DE4132229C2 - Microcontroller-controlled device for analyzing the state of charge of a multi-line battery - Google Patents
Microcontroller-controlled device for analyzing the state of charge of a multi-line batteryInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine microcontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustandes einer aus mehreren Teilbatterien bestehenden Gesamtbatterie mit Schaltvorrichtungen zum Anschalten wenigstens einer Teilbatterie an wenigstens eine mit einem Diagnoseschaltkreis verbundenen Doppelleitung. The invention relates to a microcontroller-controlled device for Analysis of the state of charge of one of several sub-batteries existing total battery with switching devices for switching on at least one sub-battery to at least one with one Diagnostic circuit connected double line.
Bei der Ladung und Entladung von mehrzelligen, in Serie geschalteten Batterien weisen die Klemmenspannungen der einzelnen Zellen oder Teilbatterien infolge von unvermeidlichen unterschiedlichen konstruktiven, chemischen und elektrischen Parametern der einzelnen Zellen unterschiedliche Klemmenspannungen auf. Bei der Anwendung herkömmlicher Ladegeräte, die zur Steuerung des Ladevorganges nach bekannten Ladekennlinien (UI-, W- usw.) lediglich die Klemmenspannungen einer großen Zahl der in Reihe geschalteten Zellen heranziehen, kommt es daher im Laufe der Zeit zu einer unerkannten, zunehmend unterschiedlichen Aufladung der Zellen. Dies kann so weit gehen, daß einzelne Zellen umgepolt werden. Besonders problematisch sind hierbei hermetisch geschlossene Zellen, da diese zum Erhalt des Elektrolyten die genaue Einhaltung einer maximalen Ladespannung erfordern /14/.When charging and discharging multi-cell series connected Batteries have the terminal voltages of the individual cells or Sub-batteries due to inevitable different constructive, chemical and electrical parameters of each Cells have different terminal voltages. When using conventional chargers used to control the charging process known charging characteristics (UI, W, etc.) only the Terminal voltages of a large number of cells connected in series therefore, over time, an undetected, increasingly different charging of the cells. This can go so far go that individual cells are reversed. Particularly problematic are hermetically sealed cells because they are used to maintain the Electrolytes the exact observance of a maximum charging voltage require / 14 /.
Weiter ist es bei Ausfall einer Batterie schwierig und zeitaufwendig, die defekte Batterie aufzufinden. Ebenso ist eine Klärung der Ausfallursache nicht elementar möglich.Furthermore, if a battery fails, it is difficult and time-consuming to find the defective battery. There is also a clarification of the The cause of failure is not elementary.
Ein zusätzliches Problem tritt auf, wenn einzelne Zellen durch neue, mit eventuell im Verhältnis zu den verbliebenen Zellen stark abweichenden Parametern, ausgetauscht werden. Dieser Effekt tritt bekannterweise bei Pb-Gel-Zellen auf, deren Anfangskapazität nur etwa 70% des Endwertes beträgt, und die diese Endkapazität erst nach 20 bis 50 Zyklen erreichen. Diese Zellen können mit herkömmlichen Ladegeräten nicht angemessen geladen werden, so daß der Hersteller gezwungen ist, sogenannte vorzyklierte Zellen oder Teilbatterien bereitzustellen.An additional problem arises when individual cells are replaced by new, with possibly strong in relation to the remaining cells deviating parameters can be exchanged. This effect occurs known to occur in Pb gel cells whose initial capacity is only about 70% of the final value, and this final capacity only after 20 reach up to 50 cycles. These cells can be used with conventional Chargers are not adequately charged, so the manufacturer is forced to use so-called pre-cycled cells or partial batteries to provide.
Die Erfindung berührt zwei Problemkreise, nämlich die Messung, Diagnose oder Analyse von Batterien, insbesondere die Ermittlung der momentanen Kapazität und die gezielte Nachladung ausgewählter Zellen oder Teilbatterien.The invention addresses two problem areas, namely measurement, Diagnosing or analyzing batteries, especially determining the current capacity and the targeted reloading of selected cells or partial batteries.
Es sind eine Reihe von Verfahren bekannt, die aus dem Klemmenverhalten der gesamten Batterie auf den Ladezustand schließen /1/, /2/, /3/.There are a number of methods known from the Infer terminal behavior of the entire battery on the state of charge / 1 /, / 2 /, / 3 /.
In /4/ ist eine Anordnung beschrieben, die sich auf die Kapazitätsmessung einer aus in Reihe geschalteten Einzelelementen bestehenden Batterie bezieht. Dabei wird die gesamte Batterie mit einem Entladewiderstand belastet. Mittels eines Sequenzers werden dann zyklisch alle Elemente adressiert, und es werden die Klemmenspannungen aller Elemente nacheinander einem Komparator zugeführt. Außerdem wird die Entladezeit überwacht. Bei Unterschreitung eines Schwellwertes der Klemmenspannung eines Elements wird der zyklische Meßvorgang unterbrochen.In / 4 / an arrangement is described which relates to the Capacity measurement of a single element connected in series existing battery. The entire battery is included a discharge resistor. Using a sequencer then all elements are cyclically addressed and the Terminal voltages of all elements in succession to a comparator fed. The discharge time is also monitored. At Falling below a threshold value of the terminal voltage The cyclical measuring process is interrupted.
