DE602005001966T2

DE602005001966T2 - Vorrichtung zur Energiemessung einer Batterie, insbesondere während des Ladens/Entladens der Batterie

Info

Publication number: DE602005001966T2
Application number: DE602005001966T
Authority: DE
Inventors: Carmine Awelco INC.S.P.A D'Avanzo; Rosa Guglielmo Awelco INC.S.P.A De
Original assignee: Awelco Inc SpA
Current assignee: Awelco Inc SpA
Priority date: 2004-04-02
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: ATE370426T1; EP1584941A1; DE602005001966D1; ITRM20040171A1; EP1584941B1; US20070001647A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Energie, vorzugsweise der Amperestundenenergie, einer Batterie, insbesondere während einer Batterie-Ladung/Entladung.
Genauer betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die dafür geeignet ist, Amperestunden zu messen, die insbesondere zur Verwendung im Kontext von Nachladevorrichtungen für Batterien oder elektrische Akkumulatoren untersucht und realisiert wird, die aber in irgendeinem Fall verwendet werden kann, in dem es notwendig ist, den Wert der Energie zu messen, die von dem Ladegerät an die Batterie übertragen worden ist.
Im Folgenden ist die Beschreibung auf die Anwendung der Vorrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, auf ein Batterieladegerät gerichtet, wobei aber gut sichtbar ist, dass dieselbe Anwendung nicht als auf diese spezifische Verwendung beschränkt zu betrachten ist.
Im Handel sind gegenwärtig viele verschiedene Typen von Batterieladegeräten verfügbar, die zum Nachladen von elektrischen Akkumulatoren oder von Batterien für die Industrietraktion, für Fahrzeuge oder für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Diese Ausrüstungen liefern die Batterienachladung über mehr oder weniger anspruchsvolle Systeme. Tatsächlich bieten die gegenwärtigen Batterieladegeräte von der einfachen manuellen Nachladestromeinstellung bis zur vollständigen Automatik des gesamten Nachladeprozesses alles.
Im Allgemeinen sind die Ausrüstungen mit einer Reihe von Messinstrumenten versehen, die dafür geeignet sind, den Batterieladezustand anzugeben. Die Instrumente können z. B. ein Voltmeter und/oder ein Amperemeter sein. Darüber hinaus sind Signalisierungseinrichtungen mehrerer Typen vorhanden, die das Anzeigen von Werten des Momentanstroms und/oder der Momentanspannung während der Nachladung und außerdem eines Ladeendzustands oder anderer Funktionen desselben Ladegeräts zulassen. Diese Signalisierung kann ebenfalls hinsichtlich einer Batteriemomentanspannung, eines Nachlademomentanstroms usw. auf einer Anzeige berichtet werden.
Obgleich die beschriebenen Instrumentierungen ebenfalls sehr anspruchsvoll sein können, besitzen die gegenwärtigen Batterieladegeräte kein In strument, das den Amperestundenwert einer Ladung, d. h. den Wert der Energie, die von dem Ladegerät an die Batterie übertragen worden ist, misst und anzeigt.
Dem Fachmann auf dem Gebiet ist bekannt, dass die Amperestunde die Maßeinheit der Batteriekapazität angibt und als der "während der Entladung lieferbare Strom, der bis zum Erreichen der Entspannung geeignet geliefert wird", definiert ist. Somit ist die Amperestunde das Produkt der Stromstärke (gemessen in Ampere), die an die Batterie übertragen wird, mit der Dauer (in Stunden) der Stromübertragung. Es ist bekannt, dass die Größe der Elektrizität (Kapazität) einer Batterie oder einer Zelle normalerweise in Amperestunden [Ah] ausgedrückt wird. Die Messung dieses Werts ist wichtig, da er den realen Batteriezustand, d. h. die reale Kapazität zum Speichern von Energie, bestimmt.
Das US-Patent Nr. US B1 6 501 249 offenbart ein Batteriemanagementsystem zum Messen des Ladezustands einer nachladbaren Batterie und zur Bereitstellung eines Ladeschutzes für die nachladbare Batterie, wobei die in der Batterie gespeicherte Ladung ohne Verwendung einer Zeitbasis und ohne eine Zeitmessung oder Zeitperiode für die Abtastung gemessen wird.
