DE3012356C2

DE3012356C2 - Einrichtung zur Anzeige der Restladung eines Akkumulators

Info

Publication number: DE3012356C2
Application number: DE3012356A
Authority: DE
Inventors: Albert Ing.(Grad.) 5790 Brilon Becker; Klaus Dr.-Ing. 6072 Dreieich Boettger
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1980-03-29
Filing date: 1980-03-29
Publication date: 1986-07-17
Also published as: DE3012356A1

Description

- f

wobei diese Differenz als zeitproportionale Größe einer Vorrichtung (5) mit numerischer Zeitangabe zugeführt ist, ä'e einen Ausgang (10) zur Betätigung eines Signalgebers aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch i mit einer Schaltung zur unterschiedlichen Bewertung des Lade- und des Entladestroms, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator (2) ein ohmscher Widerstand (Λ, + R₂) vorgeschaltet ist, von dem ein Teil (R₂) durch eine Diode (D) überbrückt ist.

3. Abänderung der Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Meßwertumformer (V) im Verbraucherstromkreis angeordnet ist und daß dem Dividierglied (3) eine dem Verbraucherstrom I_L proportionale Größi zugeführt wird, nach der Größenbeziehung

'rU.Ib.Il)

- B

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine digitale Rechenschaltung.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Anzeige der Restladung eines Akkumulators, mit einem Meßwertumformer zur Bildung einer dem Batteriebelastungsstrom proportionalen Größe, einem Integrator zur Bildung des Stromintegrals und mit einer Schaltung zur Nachbildung der Restkapazität vom aktuellen Wert des Batteriebelastungsstroms.

Eine derartige Einrichtung ist aus der AT-PS 3 31 357 bekannt. Sie dient im wesentlichen dazu, bei der Anzeige der Restladung eines Akkumulators seine nicht lineare Charakteristik und Temperaturabhängigkeit zu berücksichtigen und dadurch eine wesentlich genauere Aussage über die entnehmbare Amperestunden-Menge zu erhalten. Bei der bekannten Einrichtung ist in der Rechenschaltung ein Funktionsgeber vorgesehen, der die zur Verfugung stehende Ladungsmenge in Abhängigkeit vom Ladestrom und anderen, zum Teil sich nicht linear ändernden Größen angibt. Durch zusätzliche Verknüpfungen mit anderen Funktionsgliedern der Einrichtung ist ein komplizierter Aufbau des Funktionsgebers bedingt. Bei der bekannten Einrichtung ist ein Integrator zur Erfassung des Lade- und Entladestroms vorgesehen, wobei diese Ströme unterschiedlich bewertet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Einrichtung zur Anzeige der Restladung eines Akkumulators einen insbesondere komplizierten Funktionsbildner in der Rechenschaltung zu vermeiden, und zwar ohne eine wesentliche Einbuße in der Genauigkeit der Kapazitätsnachbildung.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, aaß ein erstes Addierglied, das die Differenz eines mittels eines Größengebßrs konstant vorgegebenen, der Batterie-Nennkapazität proportionalen Größenwerts A und des Belastungsstrom-Integrals bildet, ein Dividierglied, das den Quotienten aus dieser Differenz und einer den Batteriebelastungsstrom / proportionalen Größe bildet und durch ein zweites Addierglied, das die Differenz des Quotienten und einer mittels eines zweiten Größengebers fest vorgegebenen, von den Batterieparametern und der Ladeschlußspannung abhängigen Größenwertes C bildet entsprechend der Größenbeziehung

. Π

-C

wobei diese Differenz als zeitproportionale Größe einer Vorrichtung mit numerischer Zeitangabe zugeführt ist, die einen Ausgang zur Betätigung eines Signalgebers aufweist.

Mit dieser Einrichtung läßt sich die jeweils verfügbare Strommenge des Akkumulators oder die Entladcdaucr bei konstantem Entladestrom ermitteln, und zwar bei Langzeitentladung und auch insbesondere bei Kurzzeitentladung. Es soll bei einem bestimmten Entladezustand ein Signal erzeugt werden, das von der Langzeit- bzw.

Kur/./.eitenlladekcnnlinie einer zuvor eingeladenen oder wieder entnommenen Strommenge abgeleitet wird.

