-
Verfahren und Schaltungsanordnung
-
zur Prüfung der Kapazität von Akkumulatoren Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Prüfung der Kapazität von Akkumulatoren durch Messung der Klemmenspannung
während der Entladung und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
-
Aus der DE-PS 20 43 660 ist ein Verfahren zur Prüfung von Batterien
bekannt, nach dem in einem ersten Prüfvorgang die Batterie über einen vorgegebenen
Belastungawiderstand entladen wird und die dabei an den Klemmen der Batterie anliegende
Spannung gemessen und gespeichert wird. Nach einer definierten Pause wird in einem
zweiten Prüfvorgang die Leerlaufspannung gemessen und mit dem gespeicherten Wert
der Klemmenspannung mit Hilfe einer logischen Schalteinrichtung verknüpft und durch
die Verknüpfung eine Aussage über den Zustand der Batterie gewonnen. Zur Anzeige
des Batteriezustandes ist die logische Schalteinrichtung mit einem Anzeigeteil verknüpft,
der mit drei Glühbirnen versehen ist. Die Ansteuerung der Blühbirnen ist abhängig
vom zeitlichen Verlauf der Klemmenspannung unter Belastung und im Leerlauf. Falls
während des ersten Prüfvorgangs vorgegebene Spannungswerte nicht unterschritten
werden, wird angezeigt, daß die Batterie in Ordnung ist. Bleibt die Klemmenspannung
in beiden Prüfvorgängen unterhalb vorgegebener Spannungawerte, so wird ein Signal
zum Nachladen gegeben. In diesem Fall muß anschließend erneut eine Prüfung vorgenommen
werden, wobei durch eine zweite Aufforderung zum Nachladen ein Batteriedefekt angezeigt
wird. Falls im ersten Prüfvorgang die vorgegebenen Spennungawerte unterschritten
und im zweiten Prüfvorgang überschritten werden, leuchtet eine Glühlampe mit der
Anzeige "defekt" auf. Es ist somit möglich, über den momentanen
Ladezustand
einer Batterie hinaus Aussagen über den Batteriezustand zu gewinnen. Eine exakte
Prüfung der Leistungsfähigkeit einer Batterie ist nach diesem Verfahren jedoch nicht
möglich, da lediglich die beiden Extremwerte "defekt" bzw. "in Ordnung" dargestellt
werden.
-
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, vom zeitlichen Verlauf der
Akkumulstorenklemmenspannung während eines Entladevorgangs eine Aussage über die
Leistungsfähigkeit einer Batterie abzuleiten und einen eventuell notwendigen Batterieersatz
frühzeitig zu erkennen.
-
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Akkumulator mit einem konstanten
Strom entladen wird, daß in vorgegebenen Zeitintervallen die Klemmenspannung des
Akkumulators gemessen und gespeichert wird, daß die Amplitude des gespeicherten
Wertes pro Zeitintervall angezeigt wird und daß alle gespeicherten Werte gleichzeitig
dargestellt werden.
-
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Figuren 1
und 2 näher erläutert. Figur la zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens, Figur Ib eine digital arbeitende Konstantstromregelung; in Figur
2 ist ein Anzeigeelement dargestellt.
-
GemäB Figur la wird die Batterie 1 über einen veränderbaren Belastungewiderstand
2 und Meßwideratand 3 entladen. Der als Shunt geschaltete Meßwiderstand ist mit
dem ersten Eingang 5 eines Differenzverstärkers 4 verbunden, dessen zweiter Eingang
6 an eine Referenzspannungsquelle 8 angeschlossen ist. Der Ausgang 7 des Differenzverstärkers
ist mit dem Eingang eines Reglers 9 verbunden. Der Reglerausgang wirkt auf den als
Stellwiderstand dienenden Entladewiderstand 2.