Bezugspotential für die Messung jeder Zellenspannung ist Massepotential, so daß die Genauigkeit bei diesem Verfahren mit steigender Elementeanzahl stark abnimmt. Weiterhin ist eine quantitative Angabe der Kapazität unmöglich - lediglich ein Schwellwert wird überwacht. Eine Nachladung einzelner Zellen während der Gesamtladung ist mit dieser Anordnung nicht möglich.Reference potential for the measurement of each cell voltage is Ground potential, so that the accuracy with this method with increasing number of elements decreases sharply. Furthermore, one It is impossible to quantify the capacity - just a threshold is being supervised. Reloading individual cells during the Total loading is not possible with this arrangement.
Bei der Schaltung nach /5/ wird der Verdrahtungsaufwand bei der Messung einer Vielzahl von Einzelelementen dadurch verringert, daß jede Zelle oder Gruppe von Zellen mit einer Meßschaltung verbunden ist, die über eine gemeinsame Steuerleitung und/oder Meßleitung ausgelöst wird, wobei diese Werte nacheinander über eine gemeinsame Meßleitung einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung zugeführt werden.When switching to / 5 /, the wiring effort for Measurement of a large number of individual elements reduced in that each cell or group of cells is connected to a measuring circuit is that over a common control line and / or measuring line is triggered, these values successively over a common Measuring line are fed to a common evaluation device.
Das in /6/ beschriebene Batterieladesystem enthält einen Mikroprozessor und einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung und Weiterverarbeitung der elektrischen Signale, um daraus Ausgangssignale zu gewinnen, die zur Ladungssteuerung und Anzeige verwendet werden können.The battery charging system described in / 6 / contains one Microprocessor and one or more sensors for recording and Processing the electrical signals to get out of it Gain output signals used for charge control and display can be used.
Die rechnergesteuerte Anordnung nach /7/ dient zum Laden einer Vielzahl von Batterien, die verschiedenen Typs sein können und elektrisch nicht in Reihe geschaltet sind. Es wird zunächst der Typ und die Anfangsladung jeder Batterie bestimmt, und es werden dann die Batterien nacheinander in umgekehrter Reihenfolge ihrer Anfangsladung geladen.The computer-controlled arrangement according to / 7 / is used to load one Variety of batteries that can be of different types and are not electrically connected in series. It will be the type first and determines the initial charge of each battery, and then it will the batteries one after the other in reverse order of their Initial charge loaded.
Die Anwendungen /8/ bis /13/ stellen zum Teil sehr aufwendige Lösungen dar, gehen aber sämtlich von der Klemmenspannung der Gesamtbatterie aus.The applications / 8 / to / 13 / are sometimes very complex Solutions are, but all go from the terminal voltage of the Total battery off.
In /15/ wird ein Ladeverfahren angegeben, das mit Hilfe eines Mikroprozessors die Ladung und Messung mehrerer Batterien gestattet./ 15 / specifies a charging procedure that can be carried out using a Microprocessor allows the charging and measurement of multiple batteries.
Ferner sind noch bekannt:Also known are:
- - Automatisch gesteuertes Mikroprozessor-Batterieprüfgerät BAT-CAT der Firma ANPICO. Dieses Gerät dient ausschließlich zur Batteriediagnose. Hierbei werden die Zellenspannungen über eine Vielzahl von Analogeingängen (Meßeinschüben) mit hoher Auflösung (12 Bit) eingelesen.- Automatically controlled microprocessor battery tester BAT-CAT ANPICO company. This device is only used for battery diagnosis. Here the cell voltages are measured over a variety of Analog inputs (plug-in modules) with high resolution (12 bit) read.
- - Batterielade und Controllsystem (BL + CS) der Firma "Hildebrand Industrie Electronic" in Dietlikon (CH). Bei diesem Gerät werden die einzelnen Zellen oder Teilbatterien über zweipolige Relais mit einem prozessorgesteuerten Meß- und Ladegerät verbunden, wobei je Zelle ein Relais vorhanden ist.- Battery charger and control system (BL + CS) from the company "Hildebrand Industrie Electronic "in Dietlikon (CH) individual cells or partial batteries via two-pole relays with one Processor-controlled measuring and charger connected, with each cell there is a relay.
