DE60034537T2 - Verfahren und Einrichtung zur Messung des Ladezustandes einer Batterie - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zur Messung des Ladezustandes einer Batterie Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Apparat zur Messung des Ladezustands einer Batterie, und spezieller ein Verfahren und einen Apparat zur genauen Messung des Ladezustands einer Fahrzeugbatterie.
  • Batterien werden in vielen Aufbauten benutzt – wie etwa in Fahrzeugen – um elektrische Energie zu den verschiedenen Bauteilen und/oder Vorrichtungen zu liefern, welche gemeinsam und jeweils diese Aufbauten bilden. Es ist höchst wünschenswert die innerhalb einer Batterie verbleibende elektrische Ladung – gemeinhin „Ladezustand" genannt – genau und kontinuierlich zu messen und/oder festzustellen, um sicherzustellen daß die Batterie rechtzeitig und wirkungsvoll aufgeladen oder ersetzt wird, und um weiterhin den fortgesetzten und im Wesentlichen ununterbrochenen Betrieb des Fahrzeugs oder anderen Typs von „batteriebetriebenem" Aufbau sicherzustellen. Folglich wurden viele Vorrichtungen entwickelt und benutzt, um den Ladezustand einer Batterie gezielt zu messen und um den gemessenen Ladezustand einem Benutzer des batteriebetriebenen Aufbaus gezielt anzuzeigen.
  • Diese bisherigen Ladezustand-Meßvorrichtungen schließen typischerweise einen Integrator für den elektrischen Strom ein (z.B. einen Kondensator), welcher in der Anordnung oder Art und Weise einer „elektrischen Reihenschaltung" an die Batterie angeschlossen ist, und welcher den elektrischen Strom, welcher von der Batterie geliefert wird, arbeitsfähig integriert. speziell wir dieser elektrische Strom an die Vorrichtung gekoppelt und wird dazu gebracht sie zu durchqueren. Die Vorrichtung berechnet auf diese Art und Weise den Betrag der elektrischen Ladung, welcher aufgrund des empfangenen elektrischen Stroms in die Vorrichtung gelangt ist. Speziell wird diese Berechnung erreicht, indem man die Spannung und/oder die Ladung des Kondensators mißt (d.h. das Integral des elektrischen Stroms, welcher während eines bestimmten Zeitintervalls von der Vorrichtung empfangen wurde, ist im Wesentlichen gleich der elektrischen Ladung des enthaltenen Kondensators während dieses Zeitintervalls). Ähnlich mißt diese Vorrichtung den Betrag der elektrischen Ladung, welche zu der Batterie geliefert wird, und die Summe dieser Ladungen (d.h. die jeweils von und zu der Batterie gelieferten Ladungen) liefert eine genaue Anzeige des gegenwärtigen Ladezustands der Batterie.
  • Wie bemerkt verrichten viele dieser Vorrichtungen der bisherigen Technik diese Berechnungen, indem sie die Spannung messen, welche an dem Kondensator angelegt wird und/oder welche vom Kondensator von der Batterie empfangen wird, nachdem ein gewisses Zeitintervall verstrichen ist, durch Verwendung der Formel: Q = V·C, wobei „Q" gleich dem von dem Kondensator angesammelten Betrag an elektrischer Ladung ist, oder dem Integral des elektrischen Stroms, welcher während des Zeitintervalls in den Kondensator gelangt; „V" gleich der Spannung über den Kondensator hinweg zum Ende des Zeitintervalls ist; und „C" gleich dem Kapazitätswert des Kondensators ist. Damit die vorstehende Berechnung genau ist, darf zu Beginn jedes gemessenen Zeitintervalls im Wesentlichen keine Spannung über den Kondensator hinweg anliegen. Überdies sollten diese Berechnungen und/oder Messungen eingeleitet werden, sobald die vollständig geladene Batterie in dem Aufbau platziert wird.
  • Diese bisherigen Vorrichtungen „verrichten" diese Messungen oder nehmen sie über aufeinander folgende Zeitintervalle hinweg vor und zählen diese Messungen zusammen, um die gesamte elektrische Ladung zu bestimmen, welche in die Batterie hinein oder aus ihr heraus gelangt ist. Das bedeutet, indem man die gesamte Elektrische Ladung, welche aus der Batterie abgeflossen ist, von der gesamten elektrischen Ladungskapazität der Batterie abzieht, und indem man dann die gesamte elektrische Ladung hinzuzählt, welche in die Batterie gelangt ist, wird eine relativ genaue und aktuelle Abschätzung der verbleibenden Ladung der Batterie bereitgestellt. Eine „laufende Summe" jener in der Batterie verbleibenden elektrischen Ladung oder des Ladezustands der Batterie wird typischerweise innerhalb des Speichers dieser Vorrichtungen gespeichert und wird einem Benutzer des Fahrzeugs oder der anderen batteriebetriebenen Vorrichtung gezielt angezeigt. Während diese Meßvorrichtungen nach dem Stand der Technik den Ladezustand einer Batterie effizient beibehalten und anzeigen, leiden sie unter einigen Nachteilen, welche ihre jeweilige Genauigkeit unerwünscht senken.
