DE3321045A1 - Verfahren und einrichtung zum bestimmen des ladezustands einer batterie - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum bestimmen des ladezustands einer batterie

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Description

.. -7 —
HOEGER, STELLRE-CHT-&:PAr¥neR ^^ci{Hv (>
PATENTANWÄLTE '",·/— ^f-./-
UHLANDSTRASSE 14 c D 70OO STUTTGART 1
A 45 667 b Anmelder: Lucas Industries Ltd
k - 176 Great King Street
7. Juni 1983 Birmingham, B19 2XF
Großbritannien
Verfahren und Einrichtung zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auswerten des Ladezustandes einer Batterie sowie eine Auswerteeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Speziell, jedoch nicht ausschließlich, befasst sich die Erfindung mit Ladungszustand-Auswerteeinrichtungen für die Fahrzeugbatterie eines Elektrofahrzeuge sowie mit einem System aus einer Motorsteuerung und einer solchen Auswerteeinrichtung für ein batteriegetriebenes Elektrofahrzeug.
Auswerteeinrichtungen zum Bestimmen des Ladezustandes einer Batterie sind bereits bekannt und in der Lage, Signale zu erzeugen, welche dem Ladezustand einer Batterie entsprechen und welche beispielsweise dazu verwendet werden können, den Ladezustand der Fahrzeugbatterie an einem Elektrofahrzeug anzuzeigen. Aufgrund der stark unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen Zellen einer Batterie, insbesondere eines Bleiakkumulators, bestehen jedoch beträchtliche Schwierigkeiten, den Zeitpunkt, zu dem eine Batterie vollständig ent-
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laden ist, so genau zu bestimmen, daß einerseits eine schädliche Tiefentladung und andererseits eine unzureichende Ausnutzung der Ladungsspeicherkapazität der Batterie vermieden wird.
Es sind beispielsweise Auswerteeinrichtungen für den Ladezustand von Batterien bekannt, bei denen die Batteriegesamtspannung benutzt wird, um den Ladezustand zu bestimmen. Bei einer solchen Auswerteeinrichtung besteht dann, wenn der für eine vollständige Batterieentladung vorgegebene Spannungswert zu niedrig angenommen wird, die Möglichkeit, daß eine oder mehrere Batteriezellen umgepolt und dadurch geschädigt werden, ehe der Ladezustand "Null" angezeigt wird. Wenn die entsprechende Endspannung für den Ladezustand "Null" dagegen z-u hoch angesetzt wird, dann besteht die Möglichkeit, daß in sämtlichen Zellen noch eine ausnutzbare Ladungsmenge enthalten ist, obwohl die Ladezustandsanzeige bereits auf Null abgefallen ist.
Zur Überwindung der Probleme, die sich bei der Ermittlung des Ladezustandes in Abhängigkeit von der Batteriegesamtspannung ergeben, wurde bereits eine Auswerteeinrichtung für den Ladezustand angegeben (GB-h-2080 550) bei der ein Batteriesatz in eine Anzahl von Untereinheiten aufgeteilt wird und bei der die Ermittlung des Ladezustandes auf der Spannung der Untereinheit mit der niedrigsten Spannung basiert. Vorteilhaft ist es an einer derartigen Auswerteeinrichtung, daß die
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Genauigkeit, mit der das Ende der Entladung vorhergesagt werden kann, verbessert wird. Andererseits leidet die bekannte Einrichtung jedoch in einigen Fällen an dem Problem,, daß wiederholt eine vollständige Entladung der Batterie zugelassen wird, wodurch die Lebensdauer der Batterie insgesamt, trotz der Tatsache, daß eine Zellumpolung vermieden wird, wesentlich verkürzt werden kann»
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Ladezustandes einer Batterie anzugeben, mit dem bzw. mit der die oben angeführten Probleme überwunden bzw. verringert werden können.
Diese Aufgabe wird, was das Verfahren anbelangt, insbesondere durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Was die Einrichtung anbelangt, so wird die gestellte Aufgabe insbesondere durch die Einrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 6 gelöst.
Ein wichtiger Vorteil von Verfahren und Einrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß während einer frühen Phase der Lebensdauer der Batterie, d.h. bei noch relativ neuer Batterie, die Ermittlung des Ladezustandes in Abhängigkeit von einem vorgegebenen
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prozentualen Anteil des Nennwerts der Ladungsspeicherkapazität der neuen Batterie erfolgt. Wenn die Batterie dann älter wird und ihre Ladungsspeicherkapazität unter den vorgegebenen Prozentsatz der Nenn-Ladungsspeicherkapazität der neuen Batterie abfällt, dann wird dagegen erfindungsgemäß die Bestimmung des Ladezustands in Abhängigkeit von der tatsächlichen Ladungsspeicherkapazität der Bc.cterie durchgeführt.
Es ist bei Batterien üblich, daß sie nur unter solchen Betriebsbedingungen eingesetzt werden, daß ihre Ladungsspeicherkapazität ,auch wenn sie bereits altern, für die geforderten Leistungen ausreichend ist. Beispielsweise wird beim Einsatz von Batterien in einem Elektrofahrzeug die tägliche Fahrstrecke so gewählt, daß sie auch bei einer älteren Batterie noch innerhalb des Bereichs der Speicherkapazität derselben liegt. Folglich sollte die Berechnung des Ladezustands der Batterie auf der Basis eines prozentualen Anteils der Nenn-Ladungsspexcherkapazität der neuen Batterie, beispielsweise eines Anteils von 85%, nicht zu einer zu geringen Ausnutzung der Batteriekapazität führen. Außerdem hat es sich gezeigt, daß die Begrenzung der Entladung auf einen vorgegebenen prozentualen Anteil des Nennwerts uer Ladungiispeicherkapazität der neuen Batterie die Lebensdauer der Batterie insgesamt beträchtlich erhöhen kann, wenn man sie mit der Lebensdauer einer Batterie vergleicht, die wiederholt einer vollständigen Tiefentladung ausgesetzt wird.
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In Ausgestaltung der Erfindung hat sich ferner ein System als vorteilhaft erwiesen,welches aus einer Motorsteuerung bzw. -regelung und einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie besteht und für ein Elektrofahrzeug bestimmt ist, welches einen aus der Batterie gespeisten Hauptantriebsmotor aufweist» Ein solches System ist erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gekennzeichnet: es sind Steuereinrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe die Stromzufuhr zu dem Hauptantriebsmotor Steuer- bzw. regelbar ist, es sind Einrichtungen vorgesehen, welche auf den Zustand der Batterie ansprechen und mit deren Hilfe ein Wert bestimmbar ist, der der derzeitigen Ladungsspeicherkapazität der Batterie entspricht, es sind Vergleichseinrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe der der derzeitigen Ladungsspeicherkapazität entsprechende Wert mit einem Wert vergleichbar ist, welcher einem vorgegebenen prozentualen Anteil der Nenn-Ladungsspeicherkapazität der neuen Batterie entspricht und mit deren Hilfe der jeweils niedrigere dieser beiden Werte auswählbar ist, es sind auf den Batteriezustand ansprechende Einrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe der Ladungszustand der Batterie in Abhängigkeit von dem niedrigeren der beiden Werte bestimmbar ist, und es sind mit den Steuereinrichtungen und mit den Einrichtungen zum Bestimmen des Ladezustands verbundene Einrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe die Stromversorgung für den Hauptantriebsmotor einschränkbar ist, wenn der durch die betreffenden Einrichtungen bestimmte Ladezustand unter einen vorgegebenen Wert fällt.
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Ferner hat es sich in Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, wenn bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung des Ladezustands einer Batterie die Entladung einer Fahrzeugbatterie, welche Strom für den Hauptantriebsmotor eines Elektrofahrzeugs liefert, derart gesteuert bzw. geregelt wird, daß die Höhe des zum Motor fließenden Stroms beschränkt wird, wenn der ermittelte Ladungszustand unter einen vorgegebenen Wert abfällt, insbesondere, wenn die Höhe des zum Motor fließenden Stroms auf einen vorgegebenen prozentualen Anteil des durch die Stellung <3°.r Einstellorgane des Fahrzeugs angeforderten Stroms beschränkt wird, und zwar vorzugsweise derart, daß der prozentuale Anteil bei Absinken des Ladezustandes gegen Null zunehmend weiter reduziert wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Kombination
von Motorsteuerung- bzw. Regelung und Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Ladezustands einer Batterie gemäß der Erfindung;
Fig. 2 und Schaltbilder elektrischer Schaltkreise Fig. 3 des Systems gemäß Fig. 1;
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Fig. 4 ein nach Art eines Blockdiagramms
gestaltetes Flußdiagramm eines
Computerprogramms für das System
gemäß Fig. 1 und
Fig. 5 bis detaillierte Flußdiagramme des
Fig.23 Computerprogramms gemäß Fig. 4
sowie erläuternde Darstellungen
zu verschiedenen Unterprogrammen.
Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine Übersicht über ein erfindungsgemäßes System mit Regeleinrichtungen für den Motor eines Elektrofahrzeugs und mit Einrichtungen zur Überwachung des Ladezustands der Fahrzeugbatterie. Das System umfasst als Fahrzeugbatterie eine Bleibatterie 10, welche 108 einzelne Zellen aufweist, die in Serie geschaltet sind, um eine Nenn-Ausgangsspannung von
216 V zu erzeugen. Die Batterie 10 liefert den Strom
für einen Antriebsmotor 11 über lösbare Anschlüsse 12 und 13 und einen Regler 14. Dem Regler 14 werden vom
Fahrer erzeugte Steuersignale und außerdem ein Signal von einer Schnittstellenschaltung 15 zugeführt. Der
Regler 14 ist in der veröffentlichten PCT-Anmeldung
Nr. 78/00046 sowie in der GB-A-2084 820 detailliert
beschrieben.
Das System gemäß Fig. 1 umfasst ferner einen Mikrocomputer 16, beispielsweise vom Typ 6801 der Firma
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Motorola. Der Mikrocomputer 16 besitzt einen Datenbus 9/ der mit einer integrierten Schaltung 18 des Typs MC 146818 verbunden ist, welche einen Taktgeber und einen Schreib/Lese-Speicher (RAM) umfasst. Der IC liefert ein Taktsignal an den Mikrocomputer 16 und außerdem Daten, die die laufende Zeit anzeigen. Der IC 18 speichert die Arbeitsvariablen für den Mikrocomputer 16 und erhält £iine Spannung bzw. seinen Strom aus einer Hilfsspannungsguelle 19, welche gewährleistet, daß die Variablen nicht verloren gehen, wenn eine Hauptspannungsquelle 20 abgeschaltet wird. Die Hauptspannungsquelle 20 wird aus der Fahrzeugbatterie 10 gespeist und liefert die Versorgungsspannung für die verschiedenen Teile des Systems. Der Hauptspannungsquelle 20 werden ferner zwei Signale VANON und CHGON zugeführt, die außerdem an zwei Eingängen des Mikrocomputers 16 angelegt werden. Die Hauptspannungsquelle 20 liefert ihrerseits zwei Signale PWFL und RESET an zwei weitere Eingänge des Mikrocomputers 16. Wenn das Fahrzeug, in dem die Batterie 10 installiert ist, aktiviert ist und Strom aus der Batterie 10 zieht, dann ist das Signal VANON "hoch". Die Batterie kann über ein nicht mit dem Fahrzeug verbundenes Ladegerät wieder aufgeladen werden. Wenn das Ladegerät angeschlossen und eingeschaltet ist, dann ist das Signal CHGON "hoch". Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß jeweils nur eines der Signale VANON und CHGON "hoch" sein kann. Wenn eines der Signale VANON bzw. CHGON auf "hoch" geht, dann geht die Hauptspannungsquelle 20
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in einen "gespeisten" Zustand und bewirkt, daß das Signal RESET auf "hoch" geht. Wenn eines der Signale VAWON bzw. CHGON auf "niedrig" geht, dann veranlasst die HauptSpannungsquelle 20, daß das Signal PWFL auf "hoch" geht. Anschließend geht die Hauptspannungsquelle 20 in einen Schaltzustand, in welchem den verschiedenen Kreisen des Systems keine Energie mehr zugeführt wird.
Zur Überwachung der Fahrzeugbatterie 10 umfasst das System einen Temperaturdetektor 21, der die Temperatur der Batterie 10 abtastet, einen Spannungsdetektor 22, der die Gesamtspannung der Batterie 10 unter Last ermittelt? und einen Strom-Messwiderstand 23, der zwischen dem negativen Pol der Batterie 10 und dem Anschluß 1 3 liegt. Der Ausgang des Temperaturdetektors 21 ist mit einem Eingang eines Multiplexers 24, beispielsweise vom Typ CD 4 051B, verbunden, während der Ausgang des Spannungsdetektors 22 mit einem zweiten Anschluß dieses Multiplexers verbunden ist. Der Messwiderstand 23 liegt zwischen den Eingangsanschlüssen eines Verstärkers 25 mit variabler Verstärkung, dem ein Verstärkungs-Steuersignal GAIN vom Mikrocomputer 16 zugeführt wird. Während eines Ladevorgangs ist der Batteriestrom relativ niedrig, während er beim Fahren des Fahrzeugs relativ hoch ist. Zur Berücksichtigung dieses Sachverhalts wird mit Hilfe des Steuersignals GAIN dafür gesorgt, daß die Verstärkung des Verstärkers 2 5 während eines Ladevorganges relativ hoch ist
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und beim Fahren des Fahrzeugs relativ niedrig. Das Ausgangssignal des Verstärkers 25 wird einem Spitzenstromdetektor 26 und einem Mittelwert-Stromdetektor 27 zugeführt. Die Ausgänge der Detektoren 26 und 27 sind mit zwei weiteren Eingängen des Multiplexers 24 verbunden. Der Spitzenstromdetektor 26 erfasst beim Laden der Batterie und beim Entladen derselben im Fahrbetrieb den Spitzenstrom, während dei Mittelwert-Stromdetektor 27 in beiden Fällen jeweils die mittlere Stromstärke ermittelt. Der Ausgang des Multiplexers 24 ist mit dem Eingang eines Signalprozessorkreises 28 verbunden, dessen Ausgang mit einem Analog/Digital-(A/D)-Wandler 29, beispielsweise vom Typ ZN 427J-8 verbunden ist. Der Prozessorkreis 28 kann die Ausgangssignale des Multiplexers 24 unter Steuerung durch ein Signal POSNEG,. welches er vom Ausgang des Mikrocomputers 16 empfängt, invertieren oder auch nicht. Der Mikrocomputer 16 steuert das Signal POSNEG so, daß der Prozessorkreis 28 das Ausgangssignal des Multiplexers 24 dann invertiert, wenn der Strom negativ ist, mit dem Ergebnis, daß dem Eingang des Wandlers 29 ein positives Signal zugeführt wird. Der A/D-Wandler 29 wird durch ein Signal CONV gesteuert, welches dem Wandler vom Mikrocomputer 16 zugeführt wird. Der A/D-Wandler 2 9 setzt die analogen Signale des Prozessorkreises 28 in digitale Signale um, die dem Mikrocomputer 16 über den Datenbus 9 zugeführt werden. Der Multiplexer 24 empfängt über einen Signalbus 30, der mit Ausgangsanschlüssen des Mikrocomputers 16 verbunden ist, digitale Steuer-
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signale MUX. Der Mikrocomputer 16 steuert die Signale MUX derart, daß die Ausgangssignale des Temperaturdetektors 21 und des Spannungsdetektors 22 sowie des Spitzenstromdetektors 26 und des Mittelwert-Stromdetektors 27 jeweils bei Bedarf dem A/D-Wandler 29 zugeführt und in digitale Signale umgesetzt werden.
Von einem Ausgang des Mikrocomputers 16 wird ein Signal FG an eine Schiene 31 gelegt. Das Signal FG ist ein Rechteck-Impulssignal, dessen Impuls-Pausen-Verhältnis den Ladezustand der Batterie 10 anzeigt. Die Schiene 31 ist über einen Anschluß 32 mit einem Messgerät verbundenwelches am Fahrzeug installiert ist. Das Signal FG steuert das Messgerät 34 derart an, daß dieses den Ladezustand der Batterie 10 anzeigt.
Ein weiterer Ausgang des Mikrocomputers 16 liefert ein Signal CUTBACK über einen Anschluß 35 und eine Schiene 36 an den Eingang der Schnittstellenschaltung 15. Die Schnittstellenschaltung 15 veranlasst, daß der Regler 14 die Stromversorgung für den Motor 11 ab einem gewissen niedrigen Ladungszustand der Batterie begrenzt.
Die Batterie kann zusammen mit dem Mikrocomputer 16, dem IC 18/ der Hilfsspannungsquelle 19, der Hauptspannungsquelle 20, dem Temperaturdetektor 21, dem Spannungsdetektor 22, dem Strom-Messwiderstand 23, dem Multiplexer 24, dem Verstärker 25, dem Spitzen-
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stromdetektor 26, dem Mittelwert-Stromdetektor 27, dem Prozessorkreis 28 und dem A/D-Wandler 29 als Einheit von dem Fahrzeug entfernt werden. Dadurch, daß die genannten Komponenten einer einzigen Baueinheit zusammengefasst sind, kann der Mikrocomputer 16 zusammen mit den zugehörigen Schaltungsteilen eine bestimmte Fahrzeugbatterie während der gesamten Lebensdauer derselben überwachen, und zwar auch während solcher Perioden, in denen die Batterie nicht in einem Fahrzeug eingebaut ist. Der Mikrocomputer 16 und die zugehörigen Schaltkreise können körperlich am Batteriepaket montiert sein.
Fig. 2 zeigt ein detailliertes Schaltbild des Spannungsdetektors 22. Der Detektor 22 umfasst fünf in Serie geschaltete Widerstände 40 bis 44, die als Spannungsteiler zwischen dem positiven und dem negativen Anschluß der Batterie 10 liegen. Dabei liegt parallel zu den Widerständen 42, 43 und 44 ein Kondensator 45. Ferner ist der Verbindungspunkt der Widerstände 4 3 und 44 mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 46 verbunden, dessen Ausgang auf seinen invertierenden Eingang zurückgekoppelt ist, so daß er als Spannungsfolger arbeitet, dessen Ausgang den Ausgang des Spannungsdetektors 22 bildet.
