DE4316471C2 - Handscheinwerfer und Verfahren zur Bestimmung des Lade- und Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie eines Handscheinwerfers - Google Patents

Handscheinwerfer und Verfahren zur Bestimmung des Lade- und Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie eines Handscheinwerfers

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Handscheinwerfer mit einer Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes einer wiederaufladbaren Nickel-Cadmium-Batterie sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Lade- und Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie eines Handscheinwerfers entsprechend den Patentansprüchen 1 und 2.
In der DE-OS 41 12 987 wird der Ladezustand einer wiederaufladbaren Batterie, insbesondere eines Nickel- Cadmium-Akkumulators, mit einer elektronischen Zählvorrichtung erfaßt, deren Zählerstand beim Laden hochgezählt und beim Entladen heruntergezählt wird. Der Ladezustand der Batterie ist der Zustand, der momentan im Nickel-Cadmium-Akkumulator vorhandenen, tatsächlich gespeicherten Ladungsmenge. Diese Druckschrift beschäftigt sich ausschließlich mit der Bestimmung des Ladezustandes einer wiederaufladbaren Batterie, nicht dagegen mit der Regelung der Versorgungsleistung der Glühlampe eines Handscheinwerfers. Bei der Bestimmung des Ladezustandes der wiederaufladbaren Batterie geht die bekannte Vorrichtung von einer konstanten Kapazität der Batterie aus.
Die US-PS 5 200 689 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der alterungsabhängigen Kapazität einer Batterie mit Hilfe eines rechnerischen Verfahrens, welches nicht die beanspruchten Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Justierzyklus aufweist. Die Kombination eines Verfahrens zur Bestimmung der Restkapazität einer Batterie mit der beanspruchten Überwachung der jeweils zugeführten bzw. entnommenen Ladungsmenge ist nicht Gegenstand dieser älteren Druckschrift.
Gewöhnlich wird der Ladezustand eines Akkumulators durch die Messung seiner Klemmenspannung überwacht. Ein Nachteil der Bestimmung des Ladezustandes eines Nickel-Cadmium-Ak­ kumulators durch Spannungsmessung besteht durch die Ungenauigkeit dieser Meßmethode aufgrund sehr niedriger Absolutwerte der Änderungen der Klemmenspannung (Entladekurve) des Akkumulators. Die Kapazität wird bestimmt über Meßwerte jenseits dieses flachen Kurvenverlaufs der Entladekurve.
Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist ferner, daß aufgrund von Alterung und unterschiedlichen Lade- /Entladezyklen Abweichungen der Kapazität des Nickel- Cadmium-Akkumulators von der Nennkapazität auftreten. Ist die Kapazität des Nickel-Cadmium-Akkumulators kleiner als die Nennkapazität, so wird nicht die tatsächlich verfügbare Ladungsmenge durch die Zählvorrichtung angezeigt, sondern ein Ladezustand vorgetäuscht, der auf den Wert der Nennkapazität bezogen ist. Eine Eichung der Meßeinrichtung ändert nichts an der angezeigten Ladungsmenge hinsichtlich der Kapazität des Akkumulators. Wird der Nickel-Cadmium-Ak­ kumulator in Geräten eingesetzt, bei denen die tatsächlich verfügbare Ladungsmenge wichtig ist, zum Beispiel einer Leuchte für Feuerwehranwendungen oder Notstromanwendungen, so ist die Überwachung der Kapazität neben der des Ladezustandes des Nickel-Cadmium-Akkumulators erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu erarbeiten, die die tatsächlich verfügbare Ladungsmenge eines Akkumulators erfassen und anzeigen und die optimale Nutzung der verfügbaren Ladungsmenge ermöglichen.