Es ist auch ein Batterie-Scanningsystem bekannt (US-A-4 484 140) /17/, bei welchem jede Zelle oder Teilbatterie mit Hilfe einpoliger Relais an eine Doppelleitung geschaltet werden kann, welche direkt mit dem Eingang eines Isolationsverstärkers verbunden ist. Die Anzahl der Relais stimmt damit etwa mit der Anzahl von Teilbatterien überein und ist damit vergleichsweise sehr groß. Das bekannte System benötigt im übrigen einen Isolationsverstärker zur Überwindung des Gleichtaktanteils der Meßspannung. Ferner ist das bekannte System lediglich als "scanning system" zur Messung der Batterie-Teilspannungen ausgewiesen. Zusatzladung über das gleiche Relaisnetzwerk und die Doppelleitung ist nicht vorgesehen.A battery scanning system is also known (US-A-4,484,140) / 17 /, at which each cell or sub-battery to one with the help of single-pole relays Double line can be switched, which directly with the input an isolation amplifier is connected. The number of relays This corresponds approximately to the number of sub-batteries and is comparatively very large. The known system needs in remaining an isolation amplifier to overcome the Common mode component of the measuring voltage. Furthermore, the known system only as a "scanning system" for measuring the partial battery voltages expelled. Additional charge over the same Relay network and the double line is not provided.
Es ist schließlich auch ein System zur Steuerung und Diagnose des Ladezustandes von Batterien, insbesondere in Standby-Versorgungen, bekannt (GB 2 216 277 A) /16/, bei welchem eine solche Diagnose nur in Verbindung mit einer definierten Entladung der Batterie durchgeführt werden kann, die Batterie aber stets innerhalb des Standby-Systems verfügbar sein muß. Die Diagnose des Ladezustandes erfolgt hierbei auf der Basis des Batterieverhaltens bei einer gesteuerten Entladung, und es wird die Teilbatterie während der Messung aus dem Verbund der übrigen Batterien herausgeschaltet und durch einen geschalteten Kurzschluß ersetzt. Die Batteriediagnose ist deshalb mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.It is also a system for controlling and diagnosing the State of charge of batteries, especially in standby supplies, known (GB 2 216 277 A) / 16 /, in which such a diagnosis only in Connection with a defined discharge of the battery carried out battery, but the battery is always within the standby system must be available. The state of charge is diagnosed here on the basis of the battery behavior during a controlled discharge, and it becomes the sub-battery during the measurement from the composite the remaining batteries switched out and switched by a Short circuit replaced. The battery diagnosis is therefore considerable Difficulties connected.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Voraussetzungen für eine neuartige, kostengünstige Realisierung einer mikrocontroller gesteuerten Einrichtung der eingangs genannten Art mit folgenden Eigenschaften zu schaffen:The invention has for its object the requirements for a new, cost-effective implementation of a microcontroller controlled device of the type mentioned with the following To create properties:
- - Die Vermeidung der Überladung einzelner Zellen,- avoiding overloading individual cells,
- - die Vermeidung der Tiefentladung einzelner Zellen,- avoiding the deep discharge of individual cells,
- - die Zulassung nicht vorzyklierter Austauschbatterien,- the approval of non-pre-cycled replacement batteries,
- - die Optimierung des Gesamtladezustandes der Batterie,- the optimization of the overall state of charge of the battery,
- - die Möglichkeit einer Post-Mortem-Analyse zur Klärung der Ausfallursache,- the possibility of a post-mortem analysis to clarify the Cause of failure,
- - die Vorhersage eines in naher Zukunft zu erwartenden Ausfalls einer Zelle oder Teilbatterie.- the prediction of a failure to be expected in the near future Cell or sub-battery.
Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht.This is according to the invention by the characterizing features of Claim 1 reached.
Mit der Erfindung werden folgende technische Probleme auf besonders einfache Weise gelöst:With the invention, the following technical problems are particularly pointed out easily solved:
- -Die Messung aller Zellenspannungen mit einer Auflösung im 10 mV-Bereich bei gleichzeitig vorhandener sehr hoher Genauigkeit im 100 V-Bereich,-The measurement of all cell voltages with a resolution in 10 mV range with very high accuracy at the same time 100 V range,
- -die gezielte Nachladung einzelner Zellen oder Teilbatterien,- the targeted recharging of individual cells or partial batteries,
- -die Selektion einzelner Zellen oder Teilbatterien als Voraussetzung für die beiden oben genannten Optionen.-selection of individual cells or sub-batteries as a prerequisite for the two options above.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigenThe invention is based on the drawing on a Embodiment explained in more detail. Show in the drawing
Fig. 1 Schematisch den schaltungsmäßigen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 1 shows schematically the circuit moderate construction of a device according to the invention,
Fig. 2 eine genauere Darstellung der Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten der Schaltung nach Fig. 1 und Fig. 2 shows a more detailed representation of the interconnection of the individual components of the circuit according to Fig. 1 and
Fig. 3 ein spezielles Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung. Fig. 3 shows a special embodiment of the device according to the invention.