Für die Anzeige der Restladung wird vorausgesetzt, daß vor Beginn einer Kurzzeitentladung die Batterie formiert und geladen ist. Anderenfalls besteht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, daß bei einer unterschiedlichen Bewertung des Lade- und des Entladestroms dem Integrator ein ohmscher Widerstand vorgeschaltet ist, von dem ein Teil durch eine Diode überbrückt ist Letzteres ist im Prinzip aus der DE-PS 3 29 728 bekannt.

Die vorgenannte Voraussetzung ist jedoch dann nicht erfüllt, wenn bei der Stromversorgungsanlage, in der die Batterie eingesetzt ist, die Batterie gepuffert wird oder im Ladungserhaltungstrieb gefahren wird. Um auch in diesen Fällen die Anzeigeeinrichtung einsetzen zu können, besteht eine Weiterbildung der Erfindung darin, daß ein zweiter Meßwertumformer den Verbraucherstromkreis angeordnet ist und daß dem Dividierglied eine dem Verbraucherstrom proportionale Größe zugeführt wird, und zwar nach der in Anspruch 3 angegebenen Größenbeziehung. ^

Ferner können bei der Anzeigeeinrichtung, die aus an sich bekannten Schaltungseinheiten und Schaltungsgiiedern einer Analogrechnerschaltung zusammengesetzt ist, mithin eine analog arbeitende Rechenschaltung darstellt, Baueinheiten sowie auch Schaltungsglieder mit in den Signalfluß eingefügten digital arbeitenden Komponenten verknüpft werden. Dies kann erforderlich werden, wenn zum Beispiel durch die analoge Integration über den Integrator bei einer über die Zeitgrenze der Kurzzeitentladung hinausgehenden Beanspruchung der Batterie sowie bedingt durch Unvollkommenheit in Bauteilen der Schaltung Fehler in der Zeitanzeige eingehen. In diesem besonderen Fall kann auch die gesamte Rechenschaltung zur Erhöhung der Genauigkeit mit Digitalbausteinen ausgeführt werden.

Das Wesen der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Schaltungsanordnung eines Analogrechners bei einer Einrichtung zur Überwachung einer Batterie für Kurzzeitentladung;

Fig. 2 Kennlinien einer GroE-Blei-Batterie und einer Nickel-Cadmium-Batterie für Kurzzeitentladung und

F i g. 3 die Schaltungsanordnung eines Analogrechners bei einer Einrichtung zur Überwachung einer Batterie für Kurzzeitentladung in einer Ersatzstromanlage mit Bereitschaftsbetrieb.

In den Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Für die Bemessung von Akkumulatoren werden von den Herstellern verschiedenartige Auswahlkurven oder -labeilen an die Hand gegeben. Am übersichtlichsten sind Auswahlkurven, welche die Belastbarkeit eines Plattcnpaares einerBatterie, angegeben in Stromstärke pro Nennkapazität, in Abhängigkeit von der Entladedauer t_e darstellen. Diese ist entsprechend der verlangten Uberbrückungszeit für die Ersatzstromversorgung von Verbrauchern aus der Batterie vorgegeben. Für jede Batterieart kann deren Belastbarkeit durch eine hyperbelähnliche Kurvenschar mit der zulässigen Entladeschlußspannung als Parameter dargestellt werden.

Wird auf der Ordinate des Koordinatensystems die reziproke Belastbarkeit, nämlich die für einen bestimmten Wert des Entladestroms benötigte Nennkapazität der Batterie, aufgetragen, ergibt sich die in Fig. 2 dargestellte

geradlinige Kennlinienschar. Die reziproke Belastbarkeit ι ι hat die Dimension einer Zeit (in Stunden h).

I A I

Die geradlinigen Kennlinien in der Fig. 2 genügen der linearen Beziehung

lf=a+b-t„ (1)

worin K_n die Batterienennkapazität, / Entladestromstärke (Belastungsstrom) und a, b Parameter sinü, die von der Baltericart und der Entladeschlußspannung abhängig sind.