  • Während die von diesen bisherigen Vorrichtungen eingesetzten Kondensatoren den in die Batterie hinein und/oder aus ihr heraus fließenden elektrischen Strom über ein diskretes Zeitintervall hinweg effizient und jeweilig integrieren, erreichen die Kondensatoren zum Beispiel und ohne Einschränkung ihre jeweilige Ladungsspeicherungs-Obergrenze und müssen „zurückgesetzt" oder elektrisch entladen werden, bevor damit fortgefahren wird zu integrieren oder jegliche elektrische Ladung weiter anzuspeichern. Diese Kondensatoren zu entladen erfordert eine gewisse, endliche Zeitdauer, welche gewöhnlich von der Größe des Kondensators abhängt.
  • Während diese Kondensatoren entladen werden fährt die Batterie fort weiterzuarbeiten (d.h. sie fährt fort elektrischen Strom zu liefern und/oder zu empfangen), und die begleitende Änderung im Ladezustand der Batterie wird von diesen Vorrichtungen nicht detektiert oder gemessen (d.h. diese Vorrichtungen arbeiten nicht). Folglich wird dieser „ungemessene elektrische Strom" nicht in die von diesen Vorrichtungen geführte „laufende Summe" einbezogen, und bringt diese Vorrichtungen dadurch dazu ungenaue und/oder irrige Ladezustand-Abschätzungen zu erzeugen.
  • Es wurden Versuche unternommen den „ungemessenen elektrischen Strom" unter Verwendung herkömmlicher mathematischer Untersuchungstechniken mathematisch abzuschätzen. Während diese Untersuchungstechniken als den Gesamtfehler etwas absenkend gezeigt wurden, so sind sie nicht hochgenau und resultieren oftmals in der Erzeugung relativ kleiner Fehler, welche sich über die Zeit hinweg ansammeln, was die Schaffung relativ großer, unerwünschter Ladezustand-Meßfehler verursacht. Diese Techniken fügen diesen Vorrichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik weitere Komplexität hinzu.
  • Zusätzlich driften die Kapazitätswerte dieser Kondensatoren oft oder variieren mit der Zeit. Jegliche nicht ausgeglichene Schwankung in diesen Kapazitätswerten wird diese bisherigen Vorrichtungen dazu bringen weiterhin ungenaue Ladezustands-Messungen zu liefern. Um diese Schwankungen zu korrigieren wurden Anstrengungen unternommen diese Vorrichtungen zu kalibrieren und/oder den Wert dieser Kondensatoren in regelmäßigen und/oder diskreten Zeitintervallen zu messen, und die gemessene Schwankung danach gezielt zu kompensieren. Während diese Vorrichtungen kalibriert werden, wird jedoch keine Messung des in die Batterie hinein und aus ihr hinaus fließenden elektrischen Stroms vorgenommen, wodurch sich der Ladezustand-Meßfehler weiter erhöht.
  • Es besteht daher die Notwendigkeit für eine neue und verbesserte Ladezustand-Meßvorrichtung, welche eine relativ genaue Messung des Ladezustands einer Batterie bereitstellt; welche den in eine Batterie hinein oder aus ihr heraus gelangenden elektrischen Strom kontinuierlich mißt oder integriert; und welche fortfährt den elektrischen Strom zu integrieren und/oder zu messen, während die Vorrichtung zurückgesetzt, entladen und/oder kalibriert wird.