Die Einrichtung nach Fig. 1 enthält einen Microcontroller 7 mit binären Ein/Ausgängen und analogen Eingängen, ein erstes Selektionsnetzwerk 2, mit welchem alle zu betrachtenden Knotenpunkte der in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Teilbatterien einer Batterie 1 mit einem System von Doppelleitungen 3 schaltbar verbunden werden können. Jede der Leitungen des Systems von Doppelleitungen 3 ist mit je einem Eingang eines Überwachungsnetzwerkes 6 verbunden, dessen Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden ist. Das System von Doppelleitungen 3 ist ferner mit einem zweiten Selektionsnetzwerk 5 verbunden, in welchem eine der Doppelleitungen 3 mit einer Nachladeeinrichtung 4 schaltbar verbunden werden kann, und in welchem das System von Doppelleitungen mit einem zweiten Selektionsnetzwerk 5 zusammengeschaltet werden kann, das mindestens zwei Ausgangsleitungen besitzt, die mit den Eingängen einer aus mindestens einem RC-Glied 8 bestehenden Filtergruppe verbunden sind. In einem dritten Selektionsnetzwerk 9 kann eines der RC-Glieder 8 der Filtergruppe mit dem Eingang eines Spannungsmeßsystems 10 zusammengeschaltet sein, dessen Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden ist.The device according to FIG. 1 contains a microcontroller 7 with binary inputs / outputs and analog inputs, a first selection network 2 with which all nodes of the single cells or partial batteries of a battery 1 connected in series can be connected in a switchable manner to a system of double lines 3 . Each of the lines of the system of double lines 3 is connected to an input of a monitoring network 6 , the output of which is connected to an analog input of the microcontroller 7 . The system of double lines 3 is also connected to a second selection network 5 , in which one of the double lines 3 can be connected to a reloading device 4 , and in which the system of double lines can be connected to a second selection network 5 , which has at least two output lines , which are connected to the inputs of a filter group consisting of at least one RC element 8 . In a third selection network 9 , one of the RC elements 8 of the filter group can be connected to the input of a voltage measurement system 10 , the output of which is connected to an analog input of the microcontroller 7 .
Die Lade- und Entladeströme werden mittels einer Stromerfassung 11, die je einen Meßshunt für den Ladestrom und den Entlade-/Rekuperationsstrom enthält, einem Strommeßsystem 12 zugeführt, dessen Ausgänge mit den Analogeingängen des Microcontrollers verbunden sind. Die Meßshunts sind je mit einer Klemme mit dem Minuspol der Batterie 1 und einem gemeinsamen Meßeingang (Nullpunkt) der Meßeinrichtung 12 verbunden. Das Strommeßsystem 12 enthält für die Messung des Entladestromes einen invertierenden Operationsverstärker, dessen negative Versorgungsspannung mit dem Nullpunkt der Meßeingänge bzw. dem Minuspol der Batterie 1 verbunden ist und dessen beide Eingänge mit dem Shunt 11 galvanisch verbunden sind. Die Ausgänge beider Verstärker sind mit je einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden. The charging and discharging currents are fed to a current measuring system 12 , the outputs of which are connected to the analog inputs of the microcontroller, by means of a current detection 11 , each of which contains a measuring shunt for the charging current and the discharge / recuperation current. The measuring shunts are each connected with a terminal to the negative pole of battery 1 and a common measuring input (zero point) of measuring device 12 . The current measuring system 12 contains an inverting operational amplifier for measuring the discharge current, the negative supply voltage of which is connected to the zero point of the measuring inputs or the negative pole of the battery 1 and the two inputs of which are electrically connected to the shunt 11 . The outputs of both amplifiers are each connected to an analog input of the microcontroller 7 .
Eine Präzisierung der Art und Weise der Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten erfolgt anhand der Fig. 2. Die n zu messenden oder nachzuladenden Zellen oder Teilbatterien 1.1 bis 1.n können mit Hilfe eines aus m untereinander gleichartigen, mehrpoligen Relais 2.1 bis 2.m mit geradzahliger Anzahl I von Arbeitskontakten bestehenden ersten Selektionsnetzwerkes 2 dergestalt mit einem in seiner Anzahl mit der Kontaktanzahl der Relais 2 übereinstimmenden System von Doppelleitungen 3.1 bis 3.L schaltbar verbunden werden, daß je eine Doppelleitung 3 einem Bereich aufeinanderfolgender Zellen oder Teilbatterien zugeordnet ist, wobei aufeinanderfolgende Batterieknotenpunkte von in ihren Ordnungsnummern aufeinanderfolgenden Relais 2 abwechselnd mit je einer der beiden Leitungen der dem jeweiligen Batteriebereich zugeordneten Doppelleitungen zusammengeschaltet werden können.The manner in which the individual components are interconnected is specified with reference to FIG. 2. The n cells or sub-batteries 1.1 to 1. to be measured or to be recharged . N can be evenly numbered with the aid of a multi-pole relay 2.1 to 2 . Number I of working contacts existing first selection network 2 can be switched in such a way that a system of double lines 3.1 to 3. L, which corresponds in number to the number of contacts of the relays 2 , is switched so that one double line 3 is assigned to a region of successive cells or partial batteries, with successive battery nodes of relays 2 which follow one another in their order numbers can be interconnected alternately with one of the two lines of the double lines assigned to the respective battery area.
Die Potentiale aller Doppelleitungen 3 werden in einer aus einem Diodennetzwerk mit gemeinsamer Kathode und einem Spannungsteiler bestehenden Überwachungsnetzwerk 6 zu einem Leitungszustandssignal verdichtet, mit dessen Hilfe der Microcontroller das höchste Potential innerhalb sämtlicher Leitungen der Doppelleitungen 3 erkennen und verarbeiten kann.The potentials of all double lines 3 are compressed in a monitoring network 6 consisting of a diode network with a common cathode and a voltage divider to form a line status signal, with the aid of which the microcontroller can recognize and process the highest potential within all lines of the double lines 3 .