Angesichts des Obigen scheint die Notwendigkeit für ein verfügbares Element, das die Amperestunden misst, wie etwa das gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene offensichtlich.
In diesem Kontext ist die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Lösung enthalten.
Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen der Amperestunden vorzuschlagen, die insbesondere auf Batterieladevorrichtungen anzuwenden ist.
Somit ist ein spezifischer Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Messen von Batterieenergie, insbesondere während des Ladens/Entladens einer Batterie, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Zufuhrmittel, das dafür geeignet ist, mit einer Batterie verbunden zu werden, um zu veranlassen, dass für eines oder mehrere Zeitintervalle elektrischer Strom in die/aus der Letzten fließt, und ein Steuerungs- und Erfassungsmittel, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel dafür geeignet ist, die in der Batterie gespeicherte Energie während einer Zeitperiode zu erfassen, die wenigstens einen Teil der einen oder mehreren Zeitintervalle umfasst.
Nochmals gemäß der Erfindung kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel dafür geeignet sein, die gespeicherte Energie über eine Integration des in die/aus der Batterie fließenden Stroms in der Zeitperiode zu erfassen.
Darüber hinaus kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel gemäß der Erfindung wenigstens einen Mikrocontroller umfassen.
Immer gemäß der Erfindung kann die Vorrichtung ferner ein Freigabemittel umfassen, das durch das Steuerungs- und Erfassungsmittel gesteuert wird und dafür geeignet ist, den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie freizugeben oder zu sperren, wobei das Freigabemittel wenigstens einen Thyristor umfassen kann, wobei das Steuerungs- und Erfassungsmittel das Zünden und/oder das Ausschalten des wenigstens einen Thyristors steuert.
Nochmals gemäß der Erfindung kann das Zufuhrmittel eine Leistungsversorgungseinheit umfassen, die dafür geeignet ist, eine periodische Spannung zu liefern, wobei das Steuerungs- und Erfassungsmittel eine Einheit für die Erfassung der durch die Leistungsversorgungseinheit gelieferten Spannung umfassen kann und das Steuerungs- und Erfassungsmittel das Zünden und/oder das Ausschalten des wenigstens einen Thyristors auf der Grundlage der von der Leistungsversorgungseinheit gelieferten erfassten Spannung steuern kann.
Darüber hinaus kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel gemäß der Erfindung ein Mittel zur Erfassung des in dem wenigstens einen Thyristor fließenden Stroms umfassen.
Vorzugsweise kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel gemäß der Erfindung ein akustisches und/oder optisches Signalisierungsmittel, wie etwa eine Anzeige, steuern.
Immer gemäß der Erfindung kann das Zufuhrmittel dafür geeignet sein, über Zangenmittel mit einer Batterie verbunden zu werden, und kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel ein Mittel zur Erfassung der wenigstens einen an die Zangenmittel angelegten Spannung umfassen.
Weiter gemäß der Erfindung kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel dafür geeignet sein, das Freigabemittel so zu steuern, dass es den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie sperrt, wenn es erfasst, dass die wenigstens eine angelegte Spannung nicht positiv ist.
Darüber hinaus kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel gemäß der Erfindung dafür geeignet sein, das Freigabemittel so zu steuern, dass es den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie sperrt, wenn es erfasst, dass die wenigstens eine angelegte Spannung wenigstens einen entsprechenden Schwellenwert erreicht.
Vorzugsweise kann der wenigstens eine entsprechende Spannungsschwellenwert gemäß der Erfindung durch einen Nutzer wählbar sein.
Immer gemäß der Erfindung kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel ein durch einen Nutzer aktivierbares Unterbrechungsmittel umfassen, nach dessen Aktivierung das Steuerungs- und Erfassungsmittel das Freigabemittel so steuern kann, dass es den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie sperrt.
Darüber hinaus kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel gemäß der Erfindung, wenn es erfasst, dass die Zeitperiode einen entsprechenden Zeitschwellenwert erreicht, dafür geeignet sein, das Freigabemittel so zu steuern, dass es den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie sperrt.
Vorzugsweise kann der Zeitschwellenwert gemäß der Erfindung durch einen Nutzer wählbar sein.