  • Die Japanischen Patentzusammenfassungen, Band 016, Nr. 460, (P-1427) und JP 04 164269 A beschreiben Apparate, die zum Gebrauch in Kombination mit einer Batterie beabsichtigt sind und drei Abschnitte umfassen. Die ersten und zweiten Abschnitte sind an die Batterie gekoppelte, gezielt und elektrisch zu entladende Abschnitte. Der dritte Abschnitt arbeitet auf Grundlage der von den ersten und zweiten Abschnitten kommenden Ergebnissen, um Information zur Bestimmung der elektrischen Ladung der Batterie zu liefern.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Apparat zum Gebrauch mit einer Batterie bereitgestellt, die eine elektrische Ladung aufweist, wobei dieser Apparat umfaßt:
    einen ersten Abschnitt, welcher für eine erste Zeitdauer gezielt an diese Batterie angeschlossen ist, und welcher diese elektrische Ladung dieser Batterie während dieser ersten Zeitdauer mißt, und welcher gezielt und elektrisch zu entladen ist;
    einen zweiten Abschnitt, welcher für eine zweite Zeitdauer gezielt an diese Batterie angeschlossen ist, und welcher diese elektrische Ladung dieser Batterie während dieser zweiten Zeitdauer mißt, und welcher gezielt und elektrisch zu entladen ist;
    einen dritten Abschnitt, welcher während dieser zweiten Zeitdauer gezielt an diesen ersten Abschnitt angeschlossen ist, und während dieser ersten Zeitdauer an diesen zweiten Abschnitt; und welcher diesen ersten Abschnitt während dieser zweiten Zeitdauer elektrisch entlädt und dann kalibriert, und welcher diesen zweiten Abschnitt während dieser ersten Zeitdauer elektrisch entlädt und dann kalibriert; und es diesen ersten und zweiten Abschnitten dadurch erlaubt zusammenwirkend eine Messung dieser elektrischen Ladung dieser Batterie bereitzustellen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bestimmung der innerhalb einer Batterie verbleibenden Ladungsmenge bereitgestellt, wobei dieses Verfahren die Schritte umfaßt:
    bereitstellen erster und zweiter gezielt und elektrisch zu entladender Stromintegratoren;
    bereitstellen erster und zweiter Stromgeneratoren, welche jeweils und gezielt einen ersten und zweiten elektrischen Strom erzeugen;
    übermitteln dieses ersten elektrischen Stroms zu diesem ersten Stromintegrator für eine erste Zeitdauer, um dadurch eine erste Spannung zu erzeugen;
    übermitteln dieses zweiten Stroms zu diesem zweiten Stromintegrator für eine zweite Zeitdauer, um dadurch eine zweite Spannung zu erzeugen;
    gezieltes entladen und dann kalibrieren dieses ersten Stromgenerators während dieser zweiten Zeitdauer;
    gezieltes entladen und dann kalibrieren dieses zweiten Stromintegrators während dieser zweiten Zeitdauer; und
    benutzen dieser ersten und zweiten Spannungen, um die innerhalb dieser Batterie verbleibende Ladung zu bestimmen.
  • Ein Verfahren und ein die Erfindung verkörpernder Apparat überwindet manche oder alle der zuvor ausgeführten, mit bisherigen Batterieladezustand-Meßvorrichtungen in Zusammenhang stehende Nachteile. Es/er mißt gezielt und fortwährend die in die Batterie hinein und aus ihr herausfließende Ladungsmenge. Weiterhin ist es/er im Wesentlichen und automatisch selbstkalibrierend.
  • Die vorliegende Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung weiter beschrieben werden, welche ein Blockdiagramm eines Apparats zur Messung des Ladezustands einer Batterie ist, welcher im Einklang mit den Lehren der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist.
  • Unter Bezug auf die Zeichnung wird nun ein Apparat 10 zur Messung des Ladezustands einer Batterie gezeigt, welcher im Einklang mit den Lehren der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist. Speziell ist Apparat 10 „elektrisch in Reihe" mit einer herkömmlichen und/oder typischen Speicherzelle oder Batterie und an eine variable Last 16 angeschlossen. Wie gezeigt bilden Batterie 14, die variable Last 16 und Apparat 10 zusammenwirkend daher eine elektrische Schaltung 12 in der Art einer „Reihenschaltung".
  • In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schließt die variable Last sowohl elektrisch entladende/abführende Bauteile ein (z.B. Bauteile, welche elektrischen Strom oder elektrische Ladung aus Batterie 14 entfernen), wie etwa einen Elektromotor, elektrische Lichter und/oder Heizelemente, wie auch elektrisch ladende/liefernde Bauteile (z.B. Bauteile, welche elektrischen Strom oder elektrische Ladung in der Batterie 14 ersetzen oder in sie übermitteln), wie etwa eine Lichtmaschine und/oder ein Batterieladegerät, und stellt sie funktional dar. Somit fließt der mit „I(t)" bezeichnete, elektrische Strom, welcher sich gezielt durch Schaltung 12 bewegt, in die Richtung 13 (z.B. in die Batterie 14 hinein) oder in die Richtung 15 (z.B. aus Batterie 14 hinaus). In einem nicht beschränkenden Beispiel umfaßt Batterie 14 die Batterie eines Elektrofahrzeugs und/oder stellt diese dar, und die variable Last 16 umfaßt die elektrischen Bauteile eines herkömmlichen und/oder kommerziell verfügbaren Fahrzeugs (z.B. eines Elektrofahrzeugs) und/oder stellt diese dar, welche physisch und elektrisch an Batterie 14 angeschlossen sind, und welche gezielt elektrische Ladung aus Batterie 14 abziehen oder welche gezielt elektrische Ladung zu Batterie 14 liefern.