Im zweiten Selektionsnetzwerk 5 kann jeweils eine der Doppelleitungen 3 mit einer potentialfreien Energiequelle zur Nachladung derart schaltbar verbunden werden, daß die mit Hilfe zweier benachbarter Relais 2 angesprochene Zelle oder Teilbatterie 1.x polrichtig mit der Nachladeeinrichtung 4 verbunden ist. Die Energieversorgung für die Nachladeeinrichtung 4 kann aus einer externen Quelle oder vorzugsweise mit Hilfe eines DC-DC-Wandlers mit Potentialtrennung aus der Batterie 1 erfolgen.In the second selection network 5 , one of the double lines 3 can be connected to a potential-free energy source for recharging in such a way that the cell or sub-battery 1 x addressed with the aid of two adjacent relays 2 is connected to the recharging device 4 with the correct polarity. The energy supply for the recharging device 4 can come from an external source or preferably with the aid of a DC-DC converter with potential isolation from the battery 1 .
Das zweite Selektionsnetzwerk 5 ist außerdem mit einer aus mindestens einem und höchstens aus einer der Anzahl der Doppelleitungen 3 entsprechenden Anzahl von RC-Gliedern 8 verbunden, so daß jeweils mindestens ein Kondensator mit mindestens einer der im zweiten Selektionsnetzwerk 5 ausgewählten Doppelleitungen zusammengeschaltet werden kann. In einem Selektionsnetzwerk 9 wird jeweils einer der Kondensatoren ausgewählt und einem für die Verarbeitung von Eingangsspannungen beider Polarität ausgestatteten Meßsystem 10 zugeführt, in welchem eine im Selektionsnetzwerk 9 ausgewählte Kondensatorspannung für die Messung durch den Mikrorechner aufbereitet wird.The second selection network 5 is also connected to a number of RC elements 8 corresponding to at least one and at most one of the number of double lines 3 , so that at least one capacitor can be connected to at least one of the double lines selected in the second selection network 5 . In a selection network 9 , one of the capacitors is selected and fed to a measuring system 10 equipped for processing input voltages of both polarities, in which a capacitor voltage selected in the selection network 9 is processed for measurement by the microcomputer.
Bei Anwendung der beschriebenen Anordnung beträgt die Anzahl der notwendigen Relais im ersten Selektionsnetzwerk lediglich n DIVK + 1 (wobei DIV der Divisionsoperator für eine ganzzahlige Division ist), wenn n die Zellen- oder Teilbatterieanzahl ist und K die Kontaktzahl der Relais 2 angibt. Weiterhin werden die gleichen Relais 2 sowohl für die Messung als auch für die Nachladung verwendet.When using the described arrangement, the number of relays required in the first selection network is only n DIVK + 1 (where DIV is the division operator for an integer division), if n is the number of cells or sub-batteries and K indicates the number of contacts of relay 2 . Furthermore, the same relays 2 are used both for measurement and for recharging.
In Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung eines speziellen Ausführungsbeispiels dargestellt, das für die Analyse und die Nachladung von maximal 40 Zellen oder Teilbatterien vorgesehen ist. Wenn k Eingangsklemmen des aus Relais mit je vier Arbeitskontakten bestehenden Selektionsnetzwerkes 2 in der dargestellten Weise fortlaufend durchnummeriert werden und n die Anzahl der tatsächlich vorhandenen Zellen oder Teilbatterien angibt, so ist die Anschlußzuordnung zwischen der i-ten Minuspolklemme einer Zelle oder Teilbatterie und der j-ten Eingangsklemme des ersten Selektionsnetzwerkes 2 durch die BeziehungIn Fig. 3, the circuit arrangement is illustrated of a specific embodiment which is provided for the analysis and the recharging of a maximum of 40 cells or sub-batteries. If k input terminals of the selection network 2 consisting of relays with four work contacts each are numbered consecutively in the manner shown and n indicates the number of cells or sub-batteries actually present, then the connection assignment between the i-th negative pole terminal of a cell or sub-battery and the j- th input terminal of the first selection network 2 by the relationship
i = 1 + (((j-1)MOD4) * d) + ((j-1)DIV4) (1)i = 1 + (((j-1) MOD4) * d) + ((j-1) DIV4) (1)
gegeben, wobei für d gilt:given, where for d applies:
d = (n + 3)DIV4 (2)d = (n + 3) DIV4 (2)
Dabei ist MOD der Modulo-Operator, der den ganzzahligen Rest bei der Division zweier ganzer Zahlen ergibt.MOD is the modulo operator, which adds the integer remainder dividing two integers.
Die Anzahl der mindestens benötigten Relais beträgt d + 1. Der Batterieklemmenindex i = n + 1 gehört zur negativen Klemme der nicht vorhandenen n+ersten Zelle oder Teilbatterie und bezeichnet die positive Klemme der n-ten Zelle oder Teilbatterie. The minimum number of relays required is d + 1. The battery terminal index i = n + 1 belongs to the negative terminal of the nonexistent n + first cell or sub-battery and denotes the positive terminal of the nth cell or sub-battery.