Nochmals gemäß der Erfindung kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel dafür geeignet sein, für jeden Lade-Entlade-Zyklus t einen energetischen Wirkungsgrad Re_t der Batterie zu erfassen, der gleich dem Verhältnis Ret = Wh0t/Wh1t ist, wobei Wh_0t die während einer Entladung der Batterie in dem Zyklus t erreichbare elektrische Energie ist und Wh_1t die für eine Nachladung der Batterie in dem Zyklus t benötigte elektrische Energie ist.
Darüber hinaus kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel gemäß der Erfindung dafür geeignet sein, während eines Entladungsschritts während des Zyklus t die restlich elektrische Energie Wh_int der Batterie zu erfassen, die Whint = Ret-1·Wh1t – Whut ist, wobei Re_t-1 der energetische Wirkungsgrad der Nachladung-Entladung der Batterie während des vorherigen Zyklus t-1 ist, Wh_1t die elektrische Energie der Nachladung der Batterie in dem Zyklus t ist und Wh_ut die während des Zyklus t von der Batterie vor ihrer vollständigen Entladung erhaltene elektrische Energie ist.
Immer gemäß der Erfindung kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel ein Mittel zur Erfassung der Temperatur des Freigabemittels umfassen.
Vorzugsweise kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel gemäß der Erfindung wenigstens einen Lüfter aktivieren, wenn es erfasst, dass die Temperatur einen ersten entsprechenden Temperaturschwellenwert erreicht.
Darüber hinaus kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel gemäß der Erfindung dafür geeignet sein, das Freigabemittel so zu steuern, dass es den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie sperrt, wenn es erfasst, dass die Temperatur einen zweiten entsprechenden Temperaturschwellenwert erreicht.
Nochmals gemäß der Erfindung kann das Steuerungs- und Erfassungsmittel wenigstens einen Lüfter aktivieren, wenn es erfasst, dass der in die/aus der Batterie fließende elektrische Strom einen entsprechenden Stromschwellenwert erreicht.
Die vorliegende Erfindung wird nun veranschaulichend und nicht einschränkend gemäß ihren bevorzugten Ausführungsformen unter besonderem Bezug auf die Figuren der beiliegenden Zeichnung beschrieben, in denen:
1 einen Blockschaltplan einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen von Amperestunden gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A–2H einige ausführliche Stromlaufpläne eines ersten Abschnitts der Vorrichtung aus 1 zeigen;
3A–3B einige ausführliche Stromlaufpläne eines zweiten Abschnitts der Vorrichtung aus 1 zeigen; und
4 einen ausführlichen Stromlaufplan eines dritten Abschnitts der Vorrichtung aus 1 zeigt.
In der folgenden Beschreibung werden zur Angabe gleicher Elemente in den Figuren dieselben Bezugnahmen verwendet. Anhand von 1 kann der Blockschaltplan einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 1 betrachtet werden, die hauptsächlich einen Steuerblock 2, einen Leistungsversorgungsblock 3 zum Versorgen der Vorrichtungslogik und zum Bereitstellen der Leistungsversorgung zum Laden der Batterie 5 und eine Einheit 4 zum Steuern des Leistungs versorgungsstroms der Batterie 5 umfassen kann.
Der Steuerblock 2 erfasst unter Berücksichtigung von Verzögerungen und/oder Überlastungen die Spannung und den Strom, die die Batterie 5 über eine Reihe in der Figur nicht gezeigter möglicher Zusatzschaltungen laden. Über die Erfassungen kann der Steuerblock 2 die Verbindung der Batterie mit Masse steu ern, wobei der Zweig über die Stromsteuereinheit 4, die genau den Wert der an die Batterie übertragenen Amperestunden berechnet, entweder kurzgeschlossen wird oder nicht, wobei er die Letzteren auf eine Anzeigeeinheit 6 wie etwa z. B. auf einer Anzeige anzeigen kann. Mit anderen Worten, über den Steuerblock 2 kann die Vorrichtung 1 genau den von der Batterie 5 aufgenommenen Strom berechnen, wobei sie die Ladezeiten mit maximaler Genauigkeit und Synchronität erfassen kann. Schließlich berechnet der Steuerblock 2 auf der Grundlage der von den Erfassungen erhaltenen Daten die übertragenen Amperestunden.
In den folgenden Figuren können anhand des Blockschaltplans aus 2 einige Stromlaufpläne der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung betrachtet werden.
