DE3624781A1 - Verfahren zum erfassen des ladungszustands einer batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Besonderer Bedarf an einem derartigen Verfahren besteht in elektromotorisch be­ triebenen Kraftfahrzeugen mit Batteriespeisung, da dort dem Fahrer - analog zur Tankinhaltsanzeige bei Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen - eine Information über die noch verfügbare Reichweite seines Fahrzeugs gegeben werden muß.

Beispielsweise in der US-PS 36 17 850, H 02 J 7/00, sind die bekannten Möglichkeiten zum Erfassen des Ladungszustands von Batterien angeführt, darunter auch der soge­ nannte Lasttest, bei dem gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs aus den Meß­ werten von Spannung und Entladestrom der Batterie ein Signal für den jeweiligen Kapazitätszustand der Batterie gewonnen wird. Im einzelnen wird in dieser Druck­ schrift dann ein Verfahren bzw. eine Schaltungsanordnung beschrieben, die unter Berücksichtigung der Vorgeschichte der Batterie in recht aufwendiger Weise ein Signal für den jeweiligen Ladungszustand erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, das mit geringem Hardware-Aufwand ein Signal für den jeweiligen Ladungs- bzw. Kapazitätszustand der Batterie erzeugt und zu­ gleich die jeweils vorliegenden Arbeitsbedingungen der Batterie, insbesondere auch den Temperatureinfluß, berücksichtigt.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merk­ malen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens beschreiben die Unteransprüche.

Gerade bei Einsatz der Batterie in einem Elektrofahrzeug ist die Batteriespannung im Fahrbetrieb durch unterschiedliche Entladeströme, Nutzbremsvorgänge und den sich verändernden Ladezustand starken Schwankungen, beispielsweise bei Bleiakku­ mulatoren 1,6-2,4 V/Zelle, unterworfen. Hinzu kommt beispielsweise der Tempera­ tureinfluß. Um daher über einen Meßwert der Batteriespannung eine Aussage über die Restkapazität der Batterie zu erhalten, müssen bestimmte Bedingungen einge­ halten werden, die in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs angege­ ben sind. Abgesehen von der Messung nur bei einem ganz bestimmten vorgegebenen Entladestromwert (oder einem sehr schmalen Wertebereich des Entladestroms), der auch bei nicht mehr voll geladener Batterie erreicht wird, schließt die Erfindung durch ausschließliche Erfassung des Entladestroms Nutzbremsphasen des Fahrzeugs aus, bei denen der Bremseffekt zur Erzeugung eines Ladestroms ausgenutzt wird.

Zwecks Erhöhung der Genauigkeit der Messung erfolgt gemäß Patentanspruch 4 eine Spannungsmessung nur dann, wenn der Entladestrom den vorgegebenen Wert aus­ gehend von Werten erreicht, die kleiner als der vorgegebene Wert des Entladestroms waren.

Der bei Vorliegen dieser Bedingungen gemessene Spannungswert wird gleichsam mit einer abgespeicherten Entladekurve der Batterie verglichen, die die Sollbedingungen der Batterie bei dem jeweiligen Einsatzfall, also beispielsweise in einem Fahrzeug, repräsentiert. Indirekt berücksichtigt daher das erfindungsgemäße Verfahren positive und negative Einflüsse auf die Kapazität der Batterie, indem beispielsweise bei einer gealterten oder kalten Batterie die gemessenen Spannungswerte bei dem vor­ gegebenen Wert des Entladestroms kleinere Anzeigewerte für die Restkapazität der Batterie als im Falle einer neuen, gut temperierten Batterie liefern.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß sie sich besonders für mit einer Mikroprozessorregelung ausgerüstete Fahrzeuge eignet. Da bei einer derartigen Regelung die Strom- und Spannungssignale bereits erfaßt und verarbeitet werden, sind dann lediglich eine Erweiterung des Rechnerprogramms und ein zusätzlicher Ausgabekanal für das gewonnene Ladungszustandssignal zum Anschluß beispielsweise eines Instruments erforderlich.

Wie im folgenden noch beschrieben, kann das erfindungsgemäße Verfahren aber auch mit einer einfachen elektronischen Schaltung realisiert werden.

Ein entsprechendes Blockschaltbild zeigt Fig. 1, während Fig. 2 die Verhältnisse bei der Messung anhand der gespeicherten Entladekurve wiedergibt.

Klemme 1 in Fig. 1 wird der Meßwert der Batteriespannung, Klemme 2 der Meßwert des jeweiligen Entladestroms der Batterie, also des durch die jeweilige Last erzeug­ ten Stroms, zugeführt. Die Torschaltung 3 läßt eine dem Meßwert der Batteriespan­ nung entsprechende elektrische Größe nur dann an die Vergleichsstufe 4 gelangen, wenn über den Vorzeichendiskriminator 5 und den Amplitudendiskriminator 6 ein Öffnungssignal für die Torschaltung 3 geliefert wird, das nur bei positivem Gradien­ ten des Entladestroms und einem Meßwert desselben erzeugt wird, der innerhalb eines schmalen Fensters desselben liegt, das den Wert 1/3 des maximalen Lade­ stroms enthält. Die Fensterbreite beträgt beispielsweise ±2% dieses vorgegebenen Stromwerts.