  • Apparat 10 schließt einen herkömmlichen Abtast- oder „Shunt"-Widerstand 18 ein, der einen relativ kleinen Widerstandswert besitzt und welcher „elektrisch in Reihe" mit Batterie 14 und Last 16 angeschlossen ist. Indem man die variierende Spannung „über" Widerstand 18 kontinuierlich und/oder systematisch mißt, berechnet Apparat 10 den Betrag oder den Wert der in Batterie 14 hinein und/oder aus ihr heraus gelangenden elektrischen Ladung. Wie unten vollständiger und ausführlicher beschrieben sammelt Apparat 10 diese berechneten Werte (d.h. er führt eine laufende Summe davon) und benutzt diese Sammlung um den Ladezustand der Batterie 14 zu folgern und/oder um ihn im Wesentlichen und genau sicherzustellen. Das heißt Apparat 10 bestimmt den innerhalb von Batterie 14 verbleibenden Betrag der elektrischen Ladung oder den „gegenwärtigen Ladezustand" der Batterie 14, indem er diesen Gesamtwert der aus Batterie 14 abgezogenen elektrischen Ladung von der gesamten Ladungskapazität von Batterie 14 abzieht; und den Gesamtwert der elektrischen Ladung hinzuzählt, welche zu der Batterie 14 geliefert wurde.
  • Apparat 10 schließt einen variablen, Spannung abtastenden und Strom erzeugenden Aufbau oder Abschnitt 22 ein, welcher physisch in der Art einer elektrischen „Parallelschaltung" an Widerstand 18 angeschlossen ist. Aufbau oder Vorrichtung 22 schließt zwei im Wesentlichen identische und herkömmlich gegatterte, variable Spannungsquellen 24, 26 ein. Vorrichtung 22 ist angepaßt um die Spannung über Widerstand 18 hinweg zu detektieren (z.B. als „V(t)" bezeichnet), und um jede der Stromquellen 24, 26 gezielt dazu zu bringen jeweils mit „I'1(t)" und „I'2(t)" bezeichnete elektrische Ströme zu erzeugen, welche proportional zu der Spannung „V(t)" „über" Widerstand 18 sind. Die von den Quellen 24, 26 erzeugten elektrischen Ströme werden jeweils durch die folgenden Gleichungen dargestellt: I'1(t) = kV(t), wenn Gatter 28 „wahr" oder geöffnet ist; I'1(t) = 0, wenn Gatter 28 „unwahr" oder geschlossen ist; I'2(t) = kV(t), wenn Gatter 30 „wahr" oder geöffnet ist; I'2(t) = 0, wenn Gatter 30 „unwahr" oder geschlossen ist; wobei „k" gleich einer Proportionalkonstante ist und „t" einen gemessenen Zeitpunkt bezeichnet.
  • Apparat 10 schließt weiterhin einen herkömmlichen und/oder kommerziell verfügbaren Mikroprozessor, Mikroregler oder Regler 20 ein, der unter Regelung gespeicherter Programme arbeitet. Regler 20 schließt eine herkömmliche Speichereinheit oder einen -abschnitt 36 und zwei herkömmliche und kommerziell verfügbare Analog/Digital-Wandlervorrichtungen 38, 40 ein, welche angepaßt sind um die gemessene Analogspannung in einen Digitalwert umzuwandeln. Das die Operationen von Regler 20 beschreibende Programm ist gezielt innerhalb von Speicher 36 gespeichert.
  • Regler 20 ist mittels Regelleitungen oder Busleitungen 32, 34 an Gatter 28, 30 angeschlossen. Regler 20 ist weiterhin durch jeweilige Verwendung von Regelleitungen oder Busleitungen 46, 48 an Schalter 42, 44 angeschlossen, welche herkömmliche und kommerziell verfügbare elektronische und elektromagnetische Schaltvorrichtungen (z.B. Transistoren oder Relais) umfassen. In anderen alternativen Ausführungsformen können die Schalter 42, 44 eine einzelne Schaltvorrichtung oder einen einzelnen Chip umfassen. Die unter Regelung von Regler 20 arbeitenden Schalter 42 und 44 besitzen jeweilige Anschlüsse 55, 61, welche jeweils und gezielt an einen ausgewählten der Anschlüsse 50, 52, 54 und an einen ausgewählten der Anschlüsse 56, 58, 60 angeschlossen sind. Die Anschlüsse 50, 56 sind unter Verwendung von Bus 63 jeder an eine herkömmliche und konstante oder „kalibrierte" Stromquelle 62 angeschlossen; die Anschlüsse 52, 58 sind unter Verwendung von Bus 59 jeder an einen elektrischen Masseabschnitt 70 angeschlossen; und die Anschlüsse 54, 60 sind elektrische „offene" oder nicht angeschlossene Anschlüsse.