2A zeigt einen mit IC0 bezeichneten Mikrocontroller. Dieser entspricht einem Teil des Steuerblocks 2 aus 2. Der Mikrocontroller IC0 stellt für spezifische Funktionen geeignete Anschlussgruppen bereit. Die Anschlüsse A1, B1, C1, D1, E1, F1, G1 und COUT1-4 steuern eine in der Figur nicht gezeigte Flüssigkristallanzeige, die das Anzeigen von Informationen über die Batterieladung wie etwa z. B. der Spannung, der Ladezeit und der an die Batterie übertragenen Amperestunden zulässt.
Die Anschlüsse OUTOSC und INOSC sind mit der in 2B gezeigten Schaltung verbunden. Diese ist eine als RT1 bezeichnete Schwingkreisschaltung, die mit einem passiven Netz versehen ist und ein Taktsignal für den Mikrocontroller IC0 erzeugt.
In 3A ist eine Schaltung vorhanden, die einem Teil des Leistungsversorgungsblocks 3 aus 1 entspricht. Diese besitzt zwei Eingangsanschlüsse INSWICH12 und IN0, die eine 12-Volt-Abgabe der Sekundärseite eines (in der Figur nicht gezeigten) Transformators repräsentieren. Die zwei Anschlüsse sind mit der Gleichrichterbrücke B1 verbunden. In Kaskade zu der Gleichrichterbrücke B1 ist eine Stabilisationsschaltung vorhanden, die durch die integrierte Schaltung IC3, durch eine Diode D1 und durch kapazitive Komponenten gebildet ist. Die IC3 kann eine konstante Spannung VDD zum Versorgen der Vorrichtungslogikteile erzeugen.
In 3B ist die Leistungsversorgungsschaltung zum Nachladen der Batterie gezeigt (die ebenfalls Teil des Leistungsversorgungsblocks 3 aus 1 ist). Die Verbindung mit dem positiven Batterieanschluss über die Zange BATT+ findet über eine aus Dioden D1–D4 hergestellte Gleichrichterbrücke statt, die die von den Anschlussabgriffen IN0 und INSWITCH kommende Sinuskurve der Sekundärseite des in den Figuren nicht gezeigten oben erwähnten Transformators gleichrichtet.
Die Spannung wird am Ausgang der Gleichrichterbrücke B1 aus 3A über die Verbindung CSYNCRO abgegriffen, wobei die Spannung mittels der Schaltung aus 2C verarbeitet wird (die zu dem Steuerblock 2 aus 1 gehört). Die Spannung CSYNCRO wird durch die zwei am Eingang des Operationsverstärkers IC1-B angeordneten Widerstände R1 und R2 geteilt und mit einer Schwellenspannung VSOGLIA verglichen, (die vorzugsweise gleich dem Wert des Spannungsabfalls an einer leitenden Diode ist). Sobald die Spannung CSYNCRO die Schwellenspannung VSOGLIA übersteigt, erzeugt der Operationsverstärker IC1-B ein positives Ausgangssignal, das an den Anschluss SYNCRO des Mikrocontrollers 100 gebracht wird, der das Analogsignal in ein Digitalsignal umsetzt.
Die eben beschriebene Schaltung, die das Signal SYNCRO erzeugt, ermöglicht die Bestimmung von Punkten, in denen die Spannung an der Gleichrichterbrücke 0 Volt oder niedriger als ein bestimmter Schwellenwert (gleich VSOGLIA) ist. Mit anderen Worten, sie ist eine Nullerfassungs-Schaltung.
Neben der Angabe des Signals SYNCRO erfasst der Mikrocontroller IC0 die Spannung an der Batterie, die über den zwischen den Anschlüssen der Batterie (d. h. zwischen den Zangen BATT+ und BATT_ELETTRONICS der Vorrichtung) liegenden Teiler R4–R5 aus 2D (der Teil des Steuerblocks 2 aus 1 ist) zu dem Anschluss VOLTAGE gebracht wird und über ein zu ihm proportionales Signal an dem Anschluss CURR den an die Batterie übertragenen Strom.
