DE3321814C2

DE3321814C2 - Batterieanzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE3321814C2
Application number: DE3321814A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Georg Dipl.-Phys. Dr. 7300 Esslingen Burghoff; Manfred A. Dr.-Chem. 7446 Oberboihingen Gutjahr
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1983-06-16
Filing date: 1983-06-16
Publication date: 1985-08-08
Also published as: DE3321814A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Batterieanzeigevorrichtung, welche den jeweiligen Betriebszustand der Batterie erfaßt, eine quantitative Beurteilung der Startfähigkeit der Batterie ermöglicht und als Startgrenztemperatur anzeigt.

Description

U„,_Tg,_ra: = iW X £/_rWr

Ut

bestimmt ist, wobei

^ur Bezug

und U_Tß_r:ui( auf 1 normiert ist.

Die Erfindung betrifft eine Batterieanzeigevorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es ist bereits eine gattungsgemäße Batterieanzeigevorrichtung bekannt (DE-PS 29 13 900), bei welcher unter Berücksichtigung des tatsächlichen Batteriezustandes und des durch den Laststrom gekennzeichneten tatsächlichen Zustandes des Lastkreises - beispielsweise beim Betrieb eines Fahrzeuges der Verbraucherstromkreis ein Warnsignal bei zu starker Entladung der Batterie abgegeben wird. Durch Messung des Momentanwertes der Batteneklemmenspannung und des Momentanwertes der Spannung über dem Lastkreis werden hierbei die Grundlagen zur Ermittlung eines Bezugswertes erhalten, der von dem momentanen Laststrom abhängt und dem tatsächlichen Zustand des Lastkreises entspricht. Hierbei wird in einer Auswerteeinheit aus einem an die Batterie angeschlossenen Meßwiderstand R₀ - welcher in Reihe mit dem Widerstand des Lastkreises liegt - und der Differenz der gemessenen Spannungen der momentan fließende Laststrorr. errechnet und mit diesem und der des weiteren in der Nähe der Batterie gemessenen Temperatur anhand gespeicherter Werte eine Bezugs-Klemmenspannung ermittelt, welche den Mindestwert der Batteneklemmenspannung Tür eine normale Funktion des die Batterie, den Ladegenerator und den Lastkreis enthaltenden Stromkreises darstellt. Ist die augenblickliche Klemmenspannung als Folge einer Störung niedriger als die errechnete Bezugs-KJemmenspannung, so wird zur Anzeige einer Störung in der elektrischen Anlage ein Warnsignal abgegeben.

Mit dieser Vorrichtung wird also insbesondere der Zustand der Batterie während des Betriebes des Fahrzeuges überwacht. Nicht überwacht wird hingegen die Batterie auf ihre Leistungsfähigkeit für den Startvorgang.

Ferner ist eine Vorrichtung zur Kontrolle der Spannung einer Batterie bekannt (DE-OS 19 37 824), bei welcher mittels eines Schalters ein dem Belastungsstrom des Gerätes entsprechender Meßwiderstand an die Batterie anlegbar ist. Parallel zum Meßwiderstand ist eine elektrische Glühlampe mit einer Stabilisierungsschaltung gelegt, wobei die Schwellspannung der Stabilisierungsschaltung dem unteren zulässigen Batteriespannungswert entspricht. Beim Drücken des Schalters wird so bei ausreichender Batteriekapazität ein Aufleuchten der Glühlampe erzielt, während bei Unterschreiten einer vorbestimmten Batteriekapazität infolge der Belastung am Widerstand die Battcricspannung unterhalb des unteren zulässigen Spannungswertes bleibt, wodurch die Glühlampe erlischt.

Wie Untersuchungen gezeigt haben, ist jedoch die jeweilige IST-Kapazität der Batterie (Ladezustand) kein ausreichendes Kriterium Tür eine kurzzeitig benötigte Leistungsfähigkeit der Batterie, da neben dem Ladezustand auch noch der physikalisch-chemische Zustand der Elektrodenoberflächen und der Grenzschicht

Elektrode-Elektrolyt eingeht Insofern sind auch die Maßnahmen dieser Vorrichtung bei Anwendung bei einer Starterbatterie eines Fahrzeuges für sich alleine nicht geeignet, eine Aussage über die Leistungsfähigkeit der Batterie für den Startvorgang zu machen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, daß diese aus der Erfassung des jeweiligen Betriebszustandes der Batterie auch eine quantitative Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Bat- s terie bei kurzzeitiger Höchstbelastung ermöglicht und diese anzeigt

