DE69225046T2

DE69225046T2 - Gerät zur Messung des internen Widerstandes von Batterien, besonders in Motorfahrzeugen

Info

Publication number: DE69225046T2
Application number: DE69225046T
Authority: DE
Inventors: Sergio Cannella; Alfonso Cesarano
Original assignee: Iveco Fiat SpA
Current assignee: Iveco SpA
Priority date: 1991-10-31
Filing date: 1992-10-30
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2012-10-31
Also published as: IT1250036B; ITTO910828A1; EP0544121B1; ES2115632T3; ITTO910828A0; DE69225046D1; EP0544121A1

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Innenwiderstandes von Batterien, insbesondere von Motorfahrzeugen des im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Typs.
Bekannterweise hängt der Innenwiderstand einer Batterie insbesondere von der Temperatur ab, dem Abnutzungszustand der Batterie und auch von der Dichte und dem Niveau des Elektrolyts, d.h. von dem Ladungszustand der Batterie. Er stellt daher einen wichtigen Paramter dar, der für die Diagnose der Batterie selbst verwendet werden kann. Dies führt zu dem Erfordernis, den Innenwiderstand einer Batterie auf eine einfache und verläßliche Weise zu messen.
Ein bekanntes Gerät zum Feststellen des Abnutzungszustandes von Batterien basierend auf ihrem Innenwiderstand umfaßt eine Schaltung, die mit der Batterie verbunden ist und die eine Ausgabespannung oder Strom proportional zum Innenwiderstand erzeugt. Der Wert der Ausgabespannung oder Stromes wird gemessen und mit Hilfe einer Nadelanzeige angezeigt, die kalibriert werden kann, so daß sie direkt den Abnutzungszustand der Batterie gemäß der Position der Nadel anzeigt. Solch eine bekannte Vorrichtung, die einen Knopf für ein manuelles Setzen der Temperatur der Batterie aufweist, um deren Auswirkung auf den Innenwiderstand zu kompensieren, ist dadurch nachteilig, daß sie es nicht erlaubt, den Wert des Widerstands direkt abzulesen, und insbesondere und darüber hinaus dadurch, daß sie keine gute Auflösung hat und Ablesefehlern unterliegt, die für diese Art von Vorrichtung typisch sind und die mit den Schwingungen der Nadel verbunden sind, die es verhindern, daß ein genauer Wert abgelesen werden kann.
Eine Vorrichtung des in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Typs ist in der US-A-3,731,189 offenbart, worin keine Vorrichtung bereitgestellt ist, um Oberflächenladungen zu entfernen, was die gemessenen Ergebnisse ändern kann.
Die Aufgabe dieser Erfindung umfaßt die Schaffung einer Vorrichtung zum Messen des Innenwiderstandes von Batterien, die die Probleme der bekannten Vorrichtung umgeht, und die den genauen Wert des Widerstandes an ihrer Ausgabe bereitstellt, der direkt angezeigt werden kann, ohne daß es erforderlich ist, daß Nadelinstrumente gelesen werden.
Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung bereitgestellt, um den Innenwiderstand von Batterien zu messen, insbesondere von Motorfahrzeugen, wie im Anspruch 1 beschrieben.
Für ein besseres Verstehen dieser Erfindung wird im folgenden ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben, ausschließlich auf dein Wege eines nicht beschränkenden Beispiels, mit Hilfe der begleitenden Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Schaltdiagramm der in der Vorrichtung von Fig. 3 verwendeten Schaltung zeigt;
Fig. 2 ein detaillierteres Schaltdiagramm dieser Schaltung zeigt;
Fig. 3 ein Blockdiagramm der Vorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, einschließlich der Schaltung aus Fig. 2; und