Der Strom ist proportional zu dem in dem Thyristor TIR aus 4 fließenden, wobei der Stromlaufplan der Stromsteuereinheit 4 aus 1 gezeigt ist. Bei Betrachtung der Schaltung aus 2E (die ebenfalls Teil des Steuerblocks 2 aus 1 ist), ist die Erfassung des Stroms über den Operationsverstärker IC1-A in einer nicht invertierenden Verstärkerkonfiguration möglich, der dazu vorgesehen ist, ein Stromsignal I zu verstärken, das von einem (in den Figuren nicht gezeigten) Nebenwiderstand kommt, der zwischen den Kontakten SHUNTGND, SHUNT, d. h. zwischen SV2-1 und SV2-2, aus 4 angeordnet ist. Wie oben gesagt wurde, ist das zu dem Strom I an dem Ausgang des Operationsverstärkers IC1-A proportionale Signal mit dem Anschluss CURR des IC1-0 verbunden und wird von analog in digital umgesetzt.
Durch Erfassung der Batteriespannung, des über den Thyristor TIR gehenden momentanen Ladestroms und des Werts der Spannung am Eingang des Thyristors TIR kann der Mikrocontroller IC0 die Einschaltverzögerung des TIR bestimmen.
Das Einschalten des TIR wird weiter über den Ausgang CONTROL durch IC0 angesteuert. Das Analogsignal am Anschluss CONTROL wird durch den Operationsverstärker IC2-A der Schaltung aus 2F (der weiter Teil des Steuerblocks 2 aus 1 ist) weiter mit der Schwellenspannung VSOGLIA verglichen und in Bezug auf den Strom durch den Transistor T1 verstärkt, dessen Kollektor mit dem Gate des Thyristors TIR verbunden ist und der ihm den Gate-Strom zuführen kann, der benötigt wird, um ihn zu zünden. Auf diese Weise ist es möglich, den TIR genau anzusteuern, das Zünden mit der durch die Schaltung aus 3B gelieferten Versorgungshalbwelle zu synchronisieren und zuzulassen, dass der IC0 genau den Moment berechnet, in dem der Strom, der über den TIR geht, d. h., der an die Batterie übertragen wird, erfasst wird.
Außerdem wird ein System geschaffen, das zulässt, dass der Thyristor TIR abgeschaltet wird. Dies wird durch den Anschluss INVP erhalten, der den Transistor T2 der Schaltung aus 2G ansteuert (die immer Teil des Steuerblocks 2 aus 1 ist), der "spiegelbildlich" mit dem Transistor T3 "verbunden ist", der über den Zweig VSCR den Transistor T1 aus 2F versorgt. Somit ist es mittels T2 möglich, den T1 abzuschalten und den TIR auszuschalten.
Wenn der TIR eingeschaltet ist, lässt er die Verbindung des negativen Batterieanschlusses über die erste Zange BATT_ELETTRONICS- mit Masse zu.
In 4 ist ferner außerdem die Zange BATT- gezeigt, die optional die direkte Verbindung des negativen Batterieanschlusses mit Masse zulässt, was ein Nachladen ohne Steuerung durch den Steuerblock 2 aus 1 ermöglicht.
Wenn der TIR eingeschaltet ist, leitet er und kann die Batterie nachgeladen werden. Der Nachladestrom wird über die Schaltung aus 2E in Echtzeit durch den IC0 erfasst und so gespeichert, dass in einem nachfolgenden Schritt die Amperestunden berechnet werden können. Tatsächlich besitzt der Mikrocontroller IC0 die Steuerung des Zündens von Zündausschaltfällen des Thyristors TIR und kann somit das Verstreichen der Nachladezeit und somit die Menge der übertra genen Energie (die gleich der Zeitintegration des momentanen Ladestroms ist) berechnen.
Vorzugsweise stellt der Mikrocontroller IC0 außerdem eine Steuerung bereit, die zulässt, dass Temperatureffekte an dem Thyristor TIR kompensiert werden. Insbesondere anhand der Schaltung aus 2H (die Teil des Steuerblocks 2 aus 1 ist) ist ein mit der Temperatur veränderlicher Widerstand NTC vorgesehen, der als ein Teiler mit einem Widerstand verbunden ist, der in der Nähe des (nicht gezeigten) Transformators und des Thyristors TIR angeordnet ist. Der Teiler erzeugt eine zu der Temperatur proportionale Spannung, die an den Anschluss TEMP des IC0 gebracht wird. Der IC0 kann über den Anschluss FAN einen Lüfter steuern, der zulässt, dass sowohl der Transformator als aus der Thyristor TIR gekühlt wird.