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Leistungsfähigkeit einer Starterbatterie wird also über die Startgrenztemperatur bestimmt, jener unteren Grenztemperatur, bei der eine Batterie über eine bestimmte Zeit eine definierte hohe Leistung noch liefern kann, ohne daß die Klemmenspannung zusammenbricht bzw. einen festgelegten Grenzwert unterschreitet Bezogen auf das Starten eines Motors bedeutet dies, daß die Batterie noch so leistungsfähig sein muß, daß sie zum einen über den Anlasser den Motor noch bis zu einer Mindestdrehzahl in Drehbewegung versetzen und zum anderen noch eine genügend hohe Spannung für die Zündspule zur Verfügung stellen kann. Durch Vergleich dieser angezeigten Startgrenztemperatur mit der beim nächsten Startvorgang zu erwartenden Temperatur können eventuell notwendige Maßnahmen - wie Nachladen der Batterie oder Austausch — so rechtzeitig durchgeführt werden, daß das Fahrzeug zum gewünschten Zeitpunkt betriebsbereit ist.

Um mit der Vorrichtung den jeweiligen Batteriekapazitäten Rechnung tragen zu können, ist nach den Merkmalen des Anspruches 2 der Wert des Meßwiderstandes so einstellbar, daß der Entladestrom in etwa dem 1-Stunden-Strom der Batterie entspricht, also jenem Strom, bei welchem die Batterie nach einer 1-Stunde-Stromentnahme so weit entladen ist, daJ sie einer Hochstrombelastung beim Anlaßvorgang nicht mehr standhält

Um die quantitative Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Batterie zu ermöglichen, wird gemäß den Merkmalen des Anspruches 3 und 4 eine Startgrenzbedingung durch den maximal zulässigen Spannungsabfall der Klemmenspannung der Batterie bei einem vorgegebenen Entladehochstrom (Hochstrombelastung) innerhalb einer vorgegebenen Zeit definiert, wobei der Grenzspannungswert U_gre„_: abhängig ist vom Entladestrom und der Startgrenzbedingung.

Dies besagt folgendes: Sinkt bei einer Temperatur T und vorgegebenem Entladestrom die Klemmenspannung unter den Grenzspannungswert, so ist der Spannungsabfall der Klemmenspannung bei Hochstrombelastung und derselben Temperatur größer als der maximal zulässige Spannungsabfall; die Batterie versagt dann beim Startvorgang.

Die Ansprüche 5 und 7 geben an, nach welchen Kriterien und Funktionen die Vorrichtung die gemessenen Eingangsgrößen zur Bestimmung der Startfähigkeif (Startgrenztemperatur) verarbeitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Batterieanzeigevorrichtung in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine Kalibrierkurve U„_la,i, =/(Γ).

In dem Ausfuhrungsbeispiel wird eine 66 Amperestunden/12 Volt-Starterbatterie zugrundegelegt, so daß sich sämtliche Bedingungen und Werte auf diese Batteriegröße beziehen. Für Batterien mit anderer Nennkapazität gelten andere Werte, welche jedoch nach der gleichen Methode ermittelt werden.

Wie F i g. 1 zeigt, besteht die Batterieanzeigevorrichtung 1 aus einem an den Plus- und Minuspol der Batterie 2 "O anschließbaren Meßwiderstand 3, einem in dem Meßwiderstandsstromkreis 8 liegenden Schalter 4, einem die Batterietemperatur messenden Temperaturfühler 5 und einer Auswerteeinheit 6 mit einer Startgrenztemperaturanzeige 7. Beim Betätigen des Schalters 4, beispielsweise nach der Beendigung einer Fahrt mit dem Kraftfahrzeug, wird der Meßwiderstandsstromkreis 8 geschlossen, so daß in diesem ein vom Meßwiderstand 3 bestimmter Entladestrom fließt Für eine 66 Ah/12 V-Batterie ist der Meßwiderstand 3 beispielsweise so ausgelegt, daß ein Entladestrom von 40 Ampere fließt, wobei der Meßwiderstand selbst durch entsprechende Verbraucher (beispielsweise Glühlampen) im Fahrzeug gebildet sein kann. Wird jedoch eine Blei-Batterie mit einem Entladestrom belastet, so sinkt die Batteriespannung innerhalb weniger Sekunden aus der Ruhespannung ab, durchläuft eventuell einen unteren Wendepunkt und nimmt erst dann einen quasistationären Wert an. Dieser ist abhängig von dem Entladestrom, der Temperatur und dem Betriebszustand der Batterie. Er stellt sich um so schneller ein, je höher der Entladestrom und je niedriger der Ladezustand und die Temperatur sind. In allen Fällen wird jedoch der quasistationäre Zustand nach spätestens 10 Sekunden erreicht Aus diesem Grunde wird beim Betätigen des Schalters 4 ein Zeitverzögerungsglied 9 aktiviert, so daß die Klemmenspannung U_T zwischen dem Plus- und Minuspol der Batterie 2 stets erst 10 Sekunden nach Beginn der Entladung vcn der Auswerteeinheit 6 gemessen und als Eingangsgröße registriert wird.