  • Regler 20 ist weiterhin durch Bus 69 an eine Anzeige 68 gekoppelt, die eine herkömmliche und kommerziell verfügbare Ausgabeanzeige-Vorrichtung umfaßt, wie etwa – und ohne Einschränkung – eine Flachbildschirmanzeige, eine Flüssigkristallanzeige, eine Analoginstrumentanzeige, eine Videoanzeige, oder im Wesentlichen jeden anderen Typ von Anzeige, der geeignet ist Ausgabedaten und/oder eine Information anzuzeigen, welche von dem Regler erzeugt wird. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist Anzeige 68 innerhalb des Fahrgastraums eines Fahrzeugs montiert, wie etwa auf oder innerhalb des Fahrzeug-Armaturenbretts oder der Instrumententafel (nicht gezeigt).
  • Ein Paar herkömmlicher Stromintegratoren oder Kondensatoren, 64, 66, welche in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Wesentlichen identische, herkömmliche und kommerziell verfügbare Kondensatoren umfassen, sind an die Anschlüsse 55, 61 der Schalter 42, 44 und an die gegatterten, variablen Stromquellen 24, 26 durch jeweilige Busleitungen 71, 73 angeschlossen; sind an Analog/Digitalwandler 38, 40 durch jeweilige Busleitungen 35, 37 angeschlossen; und an die elektrische Masse oder das elektrische „Null"-Potential 70.
  • Im Betrieb mißt Apparat 10 die Spannung „über" Widerstand 18 (z.B. als „V(t)" bezeichnet). Diese Spannung ist im Wesentlichen gleich dem Wert des Stroms „I(t)" multipliziert mit dem Wert von „RS", wobei „RS" den elektrischen Widerstandswert von Widerstand 18 darstellt und/oder bezeichnet. Nachdem Vorrichtung 22 die Spannung „V(t)" abtastet oder miß, erzeugt die Vorrichtung 22 weiterhin die zuvor beschriebenen Ströme „I'1(t)", und „I'2(t)" durch Gebrauch der elektrischen Stromquellen 24, 26 in der folgenden Art und Weise.
  • Speziell schaltet Regler 20 während eines anfänglichen oder ersten Meßzyklus gezielt Gatter 28 ein, indem er ein elektrisches Signal auf Bus 32 plaziert und im Wesentlichen und gleichzeitig Schalter 42 „umschaltet" oder in einer „Meßstellung" positioniert, indem er Anschluß 55 mit Anschluß 54 verbindet. In dieser Art und Weise empfängt Kondensator 64 den Strom „I'1(t)" von oder durch Bus 71. Die folgenden Gleichungen werden von dem Regler 20 benutzt um den Betrag an elektrischer Ladung zu berechnen, welche von Kondensator 64 empfangen wird:
    Figure 00070001
    wobei „V1" die Spannung bezeichnet, welche von dem empfangenen elektrischen Strom „über" Kondensator 64 erzeugt wird; „C1" die Kapazität von Kondensator 64 bezeichnet; und I'1(t) den von Quelle 24 in den Kondensator 64 fließenden elektrischen Strom bezeichnet; und Q1 = ∫I'1(t)dt (Gleichung 2)wobei „Q1" den während eines Zeitintervalls von Kondensator 64 empfangenen Betrag an elektrischem Strom bezeichnet (d.h. Integration von „I'1(t)dt" liefert den von Kondensator 64 empfangenen Ladungsbetrag während des Zeitintervalls, für welches das Integral bewertet wird). Einsetzen und Auflösen nach dem Wert „∫I'1(t)dt" oder „Q1" ergibt die Gleichung: Q1 = V1·C1 (Gleichung 3)
  • Unter Einsatz dieser dritten Gleichung bestimmt Regler 20 diesen von Kondensator 64 empfangenen Betrag elektrischer Ladung „Q1" durch Messung der Spannung „über" den Kondensator 64 „V1", nachdem ein bestimmtes oder vorherbestimmtes Zeitintervall verstrichen ist (in diesem nicht beschränkenden Beispiel wird angenommen, daß die anfängliche Spannung über Kondensator 64 Null ist) und Multiplikation dieser Spannung mit dem Wert von „C1". Speziell schaltet Regler 20 in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Gatter 28 aus, nachdem eine vorherbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, und aktiviert gleichzeitig und arbeitsfähig Abschnitt 38, welcher die Spannung „V1" „über" Kondensator 64 mißt. Vorrichtung 38 digitalisiert die gemessene Spannung „V1" (d.h. wandelt Spannung „V1" in eine Digitalzahl um) und speichert diesen Wert innerhalb von Speicher 36. In der bevorzugten Ausführungsform wird der digitalisierte Spannungswert weiterhin mit dem digitalisierten Wert von "C1" multipliziert, und der resultierende Wert, der gleich dem Betrag der von Kondensator 64 während des gemessenen Zeitintervalls empfangenen Ladung ist (d.h. Q1 = V1·C1), wird innerhalb des nichtflüchtigen Speichers von Regler 20 gespeichert.