Während des Nachladezyklus berechnet der Mikrocontroller IC0, im Wesentlichen über eine Zeitintegration des Ladestroms, den Amperestundenwert der in der Batterie gespeicherten Energie.
Insbesondere wird in jeder Sekunde der Wert des von dem Transistor TIR (wenn gezündet) an die Batterie übertragenen Stroms gemessen. Dieser Wert wird in einer Summe aufsummiert.
Bei Abschluss des Ladezyklus wird die Summe der in jeder Sekunde erfassten Stromwerte in Amperestunden, d. h. Ampere-Stunden, transformiert (d. h., der Summenwert, der in Ampere-Stunden dargestellt ist, wird durch 3600 dividiert) und bis zum Abschalten des Batterieladegeräts auf der Anzeige angezeigt.
Vorzugsweise wird der Thyristor TIR endgültig abgeschaltet (d. h. der Ladezyklus unterbrochen), wenn ein, möglicherweise durch einen Nutzer wählbarer, vorgegebener Spannungswert erreicht ist.
Auf der Grundlage der vorstehenden Beschreibung kann beobachtet werden, dass die Grundeigenschaften der vorliegenden Erfindung die des Ausführens einer synchronisierten Erfassung des Ladestroms (und möglicherweise des Entladestroms) einer Batterie und der Ladezeit (und möglicherweise der Entladezeit) einer Batterie sind.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass das Amperestundenmessgerät ebenfalls zur Messung der Anzahl der Amperestunden während der Entladung der Speicherbatterie angewendet werden kann und es somit möglich ist, den "energetischen Wirkungsgrad" der Speicherbatterie zu erfassen. Tatsächlich ist bekannt, dass der energetische Wirkungsgrad das "Verhältnis zwischen der während der Entladung erreichbaren elektrischen Energie (Wh) und der während der Ladung verbrauchten" ist. Somit ist dieser energetische Wirkungsgrad gleich dem Verhältnis Re = Wh₀/Wh₁, wobei Re der energetische Wirkungsgrad ist, Wh₀ die während der Entladung erreichbare elektrische Energie ist und Wh₁ die für die Nachladung benötigte elektrische Energie ist. Die Kenntnis des energetischen Wirkungsgrads Re (der bei jeder Nachladung aktualisiert wird, da er eine Funktion der Batteriealterung ist) ermöglicht, das effektive Wh₀ = Wh₁·Re zu erhalten, sodass es durch das Amperestundenmessgerät gemäß der Erfindung möglich ist, die effektive Menge des von einer Batterie erreichbaren Stroms zu messen, während die letztere immer mehr verwendet wird.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist äußerst zuverlässig, was sicherstellt: Schutz vor Kurzschluss und Polaritätswechsel an den Zangen BATT+ und BATT_ELETTRONICA- (oder BATT-), thermischen Schutz und automatischen Ladestopp.
Insbesondere findet der Schutz vor Kurzschluss der Zangen BATT+ und BATT_ELETTRONICA- und vor Polaritätswechsel (Verbindung der Zangen an umgekehrten Polaritäten der Batterie) durch den Thyristor statt, der beim Einschalten des Batterieladegeräts ausgeschaltet ist. Der Mikrocontroller IC0 erfasst zyklisch die Batteriespannung, wobei die Ausgangsschaltung ausgeschaltet bleibt, bis die Spannung null bleibt, wobei an der Ausgangszange keine Spannung vorhanden ist. Dasselbe tritt auf, falls bei dem positiven Element der Zange eine negative Spannung erfasst wird (d. h., falls die Ausgangszange umgekehrt mit den Batteriepolen verbunden sind) und die Ausgangsschaltung immer noch ausgeschaltet bleibt. Wenn der Mikrocontroller IC0 umgekehrt erfasst, dass die Ausgangszange richtig mit der Batterie verbunden worden ist, beginnt der Ladezyklus.
Der thermische Schutz kann die Unterbrechung des Ladezyklus (durch geeignetes Ansteuern des Thyristors TIR), bis die vorgegebene Grenztemperatur beständig ist, umfassen.
Außerdem kann der Mikrocontroller IC0 den Lüfter aktivieren, um die Leistungsschaltung zu kühlen, wenn ein vorgegebener Wert des durch den Thyristor TIR an die Batterie gelieferten Stroms überschritten wird.