Die ausnutzbare Kapazität K einer geladenen Batterie wird dem Produkt / · t_Q gleichgesetzt. Durch Elimination der Zeit t_ä mit Hilfe der Beziehung (1) ergibt sich die ausnutzbare Kapazität in Abhängigkeit von /

Die in einem Zeitpunkt / während der Entladung und Belastung einer Batterie noch ausnutzbare Restkapazitäl K_K ist die Kapazität K nach (2) vermindert um die zuvor, seit Beginn t₀ der Entladung, bereits entnommene Strommenge, also

'

Unter der Voraussetzung, daß nach dem Zeitpunkt t ein konstanter Lntladestrom / entnommen wird, bestimmt sich die danach verbleibende Restentladezeit

t_K - —j- aus (3)

65

(4)

In der Beziehung (4) ist der Summand

ein Tür eine gegebene Stromversorgungsanlage festliegender Wert einer Kapazität mit der Dimension Amperestunden und der Subtrahend

hat die Dimension der Zeit.

Die Beziehung (4) beinhaltet die Struktur einer Schaltungsanordnung einer Analogrechnerschaltung, die in einer Stromversorgungsanlage mit einer Batterie als Stromquelle zur Überwachung derselben, insbesondere zur Anzeige der in einem Zeitpunkt noch verbleibenden Restentladezeit t_R eingerichtet ist, sowie auch /ur Abgabe eines Signals, sobald während der Batterieentladung I₁₁ kleiner als ein zu wählender Zeilwert wird.

Die Schaltungsanordnung in der Fig. 1 ist entsprechend der Beziehung (4) strukturiert und hai die folgende Wirkungsweise.

Mittels eines ersten Meßwertumformers 1 wird der Batteriebdastungsstrom / erfaßt und in eine diesem Strom / proportionale Große, z.B. eine Gleichspannung, umgeformt. Mit iiiii'e eines integrators 2 wird ein Stromintegral

J= f I, dt

des Belastungsstromes / aus dem zeitlichen Verlauf der stromproportionalen Größe gebildet. Mittels eines ersten Addiergliedes 4 wird der oben definierte, mit einem erste«! Größengeber 9 fest vorgegebene Wert

vermindert um das Stromintegral J, gebildet. Durch ein Dividiergli>:d 3 wird der Quotient des um J verminderten Wertes A durch / gebildet, und schließlich wird dieser Quotient mittels eines zweiten Addicrgliedcs 4' um den oben definierten zeitproportionaien Wert C vermindert, der mit einem zweiten Größengeber 9' fest vorgegeben wird. Diese zeitproportionale Größe am Ausgang von 4' entspricht der zu ermittelnden Resteniladezeil I₁₁. Sie ist einer geeigneten analogen oder digitalen zeitanzeigenden Vorrichtung 5 zugeführt, die gegebenenfalls einen Ausgang A zur Betätigung eines Warnsigna'gcbcrs aufweist und so eingerichtet ist, du!.', sie ein Warnsignal abgibt, sobald t_R einen vorgegebenen Zeitwert unterschreitet.

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung gibt eine hinreichend genaue Anzeige der Restentladezeit /_Ä, sofern in dem an sich beliebig zu wählenden Zeitpunkt /₀ (Beginn einer Entladung) die daraufhin belastete Batterie geladen ist und sofern die Entladung nicht unterbrochen wird. In allen Fällen, wo diese Voraussetzungen nicht gegeben sind, beispielsweise, wenn eine Entladung durch zwischenzeitliche Aufladungen der Batterie unterbrochen wird, ist die /»-Anzeige fehlerhaft, wobei der Fehler in der Bildung des Strom-Integrals J liegt. Durch Einfügung eines unterteilten ohmschen Integrier-Widerstandes Λ| + R₁ in der Schaltungsanordnung zwischen Meßwertumformer 1 und Integrator 2 wird dieser Fehler aber ausgleichbar, indem der kleinere Teil R_: jenes Widerstandes durch eine Diode D überbrückt ist, die so gepolt ist, daß die stromproportionalc Größe des Entladestromes dem Integrator 2 über R₁ zugeführt wird, die des Ladestromes aber über R, + /?.·. Das Widerstandsverhältnis

ist gleich dem Batterieladefaktor zu bemessen, so daß bei der Bildung des Strom-Integrals in dem Integrator 2 die Entladestrommenge stärker bewertet wird als die mit dem Ladefaktor multiplizierte Ladestrommenge. Nur ein Teil der in die Batterie eingeladenen Strommenge wird darin wirksam gespeichert. Diese unterschiedliche Bewertung wird in der Beziehung durch Multiplikation des Strom-Integrals J mit B berücksichtigt, wobei während der Entladungszeiten mit B = 1 und während der Ladezeiten mit dem Kehrwert des Ladefaktors, dem sogenannten ^/!-Wirkungsgrad, also kleiner als 1, gerechnet wird.