Fig. 3 zeigt ein detailliertes Schaltbild der Schnittstellenschaltung 15. Der Eingang dieser Schaltung ist mit der Schiene 36 über einen Optokoppler 50 verbunden, dessen Ausgang mit dem Verbindungspunkt zweier
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Widerstände 51, 52' verbunden ist, die in Serie mit einem Kondensator 53 zwischen einer + 8 V-Schiene und Bezugspotential liegen, wie dies in Fig. 2 der bereits erwähnten GB-A-2084 820 gezeigt ist. Die drei genannten Elemente wirken als Filter. Der Verbindungspunkt von Widerstand 52 und Kondensator 53 ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 56 verbunden, dessen nicht invertierender Eingang mit einer Bezugsspannungsquelle verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 56 ist über einen Widerstand 57 mit der Basis eines NPN-Transistors 58 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 59 an Bezugspotential liegt und über einen Widerstand 56 auf den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 56 rückgekoppelt ist.Der Kollektor des Transistors 58 ist mit dem nicht invertierenden Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 61 verbunden, dessen Ausgang über einen Widerstand 62 mit der Basis eines Transistors 63 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 6 3 ist mit der + 8 V-Schiene verbunden, während sein Emitter mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 160 und außerdem mit dem einen Anschluß eines "Gaspedal"-Potentiometers 10 verbunden ist (vgl. Fig. 2 der GB-A 2084 820 , wo erläutert ist, daß die am Abgriff des Potentiometers 17 anstehende Spannung den Strom steuert, der der Ankerwicklung des Fahrzeugmotors zugeführt wird).
Der Operationsverstärker 61 und der Transistor 63 arbeiten als Puffer und ersetzen die Emitterfolger-
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schaltung gemäß Fig. 2 der erwähnten GB-A 2084 820. Außerdem werden die Signale, die dem Eingang des Emitterfolgers zugeführt werden und die gemäß Fig. 2 der genannten Anmeldung die Spannung steuern, die über dem Potentiometer 17 liegt, bei der erfindungsgemäßen Schaltung über einen Anschluß 64 dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 61 zugeführt.
Bei dem Signal CUTBACK handelt es sich um eine Rechteck-Impulsfolge, deren Impuls/Pausen-Verhältnis durch den Mikrocomputer 16 gesteuert wird. Wie nachstehend im Zusammenhang mit dem Unterprogramm CUTBACK noch erläutert wird, wird das Impuls/Pausen-Verhältnis des Signals CUTBACK dann, wenn die restliche Ladung der Batterie gleich oder größer als 10Ah ist, auf einen solchen Wert gesetzt, daß der dem Motor 11 zugeführte Strom dem vom Fahrer angeforderten Strom entspricht. Dabei bedeutet eine Restladung von 10 Ah etwa 6% der Nenn-Kapazität der Batterie 10. Wenn die Restladung unter 10 Ah fällt, wird das Impuls/Pausen-Verhältnis so verändert, daß der dem Motor zugeführte Strom auf einen prozentualen Anteil des vom Fahrer angeforderten Stroms reduziert wird, wobei der prozentuale Anteil zwischen 100% und 40% linear reduziert wird, während die Restladung von 10 Ah auf 0 Ah abfällt. Auf diese Weise wird der Fahrer auf einen zunehmend stärkeren Leistungsabfall des Fahrzeugs aufmerksam,und zwar in allen Stellungen des "Gaspedals".
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Das Programm für den Mikrocomputer 16 ist in einem Lesespeicher gespeichert, der einen Bestandteil des Mikrocomputers bildet. Die Struktur dieses Programms wird aus dem Flußdiagramm gemäß Fig. 4 deutlich. Das Programm umfasst ein Unterprogramm PWRDN3, welches abläuft, wenn das Signal PWFL auf "hoch" geht, ein Interrupt-Dienstprogramm INTSER3 und ein Unterprogramm RESET3, welches durchgeführt wird, wenn das Signal RESET auf "hoch" geht. Mit dem Unterprogramm RESET wird ein weiteres Unterprogramm SDCALC3 aufgerufen und anschließend ein weiteres Unterprogramm IDLDRV3 oder ein Unterprogramm IDLCH3, ehe ein Unterprogramm BAKGND3 aufgerufen wird. Mit dem Unterprogramm BAKGND3 wird ein Unterprogramm PT1SEC3 aufgerufen, welches seinerseits Unterprogramme ADCONV3, CHARGE3, DISCH3 und FGCALC3 aufruft. Das Unterprogramm DISCH3 ruft ebenfalls Unterprogramme VPCALC3, CUTBACK und PEUKRT3 auf. Mit dem Unterprogramm FCCALC3 wird ein Unterprogramm MDCALC3 aufgerufen.
Das Programm wird nachstehend detailliert erläutert.
Wie oben erläutert, wird das Unterprogramm PWRDN3 aufgerufen f wenn das Signal PWFL auf "hoch" geht, was gewöhnlich dann eintritt, wenn entweder die Fahrzeugleistung oder die Ladegerätleistung abgeschaltet wird. Zu Beginn dieses Unterprogramms wird gemäß einem Schritt 100 die Zeit aufgezeichnet und anschließend gemäß einem Schritt 101 geprüft, ob das Ladegerät
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angeschlossen ist. Wenn das Ladegerät nicht angeschlossen ist, endet das Unterprogramm. Wenn das Ladegerät angeschlossen ist, wird gemäß einem Schritt eine Variable CWDO auf den derzeitigen Wert einer Variablen CWD gesetzt. Wie nachstehend noch näher erläutert wird, stellt diese Variable CWD die Ladung dar, welche der Batterie 10 entzogen wurde. Wenn der Wert der Variablen CWD N^Il ist, dann sagt dies aus, daß die Batterie wieder voll aufgeladen ist, so daß eine Fahne PCF gelöscht wird, ehe das Programm endet. Wenn die Variable CWD nicht Null ist, dann wird die Fahne PCW gesetzt, ehe das Programm endet.
Das Unterbrechungs- bzw. Interrupt-Unterprogramm INTSER3 läuft gemäß Fig. 6 ab. Der Mikrocomputer 16 besitzt ein Ausgangs-Vergleichsregister TIMER und einen frei laufenden Zähler, der von den Taktgeberimpulsen des ICs 18 angesteuert wird. Der Mikrocomputer besitzt außerdem ein Bit OLVL, welches mit dem Ausgangsanschluß verknüpft ist, welches mit der Schiene 31 verbunden ist und welches das Signal FG beliefert. Wenn der Ausgang des frei laufenden Zählers gleich dem Inhalt des Ausgangsvergleichs-Registers TIMER ist, dann wird der derzeitige Wert des Bits OLVL an diesem Ausgang ausgegeben, und es erfolgt eine Unterbrechung, welche bewirkt, daß der Eintritt in das Unterprogramm INTSER3 erfolgt. Gemäß dem Unterprogramm INTSER3 wird das Bit OLVL invertiert, und das Ausgangs-Vergleichsregister TIMER entsprechend den beiden
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Variablen TIMON und TIMOFF gesetzt, welche nach dem
Programm FGCALC3 in Übereinstimmung mit dem Ladezustand der Batterie 10 berechnet werden. Auf diese Weise erreicht man, daß das Impuls/Pausen-Verhältnis des
Signals FG in Abhängigkeit vom Ladezustand der Batterie geändert wird. Die Periodendauer des Signals FG beträgt 10 ms und das Programm INTSER3 zählt 10 solche Perioden und setzt dann eine Flagge PT1SCF. Wie nachstehend noch erläutert wird, prüft das Unterprogramm BAKGND3 die
Flagge PT1SCF und ruft, wenn diese Flagge gesetzt ist, die Unterprogramme PT1SEC3, ADCONV3, CHARGE3, DISCH3
und FGCALC3 auf. Auf diese Weise werden die genannten
Unterprogramme in Zeitintervallen von 0,1 s ausgeführt.
Nachstehend soll das Flußdiagramm für das Unterprogramm INTSER3 näher betrachtet werden. Wie Fig. 6 zeigt, wird bei diesem Unterprogramm, nachdem es aufgerufen ist,
gemäß Schritt 105 das Bit OLVL invertiert. Beim nächsten Schritt 106 wird das Bit OLVL geprüft. Wenn das Bit
Null ist, dann wird der Inhalt des Ausgangs-Vergleichsregisters TIMER um den derzeitigen Wert der Variablen
TIMOFF erhöht; außerdem wird der Zählerstand eines Zählers PT1CNT um 1 erhöht. Wenn das Bit OLVL gleich 1 ist, dann wird der Inhalt des Ausgangsvergleichsregisters
TIMER um einen Betrag erhöht, der gleich der Variablen
TIMON ist. Das Unterprogramm wird dann mit Schritt 107
fortgesetzt, gemäß welchem der Zähler PT1CNT geprüft
wird. Wenn der Zählerstand gleich 10 ist, wird er gemäß Schritt 108 auf 0 zurückgesetzt; gleichzeitig wird
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die Flagge PT1SCF gesetzt.