Vorzugsweise kann der Ladezyklus ferner enden, falls der Nutzer durch einen äußeren Eingriff (z. B. Auswahl eines Schalters) entscheidet, die Batterieladung anzuhalten, oder falls eine, möglicherweise durch den Nutzer wählbare, maximale Ladezeit abläuft.
Der Gegenstand des Amperestundenmessgeräts der vorliegenden Erfindung, das zum Messen der in einer Batterie gespeicherten oder von einer Batterie ausgegeben Energie fähig ist, kann ebenfalls zum Erfassen der effektiven Restenergie in derselben Batterie verwendet werden. Tatsächlich ist es durch die Vorrichtung möglich, Wh₁, d. h. die während einer Ladung erreichbare elektrische Energie, und Wh₀, d. h. die während der entsprechenden Entladung erreichbare elektrische Energie, zu berechnen. Auf diese Weise wird der Batteriewirkungsgrad Re als Re = Wh₀/Wh₁ erhalten.
In dem nachfolgenden Ladezyklus t kann das Amperestundenmessgerät die neue Ladeenergie Wh_1t erfassen. Somit kann das Amperestundenmessgerät, während die Batterie in Verwendung ist, die vor der Entladung in dem Entladezyklus t von der Batterie entnommene elektrische Energie Wh_ut berechnen, und so das noch in der Batterie liegende Wh_int erhalten, Whint = Ret-1·Wh1t – Whut
Re_t-1 ist der energetische Wirkungsgrad des vorherigen Lade-Entlade-Zyklus t-1, während Wh_1t die während des letzten Ladeschritts in der Batterie 5 gespeicherte elektrische Energie ist. Offensichtlich wird der energetische Wirkungsgrad Re in jedem Lade-Entlade-Zyklus aktualisiert. Auf diese Weise ist es möglich, die Batterieverschlechterung mit der Zeit zu berücksichtigen, die dazu neigt, die Kapazität derselben zum Speichern von Energie während des Ladeschritts zu verringern.
Die vorliegende Erfindung ist veranschaulichend und nicht beschränkend gemäß ihren bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden, wobei der Fachmann auf dem Gebiet aber selbstverständlich Abwandlungen und/oder Änderungen vornehmen kann, ohne von dem wie in den beigefügten Ansprüchen definierten zugehörigen Schutzumfang abzuweichen.
IN DER BESCHREIBUNG ENTHALTENE QUERVERWEISE
Diese Auflistung der vom Anmelder gemachten Querverweise dient ausschließlich der praktischen Information des Lesers. Sie ist kein Bestandteil der europäischen Patentschrift. Trotz größtmöglicher Sorgfalt bei der Zusammenstellung der Referenzen können Fehler oder Auslassungen nicht ausgeschlossen werden, und das EPA lehnt jegliche Haftung in dieser Hinsicht ab.
In der Beschreibung genannte Patentschriften

• US 6501249 B1

Claims

Vorrichtung zum Messen von Batterieenergie, insbesondere während des Ladens/Entladens einer Batterie, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Zufuhrmittel (3), das dafür geeignet ist, mit einer Batterie (5) verbunden zu werden, um zu veranlassen, dass für eines oder mehrere Zeitintervalle elektrischer Strom in die/aus der Letzteren fließt, und ein Steuerungs- und Erfassungsmittel (2), das dafür geeignet ist, während einer Zeitperiode, die wenigstens einen Teil der einen oder mehreren Zeitintervalle umfasst, über eine Integration des in die/aus der Batterie (5) fließenden Stroms in der Zeitperiode die in der Batterie (5) gespeicherte Energie (5) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie unter Verwendung einer Zeitbasis berechnet wird, wobei der Strom periodisch abgetastet und mit einer Zeitdauer multipliziert wird, um mehrere Energiebeiträge zu erhalten, und wobei die Energie durch Summieren der Vielzahl von Energiebeiträgen berechnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) mindestens einen Mikrocontroller (IC0) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner ein Freigabemittel (4) umfasst, das durch das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) gesteuert wird und dafür geeignet ist, den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie (5) freizugeben oder zu sperren.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Freigabemittel (4) wenigstens einen Thyristor (TIR) umfasst, wobei das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) das Zünden und/oder das Ausschalten des wenigstens einen Thyristors (TIR) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zufuhrmittel (3) eine Leistungsversorgungseinheit (D1–D4) umfasst, die dafür geeignet ist, eine periodische Spannung zu liefern, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) eine Einheit (R1, R2, IC1-B) für die Erfassung der durch die Leistungsversorgungseinheit (D1–D4) gelieferten Spannung umfasst und dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) das Zünden und/oder das Ausschalten des mindestens einen Thyristors (TIR) auf der Grundlage der von der Leistungsversorgungseinheit (D1–D4) gelieferten erfassten Spannung steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) ein Mittel (IC1-A) zur Erfassung des in dem mindestens einen Thyristor (TIR) fließenden Stroms umfasst.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) ein akustisches und/oder optisches Signalisierungsmittel (6) steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das akustische und/oder optische Signalisierungsmittel (6) eine Anzeige umfasst.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrmittel (3) dafür geeignet sind, über Zangenmittel (BATT+, BATT_ELETTRONICA-) mit einer Batterie (5) verbunden zu werden, und dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) ein Mittel (R4, R5) zur Erfassung der wenigstens einen an die Zangenmittel (BATT+, BATT_ELETTRONICA-) angelegten Spannung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wenn abhängig von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) dafür geeignet ist, das Freigabemittel (4) so zu steuern, dass es den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie (5) sperrt, wenn es erfasst, dass die wenigstens eine angelegte Spannung nicht positiv ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wenn abhängig von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) dafür geeignet ist, das Freigabemittel (11) so zu steuern, dass es den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie (5) sperrt, wenn es erfasst, dass die wenigstens eine angelegte Spannung wenigstens einen entsprechenden Spannungsschwellenwert erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine entsprechende Spannungsschwellenwert durch einen Nutzer wählbar ist.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, wenn abhängig von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) ein durch einen Nutzer aktivierbares Unterbrechungsmittel umfasst, nach dessen Aktivierung das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) das Freigabemittel (4) so steuert, dass es den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie (5) sperrt.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, wenn abhängig von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) dafür geeignet ist, das Freigabemittel (4) so zu steuern, dass es den Fluss des Stroms in die/aus der Batterie (5) sperrt, wenn es erfasst, dass die Zeitperiode einen entsprechenden Zeitschwellenwert erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitschwellenwert durch einen Nutzer wählbar ist.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) dafür geeignet ist, für jeden Lade-Entlade-Zyklus t einen energetischen Wirkungsgrad Re_t der Batterie (5) zu erfassen, der gleich dem Verhältnis Ret = Wh0t/Wh1t ist, wobei Wh_0t die während einer Entladung der Batterie (5) in dem Zyklus t erreichbare Elektroenergie ist und Wh_1t die für eine Nachladung der Batterie (5) in dem Zyklus t benötigte Elektroenergie ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) dafür geeignet ist, während eines Entladungsschritts während des Zyklus t die Restelektroenergie Wh_int der Batterie (5) zu erfassen, die gleich Whint = Ret-1·Wh1t – Whut ist, wobei Re_t-1 der energetische Wirkungsgrad der Nachladung/Entladung der Batterie (5) während des vorherigen Zyklus t-1 ist, Wh_1t die Elektroenergie der Nachladung der Batterie (5) in dem Zyklus t ist und Wh_ut die während des Zyklus t von der Batterie (5) vor ihrer vollständigen Entladung erhaltene Elektroenergie ist.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, wenn abhängig von Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) ein Mittel (NTC) zur Erfassung der Temperatur des Freigabemittels (4) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) wenigstens einen Lüfter aktiviert, wenn es erfasst, dass die Temperatur einen ersten entsprechenden Temperaturschwellenwert erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) dafür geeignet ist, das Freigabemittel (4) so zu steuern, dass es den Fluss des Strom in die/aus der Batterie (5) sperrt, wenn es erfasst, dass die Temperatur einen zweiten entsprechenden Temperaturschwellenwert erreicht.
Vorrichtung nach einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungs- und Erfassungsmittel (2) mindestens einen Lüfter aktiviert, wenn es erfasst, dass der in die/aus der Batterie (5) fließende elektrische Strom einen entsprechenden Stromschwellenwert erreicht.