Das zweite Selektionsnetzwerk 5 besteht aus zwei vierpoligen Relais 5.1 und 5.2, die so geschaltet sind, daß aus den vier Doppelleitungen 3.1 bis 3.4 zwei ausgewählt werden können. Die Relais 5.3 bis 5.5 gestatten die polrichtige Anschaltung der Nachladeeinrichtung 4 an eine der mit den Relais 5.1 oder 5.2 ausgewählten Doppelleitungen.The second selection network 5 consists of two four-pole relays 5.1 and 5.2 , which are switched so that two can be selected from the four double lines 3.1 to 3.4 . The relays 5.3 to 5.5 allow the correct connection of the recharging device 4 to one of the double lines selected with the relays 5.1 or 5.2 .
Die Filterbaugruppe 8 enthält für jede dieser zwei Doppelleitungen ein RC-Filter mit untereinander gleichen Widerständen 8.1 und den Kondensatoren 8.2. Das dritte Selektionsnetzwerk 9 besteht lediglich aus einem Relais mit zwei Wechselkontakten. Das Spannungsmeßsystem 10 enthält zwei gleiche Strombegrenzungswiderstände 13, vier Begrenzungsdioden 15 mit kleinem Leckstrom, zwei Symmetrierwiderstände 14, einen Filterkondensator 19, einen Operationsverstärker 18, einen Rückkopplungswiderstand 16 und einen Erdungs-Widerstand 17. Einer der in Reihe geschalteten Symmetrierwiderstände 14 ist mit einer für die Funktion des ADC erforderlichen, hier jedoch nicht näher betrachteten Referenzspannung Uref verbunden, und es ist die Ausgangsspannung Uc mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden.The filter module 8 contains an RC filter with mutually identical resistors 8.1 and the capacitors 8.2 for each of these two double lines. The third selection network 9 consists only of a relay with two changeover contacts. The voltage measuring system 10 contains two identical current limiting resistors 13 , four limiting diodes 15 with a small leakage current, two balancing resistors 14 , a filter capacitor 19 , an operational amplifier 18 , a feedback resistor 16 and a ground resistor 17 . One of the balancing resistors 14 connected in series is connected to a reference voltage Uref required for the function of the ADC, but not considered here in detail, and the output voltage Uc is connected to an analog input of the microcontroller 7 .
Die Gesamtfunktion der Einrichtung kann entsprechend der weiter oben angegebenen Zielstellung in die folgenden Komponenten gegliedert werden:The overall function of the facility can be according to the above specified objective divided into the following components become:
- 1. Zyklisch fortwährende Analyse des Ladezustandes der einzelnen Zellen oder Teilbatterien, 1. Cyclical continuous analysis of the state of charge of the individual Cells or sub-batteries,
- 2. bedarfsgerechtes Nachladen einzelner Zellen oder Teilbatterien,2. need-based recharging of individual cells or partial batteries,
- 3. Schutz- und Überwachungsfunktionen mit Strommessung,3. Protection and monitoring functions with current measurement,
- 4. Bedienung und Anzeige/Ausgabe von wählbaren Analyseergebnissen.4. Operation and display / output of selectable analysis results.
Für die vorliegende Erfindung sind dabei zwei Grundoperationen von besonderem Interesse. Diese werden im folgenden beschrieben:For the present invention there are two basic operations of of special interest. These are described below:
- - Messung der Klemmenspannung der selektierten Zelle oder Teilbatterie,- measurement of the terminal voltage of the selected cell or partial battery,
- - Nachladung einer ausgewählten Zelle.- Reloading a selected cell.
Voraussetzung für beide Operationen ist die beschriebene Einrichtung zur Selektion einer Zelle oder Teilbatterie. The described setup is a prerequisite for both operations for the selection of a cell or partial battery.
Zunächst sind alle Relais entregt. Dann wird Relais 9 durch den Microcontroller so angesteuert, daß der für die anschließende Spannungsmessung nicht interessierende Kondensator 8.2 mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbunden ist. Danach werden zwei benachbarte Relais 21.2(i+1) und eines der Relais 5.1 bis 5.2 so vom Microcontroller angesteuert, daß der nicht mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbundene Kondensator 8.2 mit der zu messenden Zelle oder Teilbatterie verbunden ist. Dieser aktuelle Meßkondensator lädt sich über die Strombegrenzungswiderstände 8.1 auf den Wert der zu messenden Klemmenspannung unverfälscht auf, da er nicht über die Eingangswiderstände 13 mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbunden ist. Somit kann beim anschließenden - technisch real nicht zeitsynchronen - Öffnen der Kontakte des Relais 5.1 oder 5.2 auch kurzzeitig kein einer möglichen, relativ hohen Gleichtaktspannung entsprechender Fehlerstrom über die Widerstände 13 zu einer Ladungsverschiebung im aktuellen Meßkondensator 8.2 führen.First, all relays are de-energized. Then relay 9 is controlled by the microcontroller in such a way that capacitor 8.2 which is not of interest for the subsequent voltage measurement is connected to the input of measuring system 10 . Then two adjacent relays 21.2 (i + 1) and one of the relays 5.1 to 5.2 are controlled by the microcontroller so that the capacitor 8.2 not connected to the input of the measuring system 10 is connected to the cell or sub-battery to be measured. This current measuring capacitor charges itself unadulterated via the current limiting resistors 8.1 to the value of the terminal voltage to be measured, since it is not connected to the input of the measuring system 10 via the input resistors 13 . Thus, when the contacts of the relay 5.1 or 5.2 are subsequently opened, which is technically not time-synchronous for a short time, no fault current corresponding to a possible, relatively high common mode voltage via the resistors 13 can lead to a charge shift in the current measuring capacitor 8.2 .