Das Flußdiagramm für das Unterprogramm RESET3 ist in Fig. 7 gezeigt. Wie oben erläutert, erfolgt der Sprung in dieses Unterprogramm entweder, wenn der Fahrzeugstrom eingeschaltet ist oder wenn das Ladegerät eingeschaltet ist. Nach dem Sprung in dieses Programm wird das System gemäß Schritt 110 aktiviert. Anschließend wird gemäß Schritt 111 das Unterprogramm SDCALC3 aufgerufen. Dieses Unterprogramm berechnet die Selbstentladung bei leerlaufender Batterie. Gemäß Schritt 112 werden die Signale VANON und CHGON gelesen; anschließend wird gemäß Schritt 113 geprüft, ob das Ladegerät angeschlossen ist. Wenn das Ladegerät angeschlossen ist, wird das Unterprogramm IDLCH3 aufgerufen; andernfalls wird das Unterprogramm IDLDRV3 aufgerufen. Anschließend wird gemäß Schritt 114 das Unterprogramm MDCALC3 aufgerufen, und die Variable DEFLN, welche den Ladungszustand der Batterie 10 darstellt, wird berechnet. Gemäß Schritt 115 wird die Variable ALFA auf den derzeitigen Wert einer Variablen ECWD gesetzt, während eine Variable BETA auf den derzeitigen Wert der Variablen DEFLN gesetzt wird. Wie nachstehend noch erläutert wird, stellt die Variable ECWD die Ladung dar, welche aus der Batterie 10 entnommen wurde, wobei gleichzeitig eine Kompensation des Signalwertes erfolgt, um die Geschwindigkeit (bzw. Stromstärke) zu berücksichtigen, mit ^der die Ladung entzogen wurde. Danach erfolgt ein Sprung in das Unterprogramm BAKGND3.
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Fig. 8 zeigt das Flußdiagramm für das Unterprogramm SDCALC3o Nach dem Sprung in dieses Programm wird eine Variable SDT berechnet. Diese Variable stellt die Zeit dar? für die die Batterie nicht in Betrieb war und ihre Berechnung erfolgt durch Vergleichen der gemäß Schritt 100 aufgezeichneten Zeit bei der letzten Durchführung des Programms PWRDN3 mit der derzeitigen Zeitinformation,, welche vom IC 18 geliefert wird. Gemäß den Schritten 120 bis 124 wird zunächst eine Variable AHT geprüft und eine Variable SDR auf den entsprechenden Wert gesetzt. Die Variable AHT stellt die Gesamtentladung dar, welche während der Lebenszeit der Batterie 10 aufgetreten ist, während die Variable SDR die Geschwindigkeit darstellt, mit der sich die Batterie im Leerlauf selbst entlädt. Die Selbstentladegeschwindigkeit der Batterie steigt während der Lebensdauer derselben an. Wenn beim Ausführungsbeispiel die Variable AHT größer ist als 30.000 Ah, wird die Variable SDR auf einen Wert gesetzt, der einem täglichen Entladewert von 4% der Nenn-Kapazität der neuen Batterie entspricht. Wenn der Wert von AHT zwischen 15.000 und 30.000 Ah liegt, wird die Variable SDR auf einen Wert gesetzt, welcher einer täglichen Entladung von 2% der Batterie-Kapazität entspricht. Wenn der Wert von AHT unter 15.000 Ah liegt, wird SDR auf einen Wert gesetzt, der einer täglichen Entladung von 1% der Batterie-Kapazität entspricht. Anschließend wird gemäß Schritt 125 eine Variable SD als Produkt der Variablen SDT und SDR berechnet. Die Variable SD stellt die
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Selbstentladung dar, welche während der vorangegangenen Leerlaufperiode der Batterie eingetreten ist.
Anschließend wird in einem Schritt 126 die Variable ECWD von einer Variablen AHL abgezogen. Die Variable AHL stellt die derzeitige Speicherkapazität der Batterie dar, so daß folglich der Unterschied zwischen den beiden genannten Variab]an der Restladung der Batterie entspricht. Wenn diese Differenz kleiner ist als die Variable SD, dann wird gemäß Schritt 127 die Variable SD auf die Differenz gesetzt. Schließlich worden gemäß Schritt 128 die beiden Variablen ECWD und CWD um einen Betrag erhöht, der gleich der Variablen SD ist.
Fig. 9 zeigt das Flußdiagramm für das Unterprogramm IDLDRV3. Nach dem Sprung in dieses Programm wird eine Variable VLAST, die bei dem Unterprogramm DISCH3 verwendet wird, auf einen Wert von 300 V gesetzt. Dann wird gemäß Schritt 130 das Unterprogramm ADCONV3 aufgerufen. Anschließend wird gemäß Schritt 131 eine Variable TINIT auf den derzeitigen Wert einer Variablen TBATT gesetzt. Die Variable TBATT stellt die vom Temperaturdetektor 21 erfasste Batterietemperatur dar. Anschließend wird gemäß Schritt 132 eine Variable VPOL, die ebenfalls beim Unterprogramm DISCH3 verwendet wird, auf Null gesetzt. Schließlich wird die Verstärkung des Verstärkers 25 auf ihren niedrigen Wert eingestellt.
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Das Programm IDLCHR3, dessen Flußdiagramm in Fig. 10 gezeigt ist, wird jedesmal durchgeführt, wenn das Ladegerät eingeschaltet wird. Nach dem Sprung in dieses Programm wird zunächst die Variable CWD geprüft. Wenn diese Variable kleiner ist als 5,3 Ah, wird eine Variable FGK auf 1 gesetzt. Wenn die Variable größer ist als 5,3 Ah, wird die Variable FGK auf ECWD/CWD gesetzt. Die Variable FGK wird im Unterprogramm CHARGE3 benutzt. Wie nachstehend noch erläutert wird, wird gemäß dem Unterprogramm DISCH3 unter gewissen Umständen während der letzten Phase der Entladung ein neuer Wert für die Variable AHL berechnet. Wenn auf diese Weise ein neuer Wert berechnet ist, wird eine Flagge AHLC gesetzt und gemäß Schritt 135 des betrachteten Unterprogramms geprüft. Wenn die Flagge nicht gesetzt ist, erfolgt der Sprung zum Schritt 136. Wenn die Flagge gesetzt ist, wird die Flagge PCF geprüft. Wenn diese Flagge gesetzt ist, erfolgt der Sprung zum Schritt 136. Wenn die Flagge PCF nicht gesetzt ist, wird die Flagge AHLC zurückgesetzt, woraufhin dann gemäß Schritt 137 ein neuer Wert für die Variable CW berechnet wird, und zwar als Durchschnittswert des derzeitigen Wertes der Variablen CW und AHL/CWFT. Die Variable CW stellt die derzeitige Ladungsspeicherkapazität der Batterie,normiert auf eine Temperatur von 3O0C, dar, während die Variable CWFT eine Funktion der Temperatur ist und dazu dient, AHL aus CW zu berechnen. Unter der Voraussetzung, daß der vorausgehende Ladezyklus beendet war, und daß während der Entladung ein neuer Wert für AHL berechnet
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wurde, wird also der Wert für CW korrigiert und auf den neuesten Stand gebracht, so daß er der tatsächlichen Speicherkapazität der Batterie,bei der davon auszugehen ist, daß sie während der Lebensdauer der Batterie abfällt, ziemlich genau entspricht. Durch Korrigieren des Werts für CW wird die nachstehend noch diskutierte Genauigkeit der Berechnung des Ladezustands verbessert.
Gemäß Schritt 136 wird eine Variable CUD auf einen Wert gesetzt, der gleich der Differenz zwischen den Variablen CWD und CWDO ist. Da CWDO auf CWD gesetzt wurde, als das Ladegerät zuletzt ausgeschaltet wurde, stellt die Variable CUD die Entladung dar, die seit diesem Zeitpunkt eingetreten ist. In zwei Schritten 137 und 138 wird die Variable CUD geprüft und auf Null gesetzt, wenn sie negativ ist. Dann wird die Variable AHT gemäß Schritt 139 um den Wert von CUD erhöht, so daß die Variable AHD nunmehr der Gesantentladung entspricht, welche während der Lebensdauer der Batterie eingetreten ist. Gemäß Schritt 140 wird dann die Variable DEFLN auf Null gesetzt, und schließlich wird die Verstärkung des Verstärker 25 auf ihren hohen Wert eingestellt .
Die einzige Funktion des Unterprogramms BAKGND3 besteht gemäß Fig. 11 darin, zu prüfen, ob die Flagge PT1SCF gesetzt ist und das Programm PT1SEC3 aufzurufen, wenn dies der Fall ist.