-
Die positive Klemme der Batterie 1 ist mit den ersten Eingängen 11
und 16 zweier Komparatoren 10 und 15 verbunden. Die Komparatoren 10 und 15 sind
mit ihren zweiten Eingängen 12 und 17 jeweils mit einer Referenzspannungsquelle
14 bzw. 19 verbunden, wobei die Referenzspannungen verschieden hoch sind. Die Komparatoren
dienen zur Kontrolle der Batteriespannung; dabei wird festgestellt, ob die Klemmenspannung
oberhalb
oder unterhalb der Referenzspannungen bzw. zwischen den Referenzspannungen liegt.
-
Die Ausgänge 13 und 18 der Komparatoren 10 und 15 sind mit den Eingängen
21 und 22 eines Speichers 20 verbunden, der über einen weiteren Eingang 23 vom Signal
ausgang 55 einer Steuereinheit 50 bei einer Kapazitätsentnahme von 80 % einer fünfstündigen
Kapazität K5 gesetzt wird. Dies entspricht bei einem fünfstündigen Entladestrom
einem Zeitraum von vier Stunden. Der Ausgang 24 des Speichers 20 ist an den Eingang
26 eines logischen Elements 25 angeschlossen. Das logische Element 25 besitzt drei
Entscheidungssusgänge 27,28 und 29, von denen die Ausgänge 27 und 28 mit den Diagnose
anzeigen 30 und 31 verbunden sind. An Ausgang 29 ist der Eingang 33 eines weiteren
logischen Elements 32 angeschlossen, das über seinen zweiten Eingang 34 zusätzlich
mit Ausgang 55 der Steuereinheit 50 verbunden ist; es wird ebenfalls nach einer
Kapazitätsentnahme von 80 % angesteuert. Der Ausgang 35 des logischen Elements 32
ist mit einer Diagnoseanzeige 36 verbunden.
-
Die positive Klemme der Batterie 1 ist weiterhin mit dem ersten Eingang
38 eines Differenzverstärkers 37 verbunden, dessen zweiter Eingang 39 mit der Rferenzspannungsquell
19 verbunden ist. Der Ausgang 40 des Differenzverstärkers führt zu einem Analog/Digital-Wandler
41, der die Ansteuerinformation für die V-Koordinate einer Leuchtelementmatrix 42
mit Speicher erzeugt. Die Ansteuerung für die X-Koordinate wird von der Steuereinj'eit
50 erzeugt und über Ausgang 58 der Matrix 42 zugeführt.
-
Zur Anzeige der Batteriespannung ist ein Mnalog/DigitalWandler 47
vorgesehen, dessen Eingang mit den Klemmen der Batterie 1 und dessen Ausgang mit
einem Speicherelement 48 verbunden ist Das Speicherelement 48 dient zur Aufnahme
des digitalen Spannungsuertes zuDer Ausgang des Speicherelemente 48 ist mit einem
digitalen Anzigeelement 49 verbunden Die Steuereinheit 50 ist über Eingang 51 mit
dem üblichen 50 Hz°iechselstromnetz verbunden Sie besteht aus einem mit Eingang
51 verbundenen
Impulsgenerator 52 einer Zählerkette 53 und einem
Logikelement 54. Der Impulsgenerator 52 liefert periodisch - vorzugsweise im Abstand
einer Minute - wiederkehrende Impulse an die Impulszählerkette 53. Die Ausgänge
der Zählerkette 53 sind an das logische Element 54 angeschlossen; dieses erzeugt
in Ahhängigkeit vom Zustand des Zählers Steuersignale, die an den Ausgängen 55,56
und 57 der Steuereinheit 50 zur Verfügung stehen. Die Impulsabstände betragen an
diesen Ausgängen vorzugsweise 8 min, 30 min, 4 h.
-
Weiterhin besitzt das logische Element 54 eine mehradrige Verbindung
58 zu der bereits oben genannten Leuchtelementmatrix 42 (X-Ansteuerung) und eine
BCD-Verbindung 59 zu einem Speicherelement 44, an das über eine mehradrig Verbindung
46 eine digitale Kapazitätsanzeige 45 angeschlossen ist. Die Binärinformation für
die Kapazitätsanzeige entspricht der Entlademenge, welche bei Entladung mit konstantem
Strom der Entladezeit proportional ist. Zur besseren Übersicht sind die Verbindungen
58 und 59 vereinfacht dargestellt. In der praktischen Ausführung bestehen diese
Verbindungen aus jeweils 15 bzw. 4 Leitungen.