  • Während Regler 20 Gatter 28 ausschaltet, um die zuvor beschriebene Messung zu verrichten, schaltet Regler 20 durch Verwendung von Regelbus oder -leitung 34 im Wesentlichen und gleichzeitig Gatter 30 ein und Schalter 44 in eine Meßstellung „um", indem er Anschluß 61 mit Anschluß 60 verbindet (d.h. die „Meßstellung"), und es Apparat 10 dadurch erlaubt fortzufahren, im Wesentlichen den gesamten elektrischen Strom ohne Verzögerung oder Unterbrechung zu messen, der durch Widerstand 18 fließt und welcher zu oder von Batterie 16 geliefert wird. Speziell erzeugt Quelle 26 durch Einschalten von Gatter 30 den Strom „I'2(t)", welcher gemäß der oben beschriebenen Prozedur von Kondensator 66 empfangen und „integriert" wird. Vorrichtung 40 digitalisiert die Spannung auf Kondensator 66 „V2", und die resultierende „digitalisierte" Kondensatorspannung „V2" wird mit dem Wert von „C2" multipliziert, um die Ladungsmenge „Q2" (d.h. V2·C2) zu bestimmen, die über jenes Zeitintervall angesammelt wurde, die Gatter 30 geschaltet ist um Strom zu liefern. Diese Ladung „Q2" wird zu dem zuvor gespeicherten Ladungswert „Q1" hinzugezählt, um dadurch eine Messung des gesamten Ladungsbetrags „Qtotal" bereitzustellen, der von Kondensator 64, 66 (d.h. Qtotal = Q1 + Q2) während diesen beiden Meßzyklen empfangen wurde.
  • Während Kondensator 66 den Strom „I'2(t)" „integriert", entlädt Apparat 10 Kondensator 64. Spezieller schaltet Regler 20 durch Verwendung von Bus 46 gleichzeitig Schalter 42 „um" oder bewegt ihn zu Anschluß 52, während Gatter 28 ausgeschaltet wird (und Gatter 30 eingeschaltet wird), um dadurch Kondensator 64 mit der elektrischen Masse 70 zu verbinden und Kondensator 64 dazu zu bringen mit der elektrischen Entladung zu beginnen. Nachdem eine vorherbestimmte Zeitdauer verstrichen ist und Kondensator 64 im Wesentlichen und vollständig entladen ist (z.B. nach etwa einer Millisekunde), bewegt Regler 20 unter Verwendung von Regelleitung oder -bus 46 den Schalter 42 zu Anschluß 50, um dadurch Kondensator 64 mit der konstant kalibrierten Stromquelle 62 zu verbinden.
  • Stromquelle 62 liefert über eine vorherbestimmte Zeitdauer einen konstanten elektrischen Strom zu Kondensator 64. Nachdem die vorherbestimmte Zeitdauer verstrichen ist, mißt Vorrichtung 38 die Spannung „über" Kondensator 64 hinweg wie zuvor beschrieben. Regler 20 löst mathematisch nach dem gegenwärtigen Kapazitätswert „C1" von Kondensator 64 auf, durch Verwendung der Gleichung:
    Figure 00090001
    wobei „Vcal" die gemessene Spannung „über" Kondensator 64 ist, und wobei „I'cal(t)" der von Quelle 62 ausgehende, bekannte Kalibrierstrom ist.
  • Dieser gemessene Kapazitätswert „C1" wird dann von Regler 20 in der nachfolgenden Messung von Ladung „Q1" benutzt. In dieser Weise sollte erkannt werden, daß Apparat 10 jegliche „Drift" oder Schwankung in dem Kapazitätswert von Kondensator 64 zwischen jedem Meßzyklus automatisch anpaßt und/oder korrigiert, in welchem Kondensator 64 benutzt wird um eine Ladungsmessung bereitzustellen. Nachem die Kalibriermessung vorgenommen ist, bewegt Regler 20 Anschluß 55 zu Anschluß 52, verbindet dadurch Kondensator 64 mit Masse und ist wirksam um Kondensator 64 elektrisch zu entladen.
