DE3832839C2 - Verfahren zur Überwachung von wiederaufladbaren Batterien - Google Patents

Verfahren zur Überwachung von wiederaufladbaren Batterien

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Ladung und Entladung einer wiederaufladbaren Batterie, wobei im Normalbetrieb nicht vollständige Ladungsvorgänge durchgeführt werden.
An das Laden von wiederaufladbaren Batterien werden verschiedene Anforderungen gestellt. So soll das Laden einerseits bei den meisten Anwendungsgebieten möglichst schnell erfolgen, andererseits nicht die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigen oder gar beispielsweise durch erhöhte Temperaturen die Batterie zerstören. Ein optimales Laden einer Batterie setzt jedoch voraus, daß beim Laden, insbesondere zu Beginn des Ladens, ihr Entladezustand bekannt ist. Dieser läßt sich jedoch bei bekannten Batterieladesystemen nur unzureichend ermitteln. Insbesondere bei automatischen Fertigungstransportanlagen, bei denen viele batteriegetriebene Fahrzeuge im Einsatz sind, die weitgehend automatisch gesteuert werden, ist eine Prüfung der Batterien sowie deren Entladezustand im einzelnen mit den bekannten Verfahren sehr kostenintensiv.
Durch DE 32 18 148 C2 ist ein Verfahren und ein Gerät zur Anzeige des Entladezustandes und zur Steuerung der Aufladung eines Antriebsakkumulators bekanntgeworden, bei dem während aller Entladevorgänge des Akkumulators eine zur Summe des Entladestroms des Akkumulators proportionale Entladesumme gebildet wird, der beim Laden fließende Strom aufsummiert wird, eine Abschaltung der Ladung nach Erreichen einer Ladestromsumme, die um einen vorbestimmten Wert höher liegt als die ermittelte Entladesumme, vorgesehen ist und die Veränderung der Entladesumme entsprechend dem aufsummierten Entladestrom erfolgt.
Dieses Verfahren ist jedoch bei wechselnden Entladeströmen wegen des Zusammenhangs zwischen der jeweils entnehmbaren Ladung und des Entladestroms sehr ungenau, insbesondere wenn nicht bei jedem Ladevorgang eine vollständige Ladung erreicht wird.
Es ist ferner ein Batterieladegerät bekanntgeworden (DE 32 20 152 A1), bei dem der Ladewirkungsgrad beim Laden einer teilweise entladenen Batterie dadurch so hoch wie möglich aufrechterhalten wird, daß die Dauer des gesamten Ladezyklus gleich einer vorgegebenen Zeitdauer ist. Hier wird ebenfalls eine vollständige Ladung vorausgesetzt bzw. angestrebt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung einer Batterie vorzuschlagen, welches auch bei nicht vollständigen Ladungsvorgängen eine unzulässige Entladung verhindert, ein optimales Laden gewährleistet und gegebenenfalls weitere für den Batteriebetrieb vorteilhafte Maßnahmen ermöglicht, beispielsweise bei automatischen Fertigungstransportanlagen das betreffende Fahrzeug aus dem Verkehr zu ziehen und dessen Batterie längere Zeit zu laden.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die in der Batterie jeweils elektro-chemisch gespeicherte Ladung beim Entladen und beim Laden durch vorzeichenrichtige Integration des Lade- oder Entladestroms unter Berücksichtigung des Ladefaktors ermittelt wird, daß in Abhängigkeit von der jeweils ermittelten elektrochemisch gespeicherten Ladung ein Ladestrom und/oder eine Ladespannung festgelegt wird, daß ferner der noch jeweils entnehmbare Teil der elektro-chemisch gespeicherten Ladung (entnehmbare Kapazität) durch vorzeichenrichtige Integration des Lade- oder Entladestroms unter Berücksichtigung des Ladefaktors ermittelt wird, wobei die Entladekennlinie der Batterie derart berücksichtigt wird, daß die entnehmbaren Kapazitäten für verschiedene Entladeströme im Verhältnis der zugehörigen Werte der Entladekennlinie umgerechnet werden, und daß festgestellt wird, wenn die entnehmbare Kapazität für einen vorgesehenen Entladestrom unter einen zulässigen Mindestwert sinkt.
Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist eine fortlaufende "Bilanzierung" der Ladung bzw. Entladung der Batterie möglich. Auch bei häufigem Wechsel des Entladestroms und wiederholten Ladevorgängen, wie sie bei batteriegetriebenen Fahrzeugen erfolgen, ist somit eine Ermittlung des Entladezustandes mit guter Näherung möglich.
Bei automatischen Fertigungstransportsystemen werden Batterien von Fahrzeugen an Haltepunkten kurzzeitig geladen, während auf den Fahrten zwischen den Halte­ punkten zeitlich schwankende Entladeströme fließen. Letztere sind unter anderem von der Beladung des Fahrzeuges abhängig. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Entladezustand einer solchen Batterie über längere Zeit gut überwacht werden. In Betriebs­ pausen, beispielsweise über Nacht, können die Batte­ rien in gesteuerter Weise voll aufgeladen werden, wobei dann für die darauffolgende Betriebsperiode ein Ausgangspunkt für die Ermittlung des Entladezu­ standes gegeben ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner mög­ lich, Batterien, welche weitgehend entladen sind, zu melden, bevor das Fahrzeug stehenbleibt und bevor eine Tiefentladung der Batterie eintritt, welche eine bleibende Schädigung der Batterie zur Folge hat. Eine solche Meldung kann in einem Fertigungs­ transportsystem, beispielsweise an einen übergeord­ neten Rechner gegeben werden, welcher das Fahrzeug aus dem Verkehr zieht, ein Ersatzfahrzeug bereit­ stellt und das Fahrzeug, dessen Batterie entladen ist, über längere Zeit an einer Ladestation beläßt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnah­ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung möglich.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be­ schrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm mit einer Entladekennlinie einer Batterie und den Verlauf von Entladungen mit verschiedenen Stromstärken sowie einer Ladung,
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Entladungen und der Ladung gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildeten Gerätes.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm ist der Ver­ lauf des Entladefaktors als Funktion des Entlade­ stroms in Form einer Entladekennlinie dargestellt. Als Beispiel dient eine 50 Ah-Batterie, welche bei einem Entladestrom von 5 A eine entnehmbare Kapazi­ tät von 50 Ah aufweist. Mit zunehmendem Entladestrom sinkt die entnehmbare Kapazität, so sind beispiels­ weise bei einem Entladestrom von 30 A nur noch etwa 30 Ah entnehmbar. Die Ziffern an der Entladekenn­ linie besagen, wieviele Stunden der entsprechende Entladestrom der Batterie entnommen werden kann. Außer der vollständig dargestellten Entladekennlinie für eine erste Temperatur ϑ1 sind für zwei weitere Temperaturen ϑ2 und ϑ3 Ladekennlinien angedeutet.
Unterhalb eines Entladestroms von etwa 5 A verläuft die Kennlinie waagerecht, so daß auch bei einem ge­ ringeren Strom die entnehmbare Kapazität K0 sowie die Ladungsmenge der aufgeladenen Batterie Q0 50 Ah beträgt. Im folgenden wird nun an Hand eines bei­ spielhaft angenommenen Verlaufs von Entladungen mit unterschiedlichen Entladeströmen und einer dazwi­ schen erfolgten Ladung erläutert.
Die voll aufgeladene Batterie mit einer elektro-che­ misch gespeicherten Ladung Q0 sowie einer entnehm­ baren Kapazität K0 wird zunächst mit einer Stromstär­ ke von 18 A entladen. Die entnehmbare Kapazität bei einem Ladestrom von 18 A sinkt daher von KEO auf KE1. Um die damit abgegebene Ladung ist auch die elektro-chemisch gespeicherte Ladung Q0 verringert worden, so daß nunmehr die in der Batterie elektro­ chemisch gespeicherte Ladung Q1 beträgt.