-
Zur Prüfung der Kapazität wird der Akkumulator 1 über den veränderbaren
Belastungswiderstand 2 entladen. Die Belastungswiderstand ist so bemessen, daß zu
Beginn die Batterie mit dem fünf stündigen Entladestrom 15 entladen werden kann.
Während der Entladezeit wird die am Meßwiderstand 3 abfallende Spannung im Differenzverstärker
4 mit einer konstanten Spannung, die von der Referenzspannungsquelle B erzeugt wird,
verglichen. Bei Abweichung wird das vom Differenzverstärker 4 erzeugte Ausgangsslgnal
einem Regler 9 zugeführt, der ein Stellsignal an den veränderbaren Belastungswiderstand
2 abgibt. So wird trotz sinkender Klemmenspannung des Akkumulators der Belastungswiderstand
2 so weit reduziert, daß zu jedem Zeitpunkt der fünfetündige Entladestrom fließt.
Die Entladung erfolgt über maximal vier Stunden bis zu einer Kapazitätsentnehme
von 80 %, bezogen auf die fünfstündige Kapazität.
-
Zur Anzeige der Batteriespannung ist ein Analg/Digital-WandIer 47
vorgesehen, dessen Eingang mit dan Klemmen der Batterie 1 und dessen
Ausgang
mit einem Speicherelement 48 verbunden ist. Das Speicherelement 48 dient zur Aufnahme
des digitalen Spannungswertes. Der Ausgang des Speicherelements 48 ist mit einem
digitalen Anzeigeelement 49 verbunden.
-
Gemäß Figur Ib ist es auch möglich, den Belastungswiderstand 2 durch
eine Vielzahl von parallel zu scheltenden Widerständen zu ersetzen.
-
Hierzu wird ein Komparator tiO mit seinem Eingang 61 an den Verbindungspunkt
zwischen den Belastungswiderständen und Meßwiderstand 3 engeschlossen. Der zweite
Eingang 62 ist entsprechend Differenzverstärker 4 gemäß Figur 1 mit der Referenzspannungsquelle
8 verbunden.
-
Die Ausgangsspannung des Komparators 60 wird an einen binären Zähler
63 geleitet. Der Zähler 63 wird von der Steuereinheit 50 über Ausgang 57 nach 9
Minuten freigegeben. Von Zähler 63 wird die BCD-Information an einen Dekoder 64
weitergegeben, welcher das Steuersignal zur Zuschaltung von Parallelwiderständen
erzeugt.
-
Während des Entladevorgangs wird geprüft, ob die Klemmenspannung zwei
Grenzspannungen UG1 und U unterschreitet. UG1 ist die obere Grenzspannung, während
UG2 die untere Grenzspannung darstellt. Zur Prüfung wird die Klemmenspannung zwei
Komparatoren 10 und 15 zugeführt, die diese Spannung mit den von den Referenzspannungsquellen
14 und 19 erzeugten Referenzspannungen R1 und UR2 vergleichen. Die Komparatoren
10 und 15 sind mit einem Signalspeicher 20 verbunden, der die Entscheidungssignale
über die Logikelemente 25,32 an die Diagnoseanzeige 30,31 und 36 weitergibt. Falls
die Batteriespannung nach vierstündiger Entladung größer ist als die Spannung UR1,
wird über Anzeige 31 das Signal Batterie in Ordnung" ausgegeben. Die Spannung liegt
damit oberhalb der Grenzspannung UG1. Liegt die Batteriespannung nach vierstündiger
Entladung zwischen den Referenzspannungen Rl und UR2, wird über Signal 31 der Begriff
"Leistungsvermögen schwach" angezeigt. In diesem Fall liegt die Spannung zwischen
den Grenzwerten UG1 und UG2. Falls jedoch die Batteriespannung nach der vierstündigen
Entladung unter der Referenzspannung UR2 liegt, wird über Anzeiger 36 signalisiert:
"Leistungsvermögen unzureichend". In diesem Fall liegt die Klemmenepannung unterhalb
der Grenzspannung UG2.