Fig. 4 ein Flußdiagramm zeigt, das die Berechnung des Innenwiderstandes betrifft.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltdiagramm einer Schaltung 10, die ein Teil dieser Meßvorrichtung darstellt, um das Prinzip zu veranschaulichen, auf dem die Erfindung basiert. Die Schaltung 10 aus Fig. 1 ist über die Anschlüsse 8 und 9 von einer Batterie 2 verbunden, deren Ersatzschaltung eine Serienverbindung eines ersten Erzeugers 5 einer Gleichspannung V&sub0;, eines zweiten Erzeugers 6 einer Spannung und eines Widerstandes 7 des Wertes RI enthaltend dargestellt ist; in diesem schematischen Diagramm stellt die Spannung V&sub0; das elektrochemische Potential dar (12 V ± 5%), und die Spannung Vp(t) ist der Spannungsabfall aufgrund von Oberflächenladungen; dieser Spannungsabfall ist positiv nach einem Laden und negativ nach einem Entladen der Batterie, verändert sich langsam mit der Zeit in bezug auf einen schnell wechselnden Spannungsanteil (100 Hz) und muß aufgrund von dynamischen Gründen als Null angesehen werden; zuletzt stellt der Widerstand RI den Innenwiderstand der Batterie dar, der nicht durch vorübergehende Polarisationsphänomene beeinflußt wird, aber invers proportional zur Fläche des Elementes und zur Kapazität (Dimensionen der Platten) ist und sich erhöht, wenn die Batterie entladen wird (durch Elektrolyse oder durch Sulfatbildung).
Die Schaltung 10 umfaßt eine Serienschaltung eines alternierenden 100 Hz Erzeugers des Wertes VG und einer bekannten stabilen Widerstandslast 12 des Wertes RL, die durch den Erzeuger 11 geschaltet wird.
Die folgende Beziehung ist für die Schaltung aus Fig. 1 gültig, wobei I(t) den Strom bezeichnet, der in der Batterie fließt:
Ableiten nach der Zeit ergibt:
was mit
unter dynamischen Bedingungen ergibt:
Die Substitution:
ergibt:
und eine Substition von (4) in (3) und Auflösen nach RI ergibt:
ein Substituieren von (5) in (6) ergibt:
Darüber hinaus, da VG = Vb = VL , (7) da auch als
geschrieben werden kann, ist daher:
Daraus folgt, daß es möglich ist, den Innenwiderstand der Batterie zu bestimmen, indem die Veränderung von Vb und VL erhalten wird, und mit einem genauen Wissen des Wertes RL.
Ein genaueres Schaltdiagramm der Schaltung 10 und der Komponenten, die dafür vorgesehen sind, die Veränderung von Vb und von VL zu erhalten (Meßvorrichtung 30), sind in Fig. 2 gezeigt und werden hiernach beschrieben.
In Fig. 2 wurden den Elementen, die gleich denen des vereinfachten Diagramms von Fig. 6 sind, die gleichen Bezugsziffern gegeben. Insbesondere ist die Batterie 2 wieder schematisch durch die Erzeuger 5 und 6 und durch den Widerstand 7 dargestellt. Die Last ist wieder durch den Widerstand 12 bestimmt; in Serie mit letzterem ist eine Parallelschaltung von zwei Armen vorgesehen: einer umfaßt den alternierenden Erzeuger 11 und der andere bestimmt einen Arm 15 , um Oberflächenladungen zu entfernen. Diese Arme sind somit zwischen einen Anschluß des Lastwiderstandes 12 und dem Batterieanschluß 9 zwischengeschaltet.
Im Detail umfaßt der Arm 11 einen ersten gesteuerten Schalter 20, der mit einem Steueranschluß 21 versehen ist und einen passenden Widerstand 22, gemeinsam in Serie geschaltet. Der Arm 15 umfaßt auf der anderen Seite einen zweiten gesteuerten Schalter 23, der mit einem Steueranschluß 24 versehen ist und einen Widerstand 25, die gemeinsam in Serie geschaltet sind. Die Schalter 20 und 23 umfassen vorzugsweise intelligente Leistungs- MOSFETs und sind auf solche Weise geschaltet, daß der Schalter 23 die Last 25 während der Messung immer verbunden hält, so daß immer ein Strom vorhanden ist, der Oberflächenladungen entfernt (und daher kann der Einfluß von Vp(t) vernachlässigt werden), während der Schalter 20 die passende Last 22 mit der erwünschten Frequenz schaltet, was im berücksichtigten Fall 100 Hz ist.
Die Vorrichtung 30 umfaßt auch eine Schaltung 40, um die Veränderung des Spannungsabfalls über der Last 12 zu messen, deren eine Seite mit dem Batterieanschluß 9 und deren andere Seite mit dem Zwischenanschluß 41 zwischen der Last 12 und den Armen 11, 15 verbunden ist, und eine Schaltung 42, um die Veränderung der Batteriespannung zu messen, die zwischen zwei Signalleitungen 43 und 44 verbunden ist, die an den Batteneanschlüssen 8 und 9 enden. Die Schaltungen 40 und 42 können z.B. durch die Kaskadenschaltung eines Operationsverstärkers gebildet werden, der die differentiellen Spannungen an seinem Ende bestimmt umfassend eine rechtwinklige Welle mit einer Frequenz gleich der Schaltfrequenz des Schalters 20 (100 Hz), und eine Take-Off- Stufe für den Spitze-zu-Spitze-Bereich. Die Ausgaben der Meßschaltungen 40 und 42 sind mit den jeweiligen Eingängen eines A/D-Wandlers 45 verbunden, der auch als ein Multiplexer arbeitet. Die Ausgabe des Wandlers 45 ist mit einer Leitung 50 verbunden (Fig. 3), um die Verarbeitungseinheit 51 abwechselnd mit den Werten VL und Vb zu versorgen; dies ermöglicht es daher der Einheit 51, den Wert des Innenwiderstandes RT basierend auf (9) zu berechnen, was erwünscht ist.
Wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Einheit 51 auch über eine eindirektionale Ausgabeleitung 52 mit der Meßschaltung 30 verbunden, um die Steuerpulse von den Schaltern 20 und 23 zu senden, wie auch über eine eindirektionale Ausgabeleitung 54 zu einer Anzeigeeinheit 53, um den Wert des berechneten Innenwiderstandes anzuzeigen. In Fig. 3 ist die Meßvorrichtung 30 als mit einem Paar von Leitungen 55 und 56 versehen gezeigt, die jede in einer jeweiligen Klammer 57 enden zum Verbinden mit den Ausgabeanschlüsse der Batterien 2.
Der Betrieb der veranschaulichten Vorrichtung wird nun mit Bezug auf Fig. 4 beschrieben, die sich auf das Flußdiagramm der durch die Einheit 51 bewirkten Phasen bezieht.
Eingangs (Block 60) erhält auf die oben beschriebene Weise die Einheit 51 über die Leitung 50 den Wert der durch die Einheit 42 gemessenen Veränderung der Spannung der Batterie Vb, dann erhält (Block 61) die gleiche Einheit 51 den durch die Einheit 40 gemessenen Wert der Veränderung der Spannung über der Last VL. Dann erhält die Einheit 51 den Wert des Widerstandes RL (gesteuert durch eine Speicherzuweisung, z.B. - Block 62) und berechnet zuletzt den Wert des Innenwiderstandes RI basierend auf (9) in bezug auf die Veränderung des Spannungsabfalls der Batterie und der Veränderung des Spannungsabfalls über der Last, parametrisiert mit bezug auf den Widerstand der Last (Block 63).
Die Vorteile, die von der beschriebenen Meßvorrichtung erhalten werden können, sind die folgenden. Zuallererst erlaubt die Vorrichtung 1 eine genaue Bestimmung des Wertes des Innenwiderstandes und ist auch in der Lage, den numerischen Wert über die Anzeigeeinheit bereitzustellen, ohne das Lesen eines Nadelinstrumentes zu erfordern. Darüber hinaus bewirkt die beschriebene Vorrichtung keine hohe Leistungsabstrahlung. In der Tat, mit einer Schaltung, bei der der Widerstand der Last 12 10 Ω ist, und die Widerstände 25 und 22 8,2 bzw. 50 Ω sind, ist es möglich, einen Strom I(t) zwischen 200 und 700 mA zu erhalten.
Darüber hinaus erfordert die Verwendung der Vorrichtung keine besondere Fähigkeit oder langwierige Betriebsvorgänge vom Bediener, da sie lediglich die Verbindung der Klammer 57 mit den Anschlüssen der Batterien erfordert; und zuletzt wird die Bestimmung der notwendigen Größen vollständig automatisch bewirkt. Weiterhin ist es mit der beschriebenen Vorrichtung möglich, die Auswirkung von Oberflächenladungen zu eliminieren, die das Ergebnis der Messung fälschen würden, womit der effektive Wert des Widerstandes der Last erhalten wird.
Die Schaltung zum Messen des Innenwiderstandes ist besonders einfach und hat daher eine hohe Zuverlässigkeit und verminderte Dimensionen und Kosten.
Zuletzt ist es klar, daß Modifikationen und Veränderungen an der beschriebenen und veranschaulichten Vorrichtung vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie sie durch die Ansprüche bestimmt ist. Insbesondere anstatt der Bezugnahme aller Betriebsvorgänge bezüglich der Steuerung des Schaltens der Schalter 20 und 22 auf die Einheit 51 ist es möglich, eine passende logische Schaltung vorzusehen. Darüber hinaus können anstatt des Bereitstellens der Einheiten 40 und 42 die digitalen Werte der Spannungen Vb und VL einfach durch die Meßvorrichtung 30 bestimmt werden und die Bestimmung deren Veränderung aufgrund des 100 Hz Schaltens kann mit Hilfe der Einheit 51 erwirkt werden.