Im folgenden ist die Kapazität eines Akkumulators das momentane, alterungsabhängige Ladungsspeichervermögen oder Ladungsfasssungsvermögen des Akkumulators. Die Kapazität eines Akkumulators ist der maximale Ladezustand des Akkumulators zu jeder Zeit. Sowohl die Kapazität als auch der Ladezustand des Akkumulators werden hinsichtlich des gleichen Nullpunktes der entnehmbaren Ladungsmenge des Akkumulators beurteilt. Dabei wird von einer Nulladung des Akkumulators ausgegangen. Der Nullpunkt wird durch einen Schwellwert einer Meßgröße, meist der Klemmenspannung, die der Entladeschlußspannung für die Tiefentladung des Nickel- Cadmium-Akkumulators entspricht, festgelegt.
Nennkapazität ist die Kapazität eines Akkumulators, die für den Akkumulator vom Hersteller angegeben wird. Sie entspricht der Mindestkapazität der Akkumulatoren eines neu gefertigen Loses von Akkumulatoren der gleichen Bauart.
Der Meßbetrieb eines Akkumulators weist ein oder mehr Justierzyklen und ein oder mehr Arbeitszyklen auf. Ein Justierzyklus dient sowohl der Ingangsetzung der Vorrichtung als auch der Korrektur des laufenden Meßbetriebs. Ein Arbeitszyklus dient dem Zweck der Energieentnahme aus der wiederaufladbaren Batterie. Parasitäre Energieentnahme aus dem Akkumulator, zum Beispiel durch Selbstentladung des Akkumulators, tritt während des Meßbetriebs begleitend auf.
Vorteile der Erfindung
Durch die erfindungsgemäße Lösung werden gefährliche Situationen vermieden, weil der unter Berücksichtigung der Kapazität ermittelte Ladezustand einer wiederaufladbaren Batterie den tatsächlichen Werten entspricht.
Über die gesamte Lebensdauer wird die wiederaufladbare Batterie zu jedem Zeitpunkt des Meßbetriebs zuverlässig einsetzbar. Das Ende der Lebensdauer der Batterie wird voraussehbar.
Die Selbstentladung des Akkumulators wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Akkumulators berücksichtigt. Beim Aufladen wird der Ladezustand auf die gemessene Kapazität des Akkumulators begrenzt. Eine Alterung des Akkumulators wird somit vom Anwender erkannt, der diesen rechtzeitig austauscht.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Vorrichtung und des Verfahrens möglich.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt.
Fig. 1 zeigt ein elektrisches Netzwerk zur Bestimmung des Ladezustandes eines Nickel-Cadmium-Akkumulators,
Fig. 2 zeigt eine Entladekurve eines Nickel-Cadmium-Akkumulators,
Fig. 3 zeigt ein Schaubild einer Folge von Kapazitätswerten eines Nickel-Cadmium-Akkumulators.
Ausführungsbeispiel
Fig. 1 zeigt eine elektronische Schaltung mit einem Nickel-Cadmium-Akkumulator 11, einem Mikroprozessor 12, einem Verbraucher 14, einem Feldeffekttransistor 15 als Transistor-Schalt­ element und einem Referenzwiderstand 13 mit Meßleitungen 16 und 17. Ferner ist ein Temperatursensor T vorhanden, der mit dem Mikropro­ zessor 12 verbunden ist.
Fig. 2 zeigt die Entladekurve eines Nickel-Cadmium-Akkumulators mit Klemmenspannung U, Einsatzspannung UE, Entladeschlußspannung US und Nennspannung UN. Der Justier- und der Arbeitszyklus werden auf ein Spannungsintervall zwischen UE und US festgelegt. Der Ent­ ladeschlußspannung entspricht eine Entladeschlußkapazität KS bei 100 Kapazitätsanteilen K des Akkumulators. Die Einsatzspannung UE muß nicht die Maximalspannung sein, wenn zum Beispiel ein Hand­ scheinwerfer mit einer Regelschaltung betrieben wird.
Fig. 3 zeigt eine Folge von gemessenen Kapazitäten Qi zu ver­ schiedenen Zeitpunkten ti anhand ausgezogener Striche, beginnend mit der ersten Kapazität Q₁ fuhr das Folgeglied i = 1 bis zur n-ten Kapazität Qn, bei der die Lebensdauer des Akkumulators endet. Weiter zeigt Fig. 3 gestrichelt dargestellte Strecken für eine Folge von Sollwerten Si der Kapazität und gepunktet gezeichnete Strecken konstanter Lange, die Glättwerte Gi. QN ist die Nenn­ kapazität der Baureihe des Akkumulators, i ist der fortlaufende Folgegliedindex und QS < QN die Entladeschwellkapazität fuhr den Akkumulator.
Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung im Justierzyklus J wird der Akkumulator bis zur Entladeschlußspannung US entladen. Es folgt eine 14 Stunden andauernde vollständige Aufladung des Akkumulators mit einem Ladestrom I₁₀ = QN/10 h, wie dies in dem DE-Buch der VARTA Aktiengesellschaft, Gasdichte Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Verein Deutscher Ingenieure, Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Düsseldorf, 2. Auflage 1988, Seite 65 unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Aufladung beschrieben ist. Bei der folgenden Entladung bis zur Entladeschlußspannung US wird der Entladestrom I(t) und das Entladezeitintervall gemessen. Die Kapazität errechnet sich durch Integration des zeitabhängigen Entladestroms I(t) fuhr das Entladezeitintervall vom Entladebeginn bis zum Entladeschluß. Die Zahlvorrichtung berechnet durch numerische Naherung dieses Integral, beispielsweise durch ein Programm eines Mikroprozessors, und speichert die errechnete Kapazität Q₁ im Register des Mikropro­ zessors als S₁-Wert.
Zur Inbetriebnahme in einem ersten Arbeitszyklus A nach dem Justier­ zyklus J wird der Akkumulator vierzehn Stunden bei für jede Auf­ ladung nahezu gleichbleibender Umgebungstemperatur mit I₁₀ voll­ geladen und anschließend während des Betriebes entladen. Bei der Entladung können Entladepausen und Schwankungen der Umgebungstemperatur auftreten zum Beispiel bei der Verwendung einer Handlampe mit einem Akkumulator im Außendienst. Die Kapazität Q₂ wird bestimmt durch Integration wie im vorangehenden Abschnitt beschrieben. Ist Q₂ < Q₁ = S₁ so wird ein konstanter Glättwert G₂ zu Q₁ hinzugefügt: S₂ = Q₁ + G₂, ist Q₁ = Q₂ geschieht nichts S₂ = Q₁ und ist Q₂ < Q₁ so wird ein konstanter Glättwert G₂ von Q₁ abgezogen: S₂ = Q₁ - G₂ = S₁ - G₂ und S₂ gespeichert.
Im folgenden Justierzyklus dient S₂ zum Vergleich mit dem dann gemessenen Q₃; allgemein wird Si-1 mit Qi verglichen fuhr weitere Zyklen. Zwischen den Justierzyklen liegen Arbeitszyklen, wobei die Lade- und Entladeströme als Integral der Strom-Zeit-Funktion im Ladezustand erfaßt werden:
Ll+1 = Ll ± I · Δ t. Dabei ist L der Ladezustand, l die Zähl­ variable und das Pluszeichen steht fuhr Laden, das Minuszeichen fuhr Entladen. I ist der im Zeitintervall gemessene Lade- oder Entlade­ strom in Bezug auf den Akkumulator. Der Wert Ll wird immer auf den Wert Si begrenzt das heißt, Ll Si.
Es sind auch andere Reihenfolgen der Arbeits- und Justierzyklen denkbar. Ferner ist es möglich, auch einen Arbeitszyklus als Justierzyklus zu nutzen, wenn beispielsweise bestimmte Parameter einen voraussehbaren Einfluß auf den Ladezustand oder die Kapazität der wiederaufladbaren Batterie ausüben. Der Mikroprozessor bleibt auch bei Leerlauf, d. h. ohne Belastung, an der Versorgungsspannung der Vorrichtung und führt Überwachungsinstruktionen, zum Beispiel die Kontrolle der Klemmenspannung beim Aufladen des Akkumulators aus. Selbstverständlich kann an die Stelle eines Nickel-Cadmium-Akkumulators auch ein anderer Batterietyp treten, zum Beispiel ein Bleiakkumulator. Die Einflüsse der Temperatur und der Selbstentladung werden in konstanten Zeitintervallen erfaßt und bei der Berechnung des Ladezustandes berücksichtigt.