Nach dem controllergesteuerten Öffnen der Kontakte von Relais 5.1 oder 5.2 wird Relais 9 umgeschaltet, so daß der aktuelle Meßkondensator mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbunden ist und nach Ablauf einer durch die Zeitkonstante R14/2-C19 der Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Operations verstärkers 19 und einer, möglicherweise infolge hoher Gleichtaktspannung an den Widerständen 13 unmittelbar zuvor verursachten Übersteuerung des Operationsverstärkers bestimmten Übergangszeit am Ausgang Uc eine der zu messenden Zellen- oder Teilbatteriespannung entsprechende Ausgangsspannung zum Einlesen durch den Microcontroller zur Verfügung steht.After the controller-controlled opening of the contacts of relay 5.1 or 5.2 relay 9 is switched so that the current measuring capacitor is connected to the input of the measuring system 10 and after a time constant R14 / 2-C19 the rate of rise of the output voltage of the operational amplifier 19 and a transition time determined at the output Uc, possibly due to a high common mode voltage across the resistors 13, causing the operational amplifier to overdrive, an output voltage corresponding to the cell or sub-battery voltage to be measured is available for reading by the microcontroller.
Zunächst sind alle Relais entregt. Dann wird mit den Relais 2, 5.1 oder 5.2 und dem Relais 5.3 ein solcher Strompfad geschaffen, daß die Wechselkontakte von Relais 5.3 mit der nachzuladenden Zelle oder Teilbatterie verbunden sind. Bis zu diesem Zeitpunkt schalten alle Relais im stromlosen Zustand. Dann wird entsprechend der Polarität Relais 5.4 oder 5.5 zugeschaltet, wodurch der Ausgang der Nachladeeinrichtung 4 mit der adressierten Zelle oder Teilbatterie verbunden ist. Wenn die Strom- oder Spannungsquelle der Nachladeein richtung 4 nicht vom Microcontroller auftastbar ist, so schaltet Relais 5.4 bzw. 5.5 den Ladestrom ein, bei elektronischer Auftastung der Nachladeeinrichtung schaltet Relais 5.4 bzw. 5.5 stets lastfrei. Die Abschaltung des Ladestromes erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, so daß in jedem Falle nur Relais 5.4 oder 5.5 unter Last schaltet.First, all relays are de-energized. Then such a current path is created with the relays 2 , 5.1 or 5.2 and the relay 5.3 that the changeover contacts of relay 5.3 are connected to the cell or sub-battery to be recharged. Up to this point, all relays switch in the de-energized state. Relay 5.4 or 5.5 is then switched on in accordance with the polarity, as a result of which the output of the recharging device 4 is connected to the addressed cell or partial battery. If the current or voltage source of the recharging device 4 is not palpable by the microcontroller, relay 5.4 or 5.5 switches on the charging current, and when the recharging device is electronically sensed, relays 5.4 and 5.5 always switch off. The charging current is switched off in the reverse order, so that in any case only relays 5.4 or 5.5 switch under load.
Um sicherzustellen, daß es bei dem relativ komplizierten Ablauf und der Vielzahl von beteiligten Relaiskontakten zu keiner Havarie und insbesondere zu keinen Kurzschlußschaltungen kommen kann, wird erfindungsgemäß so vorgegangen, daß sämtliche Leitungen der Doppelleitungen 3 in einer Überwachungsbaugruppe 7 zu einem Analogwert verdichtet werden, der vom Microcontroller gelesen werden kann. Das Bezugspotential des Microcontrollers (Groundpotential für Analogmessung) für diese Messung ist der Minuspol der Batterie. In dieser Baugruppe wird jede der Doppelleitungen mit je einer Anode einer hochsperrenden Diode verbunden, deren Kathoden parallel geschaltet und mit dem Eingang eines Spannungsteilers verbunden sind, an dessem Ausgang die als Analogwert UO vorliegende Leitungs zustandsinformation vom Microcontroller eingelesen werden kann. Mit dieser Anordnung ist jeweils das höchste positive Potential auf den Doppelleitungen 3 erfaßbar. Die Überwachungsbaugruppe kann auch aus einem Widerstandsnetzwerk bestehen, wodurch bei Verwendung von Präzisionswiderständen ein Leitungszustandssignal mit höherem Informationsgehalt bereit steht.In order to ensure that it can at the relatively complicated process and the plurality of participating relay contacts with no accident and in particular no short-circuits occur, according to the invention the procedure is such that all the lines of the double lines are compressed 3 in a monitoring assembly 7 to an analog value by the Microcontroller can be read. The reference potential of the microcontroller (ground potential for analog measurement) for this measurement is the negative pole of the battery. In this assembly, each of the double lines is connected to an anode of a high-blocking diode, the cathodes of which are connected in parallel and connected to the input of a voltage divider, at whose output the line status information available as analog value UO can be read by the microcontroller. With this arrangement, the highest positive potential can be detected on the double lines 3 . The monitoring module can also consist of a resistance network, whereby a line status signal with a higher information content is available when using precision resistors.
