DE9321638U1 - Electronic battery tester with automatic compensation of a low state of charge - Google Patents
Electronic battery tester with automatic compensation of a low state of chargeInfo
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Description
Abzweigung aus EP 93 91 0920.3Branch from EP 93 91 0920.3
Champlin Keith,Champlin Keith,
u.Z.: F 1224 GM-DE/D &psgr; " ' SIEBERTSTR. 4uZ: F 1224 GM-DE/D &psgr; "' SIEBERTS STR. 4
Elektronischer Batterietester mit automatischer Kompensation eines niedrigen LadezustandsElectronic battery tester with automatic compensation of low charge level
Diese Erfindung betrifft ein elektronisches Meß- oder &iacgr;&ogr; Überwachungsgerät zur Bewertung der Fähigkeit einer Speicherbatterie, Strom an eine Last zu liefern. Insbesondere betrifft sie eine verbesserte Vorrichtung des bereits in den an Keith S. Champlin erteilten U.S. Patenten Nr. 3,873,911, 3,909,708, 4,816,768, 4,825,170, 4,881,038 und 4,912,416 offenbarten Typs.This invention relates to an electronic measuring or monitoring device for evaluating the ability of a storage battery to supply current to a load. More particularly, it relates to an improved device of the type previously disclosed in U.S. Patent Nos. 3,873,911, 3,909,708, 4,816,768, 4,825,170, 4,881,038 and 4,912,416, all issued to Keith S. Champlin.
Speicherbatterien werden in vielen Anwendungen eingesetzt, welche die Speicherung elektrischer Energie für eine spätere Nutzung erfordern. Am häufigsten sind sie in Motorfahrzeugen eingesetzt, welche Verbrennungsmotoren nutzen. In solchen Anwendungen wird die während des Motorbetriebs durch "Laden" der Batterie gespeicherte Energie später zur Versorgung von Lichtquellen, Radio und anderen elektrischen Geräten verwendet, wenn der Motor steht. Die schwerste Beanspruchung einer Batterie eines Motorfahrzeugs erfolgt üblicherweise durch den Anlassermotor. Ein Mißerfolg, den Anlassermotor mit ausreichender Leistung zum Anlassen des Fahrzeugmotors, insbesondere bei kaltem Wetter zu beliefern, ist oft das erste Anzeichen einer Batterieverschlechterung. Offensichtlich ist eine einfache Messung, welche genau die Fähigkeit der Batterie bewertet, genügend Anlaßleistung zu liefern, von beträchtlichen Wert.Storage batteries are used in many applications that require the storage of electrical energy for later use. They are most commonly used in motor vehicles that use internal combustion engines. In such applications, the energy stored during engine operation by "charging" the battery is later used to power lights, radio, and other electrical equipment when the engine is not running. The heaviest use of a motor vehicle battery is usually by the starter motor. Failure to supply the starter motor with sufficient power to start the vehicle engine, especially in cold weather, is often the first sign of battery degradation. Obviously, a simple measurement that accurately evaluates the battery's ability to provide sufficient cranking power is of considerable value.
Vor der Einführung des in der vorstehenden sechs aufgezählten U.S. Patenten offenbarten dynamischen Leitwerttest-Before the introduction of the dynamic conductance test disclosed in the above six U.S. patents,
verfahrens war das in den meisten Fällen zur Verfügung stehende Verfahren zur Bewertung der Fähigkeit einer Batterie, genügend Anlaßleistung zu liefern, der Standardlasttest. Dieser Test unterzieht eine Batterie einem starken Gleichstrom mit einem vorbestimmten Wert, der durch die Nennleistung der Batterie gegeben ist. Nach einem vorbestimmten Zeitintervall wird die Spannung der Batterie unter Last betrachtet. Ein "Bestehen" oder "Nicht-Bestehen" des Lasttests durch die Batterie wird dann abhängig davon angenommen, ob ihre Spannung &iacgr;&ogr; unter Last größer oder kleiner als ein spezieller Wert ist.procedure, the method available in most cases for evaluating the ability of a battery to provide sufficient cranking power was the standard load test. This test subjects a battery to a high direct current of a predetermined value given by the battery's rating. After a predetermined time interval, the battery's voltage under load is considered. The battery is then deemed to "pass" or "fail" the load test depending on whether its voltage γ under load is greater or less than a specified value.