Claims (13)

1. Handscheinwerfer mit einer Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederaufladbaren Nickel-Cadmium-Batterie (11), mit einem µ-Prozessor (12) als elektronische Zähl- und Steuervorrichtung, dessen Zählerstand entsprechend dem Lade- und Entladestrom der Batterie (11) veränderbar ist, wobei der Zählerstand zusätzlich abhängt von der mit der Alterung abnehmenden tatsächlich vorhandenen Kapazität der Batterie (11), und wobei der µ-Prozessor (12) gleichzeitig als Steuereinrichtung für die Versorgung einer Glühlampe (14) des Handscheinwerfers mit konstanter Leistung im Impulsbetrieb dient.
2. Verfahren zur Bestimmung des Lade- und Alterungszustandes einer wiederaufladbaren Batterie eines Handscheinwerfers nach Anspruch 1, wobei der Zählerstand einer elektronischen Zählvorrichtung entsprechend der der Batterie zugeführten bzw. entnommenen Ladungsmenge und zusätzlich in Abhängigkeit von der tatsächlich vorhandenen Kapazität der Batterie (11) verändert wird, indem der Zählvorrichtung (12) einerseits in einem Arbeitszyklus (A) Signale entsprechend dem Lade- /Entladevorgang der Batterie und andererseits in einem Justierzyklus (J) Signale entsprechend der mit der Alterung abnehmenden Kapazität der Batterie (11) zugeführt werden, wobei in dem Justierzyklus (J) eine Entladung der wiederaufladbaren Batterie (11) bis zur Entladeschlußspannung, eine Aufladung bis zur Volladung und anschließend zur Bestimmung der Restkapazität wiederum eine Entladung bis zur Entladeschlußspannung der Batterie (11) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßbetrieb ein oder mehr Justierzyklen (J) und ein oder mehr Arbeitszyklen (A) aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem abgeschlossenen Justierzyklus (J) mindestens ein Arbeitszyklus (A) folgt, der mit einer Volladung der Batterie (12) beginnt und dem unter Ermittlung des jeweiligen Ladezustandes eine Entladung bis zur Entladeschlußspannung folgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Justierzyklen (J) und Arbeitszyklen (A) durch Datenverarbeitung der Meß- und Regelgrößen mit der Zählvorrichtung (12) überwacht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbetrieb in i = 1 bis n Zyklen aufgeteilt ist, wobei für einen ersten Justierzyklus (J) mit i = 1 und n-1 Arbeitszyklen (A) mit i = 2 bis n die Kapazitäten Q für i = 1 bis n gemessen werden und jede Kapazität (Qi) des momentanen Arbeitszyklus i mit der des vorhergehenden Justier- oder Arbeitszyklus i = 1 verglichen und das Vergleichsergebnis gespeichert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung der wiederaufladbaren Batterie (11) im folgenden Arbeitszyklus (A) durch das Vergleichsergebnis aus dem vorangegangenen Arbeitszyklus (A) festgelegt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsergebnis des momentanen Arbeitszyklus (A) zusammen mit einem konstanten Glättwert zur Berichtigung des Kapazitätswertes der Zählvorrichtung benutzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der berichtigte Kapazitätswert zur Festlegung des Ladestroms und der Ladezeit für die Aufladung im folgenden Arbeitszyklus (A) verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeschlußspannung, der Ladezustand und die Kapazität vom gleichen Bezugspotential aus ermittelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstentladung der wiederaufladbaren Batterie (11) durch die Zählvorrichtung (12) erfaßt und der Wert des Ladezustandes berichtigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstentladung der wiederaufladbaren Batterie in Abhängigkeit von der Batterietemperatur berücksichtigt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabhängigkeit der Kapazität durch die Zählvorrichtung mit einem Temperatursensor (T) erfaßt und der Wert der Kapazität berichtigt wird.
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