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Das Flußdiagramm für das Unterprogramm PT1SEC3 ist in Fig„ 12 gezeigt. Nach dem Sprung in dieses Programm wird zunächst das Unterprogramm ADCONV aufgerufen, woraufhin dann gemäß Schritt 141 geprüft wird, ob das Ladegerät angeschlossen ist. Wenn das Ladegerät angeschlossen ist, wird das Unterprogramm CHARGE3 aufgerufen. Falls nicht, wird das Unterprogramm DISCHG3 aufgerufen. Schließlich wird das Unterprogramm FGCALC3 aufgerufen.
Fig ο 13 zeigt das Flußdiagramm des Unterprogramms ADCONV3. Gemäß diesem Unterprogramm werden die verschiedenen Analog-Signale in Digital-Signale umgewandelt und im Speicher des Mikrocomputers 16 gespeichert. Dabei ist es wichtig, daß alle Ablesungen der Batteriespannung.,die groben Fehlern unterworfen sind, beispielsweise aufgrund des Rauschens verworfen und nicht gemäß dem Unterprogramm DISCHG3 zum Bestimmen des Ladezustands der Batterie ausgewertet werden. Die Spannungs-Messwerte werden daher geprüft, um festzustellen, ob sie im Hinblick auf die früheren Messwerte innerhalb der erwarteten Grenzen liegen. Wenn dies nicht der Fall ist, erfolgt eine weitere Umwandlung der Spannung. Das Unterprogramm ADCONV3 sorgt also dafür, daß nur eine Spannungsumwandlung erfolgt.
Nach dem Sprung in das Unterprogramm ADCONV3 wird gemäß Schritt 142 geprüft, ob nur eine Spannungsumwandlung benötigt wird. Wenn nur eine Spannungsumwandlung
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erforderlich ist, wird die gesamte Batteriespannung abgelesen und als Variable VBATT gespeichert. Andernfalls wird gemäß den Schritten 143 und 146 der Batterie-Spitzenstrom und der Batterie-Durchschnittsstrom sowie die Batterietemperatur und die Gesamt-Batteriespannung gelesen und in Form von Variablen IPEAK, CURR, TBATT bzw. VBATT gespeichert. Der Spitzenwert für den Batteriestrom und dessen Mittelwert werden, wenn es sich um Ladeströme handelt, als positive Werte, gespeichert, und wenn es sich um Entladeströme handelt, als negative Werte.
Gemäß dem Unterprogramm CHARGE3 werden die Batterietemperatur und das Aufladen der Batterie überwacht, und die Variablen CWD und ECWD gemäß der zugeführten Ladung verringert. Wie das Flußdiagramm gemäß Fig. 14 zeigt, wird VBATT nach dem Sprung in dieses Programm in einer Folge von Schritten 150 bis 154 geprüft, und es erfolgt eine entsprechende Einstellung der Variablen ETA. Die Variable ETA stellt den Wirkungsgrad der Aufladung dar, wobei berücksichtigt wird, daß der Wirkungsgrad der Aufladung in bekannter Weise bei zunehmender Battcjriespannung abfällt. Wenn die Batteriespannung größer als 260 V ist, wird die Variable ETA auf einen Wert ETA3C gesetzt,und bei einer Batteriespannung zwischen 250 und 260 V wird ETA auf einen Wert ETA2C gesetzt. Bei einer Batteriespannung von weniger als 250 V wird ETA auf einen Wert ETA1C gesetzt. Diese Spannungen hängen vom Ladestrom ab, und beim Ausführungsbeispiel
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wird angenommen, daß der Ladestrom 30 A beträgt, wenn die Batteriespannung kleiner als 250 V ist, daß der Ladestrom 20 bis 30 A beträgt, wenn die Spannung im Bereich zwischen 250 und 260 V liegt, daß der Ladestrom 10 bis 20 A beträgt, wenn die Spannung einen Wert von 26 0 V übersteigt. Anschließend wird gemäß Schritt 155 eine Variable IEFF als Produkt der Variablen ETA und CURR berechnet. Die Variable IEFF stellt den Ladestrom kompensiert unter Berücksichtigung des Ladungswirkungsgrades dar. Anschließend wird gemäß Schritt 156 die Variable CWD um IEFF verringert. Gemäß Schritt 156 wird die Variable ECiTO als Produkt aus CWD und FGK berechnet. FGK wurde dabei gemäß dem Programm IDLCHR3 berechnet, so daß die Variable ECWD mit der Variablen CWD linear auf Null abfällt.
Fig. 15 zeigt das Flußdiagramm für das Unterprogramm DISCHG3. Nach dem Sprung in dieses Programm wird das Unterprogramm VPCALC3 aufgerufen, um die Polarisationsspannung zu berechnen, welche als Variable VPOL gespeichert wird. Anschließend wird gemäß Schritt 160 die Variable CURR geprüft, um zu bestimmen, ob die Batterie entladen wird - in diesem Fall ist die Variable negativ - oder ob sie gerade aufgeladen wird, was bei einer Bremsung mit Rückspeisung der Fall sein kann ■ in diesem Fall wäre die Variable positiv. Wenn CURR positiv ist, erfolgt der Sprung zu einem Schritt 161, während bei negativer Variablen das Unterprogramm mit Schritt 162 fortgesetzt wird. Es ist zu beachten,
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daß für den Rest des Unterprogramms ebenso wie beim Unterprogramm PEUKRT3 nur mit dem Betrag der Variablen CURR gearbeitet wird. Gemäß Schritt 162 wird das Unterprogramm PEUKRT3 aufgerufen/ gemäß welchem die Variable IEFF berechnet wird, die den Entladestrom - korrigiert gemäß der Entladegeschwindigkeit - darstellt. Gemäß Schritt 163 wird die Variable ECWD um einen Betrag erhöht, der gleich der variablen IEFF ist, während die Variable CWD um einen Betrag erhöht wird, der gleich der Variablen CURR ist. Gegen Ende der Entladung fällt die Batteriespannung schneller ab und wird ein zunehmend zuverlässigerer Parameter für die Abschätzung der noch verfügbaren Restladung der Batterie. Während des nächsten Teils des betrachteten Unterprogramms wird die Gesamtspannung der Batterie unter der Voraussetzung, daß drei Bedingungen erfüllt sind, dazu benutzt, um die Restladung der Batterie zu bestimmen, die dann zum Berechnen der Batteriespeicherkapazität benutzt wird.
Die erste der drei Bedingungen besteht darin, daß der Entladestrom zwischen 80 und 100 A liegt, was gemäß Schritt 164 geprüft wird. Wenn der Strom außerhalb dieses Bereichs liegt, erfolgt ein Sprung zum Ende des Unterprogramms; wenn der Strom in dem genannten Bereich liegt, wird das Unterprogramm gemäß Schritt 165 fortgesetzt, um eine Variable PCBATV zu berechnen. Diese Variable stellt die Batteriespannung dar, kompensiert zur Berücksichtigung der Polarisationsspannung und normiert auf eine Batterietemperatur von 3O0C.
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Ira einzelnen wird die Variable PCBATV gemäß folgender Gleichung berechnet:
PCBATV = VBATT - VPOL + TC.(30-TBATT).
In dieser Gleichung steht die Variable TC für den Batterie-Temperaturkoeffizienten, der den Wert 291 mV/0C besitzt=
Die zweite Bedingung, die erfüllt sein muß, besteht darin, daß der Wert der kompensierten Batteriespannung kleiner ist als ein Wert VX. Der Wert VX stellt die höchste Spannung dar, bei der die Restladung der Batterie exakt berechnet werden kann. Die Erfüllung dieser Bedingung wird gemäß Schritt 166 geprüft, und wenn die Batteriespannung größer ist als der Wert VX, erfolgt der Sprung zum Ende des Unterprogramms. Wenn die Batteriespannung kleiner als VX ist, dann wird das Unterprogramm mit Schritt 167 fortgesetzt.
Die dritte Bedingung besteht darin, daß die Batteriespannung gemäß der Variablen PCBATV kleiner ist als die Variable VLAST. Die Variable VLAST stellt den Wert der Variablen PCBATV dar, der bei der letzten Gelegenheit gemessen wurde, bei der diese Variable zum Berechnen der Restladung benutzt wurde. Die Erfüllung dieser Bedingung wird gemäß Schritt 167 geprüft, und wenn die Variable PCBATV nicht kleiner ist als die Variable VLAST, erfolgt ein Sprung zum Ende des Unter-
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Programms. Wenn die Variable PCBATV kleiner ist als die Variable VLAST, wird das Programm mit Schritt 168 fortgesetzt, gemäß welchem die -Variable VLAST auf den derzeitigen Wert der Variablen PCBATV gesetzt wird.
Unter der Voraussetzung, daß alle drei Bedingungen erfüllt sind, wird die restliche Ladung dann als eine Funktion der Batteriespannung berechnet. Der Zusammenhang zwischen 'der Restladung und der Batteriespannung ist in Fig. 16 gezeigt. In dieser Figur zeigt die gestrichelte Linie die tatsächliche Entladecharakteristik der Batterie, während die ausgezogene Linie für die lineare Annäherung gilt, welche gemäß dem betrachteten Unterprogramm ausgeführt wird. Zum Berechnen der Variablen CA gemäß der linearen Annäherung wird gemäß Schritt 169 die Variable PCBATV mit einer Konstanten VY verglichen. Wenn dieser Vergleich ergibt, daß PCBATV kleiner ist als VY, dann wird die Restladung gemäß folgender Gleichung berechnet:
CA = K1 (PCBATV - VZ).