Im Anschluß daran wird die Batterie mit ca. 30 A belastet, wodurch die entnehmbare Kapazität auf den Wert KE2 sinkt. Die elektro-chemisch gespeicherte Ladung sinkt auf den Wert Q2. Schließlich erfolgt eine Belastung mit etwa 9 A bis zum Wert KE3 und bis zur elektro-chemisch gespeicherten Ladung Q3. Beim Übergang von einem Entladestrom auf den anderen wird der Wert für die entnehmbare Kapazität im Verhältnis der EF-Werte der zugehörigen Entladeströme umgerech­ net.
Beträgt beispielsweise nach dem Ende der Entladung mit 9 A die entnehmbare Ladung KE3 gleich etwa 10 Ah, so sind dieses 20% der maximalen entnehmba­ ren Ladung K0. Bei einem daran anschließenden Ent­ ladestrom von 30 A beträgt KE3 dann etwa 6 Ah, da die entnehmbare Kapazität von 20% nunmehr auf eine bei 30 A maximal entnehmbare Kapazität von 30 Ah zu beziehen ist. Von diesem Arbeitspunkt aus wird die Batterie bei dem dargestellten Beispiel nochmals mit 30 A Entladestrom belastet, so daß eine entnehmbare Kapazität von etwa 3 Ah erreicht ist. Damit ist eine elektro-chemisch gespeicherte Ladung Q4 erreicht. Es folgt nun eine Aufladung der Batterie bis zum Wert Q5, wonach die Batterie mit etwa 13 A von einer ent­ nehmbaren Kapazität KE5 bis zu einer entnehmbaren Kapazität KE6 entladen wird. Darauf befindet sich in der Batterie die elektro-chemisch gespeicherte La­ dung Q6. Bei einer anschließenden Aufladung im Sinne einer Optimierung des Aufladevorgangs wird berück­ sichtigt, daß die Batterie nur bis Q6 entladen ist.
Somit ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mög­ lich, die Batterie in einem Bereich zu betreiben, in welchem weder eine Tiefentladung noch eine Überla­ dung auftritt. In einem Gerät ist ein Mikrocomputer vorgesehen, welcher nach einem gespeicherten Pro­ gramm die erläuterten Verfahrensschritte durchführt.
Die elektro-chemisch gespeicherte Ladung ergibt sich aus der zuvor gespeicherten Ladung und dem Integral des zwischen dem vorherigen und dem aktuellen Zeit­ punkt fließenden Stroms. Eine weitere Abhängigkeit vom Entladestrom ergibt sich nicht. Im Gegensatz zum Entladen ist jedoch beim Laden ein Ladefaktor LF wirksam, so daß für die etektro-chemisch gespeicher­ te Ladung beim Entladen die Gleichung
und beim Laden die Gleichung
gilt.
Die entnehmbare Kapazität für einen gegebenen Ent­ ladestrom ergibt sich zwar ebenfalls aus der entnehm­ baren Kapazität des vorangegangenen Zeitpunkts abzüg­ lich der Ladungsmenge, also dem Integral des Entlade­ stroms über den zurückliegenden Zeitabschnitt. Die entnehmbare Kapazität des vorangegangenen Zeitab­ schnitts ist jedoch im Verhältnis der maximal ent­ nehmbaren Kapazitäten der Entladeströme umzurechnen. Es gelten dann die Gleichungen
beim Entladen und
beim Laden.