Obwohl der Standardlasttest über viele Jahre in großem Umfang eingesetzt wurde, weist er einige ernsthafte Nachteile auf. Zu diesen zählen:Although the standard load test has been widely used for many years, it has some serious drawbacks. These include:
1. der Test zieht einen großen Strom und erfordert daher eine Vorrichtung, die schwer und unhandlich ist.1. The test draws a large current and therefore requires a device that is heavy and cumbersome.
2. Es kann eine erhebliche "Funkenbildung" auftreten, wenn die Testvorrichtung unter Lastbedingungen angeschlossen oder gelöst wird. Eine derartige "Funkenbildung" kann bei dem Vorhandensein von Batteriegasen eine Explosion mit der Möglichkeit einer ernsthaften Verletzung des Benutzers verursachen. 2. Considerable "sparking" may occur when the test fixture is connected or disconnected under load conditions. Such "sparking" may cause an explosion in the presence of battery gases with the possibility of serious injury to the user.
3. Ein Standardlasttest hinterläßt die Batterie in einem deutlich reduzierten Ladezustand und damit weniger fähig, den Motor anzulassen, als vor der Durchführung des Tests.3. A standard load test leaves the battery in a significantly reduced state of charge and therefore less capable of starting the engine than before the test was performed.
4. Die Batterieklemmenspannung sinkt mit der Zeit während der Durchführung des Lasttests. Demzufolge sind die Testergebnisse im allgemeinen ungenau und hängen oft von der Erfahrung der durchführenden Person ab.4. The battery terminal voltage will decrease over time while performing the load test. As a result, the test results are generally inaccurate and often depend on the experience of the person performing the test.
5. Die Lasttestergebnisse sind nicht wiederholbar, da der Test selbst die Batterie kurzzeitig polarisiert. Eine solche5. The load test results are not repeatable because the test itself temporarily polarizes the battery. Such
testinduzierte Polarisation ändert die Anfangsbedingungen aller anschließend durchgeführten Tests erheblich.Test-induced polarization significantly changes the initial conditions of all subsequent tests.
Eine praktische Alternative zu dem Standardlasttest wird in den vorstehend aufgezählten sechs U.S. Patenten gelehrt. Diese Dokumente offenbaren eine elektronische Vorrichtung zur genauen Bewertung eines Batteriezustands mittels Kleinsignal-Wechselstrommessungen ihres dynamischen Leitwerts. Sie lehren, daß der dynamische Leitwert einer Batterie direkt proportional zu ihrer dynamischen Leistung ist - der maximalenA practical alternative to the standard load test is taught in the six U.S. patents listed above. These documents disclose an electronic device for accurately evaluating a battery's condition using small-signal AC measurements of its dynamic conductance. They teach that the dynamic conductance of a battery is directly proportional to its dynamic power - the maximum
&iacgr;&ogr; Leistung, den die Batterie an eine Last liefern kann. Der dynamische Leitwert ist daher ein direktes Maß für die Fähigkeit einer Batterie, Anlaßleistung zu liefern. Im Vergleich zu dem Lasttestverfahren zur Batterieschätzung hat das Testverfahren des dynamischen Leitwerts viele Vorteile. Beispielsweise verwendet der dynamische Leitwerttest eine elektronische Vorrichtung, die klein und leicht ist, sehr wenig Strom zieht, und praktisch keine Funkenbildung bei der Verbindung oder Lösung erzeugt, die Batterie nicht signifikant entlädt oder polarisiert, und genaue, hoch reproduziere Testergebnisse liefert. Im Grunde haben Millionen über die Jahre durchgeführte Batteriemessungen vollständig diese Lehren bestätigt und die Richtigkeit dieses alternativen Tests bewiesen. &iacgr;&ogr; power that the battery can deliver to a load. Dynamic conductance is therefore a direct measure of a battery's ability to deliver cranking power. Compared to the load test method for battery estimation, the dynamic conductance test method has many advantages. For example, the dynamic conductance test uses an electronic device that is small and lightweight, draws very little current, produces virtually no sparking on connection or disconnection, does not significantly discharge or polarize the battery, and provides accurate, highly reproducible test results. In fact, millions of battery measurements taken over the years have fully confirmed these teachings and proven the accuracy of this alternative test.