Wenn die Variable PCBATV größer ist als "die Konstante VY, dann wird die Variable CA gemäß folgender Gleichung berechnet:
CA = K2 + K3 (PCBATV - VY).
In den vorstehend angegebenen Gleichungen zum Berechnen der Variablen CA stehen K1, K2, K3, VX, VY und
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VZ für Konstante. In Fig. 16 sind die Konstanten VX, VY und VZ eingezeichnet.
Nach der Berechnung der Restladung in Abhängigkeit von der Variablen CA wird die Speicherkapazität der Batterie gemäß Schritt 170 durch Summieren der Variablen ECWD und CA berechnet.
Wie nachstehend noch näher erläutert wird, erfolgt gemäß den Unterprogrammen FGCALC3 und MDCALC3 die Berechnung des Ladezustands der Batterie in Übereinstimmung mit einer Variablen AHLL1M. Gemä3 Schritt 171 wird die Variable AHL geprüft, und AHLL1M wird auf 153 AH gesetzt, wenn AHL größer oder gleich 153 AH ist. Wenn AHL kleiner ist, wird für AHLL1M der Wert von AHL gesetzt. Die Ladung von 153 AH entspricht 85% der Batteriekapazität bei neuer Batterie.
Gemäß Schritt 172 wird die Flagge AHLC gesetzt, um anzuzeigen, daß aus der Batteriespannung eine neuer Wert für die Variable AHL berechnet wurde. Gemäß Schritt 173 wird eine Flagge in AHL gesetzt, um anzuzeigen, daß ein neuer Wert für AHL, der aufgrund der Batteriespannung berechnet wurde, verfügbar ist. Die beiden Flaggen werden im Unterprogramm FGCALC3 verwendet. Das Unterprogramm springt dann zu seinem Ende.
Wie oben erwähnt, erfolgt dann, wenn bei Schritt 160 festgestellt wird, daß CURR positiv ist, ein Sprung
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zum Schritt 161. Gemäß den Schritten 161 und 174 bis 177 wird die Variable VBATT geprüft, und eine Variable ETA auf einen entsprechenden Wert gesetzt. Die Variable ETA entspricht dem Wirkungsgrad der Aufladung und wird auf Null gesetzt, wenn die Batteriespannunq qrößer als · 280 V ist. /Bei einer Batteriespannung zwischen 260 und 280 V wird für ETA der Wert ETA1R eingesetzt. Bei einer Batterispannung von weniger als 26 0 V wird für ETA ein Wert ETA2R eingesetzt. Als nächstes wird gemäß Schritt 178 die Variable IEFF als Produkt aus ETA und CURR berechnet. Die berechnete Variable IEFF stellt den Ladestrom dar, kompensiert unter Berücksichtigung des Ladewirkungsgrades. Schließlich werden gemäß den Schritten 179 und 180 die Variablen CWD bzw. ECWD um einen Betrag verringert, der gleich dem Wert der Variablen IEFF ist.
Wenn erstmals Strom aus einer Batterie gezogen wird, dann wird der Vorrat an aktiven Ionen, die an der Reaktion teilnehmen, an den Reaktionsstellen schrittweise erschöpft, bis der Umfang des Verbrauchs gleich der Geschwindigkeit ist, mit der neue Ionen zu den Reaktionsstellen diffundieren können. Der Verbrauch von Ionen bzw.die Verringerung der Ionendichte führt zu einem Spannungsabfall, der als Polarisationsspannung bezeichnet wird. Die Höhe der Polarisationsspannung hängt von der Stromstärke ab und ist mit einer langen Zeitkonstante verknüpft. In entsprechender Weise fällt die Polarisationsspannung nach dem Auf-
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hören eines Entladestrom auch langsam ab. Es hat sich gezeigt, daß die Polarisationsspannung VPOL eine komp lizierte Funktion der Zeit und des Entladestroms ist, die sich mit folgenden Gleichungen ausdrücken lässt:
VPOL = VP (1 - e
wobei VP = 0,076 (Spitzenstrom)0'377 und T= 29,3 - 4,71 In (Spitzenstrom),
wobei VB = Polarisationsspannung bei Zeit t gegen unendlich und T' = Zeitkonstante.
Das Unterprogramm VPCALC3,gemäß welchem die Polarisationsspannung VPOL berechnet wird, ist in Fig. 17 gezeigt und simuliert das Filter gemäß Fig. 18. Das Unterprogramm und das Filter arbeiten mit temporären Variablen VPLAST und X sowie mit Variablen K11 und K12, die wie folgt definiert sind;
K11 = 1 - e ~ °'1/w K12 = 1 - K11.
Da der Spitzenstrom IPEAK und der Durchschnittsstrom CURR für Entladeströme als negative Werte gespeichert werden, hat die Polarisationsspannung normalerweise einen negativen Wert.
Im allgemeinen nimmt die Ladung, welche aus einer Batterie entnommen werden kann, mit zunehmendem Entlade-
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strom ab, da die Entladung bei hohen Stromstärken auf die Oberflächen der Batterieplatten beschränkt ist. In dem Unterprogramm DI5CHG3 stellt die Variable IEFF den Entladestrom dar, korrigiert zur Berücksichtigung der Höhe des Entladeströmes.Peukert hat gezeigt, daß die Variable IEFF mit der Variablen CURR, die dem Batteriestrom entspricht, wie folgt verknüpft ist:
IEFF = 12 (CURR/I2)n
wobei 12 der Strom ist, der die Batterie innerhalb von zwei Stunden entlädt und wobei η eine Konstante ist, die für Bleisäure-Batterien bzw. -Akkumulatoren einen typischen Wert von 1,15 hat.
Der Wert für IEFF wird gemäß dem Unterprogramm PEUKRT3 berechnet, dessen Flußdiagramm in Fig. 19 gezeigt ist. Dieses Unterprogramm arbeitet mit dem Wert 1,15 für die Konstante n, während die Konstante 12 auf einen Wert von 90 A gesetzt ist.
Fig. 20 zeigt das Flußdiagramm für das Unterprogramm CUTBACK. Gemäß diesem Unterprogramm wird das Impuls-Außenverhältnis des Signals CUTBACK entsprechend dem Ladezustand der Batterie eingestellt.
Nach dem Sprung in das betrachtete Unterprogramm wird die Größe (AHLLIM-ECWD) , welche die verbliebene Bat- ' terieladung darstellt, geprüft. Wenn die Größe gleich
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oder kleiner als Null ist, wird gemäß Schritt 181 eine Variable, die den Grenzwert für den Motorstrom darstellt ι auf einen Wert gesetzt, der 0% des vom Fahrer angeforderten Stroms entspricht. Wenn die Restladung größer als 10 Ah ist, wird die Strom-Grenzwertvariable gemäß Schritt 182 auf einen Wert gesetzt, der 100% des vom Fahrer angeforderten Stromes entspricht. Wenn die Batterieladung zwischen 10 und 0 Ah liegt, wird die Strom-Grenzwertvariable gemäß Schritt 183 auf einen Näherungswert in dem betreffenden Bereich gesetzt, der dem Bereich von 100 bis 40% des vom Fahrer angeforderten Stroms entspricht. Schließlich wird gemäß Schritt 184 das Impuls-Pausen-Verhältnis für das Signal CUTBACK gesetzt, indem man die Signalzeit und die Pausenzeit für dieses Signal berechnet.
Es ist zu beachten, daß die Restladung als die Größe (AHLLIM-ECWD) berechnet wird. Der Grund für die Benutzung der Variablen AHLLIM zum Berechnen des Ladungszustands wird in Verbindung mit dem Unterprogramm MDCALC3 erläutert.
Fig. 21 zeigt das Flußdiagramm für das Unterprogramm FGCALC. Gemäß diesem Programm wird der Ladungszustand der Batterie berechnet, wobei das Ergebnis als Variable DEFLN gespeichert wird.
Nach dem Sprung in das betrachtete Unterprogramm wird gemäß Schritt 190 zunächst geprüft, ob das Ladegerät
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angeschlossen ist. Wenn das Ladegerät angeschlossen ist, wird das Unterprogramm gemäß Schritt 191 fortgesetzt. Andernfalls erfolgt der Sprung zum Schritt 192.
Gemäß Schritt 192 wird die Variable CWFT als Funktion der derzeitigen Batterietemperatur und der Batterietemperatur zum Zeitpunk1, der Einschaltung des Fahrzeugstroms berechnet. Anschließend wird gemäß Schritt 193 die Flagge AHLC geprüft, um festzustellen, ob der Wert für AHL während der letzten Durchführung des Unterprogramms DISCH3 korrigiert wurde. Falls eine Korrektur stattgefunden hat, erfolgt ein Sprung zum Schritt 194. Falls keine Korrektur von AHL stattgefunden hat, wird dieser Wert gemäß Schritt 195 berechnet, indem man die Variable CW mit der Variablen CWFT multipliziert. Die Variable CW stellt die Ladungsspeicherkapazität der Batterie bei 300C dar. Durch Multiplizieren dieses Werts mit CWFT erfolgt im Endeffekt ein Herunterrechnen bzw. ein Abschlag um 0,8% pro 0C unter 3O0C.