Eine Vereinfachung der Gleichungen ergibt sich, wenn der Entlade- bzw. Ladestrom derart häufig gemessen wird, also bei der Analog/Digital-Wandlung mit einer entsprechend hohen Taktfrequenz abgetastet wird, daß zwischen den Abtastzeitpunkten keine wesentliche Änderung des Stroms erfolgt. Die oben angegebenen Gleichungen ändern sich dann in folgender Weise:
Dabei bedeutet:
Qn: elektro-chemisch gespeicherte Ladung bei der nten Messung
Qn-1: elektro-chemisch gespeicherte Ladung bei der (n-1)sten Messung
Δt: Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgen­ den Messungen
iEn: Entladestrom bei der nten Messung
iLn: Ladestrom bei der nten Messung
LF: Ladefaktor, es gilt 1,01 ≦ LF (iLL, ϑ, u, Q) < ∞
KE: entnehmbare Kapazität
EF: Entladefaktor EF (iE, ϑ)≦ 1
QL: innerhalb eines Intervalls zugeführte Ladung
n: indizierte Größe bezieht sich auf jewei­ lige Messung
n-1: indizierte Größe bezieht sich auf vor­ herige Messung.
Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Entladungen und der Ladung gemäß Fig. 1. Dazu ist eine senkrech­ te Zeitachse vorgesehen, während der Entladestrom iE nach links und der Ladestrom iL nach rechts aufgetra­ gen ist. Für die Zeltpunkte t0 bis t6 sind jeweils Gleichungen für die etektro-chemisch gespeicherte Ladung Q und die entnehmbare Kapazität KE angegeben. Die schraffierten Flächen entsprechen der jeweils entnommenen bzw. zugeführten Ladung. Dabei ist dies bei der Ladung der Batterie zugeführte elektrische Ladung um den Faktor LF kleiner als die Fläche unter dem zugeführten Strom, was in Fig. 2 durch die senk­ rechte gestrichelte Linie dargestellt ist.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Blockschaltbild eines zur Durchführung des Verfahrens ausgebildeten erfindungsgemäßen Gerätes ist in Reihe mit der Batterie 1 ein Strommeßwiderstand 26 geschaltet. Die Ladung der Batterie 1 erfolgt über ein in Fig. 3 nicht dargestelltes Speisegerät, die Kontakte 9 und den Ladesteller 10. Dieser Ladesteller wird bei Gleichstromspeisung zweckmäßigerweise als sogenann­ ter Schaltregler ausgeführt, bei Wechselstromspei­ sung als gesteuerter Gleichrichter oder ungesteuer­ ter Gleichrichter mit nachgeschalteten Schaltregler.
Ausgangsklemmen des Ladestellers 10 sind mit der Reihenschaltung aus Batterie 1 und Strommeßwider­ stand 26 verbunden, außerdem werden dem Ladesteller 10 die Soll-Werte des Ladestroms und der Ladespan­ nung zugeführt. An die Reihenschaltung aus Batterie 1 und Strommeßwiderstand 26 sind ferner über eine in Fig. 3 nicht dargestellte Fahrsteuerung der Antriebs­ motor 16 und andere Verbraucher angeschlossen. Zur Steuerung des Ladevorgangs werden über die Schal­ tungspunkte 27, 28 und 29 die jeweilige Spannung der Batterie 1 und eine dem Endlade- bzw. Ladestrom pro­ portionale Spannung abgegriffen.
Außerdem werden aus der Batteriespannung Versorgungs­ spannungen für das Steuergerät 11 sowie eine Refe­ renzspannung mit Hilfe der Stromversorgungseinrich­ tung 12 erzeugt. Geeignete Schaltungen zur Erzeugung einer konstanten Referenzspannung sowie zur Gleich­ spannungswandlung sind an sich bekannt und brauchen im Rahmen dieser Erfindung nicht näher erläutert zu werden.
Die am Schaltungspunkt 27 an liegende Batteriespan­ nung wird über einen Spannungsteiler 31 dem nichtin­ vertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 32 zugeführt. Dabei können verschiedene Anschlüsse des Spannungsteilers 31 mit Hilfe eines sogenannten Ran­ giersteckers oder einer Lötbrücke mit dem Schaltungs­ punkt 27 verbunden sein, womit eine Anpassung des Steuergerätes 11 an Batterien verschiedener Zellen­ zahl möglich ist. Dabei kann der Spannungsteiler so ausgelegt sein, daß an seinem Ausgang eine auf eine Zelle normierte Spannung ansteht.
Dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers 32 wird über einen Widerstand 33 die Referenzspan­ nung zugeführt. Außerdem ist zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Differenzverstär­ kers 32 ein Gegenkopplungswiderstand 34 vorgesehen. Durch geeignete Dimensionierung der Widerstände wird die Verstärkung und der Arbeitspunkt des Differenz­ verstärkers 32 derart festgelegt, daß an seinem Aus­ gang eine Spannung ansteht, welche analog zur Diffe­ renz zwischen der Batteriespannung und der Referenz-Span­ nung ist, wobei der Aussteuerbereich mindestens die Höhe des anwendungsüblichen Spannungshubes der Batterie umfaßt.
Die Ausgangsspannung des Differenzverstärkers 32 und die Referenzspannung werden einem Mikrocomputer 13 zugeführt, welcher unter anderem einen Analog/Digi­ tal-Wandler umfaßt, dem die analogen Größen über einen Multiplexer zugeführt werden. Derartige Mikro­ computer sind als Bausteine im Handel erhältlich. Für den Batterieprozessor ist beispielsweise der Typ 68705 R3 geeignet.
Die an den Anschlüssen 28 und 29 des Strommeßwider­ standes 26 anstehenden Spannungen wird über je einen Widerstand 36, 37, 38, 39 den Eingängen der Diffe­ renzverstärker 38 und 43 zugeführt, deren nichtinver­ tierende Eingänge über je einen Widerstand 41, 42 mit Masse verbunden sind. Der invertierende Eingang ist jeweils über einen Gegenkopplungswiderstand 44, 45 mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 38, 43 verbunden. Die Ausgangsspannungen der Differenzver­ stärker 38, 43 verhalten sich gegenläufig.
Da der Analog/Digital-Wandler des Mikrocomputers 13 nur für Spannungen einer vorgegebenen Polarität ge­ eignet ist, wird von den Ausgangsspannungen der Differenzverstärker 38, 43 nur der dieser Polarität entsprechende Teil des Aussteuerbereiches ausgewer­ tet, und zwar bei Entladung die Ausgangsspannung des einen und bei Ladung die Ausgangsspannung des ande­ ren Differenzverstärkers.
Außer der Messung der Batteriespannung und des Bat­ teriestromes kann eine Messung der Batterietempera­ tur erforderlich sein. Es wird deshalb ein von einem geeigneten Sensor 30 abgegebene temperaturabhängige Spannung als vierte Analoggröße dem Mikrocomputer 13 zugeführt.
Zur Stabilisierung der Taktfrequenz des Mikrocompu­ ters 13 ist ein Quarz 51 angeordnet. Außerdem ist mit dem Mikrocomputer 13 eine Schalterreihe 50 ver­ bunden, die zur Einstellung verschiedener Betriebs­ arten des erfindungsgemäßen Systems dient.
Drei Ausgänge des Mikrocomputers sind über je einen Optokoppler 52, 53, 54 mit den Anschlüssen 21, 22, 23 verbunden, welche Sollwerte für die Ladespannung, den Ladestrom und ein Schaltsignal F an den Ladestel­ ler 10 ausgeben. Eine weitere Ausgabeschnittstelle 25 umfaßt drei Anschlüsse 55, 56, 57, welche über jeweils einen Optokoppler 58, 59, 60 an weitere Aus­ gänge des Mikrocomputers angeschlossen sind. Außer dem bereits erwähnten Schaltsignal f kann der Ausga­ beschnittstelle 25 ein weiteres Schaltsignal ELS, welches den Entladeschluß der Batterie kennzeichnet, entnommen werden. Schließlich liegt am Anschluß 56 ein Analogsignal, welches den Wert der entnehmbaren Kapazität wiedergibt, an. Diese Daten können mit Hilfe einer nicht dargestellten Anzeigevorrichtung angezeigt werden.
Über einen weiteren Optokoppler 61 und einen An­ schluß 62 werden laufend verschiedene Daten ausgege­ ben. Diese Daten können einem übergeordnetem Rechner zugeleitet werden. Dieser kann beispielsweise ein Fahrzeug, dessen Batterie relativ weit entladen ist, länger an den Aufladestellen anhalten oder möglicher­ weise vorübergehend aus dem Verkehr ziehen. Schließ­ lich ist an den Mikrocomputer 13 noch der nichtflüch­ tige Speicher 14 angeschlossen, in welchem langfri­ stig Daten gespeichert werden, welche für einen wirt­ schaftlichen Einsatz derartiger Transportsysteme benötigt werden, wie beispielsweise die gesamte Betriebszeit einer Batterie, Anzahl der Lade/Entlade­ zyklen oder der insgesamt aufgenommenen bzw. abgege­ benen Ampèrestunden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Überwachung der Ladung und Entladung einer wiederaufladbaren Batterie, wobei im Normalbetrieb nicht vollständige Ladungsvorgänge durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die in der Batterie jeweils elektro-chemisch gespeicherte Ladung beim Entladen und beim Laden durch vorzeichenrichtige Integration des Lade- oder Entladestroms unter Berücksichtigung des Ladefaktors ermittelt wird,
  • - daß in Abhängigkeit von der jeweils ermittelten elektrochemisch gespeicherten Ladung ein Ladestrom und/oder eine Ladespannung festgelegt wird,
  • - daß ferner der noch jeweils entnehmbare Teil der elektro-chemisch gespeicherten Ladung (entnehmbare Kapazität) durch vorzeichenrichtige Integration des Lade- oder Entladestroms unter Berücksichtigung des Ladefaktors ermittelt wird, wobei die Entladekennlinie der Batterie derart berücksichtigt wird, daß die entnehmbaren Kapazitäten für verschiedene Entladeströme im Verhältnis der zugehörigen Werte der Entladekennlinie umgerechnet werden, und
  • - daß festgestellt wird, wenn die entnehmbare Kapazität für einen vorgesehenen Entladestrom unter einen zulässigen Mindestwert sinkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Integration von einem bekannten Ladezustand ausgegangen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Inbetriebnahmeroutine vorgesehen ist, die einen bekannten Ladezustand herstellt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in vorgegebenen Intervallen der Lade- oder Entladestrom gemessen wird und daß die elektro-chemisch gespeicherte Ladung mit dem jeweiligen Meßwert im Falle des Entladens nach der Gleichung
Qn = Qn-1 - Δt × iEn
und im Falle der Ladung nach der Gleichung
Qn = Qn-1 + LF-1 × Δt × iLn
berechnet wird, wobei:
Qn: elektro-chemisch gespeicherte Ladung bei der nten Messung
Qn-1: elektro-chemisch gespeicherte Ladung bei der (n-1)sten Messung
Δt: Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgen­ den Messungen
iEn: Entladestrom bei der nten Messung
iLn: Ladestrom bei der nten Messung
LF: Ladefaktor, es gilt 1,01 ≦ LF (iL, ϑ, u, Q) < ∞.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in vorgegebenen Intervallen der Lade- oder Entladestrom gemessen wird und
daß die entnehmbare Kapazität mit dem jeweiligen Meßwert im Falle des Entladens nach der Gleichung
und im Falle des Ladens nach der Gleichung
berechnet wird, wobei:
KE: entnehmbare Kapazität
EF: Entladefaktor EF (iE, ϑ)≦ 1
QL: innerhalb eines Intervalls zugeführte Ladung
n: indizierte Größe bezieht sich auf je­ weilige Messung
n-1: indizierte Größe bezieht sich auf vor­ herige Messung.
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