Ein Nachteil des Testverfahrens des dynamischen Leitwerts bestand jedoch in der Tatsache, daß die Testergebnisse etwas von dem Ladezustand der Batterie abhängig sind. Demzufolge erforderten die Verfahren und die Vorrichtung in den ersten fünf von den vorstehend zitierten sechs U.S. Patenten im allgemeinen, daß die zu testende Batterie im wesentlichen voll geladen ist. Da viele Batterien in der Tat ziemlich entladen sind, wenn sie zum Austausch unter Garantie zurückgebracht werden, oder wenn sie anderweitig als fehlerhaft angesehenA disadvantage of the dynamic conductance test method, however, was the fact that the test results are somewhat dependent on the state of charge of the battery. Accordingly, the methods and apparatus in the first five of the six U.S. patents cited above generally required that the battery being tested be substantially fully charged. Since many batteries are in fact quite discharged when they are returned for warranty replacement or when they are otherwise deemed defective,
werden, war es bisher oft erforderlich, eine Batterie vor ihrem Test nachzuladen. Eine derartige Nachladung ist teuer und zeitaufwendig. Natürlich wäre ein einfaches Verfahren zur Durchführung genauer dynamischer Leitwerttests an Batterien, "so wie sie sind", - Batterien die nur teilweise geladen sein können - von erheblichen Nutzen.To date, it has often been necessary to recharge a battery before testing it. Such recharging is expensive and time consuming. Clearly, a simple method for performing accurate dynamic conductance tests on batteries "as is" - batteries that may only be partially charged - would be of considerable benefit.
Ein großer Fortschritt zur Lösung dieses Problems wurde durch die in dem sechsten vorstehend zitierten U.S. Patent US 4,912,416 offenbarten Verfahren und Vorrichtungen erzielt.A major advance in solving this problem has been made by the methods and apparatus disclosed in the sixth U.S. patent cited above, US 4,912,416.
&iacgr;&ogr; Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt, steht der Ladezustand einer Batterie in einer direkten Beziehung zu ihrer (unbelasteten) Leerlauf kleitimenspannung. Unter Nutzung dieser Tatsache wurde zusammen mit umfangreichen experimentellen Daten eine empirische Beziehung zwischen dem Ladezustand einer Batterie, reflektiert durch ihre Leerlaufspannung, und ihrem relativen dynamischen Leitwert, normiert auf ihren vollgeladenen Wert aufgestellt. *Diese empirische Beziehung wurde zuerst in dem U.S. Patent Nr. 4,912,416 offenbart. Ferner nutzten darin offenbarte Vorrichtungen diese empirisehe Beziehung zusammen mit Messungen der Leerlaufspannung, um Ablesewerte des dynamischen Leitwerts geeignet zu korrigieren - und somit Batteriebewertungen zu liefern, die im wesentlichen von dem Ladezustand der Batterie unabhängig sind.Î As is well known to those skilled in the art, the state of charge of a battery is directly related to its open circuit (unloaded) voltage. Utilizing this fact, along with extensive experimental data, an empirical relationship has been established between the state of charge of a battery, reflected by its open circuit voltage, and its relative dynamic conductance, normalized to its fully charged value. *This empirical relationship was first disclosed in U.S. Patent No. 4,912,416. Furthermore, devices disclosed therein utilized this empirical relationship, along with open circuit voltage measurements, to appropriately correct dynamic conductance readings - thus providing battery ratings that are substantially independent of the battery's state of charge.