Liegen also diese beiden durch den Vorzeichendiskriminator 5 und den Amplituden­ diskriminator 6 realisierten Bedingungen für den Entladestrom vor, gelangt die den Batteriespannungswert wiedergebende elektrische Größe in die Vergleichsstufe, der über den Kennlinienspeicher 7 zugleich eine auf den jeweiligen Einsatzfall der Bat­ terie abgestimmte Soll-Entladekurve der Batterie fürr diese Strombedingungen zuge­ führt wird. Durch Vergleich wird ein Signal erzeugt, das den dem Meßwert bei Nor­ malbedingungen zugeordneten Ladungs- oder Kapazitätszustand der Batterie wieder­ gibt und über den Speicher 8 eine entsprechende Anzeige am Analog-Meßgerät 9 hervorruft. Das Meßgerät 9 ist beispielsweise am Armaturenbrett des Fahrers des mit der Batterie ausgerüsteten Fahrzeugs angebracht.

Die bevorzugte Signalerzeugung für den Ladezustand aus diesem Vergleich wird anhand Fig. 2 beschrieben. Dort ist für konstanten Entladestrom I = 100 A der Ver­ lauf der Batteriespannung U je Zelle Z über der Entladezeit t bzw. den abgegebenen Amperestunden Ah aufgetragen. Längs der Abszisse ist ferner die Restkapazität K der Batterie unter der Annahme aufgetragen, daß unter normalen Betriebsbedingun­ gen der Batterie (normale Betriebstemperatur, neue Batterie) bei 150 Ah und 1,6 V/Z die Batterie für den vorliegenden Einsatzfall als "entladen" zu gelten hat. Kurve a ist die (gespeicherte) Entladekurve bei Belastung mit dem vorgegebenen Entlade­ strom I=100 A bei diesen Normalbedingungen.

Bei einer Messung möge nun z.B. infolge niedrigerer Betriebstemperatur oder Alte­ rung der Batterie die Entladekurve b vorliegen, und es möge ein Istwert der Batte­ riespannung von 1,8 V/Z gemessen werden entsprechend einem Punkt B auf der Ist- Entladekurve b. Die Abweichung der Istkurve b von der Sollkurve a, also letztlich die Differenzen zwischen Ist- und Sollwerten der Batteriespannung, werden nun dadurch bei der Ermittlung der Restkapazität K (die das Instrument 9 in Fig. 1 zur Anzeige bringt) berücksichtigt, daß die der gemessenen Spannung von in diesem Beispiel 1,8 V/Z gemäß Sollkurve a entsprechende Restkapazität von etwa 33% angegeben wird. Es wird also angenommen, daß dem Meßpunkt B auf der Ist-Entla­ dekurve b ein Punkt B′ auf der Soll-Entladekurve a entspricht.

Es kann aber auch der Fall auftreten, daß beispielweise infolge höherer Betriebs­ temperatur eine Ist-Entladekurve c vorliegt, die "günstiger" als die Soll-Entlade­ kurve a verläuft. Auch hier wird der Meßpunkt C parallel zur Abszisse auf die Soll­ kurve a projiziert und die dem so gewonnenen Kurvenpunkt C′ zugeordnete Restka­ pazität als Maß für den Ladezustand der Batterie angegeben.

Mit der Erfindung ist also ein Verfahren zur Erfassung des jeweiligen Ladungszu­ stands einer Batterie geschaffen, das trotz geringen Aufwands zu seiner Realisie­ rung indirekt auch äußere, das Kapazitätsverhalten der Batterie bestimmende Einflüsse erfaßt und eine gute Genauigkeit besitzt.

Claims (4)

1. Verfahren zum Erfassen des Ladungszustands einer Batterie, die eine stetige Entladekurve besitzt, unter Messung von Spannung und Entladestrom der Batte­ rie, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung nur bei einem vorgegebenen Wert des Entladestroms unterhalb des halben Wertes des maximalen Entladestroms der Batterie gemessen und aus der dem Meßwert gemäß einer bei Normalbedingungen aufgenommenen Soll-Entladekurve zugeordneten Restkapazität ein Signal für den Ladungszustand gewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung gemessen wird, wenn der Entladestrom etwa ein Drittel des maximalen Entladestroms be­ trägt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung gemessen wird, wenn der Wert des Entladestroms innerhalb eines schmalen Be­ reichs liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung nur bei ansteigendem Entladestrom gemessen wird.