Vor jedem Zuschalten eines beliebigen Relais der Baugruppe 3 kann somit vom Microcontroller geprüft werden, ob die Spannungspegel auf den Leitungen den Erwartungen entsprechen, so daß bei Abweichungen eine Information über das vermutlich defekte Relais ausgegeben werden kann. Before each relay of module 3 is switched on , the microcontroller can thus check whether the voltage levels on the lines correspond to expectations, so that information about the presumably defective relay can be output in the event of deviations.
Wird der Shunt 11 vom Entlade- oder Rekuperationsstrom durchflossen, so entsteht an seiner mit dem Meßeingang verbundenen Klemme gegenüber dem Minuspol der Batterie bzw. dem Nullpunkt des Strom meßsystems 12 eine je nach Stromrichtung gepolte Spannung. Je einer der mit dem Shunt verbundenen Operationsverstärker wird dadurch entweder übersteuert oder liefert an seinem Ausgang eine dem Strom proportionale Spannung. Da beide Verstärkerausgänge IB und IF dem Microcontroller 7 zugeführt werden, kann dieser erkennen, in welcher Richtung der Strom fließt und welche Größe er hat.If the shunt 11 is discharged by the discharge or recuperation current, a voltage which is polarized depending on the current direction arises at its terminal connected to the measuring input opposite the negative pole of the battery or the zero point of the current measuring system 12 . One of the operational amplifiers connected to the shunt is either overloaded or supplies a voltage proportional to the current at its output. Since both amplifier outputs IB and IF are fed to the microcontroller 7 , the latter can recognize the direction in which the current flows and what size it is.
Claims (6)
ein System von mehreren Doppelleitung (3.1-3.L) entsprechend einem Bruchteil der Gesamtzahl der Batteriezellen oder Teilbatterien (1.1-1.n) der Gesamtbatterie vorgesehen ist,
daß als Schaltvorrichtungen mehrpolige Relais (2.1-2.m) mit der Anzahl an Doppelleitungen entsprechender Anzahl an Schaltkontakten vorgesehen sind, von denen jeder an eine Leitung einer eigenen Doppelleitung (3.1-3.L) angeschlossen ist,
daß die Schaltkontakte aller mehrpoligen Relais (2.1-2.m) einerseits mit den Knotenpunkten der Batteriezellen oder Teilbatterien und andererseits mit den Doppelleitungen so verbunden sind, daß in der Reihenschaltung der Batteriezellen oder Teilbatterien benachbarte Knotenpunkte abwechselnd an die eine und die andere Leitung der eigenen Doppelleitung angeschlossen sind,
daß jede Doppelleitung an ein aus wenigstens einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes RC-Filter angeschlossen ist oder anschaltbar ist, dessen Kondensator über zweipoliges Schaltglied an den Eingang einer Spannungsmeßeinrichtung (10) schaltbar ist, nachdem zuvor die über zwei der mehrpoligen Relais (2.1-2.m) an das RC-Filter angeschalteten, der zu messenden Batteriezelle oder Teilbatterie zugehörigen Knotenpunkte wieder von dem RC-Filter abgeschaltet worden sind. 1. Microcontroller-controlled device for analyzing the state of charge of a total battery consisting of several partial batteries with switching devices for switching on at least one partial battery to at least one double line connected to a diagnostic circuit, characterized in that
a system of several double lines ( 3.1-3. L) corresponding to a fraction of the total number of battery cells or partial batteries ( 1.1-1. n) of the total battery is provided,
that multi-pole relays ( 2.1-2. m) with the number of double lines corresponding number of switching contacts are provided as switching devices, each of which is connected to a line of its own double line ( 3.1-3. L),
that the switching contacts of all multi-pole relays ( 2.1-2. m) are connected on the one hand to the nodes of the battery cells or sub-batteries and on the other hand to the double lines so that adjacent nodes in the series connection of the battery cells or sub-batteries alternately to one and the other line of their own Double line are connected,
that each double line is connected to or can be connected to an RC filter consisting of at least one resistor and a capacitor, the capacitor of which can be switched via a two-pole switching element to the input of a voltage measuring device ( 10 ) after the two of the multi-pole relays ( 2.1-2 . m) is switched to the RC filter, the corresponding battery cell to be measured or part of battery nodes have been switched off again by the RC filter.
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