  • Kondensator 64 bleibt elektrisch „geerdet", bis der Kondensator 66 vollständig geladen wurde. Regler 20 schaltet dann gleichzeitig Gatter 30 ab, während er Gatter 28 einschaltet; und verbindet Anschluß 55 gleichzeitig mit „Meß"-Anschluß 54, während er Anschluß 61 mit „Entlade"-Anschluß 58 verbindet. Kondensator 64 integriert dann erneut den erzeugten Strom „I'1(t)" in der zuvor beschriebenen Art und Weise, und berechnet dadurch einen zweiten Wert „Q1", welcher innerhalb von Speicher 36 gespeichert wird und welcher zu dem Wert von „Qtotal" hinzugezählt wird. Während die Ladung „Q1" berechnet wird, wird Kondensator 66 anfänglich elektrisch entladen, „kalibriert" und in einer im Wesentlichen identischen Art und Weise und Folge erneut elektrisch entladen, wie zuvor für Kondensator 64 beschrieben. Ist die zweite Messung „Q1" einmal abgeschlossen, so berechnet Regler 20 gezielt eine zweite Messung „Q2", während Kondensator 64 in der gleichen, zuvor beschriebenen Weise und Abfolge entladen, kalibriert und entladen wird. Apparat 10 fährt fort diese Prozeduren in dieser Art und Weise zu wiederholen, und summiert dadurch die integrierten elektrischen Ströme oder Ladungswerte „Q1", „Q2" über aufeinander folgende Zeitintervalle auf. In dieser Art und Weise schafft und bewahrt Apparat 10 einen im Wesentlichen genauen Gesamtwert der durch die Kondensatoren 64, 66 gelangenden elektrischen Ladung „Qtotal" (d.h. Qtotal = Q1 + Q2 + Q1 + Q2 + ...). Man sollte erkennen daß das „Vorzeichen" (d.h. positiv oder negativ) und der Wert der Messungen „Q1" und „Q2" abhängig von der Richtung und Größe des Stroms „I(t)" variieren wird (z.B. werden in die Batterie 14 eintretende Ladungen eine „negative" Größe haben, und jene die Batterie 14 verlassenden werden eine „positive" Größe haben).
  • Der Gesamtwert der elektrischen Ladung die, während irgendeiner Zeitdauer oder eines „Zyklus" durch die Kondensatoren 64, 66 gelangt, während welcher ein Paar von Messungen „Q1" und „Q2" vorgenommen werden (d.h. Q1 + Q2), steht in Zusammenhang mit der während des gleichen Zeitintervalls oder „Zyklus" in die Batterie 14 hinein und/oder aus ihr heraus gelangenden Gesamtladung „Q". Regler 20 setzt die folgenden Gleichungen ein, um diese Ladung für jeden derartigen „Zyklus" zu bestimmen: Q = ∫I(t)dt (Gleichung 5) I(t) = V(T)/RS (Gleichung 6) und V(t) = I'1(t)/k + I'2(t)/k (Gleichung 7)
  • Einsetzen und Auflösen nach dem Wert „Q" ergibt:
    Figure 00100001
  • Regler 20 setzt die oben beschriebenen Beziehungen ein, um eine „laufende Summe" oder „Zählung" der Ladungsmenge „Q(t)" zu führen, welche über die Zeit aus der Batterie 14 heraus oder in sie hinein gelangt ist. Speziell ist der Wert von „Q(t)" (z.B. die Gesamtmenge der Ladung, welche von der Batterie oder zu ihr bereitgestellt wurde) gleich der Gesamtmenge der gemessenen Ladung „Qtotal" (d.h. Q1 + Q2 + Q1 + Q2 + ....) geteilt durch die Menge „RSk".
  • Während der Wert von „Qtotal" angespeichert wird, wird die aus oder in Batterie 14 fließende elektrische Ladung „Q(t)" gleichzeitig von Regler 20 in der vorstehenden Art und Weise angespeichert. Speziell bewahrt Regler 20 den Wert „Q(t)", welcher aus der Batterie 14 heraus gelangt ist (z.B. einen positiven Wert aufweist) oder in die Batterie 14 hinein gelangt ist (z.B. einen negativen Wert aufweist) und frischt ihn gezielt auf. Indem er den gegenwärtigen Wert von Q(t) von der gesamten Ladungskapazität von Batterie 14 abzieht, bestimmt Regler 20 dynamisch den gegenwärtigen Ladezustand von Batterie 14 oder die in Batterie 14 verbleibende Ladung. Regler 20 gibt diesen gegenwärtigen „Ladezustand"-Wert an Anzeige 68 aus, so daß ein Benutzer von Apparat 10 über eine kontinuierliche und aktuelle Anzeige der innerhalb von Batterie 14 verbleibenden elektrischen Ladung verfügt.

Claims (9)

  1. Ein Apparat zum Gebrauch mit einer Batterie (14) die eine elektrische Ladung aufweist, wobei dieser Apparat umfaßt: einen ersten Abschnitt (38, 42, 64), welcher für eine erste Zeitdauer gezielt an diese Batterie (14) angeschlossen ist, und welcher diese elektrische Ladung dieser Batterie (14) während dieser ersten Zeitdauer mißt, und welcher gezielt und elektrisch zu entladen ist; einen zweiten Abschnitt (40, 44, 66), welcher für eine zweite Zeitdauer gezielt an diese Batterie (14) angeschlossen ist, und welcher diese elektrische Ladung dieser Batterie (14) während dieser zweiten Zeitdauer mißt, und welcher gezielt und elektrisch zu entladen ist; einen dritten Abschnitt (62), welcher während dieser zweiten Zeitdauer gezielt an diesen ersten Abschnitt (38, 42, 64) angeschlossen ist, und während dieser ersten Zeitdauer an diesen zweiten Abschnitt (40, 44, 66); und welcher diesen ersten Abschnitt (38, 42, 64) während dieser zweiten Zeitdauer elektrisch entlädt und dann kalibriert, und welcher diesen zweiten Abschnitt (40, 44, 66) während dieser ersten Zeitdauer elektrisch entlädt und dann kalibriert; und es diesen ersten und zweiten Abschnitten dadurch erlaubt zusammenwirkend eine Messung dieser elektrischen Ladung dieser Batterie bereitzustellen.
  2. Ein Apparat wie in Anspruch 1 beansprucht, der weiterhin einen Regler (20) umfaßt, um diese elektrische Ladung dieser Batterie (14) zu berechnen.
  3. Ein Apparat wie in Anspruch 2 beansprucht, der weiterhin einen Bildschirm (68) umfaßt, welcher den Ladezustand dieser Batterie (14) anzeigt.
  4. Ein Apparat wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem diese ersten und zweiten Abschnitte (38, 40, 42, 44, 64, 66) jeder einen Integrator für den elektrischen Strom (64, 66) umfassen.
  5. Ein Apparat wie in Anspruch 1 beansprucht, in dem diese ersten und zweiten Abschnitte (38, 40, 42, 44, 64, 66) jeder einen Integrator für den elektrischen Strom (64, 66) in der Form eines Kondensators umfassen, wobei diese Kondensatoren im Wesentlichen identisch sind.
  6. Ein Apparat wie in Anspruch 5 beansprucht, in dem diese ersten und zweiten Abschnitte (38, 40, 42, 44, 64, 66) jeder weiterhin eine im Wesentlichen identische elektrische Stromquelle (24, 26) umfaßt.
  7. Ein Apparat wie in Anspruch 6 beansprucht, in dem dieser erste Abschnitt (38, 64, 42) einen Schalter (42) einschließt, welcher eine dieser elektrischen Stromquellen (24) gezielt an den jeweiligen Kondensator (64) anschließt.
  8. Ein Apparat wie in Anspruch 7 beansprucht, in dem diese ersten und zweiten Abschnitte (38, 40, 42, 44, 64, 66) im Wesentlichen identisch sind.
  9. Ein Verfahren zur Bestimmung der innerhalb einer Batterie (14) verbleibenden Ladungsmenge, wobei dieses Verfahren die Schritte umfaßt: bereitstellen erster und zweiter gezielt und elektrisch zu entladender Stromintegratoren (64, 66); bereitstellen erster und zweiter Stromgeneratoren (24, 26), welche jeweils und gezielt einen ersten und zweiten elektrischen Strom erzeugen; übermitteln dieses ersten elektrischen Stroms zu diesem ersten Stromintegrator (64) für eine erste Zeitdauer, um dadurch eine erste Spannung zu erzeugen; übermitteln dieses zweiten Stroms zu diesem zweiten Stromintegrator (66) für eine zweite Zeitdauer, um dadurch eine zweite Spannung zu erzeugen; gezieltes entladen und dann kalibrieren dieses ersten Stromgenerators (64) während dieser zweiten Zeitdauer; gezieltes entladen und dann kalibrieren dieses zweiten Stromintegrators (66) während dieser zweiten Zeitdauer; und benutzen dieser ersten und zweiten Spannungen, um die innerhalb dieser Batterie (14) verbleibende Ladung zu bestimmen.
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