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß sie ein gleichzeitig die zu erwartende maximale Kapazität und die seit dem Entladebeginn verbrauchte Strommenge darstellendes Sichtanzeigegerät (12) aufweist.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10 zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß sie ein die Differenz zwischen der zu erwartenden maximalen Kapazität und der seit dem Entladebeginn verbrauchten Strommenge ermittelndes Rechenglied (11) sowie ein die noch zur Verfügung stehende Strommenge darstellendes Sichtanzeigegerät (12) aufweist.
    • ^
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DE2536053A 1974-09-03 1975-08-13 Verfahren und Vorrichtung zum kontinuierlichen Ermitteln der in einem Akkumulator verfügbaren elektrischen Energie Expired DE2536053C3 (de)

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DE2536053B2 DE2536053B2 (de) 1978-05-18
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