-
Während der Entladung wird die Abhängigkeit der Batteriespannung von
der Kapazitätsentnahme über die Leuchtelementmatrix 42 gemäß Fig. le dargestcilt.In
Fig.2 ist diese Leuchtelementmatrix an Hand von zwei Anzeigebeispielen näher erläutert.
Diese Matrix besteht aus Leuchtelementen 66, die jeweils die Zustände von Speicherelementen
anzeigen, welche durch die logische Verknüpfung von Signalen auf den X- und V-Leitungen
der Matrix gesetzt werden. Die Abazisse (X-Werte) zeigt die Kapazitätsentnahme eines
fünfatündigen Entladestroms von 10 bis zu 80%. Wie bereits oben dargelegt, werden
die X-Werte von der Steuereinheit 50 erzeugt und über Anschluß 58 an die Matrix
übermittelt.
-
Dabei entsprechen jeweils 10 % der Kapazitätsentnshme der Entladung
in einer halben Stunde. Die 80 %-Anzeige entspricht somit einer Zeit von 4 Stunden.
Der obere Teil der Batterieklemmenspannung wird als V-Wert auf der Ordinate ausgehend
von dem unteren Grenzapannungawert UG2 über den oberen Grenzwert UG1 bis zum maximal
möglichen Wert UO angezeigt. Ergebnisse zwischen UG2 und UG1 nach vierstündiger
Entladung zeigen an, daß die Batterie bald zu erneuern ist. Ergebnisse zwischen
UG1 und UO nach vierstündiger Entladung geben den Bereich an, in dem die Batterie
in Ordnung ist. Liegt das Ergebnis nach vier Stunden unterhalb des Wertes UG2, verfügt
die Batterie nicht mehr über eine ausreichende Kapazität.
-
Die Y-Werte werden gemäß Figur 1a durch den A/D-Wsndler erzeugt; die
Matrixansteuerung erfolgt über die Leitungen 43. Sobald nun ein Signal von einer
X-Leitung und ein Signal von einer Y-Leitung an einem Element des Speichers gemeinsam
anliegen, leuchtet das mit diesem Speicherelement verbundene Leuchtelement 66 auf.
Durch Speicherung aller Zustände ist es möglich,-während der Entladung einen kontinuierlichen
Verlauf den oberen Spannungsbereichs über der Kapazitäteentnahme darzustellen. Es
ist weiterhin möglich, anstelle von einzelnen Leuchtelementen, die eine Matrix bilden,
Leuchtbalken einzusetzen.
-
Bei der Entladung gemäß der mit Leuchtelementen 66 dargestellten Kurve
"A" erreicht die Spannung ausgehend von der maximalen Spannung UO nach 80 %iger
Kapazitätsentnahme den Grenzwert Zug1.Die Batterie ist somit in Ordnung. Gemäß Kurve
"S" wird bereits bei einer Kapezitätsentnahme von 55 s der untere Grenzwert UG2
unterschritten. Die Batterie
weist somit keine ausreichende Kapazität
aus; sie ist zu ersetzen.
-
Diese optische Darstellung liefert auf leicht verständliche Weise
eine Aussage, ob die Batterie noch über eine ausreichende Leistungsfähigkeit verfügt
oder ob die Batterie in absehbarer Zeit zu ersetzen ist. Es ist somit möglich, frühzeitig
den Ersatz einer Batterie einzuplanen.
-
Zur Dokumentation kann der Verlauf der Batterieklemmenspannung über
der Zeit mit Hilfe eines Druckers 65 dargestellt werden, der über den Steuerausgang
56 der Steuereinheit 50 freigegeben wird.