Wie oben schon kurz erläutert, sind bei Ersatzstromversorgiingsanlagen mit Bereitschaftsbetrieb einer ais Ersatzstromquelle verwendeten Akkumulatorbatterie, die mit Hilfe eines Ladegerätes nachladbar ist, nur während einer Batterieentladung der Entladestrom I₈, das ist der erwähnte Batteriebelastungsstrom /, und der Vcrbraucherlaststrom I_L gleichgroß. Damit nun bei diesen Ersatzstromanlagen alle Betriebszustände mit Hilfe einer Überwachungseinrichtung der vorangehend beschriebenen Art erfaßt werden, muß sie die Gleichströme I₈ und I_L unterscheiden können. Dies geschieht mit der in der Fig. 3 gezeigten Schaltungsanordnung einer Überwachungseinrichtung dadurch, daß die Gleichströme /_e: und I₁ mit Hilfe je eines ersten und eines zweiten Meßwertumformers 1 und 1' gesondert erfaßt werden. Einf^Schaltungsanordnung nach Fig. 3 ist übrigens zur Überwachung von bei Ersatzstromversorgungsanlagen - nicht nur mit Bereitschaftsparallelbetrieb,

sondern mich mil Bcrcilschiiftsumschaltbclrieb - verwendeten Batterien anwendbar. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 3 unterscheidet sich strukturell von der in der Fig. 1 im Prinzip dargestellten durch die Verwendung der erwähnten zwei Meßwertumformer 1 und Γ und deren Anordnung sowie dadurch, daß der durch Γ erfaßte Verbraucherstrom // als zweite Eingangsgröße der Analogrechnerschaltung, die in eine dem Gleichstrom // slromproportionale Größe umgeformt wird, dem zweiten Eingang des Dividiergliedes 3 zugeführt ist. Die nachstehende Beziehung (5) beinhaltet die Struktur der Schaltungsanordnung einer Analogrechnerschaltung, dargestellt in der F⁷ig. 3.

t_K - [A - B ■ j/_flln-d/V-j--C (5)

V ■ / ^h

Nach (5) ergibt sich die jederzeit, d. h. in einem beliebigen Zeitpunkt r, nach dem Zeitpunkt 0 (untere Zeitgrenze des Batteriestrom-Integrals) einer Inbetriebnahme der Stromversorgungsanlage verbleibende Restentlade/.cit i_K der Batterie, unter der Voraussetzung, daß im Zeitpunkt 0 eine auf Nennkapazität geladene Batterie gegeben ist.

Mit Hilfe der Schaltungsanordnung in Fig. 3 wird nach dem Zeitpunkt 0 durch die Anzeigevorrichtung 5 der Betriebszustand der Batterie 6 als Restentladezeit i_H ständig angezeigt, wobei r_Ä während einer Kurzzeitladung der Batterie zur Ersatzstromversorgung der Verbraucher 8 abnimmt, während einer Nachladung der Batterie aus dem Ladegerät 7 zunimmt und bei hrhaltungsladung konstant bleibt, sofern der Laststrom I₁ ais konstant angenommen werden kann.

In der Fig. 3 sind im Unterschied/u der Schaltung nach Fig. 1 die Bewertungswiderstände R\,Ri sowie Z) für den Faktor B angegeben, sowie ferner ein Tastschaltglied T, mit dem der Kondensator Ci des Integrators 2 jeweils nach vollständiger Aufladung bis zum Beginn einer Kurzzeitentladung überbrückbar ist und der Integrator 2 somit in einen definierten Anfangszustand gebracht werden kann.