Claims

1. Eine Vorrichtung zum Messen des Innenwiderstandes von Batterien, insbesondere von Motorfahrzeugen, mit den Anschlüssen (8, 9) einer Batterie (2) zu verbinden, umfassend:

einer Widerstandslast (12), die über die Anschlüsse (8, 9) der Batterie (2) über eine Schaltvorrichtung (11) zum Schalten der Last mit einer vorbestimmten Frequenz verbunden ist, wobei die Last einen vorbestimmten Widerstandswert (RL) aufweist und einen Lastspannungsabfall (VL) erzeugt, der mit der vorbestimmten Frequenz variabel ist;

eine Vorrichtung (40) zum Bestimmen der Veränderung des Lastspannungsabfalls;

eine Vorrichtung (42) zum Bestimmen der Veränderung des Batteriespannungsabfalls (Vb) über den Anschlüssen; und

eine Vorrichtung (51) zum Berechnen des Innenwiderstandes als des Verhältnisses zwischen der Veränderung des Batteriespannungsabfalls und der Veränderung des Lastspannungsabfalls, wobei das Verhältnis im Hinblick auf den Widerstandswert der Last parametrisiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Schaltung (15) einschließt, um Oberflächenladungen zu eliminieren, die beim Betrieb über den Anschlüssen (8, 9) der Batterie (2) verbunden sind.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsvorrichtung eine Verarbeitungseinheit (51) umfaßt, die mit einer Anzeigevorrichtung (53) für die digitale Darstellung des Innenwiderstandes verbunden ist.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung einen ersten Arm (11) umfaßt, der durch die Serienschaltung eines ersten gesteuerten Schalters (20) und eines ersten Widerstandes (22) gebildet ist, wobei der erste gesteuerte Schalter einen Steueranschluß (21) aufweist, um ein digitales Öffnen/Schließ-Steuersignal mit der vorbestimmten Frequenz zu empfangen.

4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zum Entfernen von Oberflächenladungen einen zweiten Arm (15) umfaßt, der parallel mit dem ersten Arm (11) verbunden ist und durch die Serienschaltung eines zweiten gesteuerten Schalters (23) und eines zweiten Widerstandes (25) gebildet ist, wobei der zweite gesteuerte Schalter einen Steueranschluß (24) aufweist, um ein Steuersignal zu empfangen, das den zweiten gesteuerten Schalter während der Bestimmung der Veränderungen des Spannungsabfalls über der Last und der Batterie geschlossen hält.

5. Eine Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite gesteuerte Schalter (20, 23) als Volltransistorschalter ausgebildet sind.

6. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (51) eine Mikroprozessorvorrichtung einschließt und daß die Vorrichtung zum Bestimmen der Veränderungen des Last- und Batteriespannungsabfalls jede einen jeweilgen Ausgang aufweist, der mit einem Analog/Digital- Wandlerelement (45) und mit einem Multiplexer, der einen mit der Mikroprozessoreinheit (51) verbundenen Ausgang aufweist, verbunden ist.