Allgemein gilt, daß bei gegebenem Entladestrom die Klemmenspannung einer Batterie um so größer ist, je höher der Ladezustand und die Batterietemperatur Γ sind. Anhand von Meßreihen hat man für verschiedene Ladezustände diverser Batterien mit gleicher Nennkapazität die Klemmenspannung nach 10 Sekunden mit gegebenem Entladestrom - im vorliegenden Fall 40 Ampere - als Funktion der Temperatur ermittelt. Wird nun für jeden Ladezustand die bei +24⁰C (diese Bezugstemperatur wurde aus dem im Kfz in Frage kommenden Temperaturbereich -3O⁰C bis+30⁰C ausgewählt) gemessene Klemmenspannung, i/(40A)₂4, auf 1 normiert,so erhält man die relative Änderung der Klemmenspannung unter definierter Last als Funktion der Temperatur:

U(AOA),,, = t/(40 A)₇VWO A)₂₄
oder allgemein

U_n,, = U₁IUrHeW
wobei U_rHr:ul. auf 1 normiert ist.

O	20	40	80	160
11,3	11,3	10,9	10,4	9,75

Hierbei läßt sich die wichtige Erkenntnis ableiten, daß die relative Klemmenspannung unter Last unabhängig vom Ladezustand ist, und zwar bei allen Entladeströmen, die innerhalb des linearen Bereichs im Entladestrom-Klemmenspannungsdiagramm einer Batterie liegen. Zu beachten ist nur, daß die relative Klemmenspannung von der Entladestromstärke selbst abhängt.

Eine solche Kalibrierkurve »Relative Klemmenspannung nach 10 Sekunden Entladung mit 40 Ampere als Funktion der Temperatur« ist in F i g. 2 dargestellt, mit welcher es somit möglich ist, aus der bei einer Temperatur Γι gemessenen Klemmenspannung unter definierter Last (40 A, 10 s) die Klemmenspannung der Batterie in ihrem augenblicklichen Zustand bei gleicher Prüflast, aber anderer Temperatur T₂ zu berechnen.

Diese Kalibrierkurvenfunktion gemäß Fig. 2 ist nun in dem Speicher 10 der Auswerteeinheit 6 gespeichert. Erforderlichenfalls können weitere Kalibrierkurvenfunktionen mit anderen Entladestromstärken noch gespeichert sein, wenn bei universeller Anwendung der Vorrichtung auf verschiedene Entladeströme abgestellt werden muß. Für diesen Fall ist dann im Meßwiderstandsstromkreis noch ein Strommesser Π zur Messung des Entladestromes angeordnet, wobei in Abhängigkeit des gemessenen Entladestromes dann im Speicher der die Kalibrierkurvenfunktion für den gemessenen Entladestrom enthaltende Speicherplatz aktiviert wird.
Des weiteren ist in einem Speicher 12 der Auswerteeinheit 6 noch ein Grenzspannungswert U_triK gespeichert, welcher folgendes besagt: Eine Starterbatterie versagt beim Startvorgang, wenn unter Hochstrombelastung bei einer 12-V-Batterie die Klemmenspannung unter 6 V abfällt. Ein typischer Entladestrom beim Starten liegt bei 300 A. Messungen an Batterien mit verschiedenem Ladezustand und unterschiedlichen Temperaturen haben ergeben, daß eine Batterie die Startbedingung gerade dann noch erfüllt, wenn bei einer Temperatur T die Klemmenspannung bei 300 A nach 30 s auf maximal 6 V (= Startgrenzbedingung) absinkt und bei derselben Temperatur T die Klemmenspannung dieser Batterie bei 40 A nach 10 s auf maximal 10,9 ± 1 V absinkt. Diese Grenzspannung erscheint unabhängig vom Ladezustand, jedoch abhängig vom Entladestrom und der Startgrenzbedingung. Bei gleicher Startgrenzbedingung (300 Λ, 30 s, 12 V-6 V) ergeben sich für die verschiedenen Entladeströme folgende Grenzspannungswerte:

i/(/W-(V)

Damit ergibt sich für die Batterieanzeigevorrichtung 1 folgende Arbeitsweise:

Beispielsweise nach Beendigung einer Fahrt mit dem Kfz wird durch manuelles Betätigen des Schalters 4 der Meßwiderstandsstromkreis 8 geschlossen, so daß über den Meßwiderstand ein Entladestrom (beispielsweise 40 A) fließt. Durch das Zeitglied 9 bedingt, wird erst nach 10 Sekunden die Klemmenspannung U_T gemessen. Klemmenspannung U₁, Batterietemperatur T und Entladestrom J werden als Eingangsgrößen von der Auswerteeinheit registriert, beispielsweise gemessen

T = 0⁰C, U_T = 11,38 V, Entladestrom J = 40 A.