Gemäß Schritt 194 wird die Variable AHL geprüft, um festzustellen, ob sie größer als 153 Ah ist. Wenn dies der Fall ist, wird die Variable AHLLIM auf 133 Ah gesetzt. Andernfalls wird die Variable AHLLIM auf den derzeitigen Wert von AHL gesetzt. Wie oben erwähnt, wird die Variable AHLLIM in dem Unterprogramm MDCALC3 benutzt, um den Ladezustand der Batterie zu berechnen. Diese Variable muß im betrachteten Unterprogramm
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berechnet werden, da sie in dem Unterprogramm DISCH3 nur dann berechnet wird, wenn in diesem Unterprogramm ein neuer Wert für AHL berechnet wird. Der Grund für die Benutzung der Variablen AHLLIM zum Berechnen des Ladezustands wird weiter unten noch erläutert.
Gemäß Schritt 195 wird die Flagge NAHL geprüft, um festzustellen, ob ein neuer Wert von AHL verfügbar ist. Wenn die Flagge nicht gesetzt ist, dann wird das Unterprogramm gemäß Schritt 196 fortgesetzt. Wenn die Flagge gesetzt ist, dann ist ein neuer Wert von AHL verfügbar, und der derzeitige Wert von DEFLK wird als Variable BETA gespeichert. Außerdem wird eine Variable ECWDO als Variable ALFA gespeichert, ehe mit Schritt 196 fortgefahren wird. Wie unter Bezugnahme auf das Unterprogramm MDCALC3 noch erläutert werden wird, führt dies zu einer "Skalenkorrektur" des Messgeräts, jedesmal, wenn während des Programms DISCH3 der Wert AHL neu berechnet wird, wodurch eine Diskontinuität der am Messgerät abgelesenen Messwerte vermieden wird. Gemäß Schritt 196 wird das Unterprogramm MDCALC3 aufgerufen, um die Variable DEFLN zu berechnen. Das Programm wird dann mit Schritt 197 fortgesetzt.
Wenn bei Schritt 190 festgestellt wird, daß das Ladegerät angeschlossen ist, dann wird gemäß Schritt 191 der Wert ALFA mit dem Wert 2,14 Ah verglichen. Wenn ALFA größer ist als dieser Wert, dann wird die Variable DEFLN während des Schrittes 198 gemäß folgender Gleichung berechnet.
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DEFLN = MAX - (MAX-BETA) . (ECWD/ALFA)
In dieser Gleichung gilt MAX = Wert von DEFLN, welcher der vollgeladenen Batterie entspricht.
Wenn gemäß Schritt 191 festgestellt wird, daß ALFA kleiner ist als eine Konstante, wird die Variable DEFLN während des Schrittes 199 gemäß folgender Gleichung berechnet:
DEFLN = (1-ECWD/AHLLIM) . MAX
Auf diese Weise wird erreicht, daß die Variable DEFLN während des Ladevorgangs linear mit ECWD auf Null abfällt. Nach dem Schritt 198 oder 199 erfolgt ein Sprung zum Schritt 197. Gemäß Schritt 197 wird die Variable geprüft und dann, wenn sie größer als MAX ist, auf MAX gesetzt. Schließlich werden während des Schrittes 200 die Variablen TIMON und TIMOFF gemäß dem Wert der Variablen DEFLN berechnet, so daß das Impuls/Pausen-Verhältnis des Signals FG den Ladezustand der Batterie darstellt.
Fig. 21 zeigt das Flußdiagramm für das Unterprogramm MDCALC3. Nach dem Sprung in dieses Programm wird eine Variable FGT1 berechnet, indem ALFA von AHLLIM abgezogen wird. Anschließend wird gemäß Schritt 210 die Variable FGT1 geprüft, und wenn sie positiv ist, erfolgt ein Sprung zum Schritt 211. Wenn sie negativ ist, dann wird die Variable FGT1 auf Null gesetzt. Außerdem wird die Flagge AHLC gesetzt, die Variable AHLLIM wird auf ECWD
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gesetzt,, die Variable ALFA wird auf ECWD gesetzt, und die Variable DEFLN wird auf Null gesetzt. Dann erfolgt ein Sprung zum Ende des Unterprogramins.
Gemäß Schritt 211 wird für die Variable ECWDO der Wert von ECWD eingesetzt. Die Variable ECWDO wird dann während der nächsten Durchführung des Unterprogramms DISCH3 benutzt» Anschließend wird gemäß Schritt 212 die Differenz !-zwischen den Variablen ALFA und AHLLIM geprüft- Wenn diese Differenz kleiner als 5,3 Ah ist, erfolqt ein Sprunq zum Schritt 213. Wenn sie größer ist, wird das Programm mit Schritt 214 fortgesetzt. Gemäß Schritt 214 wird eine Variable FGT2 berechnet, indem man ECWD von AHLLIM abzieht. Anschließend wird die Variable gemäß Schritt 215 geprüft, und wenn sie größer als Null ist, auf Null gesetzt. Anschließend wird gemäß Schritt 216 für die Variable FGT1 der Quotient FGT2/FGT1 eingesetzt. Schließlich wird vor dem Sprung zum Ende des Unterprogramms die Variable DEFLN als Produkt aus BETA und FGT1 berechnet.
Die Variable DEFLN wird also gemäß folgender Gleichung berechnet:
DEFLN = BETA (AHLLIM-ECWD)/(AHLLIM-ALFA)
Diese Gleichung wird verwendet, um eine Diskontinuität in der Variablen DEFLN zu vermeiden, wenn im Anschluß an die Berechnung eines neuen Wertes für die Variable
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AHL ein neuer Wert für AHLLIM berechnet wird. Wie Fig. 23 zeigt, fällt die Variable DEFLN dann, wenn die Entladung bei vollgeladener Batterie beginnt,und bei Gleichheit der Variablen AHLLIM und AHLLIM. linear gegen Null ab, während der Wert von ECWD auf den Wert von AHLLIM ansteigt. Wenn dann an einem Punkt Z ein neuer Wert AHLLIM2 für die Variable AHLLIM berechnet wird, dann fällt die Variable DEFLN anschließend auf Null ab, während die Variable ECWD auf den Wert AHLLIM2 ansteigt. Wenn man die Variable DEFLN einfach so berechnen würde, als wäre sie proportional zu dem Wert (1-ECWD/AHL) dann würde sich am Punkt X eine Diskontinuität ergeben.
Wenn beimsSchritt 212 festgestellt wird, daß die Differenz zwischen ALFA und AHLLIM kleiner ist als 5,3 Ah, dann kann DEFLN nicht exakt unter Verwendung der Beziehung gemäß Schritt 217 berechnet werden. Folglich wird die Variable DEFLN gemäß Schritt 213 gemäß folgender Gleichung berechnet:
DEFLN = MAX (1-ECWD/AHLLIM)
Anschließend wird die Variable DEFLN geprüft und auf Null gesetzt, wenn sie kleiner als Null ist, Dann erfolgt ein Sprung zum Ende des Unterprogramms.
Wie in Verbindung mit dem Unterprogramm FGCALC3 erläutert, wird der Wert der Variablen AHL zur Berechnung des Wertes der Variablen AHLLIM mit einem Wert von
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153 Ah verglichen, und die Variable AKLLIM wird dann auf den unteren der beiden Werte gesetzt. Der Wert von 153 Ah entspricht 85% der Nenn-Kapazität von 180 Ah der neuen Batterie. Die Variable DEFLN, die den Ladungszustand der Batterie darstellt, wird dann entsprechend dem Wert der Variablen AHLLIM berechnet. Der Grund für die Benutzung der Variablen AHLLIM zum Berechnen des Ladezustands anstelle der Variablen AHL wird nachstehend erläutert.
Während eines ersten Teils der Lebensdauer der Batterie ist die tatsächliche Ladungsspeicher-Kapazität größer als 153 Ah. Während dieser Phase der Lebensdauer der Batterie wird folglich das Ende der Entladung bei einer Entladung angezeigt, die dem Wert von 153 Ah entspricht. Es hat sich gezeigt, daß die Begrenzung der Entladung auf 85% der Nenn-Kapazität der Batterie, wenn diese neu ist, die Lebensdauer der Batterie gegenüber der Lebensdauer deutlich erhöhen kann, die erreichbar ist, wenn die Batterie öfter voll entladen wire. Wenn die Lebensdauer der Batterie fortschreitet, sinkt ihre Ladungsspeicherkapazität ab, so daß es bei einem Abfall der Speicherkapazität unter 153 Ah eindeutig erforderlich ist, für die Variable AHLLIM den tatsächlichen Kapazitätswert einzusetzen. Es ist unwahrscheinlich, daß der Fahrer eines Elektrofahrzeugs bei seinem Fahrzeug eine Batterie verwenden würde, deren Lastzyklus eine Entladung von mehr als 153 Ah bzw.mehr als 85% der Nenn-Kapazität der Batterie erforderlich machen würde, um die Notwen-
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digkeit zu vermeiden, die Batterie frühzeitig zu ersetzen. Aus diesem Grunde sollte die Begrenzung der
Entladung auf den angegebenen Wert keine Unbequemlichkeiten mit sich bringen.