Des weiteren entnimmt man der Fig. 3 außer den, wie in der Fig. 1, nicht bezeichneten Widerständen, die dem Integrator 2, dem ersten und dem zweiten Größengeber 9 bzw. 9' und dem Dividierglied 3 nachgeordnet sind, symbolisch dargestellte Invertierglieder, welche einzeln dem invertierenden Integrator 2, dem ersten und dem zweiten Größengeber 9 bzw. 9' nachgeordnet sind. Entsprechend den Beziehungen (4) und (5) haben das erste und das zweite Addierglied 4 bzw. 4'jeweils Differenzbildungsfunktion, so daß diese Glieder im Rahmen der-Schaltungen nach Fig. 1 und3 durch je einen Inverter mit vorgeordnetem Summierknoten dargestellt sind.

Fur numerisch-praktische Zwecke ersetzt man in der Beziehung (5) die Gleichströme I_B und I_L durch die auf den Nennstrom I_n bezogene Größen

,. -iL_und/|..A..

Damit wird aus (5)

■4- -«·("/«,,· d/l --L- C mit A- = -If- (6)

>.v J / Il 's bl_s

(h ist kleiner als 1 und entspricht der Steigung der Kennlinienschar in Fig. 2).

Setzt man für Κ_Λ bei Blei-Batterien

Ä-.v = 10 · I₁₀

und bei Nickel-Cadmium-Batterien

tf.v - 5 · /5,

dann wird

55 10

/ A \ ₌ 10 _b f A \
\ In 'Ph L I\ V- /,v 'NiC

6— 6 —

'IO '5

Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß die Werte der Verhältnisse

—2- und —*~ I\n 's

in dem Wertebereich zwischen 10 und 20 liegen, daher

.0,8 ... 0,95 bei Entladezeiten von 30 bis 40'
0,45 ... 0,55 bei kürzeren Entladezeiten.

Der Amperestunden-Wirkungsgrad wird nur während der Aufladezeiten wirksam, hierunter fallen die oben erwähnten Zwischenaufladungen. Der Wert des Strom integrals,

[Jm-. di=fAdi + B· \ Jjs

dargestellt als Summe eines Entladungsstromintegrals E und eines Ladestromintegrals L hat nur theoretisch den Wert Null, weil ein genauer Wert für den Wirkungsgrad B nicht sicher bestimmbar ist und die Verluste durch 10 Selbstentladung der Batterie in der Summe nicht enthalten sind. Die Integralsumme wird gleich Null bei zu Beginn der ersten Entladung nach ausreichender Aufladung der Batterie. Der Kondensator C₂ des Integrators ist nach ausreichender Aufladung zu überbrücken. Für den Wirkungsgrad B gelten die folgenden Toleranzangaben:

15 B w 0,85 ... 0,9 Tür Bleibatterien

B » 0,7 ... 0,8 für NiCd-Batterien

Der Parameter C ist vor allem von der festliegenden Entladeschlußspannung der Batterie abhangig (vgl. oben), und die Entladeschlußspannung wiederum von dem nach der Verbraucherlast zulässigen Spannungsbeju reich. Es geiieri für C die folgenden Tolcfanzangauen:

C = 0,4 ... 0,5 für GroE-Bleibatterien bei 1,7 .. 1,8 V/Zelle Entladeschlußspannung C = 0,2 ... 0,3 für NiCd-Batterien, Η-Typ bei 1,0 .. 1,1 V/Zelle Entladeschlußspannung.

²⁵ Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Anzeige der Restladung eines Akkumulators, mit einem Meßwertumformer zur Bildung einer dem Batteriebelastungsstrom proportionalen Größe, einem Integrator zur Bildung des Stromintegrals und mit einer Schaltung zur Nachbildung der Restkapazität vom aktuellen Wert des Batteriebelastungsstroms,

gekennzeichnet durch ein erstes Addierglied (4), das die Differenz eines mittels eines Größengebers (9) konstant vorgegebenen, der Batterie-Nennkapazität proportionalen Größenwerts A und des Belastungsstrom-Integrals bildet,

ein Dividierglied (3), das den Quotienten aus dieser Differenz und einer den Batteriebelastungsstrom / proportionalen Größe bildet und durch

ein zweites Addierglied (4'), das die Differenz des Quotienten und einer mittels eines zweiten Größengebers (9') fest vorgegebenen, von den Batterieparametern und der Ladeschlußspannung abhängigen Größenwertes C bildet entsprechend der Größenbeziehung: