DE4112987C2 - Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezu­ standes einer wiederaufladbaren Batterie nach der Gattung der An­ sprüche 1 und 2.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der EP-A1 216 662 bekannt geworden. Diese zeigt eine Kontrollvorrichtung für eine Akkumulatorenbatterie, welche dem Lade- beziehungsweise Entladestrom proportionale Impulsfolgen erzeugt, wobei die einzelnen, dem je­ weiligen Lade- beziehungsweise Entladestrom entsprechenden Impulse in einer Zählvorrichtung verarbeitet werden. Zusätzlich werden diese Signale korrigiert in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad der Batterie sowie unter Berücksichtigung der Selbstentladung.

Eine andere verbreitete Methode zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie ist die Messung der Batteriespannung unter einer definierten Last. In der EP-B-0 188 477 oder der DE-A-38 15 001 ist eine der­ artige Methode zur Bestimmung des Ladezustands beschrieben, bei der zur Verbesserung der Methode die Kenndaten beim Laden und Entladen einer Batterie erfaßt und abgespeichert werden. Diese können dann als Referenzwerte bei späteren Lade- und Entladevorgängen dienen. Der Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, daß die Bestimmung des Ladezustands abhängig von der Batteriespannung erfolgt, die von Batterie zu Batterie bei gleichem Ladezustand große Unterschiede aufweisen kann. Insbesondere bei gasdichten NiCd-Batterien, die eine sehr flache Entladekennlinie aufweisen, sind diese bekannten Ver­ fahren ungenau und kaum einsetzbar.

Aus der DE-A1 38 23 038 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Lade­ zustands einer wiederaufladbaren Batterie bekannt, bei welcher ein elektronischer Zähler zur Stromsimulation als Abwärtszähler ge­ schaltet ist und während des Betriebs eines Verbrauchers von einem Anfangszählerstand aus, auf den der Zähler bei voll geladener Batterie gesetzt wird, abwärts zählt. Der Zählerstand ist dann jeweils ein Maß für den Ladezustand der Batterie. Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß Teilladungen der Batterie nicht berücksichtigt werden können. Ebensowenig berücksichtigt werden kann ein gleichzeitiges Laden und Entladen der Batterie, so daß die bekannte Vorrichtung wenig variabel und für die meisten Anwendungen nicht einsetzbar ist.

Die FR-A1-2 534 381 beschreibt eine Anzeigevorrichtung für die Ladung und Entladung einer elektrischen Batterie, wobei entsprechend dem Lade- oder Entladestrom Signale mit entsprechend veränderter Frequenz erzeugt werden, die zur Bestimmung des jeweiligen Ladezustands dienen. Auf diese Weise kann der jeweilige Ladezustand der Batterie proportional dem jeweils geflossenen Lade- beziehungsweise Entlade­ strom bestimmt werden.

Die DE-OS 33 34 851 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schnelladen von Ni-Cd-Batterien mit einer Vorrichtung zum Umschalten von Schnell- auf Dauerladen, welche automatisch bei vollgeladener Batterie wirksam wird. Die Überwachungsvorrichtung selbst arbeitet so, daß die Batteriespannung zu bestimmten Zeitpunkten gemessen und der Meßwert in eine Frequenz umgewandelt wird. Durch eine Addition und anschließende Subtraktion der Zählimpulse während der vorgege­ benen Meßzeit kann auf den Ladezustand der Batterie geschlossen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie dahingehend zu verbessern, daß zum einen die Messung des Ladezustands der Batterie unabhängig von der Batteriespannung erfolgt, so daß sich diese Vorrichtung insbesondere zur Bestimmung des Ladezustands von NiCd-Batterien eignet, und daß zum anderen auch Teilladungen des Ladegeräts berücksichtigt werden können, selbst wenn sie gleichzeitig mit einer Entladung stattfinden.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 beziehungsweise 2 gelöst. Hierbei ist jedem Verbraucher eine individuelle Entlade-Zählfrequenz zugeordnet, wobei sich die entsprechenden Zählimpulse bei mehreren gleichzeitig eingeschalteten Verbrauchern addieren. Dies kann auch dadurch erfolgen, daß beispielsweise zwei Verbraucher eine zusätzliche Entlade-Zählfrequenz zur Zählung in der Zählvorrichtung auslösen, deren Frequenz die Summe der individuell zugeordneten Entlade-Zählfrequenzen ist.

Anstelle des Zählens von Zählfrequenzen in einem Zähler kann auch ein Rechner vorgesehen sein, der der Entladung proportionale Zahlenwerte und der Aufladung proportionale Zahlenwerte nach Betrag und Richtung addiert. Hierbei dienen insbesondere interne Register eines Mikroprozessors als Zählvorrichtung. Da in einem solchen Rechner Taktfrequenzen ohnehin vorliegen, kann die Realisierung einer derartigen Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer Batterie mit einem handelsüblichen Mikrorechner realisiert werden, der lediglich ein speziell angepaßtes Programm aufweist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführte Maßnahmen sind vorteil­ hafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den übergeordneten Ansprüchen angegebenen Vorrichtungen möglich.

Um die gleichzeitige Registrierung von Lade- und Entladevorgängen sicherzustellen, weist die Zählvorrichtung unabhängig voneinander arbeitende Zähleingänge für den Abwärts- und Aufwärtszählvorgang auf.

Zur Berücksichtigung der Selbstentladung der Batterie sind in vor­ teilhafter Weise Mittel zur Erzeugung einer fortlaufend gezählten Selbstentlade-Zählfrequenz oder zur Erzeugung von zyklisch den Zählerstand verändernden Selbstentlade-Zahlenwerten vorgesehen. Hierdurch werden die tatsächlichen Verhältnisse in einer aufladbaren Batterie noch exakter simuliert. Diese Exaktheit kann noch dadurch gesteigert werden, daß die Selbstentlade-Zählfrequenz oder die erzeugten Selbstentlade-Zahlenwerte temperatur­ abhängig sind, da die Selbstentladung der Batterie von ihrer Temperatur abhängt. Zur Realisierung kann hierzu ein von einem NTC-Widerstand gesteuerter Taktgenerator oder Zahlenwertgenerator vorgesehen sein.

Um einen Über- oder Unterlauf des Zählers zu verhindern, die zu unrealistischen Ergebnissen führen würden, sind zwei Zählerstände als Grenzwerte für einen maximalen und einen minimalen Ladezustand der Batterie vorgesehen, wobei Mittel zur Verhinderung des Überschreitens des oberen und des Unterschreitens des unteren Zählerstands vorgesehen sind. Hierdurch erfolgt bei vollem Ladezustand oder im tiefstentladenen Zustand eine ständige Normierung der Vorrichtung.

Die beiden Zählerstände sind zweckmäßigerweise der Zähler­ stand 0 und der maximale Zählerstand der Zählvorrichtung, wobei Zählimpulse oder zu addierende Zahlenwerte, die zu Werten außerhalb der beiden Grenzwerte führen würden, als Rücksetz-Setzsignale auf jeweils diese Zählerstände ausgebildet sind. Hierdurch kann auf einfache Weise ein Überschreiten der Grenzwerte verhindert werden.

Ein weiteres Mittel zur Korrektur des Zählerstandes bzw. zu seiner Normierung ist eine Spannungsüberwachungsvor­ richtung für die Batterie, durch die bei Absinken der Batteriespannung unter einen vorgebbaren Wert die Zähl­ vorrichtung auf den dem minimalen Zustand entsprechenden Zählerstand setzbar ist, vorzugsweise auf den Zählerstand 0.

Zur Wiedergabe des durch Zählersimulation ermittelten Ladezustands der Batterie sind zweckmäßigerweise Mittel zur Erzeugung eines optischen und/oder akustischen Warn­ signals bei Erreichen eines einen vorgebbaren niedrigen Ladezustand entsprechenden Zählerstands vorgesehen. Alter­ nativ oder zusätzlich können Mittel zur Wiedergabe des jeweiligen Zählerstands als Anzeigevorrichtung für den Ladezustand der Batterie vorgesehen sein. Hierdurch kann kontinuierlich der Ladezustand abgelesen werden.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem elektronischen Zähler zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederauf­ ladbaren Batterie als erstes Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 eine ähnliche Vorrichtung mit einem Mikrorechner zur Bestimmung des Ladezustands als zweites Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist ein Ladegerät 10 mit einer aufladbaren Batterie 11 verbunden, die beispielsweise als NiCd-Batterieblock ausge­ bildet sein kann. Diese Batterie 11 versorgt zwei Ver­ braucher 12, 13 über zwei Schalter 14, 15. Bei dieser Anord­ nung kann es sich beispielsweise um einen batteriebetriebe­ nen Handscheinwerfer oder ein batteriebetriebenes Elektro­ werkzeug handeln. Die beiden Verbraucher 12, 13 sind bei einer derartigen Anwendung als Glühlampen unterschied­ licher Stärke und/oder als Elektromotoren ausgebildet, insbesondere als Elektromotoren mit unterschiedlichen Leistungsanschlüssen. In einer einfacheren Ausführung kann selbstverständlich auch nur ein einziger Verbraucher 12 bzw. 13 vorgesehen sein, oder es können noch weitere zusätzliche Verbraucher zugeschaltet werden.

Die Zählfrequenz eines während des Betriebs des Ladegeräts 10 eingeschalteten ersten Taktgenerators 16 ist einem Aufwärtszähleingang eines digitalen Zählers 17 zugeführt. Die Taktfrequenz eines zweiten Taktgenerators 18 ist einem separaten Abwärtszähleingang des Zählers 17 zugeführt. Dieser zweite Taktgenerator 18 erzeugt als Grundtaktfre­ quenz eine von der Temperatur der Batterie 11 abhängige Selbstentlade-Zählfrequenz. Hierzu ist ein NTC-Widerstand 19 an der Batterie 11 oder im Bereich der Batterie 11 angeordnet und mit dem zweiten Taktgenerator 18 verbunden. Anstelle eines NTC-Widerstands 19 kann selbstverständlich prinzipiell auch ein anderes temperaturabhängiges Element treten. In Abhängigkeit des jeweiligen Widerstandswerts des NTC-Widerstands 19 wird die Selbstentlade-Zählfrequenz gesteuert. Darüber hinaus wird die Entlade-Zählfrequenz des zweiten Taktgenerators 18 noch vom Einschaltzustand der beiden Verbraucher 12, 13 beeinflußt. Während des Be­ triebs dieser Verbraucher 12, 13 werden jeweils zusätzliche Zählimpulse zur Erhöhung der Entlade-Zählfrequenz des zweiten Taktgenerators 18 erzeugt. Diese zusätzlichen Zählimpulse stellen eine feste Rate dar, die proportional dem jeweiligen Stromverbrauch dieser Verbraucher 12, 13 ist. Einschaltsteuersignale von diesen Verbrauchern an entsprechenden Eingängen des zweiten Taktgenerators 18 lösen diese zusätzlichen Zählimpulse aus.

Ein Zählerausgang des Zählers 17 ist mit einer Auswerte­ schaltung 20 verbunden, durch die der jeweilige Zählerstand in Form von Zahlenwerten auf einem Display 21 wiedergegeben wird. Die optische Wiedergabe kann selbstverständlich auch durch einen analogen Zeiger, durch ein Leuchtband od. dgl. erfolgen. Die jeweiligen Zählerstände werden bei­ spielsweise durch Zahlen zwischen 0 und 100 wiedergegeben, um den prozentualen Ladezustand anzuzeigen. Darüber hinaus wird durch die Auswerteschaltung 20 auch noch eine Leuchte 22 angesteuert, z. B. eine Leuchtdiode. Wenn die Batterie bis zu einem bestimmten Grad entladen ist, wird diese Leuchte 22 angesteuert, um anzuzeigen, daß die Batterie einen kritischen niedrigen Ladezustand erreicht hat. Selbst­ verständlich ist auch ein inverser Betrieb der Leuchte 22 möglich, das heißt, sie wird dann eingeschaltet, wenn die Batterie noch einen guten bis befriedigenden Ladezustand aufweist. Eine Kombination von Leuchten ist ebenfalls möglich, wobei dann eine Leuchte einen ausreichenden Lade­ zustand und eine andere Leuchte einen unzureichenden Lade­ zustand wiedergibt.

Die Batteriespannung der Batterie 11 ist auch einer Span­ nungsüberwachungsschaltung 23 zugeführt. Sinkt die Spannung der Batterie 11 unter einen vorgebbaren niedrigen Wert ab, der einem kritischen niedrigen Ladezustand entspricht, so wird über einen Ausgang dieser Spannungsüberwachungs­ schaltung 23 der Zähler 17 auf den Wert 0 rückgesetzt, der dem entladenen Zustand der Batterie entspricht. Hier­ durch kann eine Normierung des Zählerstands bei der Tief­ entladung herbeigeführt werden.

Weiterhin ist eine Zahlenwert-Erkennungsstufe 24 mit dem Zählerausgang des Zählers 17 verbunden. Durch diese Zahlen­ wert-Erkennungsstufe 24 werden der Zahlenwert 0 und der maximale Zahlenwert erkannt. Entsprechend werden Ausgangs­ signale an den Ausgängen O und M erzeugt, durch die der Zähler 17 jeweils über den Rücksetzeingang R rückgesetzt bzw. über den Setzeingang S auf den maximalen Zählerstand gesetzt wird. Hierdurch wird verhindert, daß der minimale Zählerstand 0 unterschritten bzw. der maximale Zählerstand M überschritten wird. Auch hierdurch erfolgt eine Korrektur bzw. Normierung des Zählerstands beim Erreichen des maximalen Ladezustands bzw. des minimalen Ladezustands.

Durch die beschriebene Vorrichtung wird der Lade- und Entladevorgang der Batterie 11 mittels des Zählers 17 simuliert. Der Zählerstand ist dabei jeweils ein Maß für den Ladezustand der Batterie 11. Während des Ladevorgangs ist der erste Taktgenerator 16 eingeschaltet und zählt eine dem Ladestrom entsprechende Taktfrequenz aufwärts, während beim Einschalten der Verbraucher 12, 13 eine dem Entladestrom entsprechende Frequenz abwärtsgezählt wird. Auch wenn kein Verbraucher eingeschaltet ist, wird ständig eine Selbstentlade-Zählfrequenz abwärtsgezählt, die der Selbstentladung der Batterie entspricht. Diese Selbst­ entlade-Zählfrequenz ist - wie die Selbstentladung der Batterie - von der Temperatur abhängig. Bei gleichzeitig ablaufendem Lade- und Entladevorgang werden entsprechend über die beiden unabhängigen Zähleingänge Zählimpulse aufwärts- und abwärtsgezählt.

Es ist selbstverständlich auch möglich, in umgekehrter Weise bei der Entladung aufwärts- und bei der Aufladung abwärtszuzählen. In diesem Falle entspricht ein niedriger Zählerstand einem hohen Ladezustand und umgekehrt.

In einer einfacheren Version der beschriebenen Vorrichtung kann die Zahlenwert-Erkennungsstufe 24 und/oder die Span­ nungsüberwachungsschaltung 23 auch entfallen, wenn man auf eine Korrektur bzw. Normierung der Zählerstände ver­ zichten will. Anstelle einer Zahlenwert-Erkennungsstufe 24 kann auch eine entsprechende Beschaltung des Zählers 17 selbst erfolgen, wenn entsprechende Überlaufausgänge vorgesehen sind, die dann direkt mit den Setz- bzw. Rück­ setzeingängen verbunden werden können.

Die Taktgeneratoren 16, 18 können auch im Ladegerät 10 bzw. in den Verbrauchern integriert sein. Die verschiedenen erforderlichen Taktfrequenzen können durch Frequenzteilung aus einer Grundtaktfrequenz gewonnen werden, wobei die Steuersignale vom Ladegerät 10 und von den Verbrauchern 12, 13 auf Steuereingänge zur Beeinflussung des Teilerverhältnisses einwirken können.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zähler 17 durch interne Register eines Mikrocomputers 25 ersetzt. Im übrigen sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile und Baugruppen wiederum mit denselben Bezugszeichen versehen und nicht nochmals beschrieben.

Die Erfassung des Entladestroms kann auch hier gemäß Fig. 1 erfolgen. Dem Mikroprozessor 25 wird jeweils eine der angeschlossenen Last proportionale Frequenz zugeführt, durch die der interne Zählerstand zur Simulation des Ladezustands der Batterie verändert wird.

Im Mikrocomputer 25 werden die Zählerstände von internen Registern beim Laden der Batterie entsprechend dem Ladestrom erhöht beziehungsweise bei der Entladung entsprechend verringert. Dies kann gemäß Fig. 1 durch Taktfrequenzen erfolgen, es ist jedoch auch möglich, periodisch durch das Programm des Mikrorechners 25 Zahlenwerte zu ermitteln, die dem Lade- beziehungsweise Entladestrom über eine gewisse Zeitperiode entsprechen. Diese Zahlenwerte werden dann dem Registerstand zuaddiert beziehungsweise von diesem abgezogen. Die so erhaltenen Registerzustände können dann wiederum über die Auswerteschaltung 20 wiedergegeben werden. In Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann eine Leuchtdiode 22 auch direkt von einem entsprechenden Steuerausgang des Mikrorechners 25 ein- und ausgeschaltet werden. Alternativ oder zusätzlich sind auch akustische Warnvorrichtungen möglich.

Entsprechende Mittel zur Simulation der Selbstentladung der Batterie sind selbstverständlich ebenfalls im Mikrorechner 25 enthalten, um dort die Registerzustände kontinuierlich beziehungsweise stufenweise zu verringern. Eine Abhängigkeit von der Batterietemperatur kann ebenfalls gemäß Fig. 1 vorgesehen werden. Auch eine Spannungsüberwachung kann analog zum ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein. Ein Überschreiten des höchsten und ein Unterschreiten des niedrigsten Registerzustands kann durch geeignete Programmierung des Mikrorechners 25 verhindert werden.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederauflad­ baren Batterie, mit einer elektronischen Zählvorrichtung, deren diesen Ladezustand wiedergebender Zählerstand beim Entladen der Batterie proportional in einer ersten Zählrichtung und beim Aufladen der Batterie in der entgegengesetzten Zählrichtung veränderbar ist, wobei während der Entladung der Batterie (11) in der ersten Zähl­ richtung Impulse oder Schwingungen einer Entlade-Zählfrequenz und während des Ladevorgangs in der anderen Zählrichtung Impulse oder Schwingungen einer Lade-Zählfrequenz gezählt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedem Verbraucher (12, 13) eine individuelle Ent­ lade-Zählfrequenz zugeordnet ist, wobei sich die gezählten Impulse oder Schwingungen bei mehreren gleichzeitig eingeschalteten Ver­ brauchern (12, 13) addieren.

2. Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederauflad­ baren Batterie, mit einer elektronischen Zählvorrichtung, deren diesen Ladezustand wiedergebender Zählerstand beim Entladen der Batterie proportional in einer ersten Zählrichtung und beim Aufladen der Batterie in der entgegengesetzten Zählrichtung veränderbar ist, wobei während der Entladung der Batterie (11) in der ersten Zähl­ richtung ein der Entladung proportionale Zahlenwerte und während des Ladevorgangs in der anderen Zählrichtung der Aufladung proportionale Zahlenwerte berechnender und diese Zahlenwerte dem Rechnerstand nach Betrag und Richtung zuaddierender Rechner vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Verbraucher (12, 13) ein Entlade-Zahlenwert zugeordnet ist, wobei sich die Zahlenwerte bei mehreren gleichzeitig eingeschalteten Verbrauchern (12, 13) addieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zählvorrichtung (17; 25) unabhängig voneinander arbeitende Zähl­ eingänge für den Abwärts- und Aufwärtszählvorgang aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß interne Register des Rechners (25) als Zählvorrichtung vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Berücksichtigung der Selbstentladung der Batterie (11) Mittel zur Erzeugung einer fortlaufend gezählten Selbstentlade-Zählfrequenz oder zur Erzeugung von zyklisch den Zählerstand verändernden Selbstentlade-Zahlenwerten vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstentlade-Zählfrequenz oder die gebildeten Selbstentlade-Zahlen­ werte temperaturabhängig sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem NTC-Widerstand (19) gesteuerter Taktgenerator (18) oder Zahlen­ wertgenerator vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei Zählerstände als Grenzwerte für einen maxi­ malen und einen minimalen Ladezustand der Batterie vorhanden sind, und daß Mittel (24) zur Verhinderung des Überschreitens des oberen und des Unterschreitens des unteren Zählerstands vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zählerstände der Zählerstand 0 und der maximale Zählerstand der Zählvorrichtung (17; 25) sind, und daß Zählimpulse oder zu addierende Zahlenwerte, die zu Werten außerhalb der beiden Grenzwerte führen würden, als Rücksetz- und Setzsignale auf jeweils dieser Zählerstände ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Zählerstand der Zählvorrichtung (17; 25) dem vollständig geladenen Zustand der Batterie (11) entspricht.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsüberwachungsvorrichtung (23) für die Batterie (11) vorgesehen ist, durch die beim Absinken der Batteriespannung unter einen vorgebbaren Wert die Zählvorrichtung auf den dem minimalen Ladezustand entsprechenden Zählerstand setzbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (22) zur Erzeugung eines optischen und/oder akustischen Warnsignals bei Erreichen eines einem vorgeb­ baren niedrigen Ladezustand entsprechenden Zählerstands vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (21) zur Wiedergabe des jeweiligen Zählerstands als Anzeigevorrichtung für den Ladezustand der Batterie (11) vorgesehen sind.