Wie in Verbindung mit dem Unterprogramm DISCH3 ausgeführt, werden der letzte Teil der Entladung der Restladung und auch die taträchliche Ladungsspeicherkapazität der Batterie als eine Funktion der Batteriespannung berechnet. Wenn die Batteriespannung auf einen Wert VZ abfällt, ist die restliche Ladung Null,
und somit entspricht diese Spannung dem Ende der Entladung. Es hat sich gezeigt, daß die Einstellung von
VZ auf einen Wert von 195 V eine annehmbare Wahrscheinlichkeit dafür bietet, daß bei nicht mehr als zwei
Zellen eine Umpolung erfolgt. Folglich ist die Batterie-Gesamt spannung ein befriedigender Parameter zum Berechnen der tatsächlichen Ladungsspeichefkapazität
der Batterie. Aus diesem Grund wird während des letzten Teils der Lebensdauer der Batterie, wenn die Variable AHLLIM mit der tatsächlichen Ladungsspeicher-Kapazität der Batterie gleichgesetzt wird, eine exakte Auswertung des Ladezustands der Batterie möglich.
In der bereits erwähnten GB-A-2080 550 ist ein Verfahren zum Berechnen der Restladung der Batterie und zum Berechnen des tatsächlichen Ladezustands angegeben.
Gemäß diesem Verfahren wird die Batterie in einer Anzahl von Untereinheiten unterteilt, und die Bewertung dieser beiden Variablen basiert auf der Spannung der
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Untereinheit mit der niedrigsten Spannung. Wenn es erwünscht ist, kann dieses Verfahren der Berechnung der Restladung und der tatsächlichen Ladungsspeicher-Kapazität auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung angewandt werden. Die verschiedenen Konstanten, welche vorstehend aufgeführt wurden, können beispielsweise folgende Werte haben;
K1- ' = 2.778 Ah/V
K2 = 15 Ah
K3 = 5 Ah/V
VX = 208 V
VY = 202 V
VZ = 196,6 V
ETAIC = 100 %
ETA2C = 90 %
ETA3C = 80 %
ETA1R = 90 %
ETA2R =: ■ 100 % -

Claims (1)

  1. P a te ntansprüche
    Verfahren zum Auswerten des Ladezustandes einer Batterie, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    man bestimmt einen Wert, welcher der derzeitigen Ladungsspeicherkapazität der Batterie entspricht;
    man vergleicht den der derzeitigen LadungsSpeicherkapazität entsprechenden Wert mit einem Wert, welcher einem vorgegebenen Prozentsatz der Nennspeicherkapazität der neuen Batterie entspricht und
    man wählt den jeweils niedrigeren der beiden genannten Werte aus und bestimmt den Ladungszustand der Batterie in Abhängigkeit von diesem niedrigeren Wert.
    ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Batteriestrom misst, um einen Stromwert zu erhalten und daß man den Stromwert über die Zeit integriert, um einen Wert zu erhalten, welcher der der Batterie entzogenen Ladung entspricht, und daß man den Ladezustand der Batterie in Abhängigkeit von dem niedrigeren der beiden Werte und dem Wert bestimmt, welcher der der Batterie entzogenen Ladung entspricht.
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    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Wert erzeugt, welcher der Spannung über mindestens einem Teil der Batterie entspricht, daß man die Restladung der Batterie in Abhängigkeit von dem Spannungswert berechnet und daß man einen der Restladung entsprechenden Wert erzeugt und die Ladungsspeicherkapazität der Batterie berechnet, indem man den der Restladung entsprechenden Wert und den der entzogenen Ladung entsprechenden Wert addiert.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Entladung einer Fahrzeugbatterie, welche Strom für den Hauptantriebsmotor eines Elektrofahrzeugs liefert, die Höhe des zum Motor fliessenden Stroms beschränkt, wenn der ermittelte Ladungszustand unter einen vorgegebenen Wert abfällt.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Höhe des zum Motor fließenden Stroms auf einen vorgegebenen prozentualen Anteil des durch die Stellung der Einstellorgane des Fahrzeugs angeforderten Stromes beschränkt, und daß man diesen prozentualen Anteil fortschreitend verringert, während der Ladungszustand von dem vorgegebenen Wert auf Null abfällt.
    6. Auswerteeinrichtung für den Ladezustand einer Batterie, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn-
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    zeichnet durch folgende Merkmale: es sind Einrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe ein Wert bestimmbar ist, welcher der derzeitigen Ladungsspeicherkapazität der Batterie entspricht,
    es sind Vergleichseinrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe der der derzeitigen Ladungsspeicherkapazität entsprechende Wert mit einem Wert vergleichbar ist, der einem vorgegebenen Prozentsatz des Nennwerts der Ladungsspeicherkapazität der neuen Batterie entspricht und
    es sind Wähleinrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe der jeweils niedrigere dieser beiden Werte auswählbar ist und
    es sind Einrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe der Ladezustand der Batterie in Abhängigkeit von dem jeweils niedrigeren der beiden Werte bestimmbar ist".
    ο Auswerteeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Batteriestrom ansprechende Einrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe ein Stromwert erzeugbar ist, und daß Integriereinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe eine zeitliche Integration des Stromwertes durchführbar ist, um einen Wert zu erhalten, welcher dem aus der Batterie abgezogenen Strom entspricht, und daß -,Einrichtungen vorgesehen sind,
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    mit deren Hilfe der Ladezustand in Abhängigkeit von den niedrigeren der beiden Werte und dem der abgezogenen Ladung entsprechenden Wert bestimmbar ist.
    8. Auswerteeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe ein Wert erzeugbar ist, welcher der Spannung über mindestens einem Teil der Batterie entspricht, daß Recheneinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Restladung der Batterie in Abhängigkeit von dem Spannungswert berechenbar ist und mit deren Hilfe ein der Restladung entsprechender Wert erzeugbar ist, und daß Recheneinrichtungen vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Ladungsspeicherkapazität der Batterie durch Summieren des der Restladung entsprechenden Wertes und des der abgezogenen Ladung entsprechenden Wertes berechenbar ist.
    9. Auswerteeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswert der Batteriegesamtspannung entspricht.
    10. Auswerteeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Berechnen eines der Polarisationsspannung entsprechenden Wertes in Abhängigkeit von der Zeit und dem Stromwert vorgesehen sind und daß Korrektureinrichtungen zur
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    Korrektur des Spannungswertes rait dem Ziel einer Kompensation für das Vorhandensein der Polarisationsspannung vorgesehen sind.
    ο System, bestehend aus einer Motorsteuerung und einer Auswerteeinrichtung zum Bestimmen des Ladezustandes einer Batterie für ein Elektrofahrzeug mit einem aus der Batterie gespeisten Hauptantriebsmotor, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale;
    es sind Steuereinrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe die Stromzufuhr zu dem Hauptantriebsmotor Steuer- bzw. regelbar ist,
    es sind Einrichtungen vorgesehen, welche auf den Zustand der Batterie ansprechen und mit deren Hilfe ein Wert bestimmbar ist, der der derzeitigen Ladungsspeicherkapazität der Batterie entspricht, es sind Vergleichseinrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe der der derzeitigen Ladungsspeicherkapazität entsprechende Wert mit einem Wert vergleichbar ist, welcher einem vorgegebenen prozentualen Anteil der Nenn-Ladungsspeicherkapazität der neuen Batterie entspricht und mit deren Hilfe der jeweils niedrigere dieser beiden Werte auswählbar ist;
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    es sind auf den Batteriezustand ansprechende Einrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe der Ladungszustand der Batterie in Abhängigkeit von den niedrigeren der beiden Werte bestimmbar ist, und
    e s sind mit den Steuereinrichtungen und mit den Einrichtungen zum Bestimmen des Ladezustands verbundene Einrichtungen vorgesehen, mit deren Hilfe die Stromversorgung für den Hauptantriebsmotor einschränkbar ist, wenn der durch die betreffenden Einrichtungen bestimmte Ladezustand unter einen vorgegebenen Wert fällt.
    12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzufuhr zu dem Hauptantriebsmotor auf einen vorgegebenen Prozentsatz desjenigen Stromes einschränkbar ist, der an dem zugeordneten Fahrstrom-Einstelleinrichtungen des Fahrzeugs eingestellt ist und daß der vorgegebene prozentuale Anteil des Stroms bei Abfallen des Ladungszustands von dem vorgegebenen Wert gegen Null zunehmend weiter verringerbar ist.
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DE19833321045 1982-06-12 1983-06-10 Verfahren und einrichtung zum bestimmen des ladezustands einer batterie Withdrawn DE3321045A1 (de)

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