Aufgrund der Eingangsgröße J = 40 A wird im Speicher 10 aus der entsprechenden Kalibrierkurve
»(/(40A)_rf/= i/(40A)_r/i/(40A)₂₄«

die relative Klemmenspannung i/(40 A)_n., bei T= 0°C abgerufen (Wert: i/(40A)_r(7 = 0,984, s. Fig. 2) und dem Rechner 13 zugeführt.

Des weiteren wird aufgrund der Eingangsgröße J = 40 A aus dem Speicher 12 der entsprechende Grenzspannungswert U_gre„. = 10,9 V abgerufen und dem Rechner 13 zugeführt.

Aus den erhaltenen Werten und nach der Funktion

"xrenz y Il —II -Jj ^Λ Urrl T - "rc! Tgrrn:

wird die relative Klemmenspannung bei der Startgrenztcrrspcratur T_grr„. errechnet, in": Beispiel
^■0,984 = 0,942,

mit welchem Wert aus der Kalibrierkurve im Speicher 10 die Startgrenztemperatur T_gre„, = -18°C (s. Fig. 2) ermittelt und auf der Startgrenztemperatur 7 angezeigt wird.

Diese Anzeige signalisiert dann dem Fahrer, daß bei einer angezeigten Außentemperatur, Anzeige 14, von bis -18° C ein Starten noch möglich ist, bei einer Außentemperatur unter -18° C ein Starten jedoch nicht mehr möglich ist, da dann die Batteriespannung unter der Last von 300 A nach 30 s unter 6 V fallt; die Startgrenzbedingung also nicht mehr erfüllt wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es also möglich, die Leistungsfähigkeit einer Batterie richtig zu beurteilen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Batterieanzeigevorrichtung mit einem an die Batterie anschüeßbaren Meßwiderstand uad einem in dem Meßwiderstandsstromkreis liegenden Schalter, einem die Temperatur an der Batterie messenden Tempera-

turfuhler sowie einer Auswerteeinheit, welche nach dem Retätigen des Schalters bei über den Meßwiderstand fließendem Strom die Klemmenspannung zwischen dem Plus- und Minuspol mißt, diese und die Temperatur als Eingangsgrößen registriert und mit gespeicherten Werten zur Lieferung eines Signals verarbei'et, dadurch gekennzeichnet, daß dereinen Entladestrom bestimmende Meßwideritand (3) unmittelbar an den Plus- und Minuspol der Batterie (2) angeschlossen ist und der Temperaturfühler (5) direkt die Batterietemperatur (T) mißt, daß die Auswerteeinheit (6) die Klemmenspannung (U_T) um einige Sekunden zeitverzögert mißt und auf Basis der gespeicherten Werte einer Kalibrierkurvenfunktion V„_laUv =f(T) und eines Grenzspannungswertes (U_gr„_:) aus den beiden Eingangsgrößen (rund U_r) eine Startgrenztemperatur (Tg,_r„_:) errechnet und auf einer Startgrenztemperaturanzeige (7) anzeigt

2. Bctterieanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Meßwiderstandes (3) als Entladestrom in etwa den 1-Stunden-Strom der Batterie (2) bestimmt.

3. Batterieanzeigevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzspannungswert (Vgmz) abhängig ist vom Entladestrom und einer Startgrenzbedingung.

4. Batterieanzeigevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Startgrenzbedingung durch den maximal zulässigen Spannungsabfall der Klemmenspannung der Batterie (2) bei einem vorgege-

benen Entladehochstrom innerhalb einer vorgegebenen Zeit bestimmt ist.

5. Batterieanzeigevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierkurvenfunktion £/„;„„, =f(T) abhängig ist vom Entladestrom und unter Normierung auf eine wählbare Bezugstemperatur (T_Br:ui) festgelegt ist.

6. Batterieanzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder S, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (6) auch den Entladestrom mißt, wobei in Abhängigkeit des gemessenen Entladestromes in einem Speicher der die Kalibrierkurvenfunktion für den gemessenen Entladestrom enthaltende Speicherplatz aktiviert wird.

7. Batterieanzeigevorrichtung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Startgrenztemperatur (T_gm:) aus der Kalibrierkurve nach der Funktion