Der in dem U.S. Patent Nr. 4,912,416 offenbarten Meßvorrichtung fehlte jede Form einer Verbindung zwischen einer Einrichtung für die Messung der Leerlaufspannung und der Einrichtung für die Korrektur der Ablesewerte des dynamischen Leitwerts. Demzufolge erforderte sie eine unbegueme Zwei-Schritt-Testprozedur unter Anwendung eines Zwischeneingriffs durch die ausführende Person. Zuerst wurde die Leerlaufspannung der Batterie gemessen. Anschließend stellte der Benutzer unter Verwendung der Ergebnisse der Spannungsmessung eine va-The measuring device disclosed in U.S. Patent No. 4,912,416 lacked any form of connection between a means for measuring the open circuit voltage and the means for correcting the dynamic conductance readings. Consequently, it required an inconvenient two-step test procedure using an intermediate operator intervention. First, the open circuit voltage of the battery was measured. Then, using the results of the voltage measurement, the user set a variable voltage.
riable Abschwächereinrichtung auf einen geeigneten Einstellwert. Zum Schluß wurde der dynamische Leitwert gemessen. Durch die zuvor eingestellte variable Abschwächereinrichtung, entsprach die den Benutzer letztlich angezeigte quantitative 5 oder qualitative Leitwertinformation der einer vollgeladenen Batterie selbst dann, wenn die Batterie während des Tests tatsächlich nur teilweise geladen war.ible attenuator to a suitable setting. Finally, the dynamic conductance was measured. Due to the previously set variable attenuator, the quantitative or qualitative conductance information ultimately displayed to the user corresponded to that of a fully charged battery, even if the battery was actually only partially charged during the test.
Das Problem des Ladezustands war somit im Prinzip durch die in dem U.S. Patent Nr. 4,912,416 gelehrten Verfahren undThe problem of the state of charge was thus in principle solved by the methods and
&iacgr;&ogr; Vorrichtungen gelöst. Die erforderliche Prozedur war jedoch etwas unbequem. Es war daher ziemlich offensichtlich, daß eine verbesserte Vorrichtung, welche eine automatische Ladezustandkorrektur erzeugt - eine Korrektur, die keinen Zwischeneingriff des Benutzers erfordert - sehr vorteilhaft wäre. Eine derart verbesserte elektronische Batterietestvorrichtung, welche eine automatische Kompensation eines niedrigen Ladezustands bereitstellt, ist hierin nachstehend offenbart.ββ devices. However, the procedure required was somewhat inconvenient. It was therefore quite obvious that an improved device which provides an automatic state of charge correction - a correction which does not require any intermediate intervention by the user - would be very advantageous. Such an improved electronic battery testing device which provides automatic compensation for a low state of charge is disclosed hereinafter.
Das vorstehend angeführte U.S. Patent Nr. 4,825,170 lehrt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Auswählen einer geeigneten Meßschaltung innerhalb eines auf dem dynamischen Leitwert beruhenden Batterietesters auf der Basis der nominalen (nicht der aktuellen) Klemmenspannung. D.h., es lehrt eine Vorrichtung, welche beispielsweise zwischen einer Batterie mit einer Spannungsgröße von 6V und einer Batterie mit einer Spannungsgröße von 12V unterscheidet, und dieses Batterie in einer geeigneten Weise für ihre besondere Größe testet. Obwohl die Auswahl der geeigneten Schaltung automatisch ist, kann die Spannungmeßschaltung nicht die tatsächliche Klemmenspannung der Batterie ermitteln. Sie reagiert nur darauf, ob die Spannung der Batterie größer oder kleiner als ein fester Schwellenwert ist. Somit ist anders als die hierinThe above-referenced U.S. Patent No. 4,825,170 teaches a method and apparatus for automatically selecting an appropriate measuring circuit within a dynamic conductance-based battery tester based on the nominal (not actual) terminal voltage. That is, it teaches an apparatus which, for example, distinguishes between a battery having a voltage rating of 6V and a battery having a voltage rating of 12V and tests that battery in a manner appropriate for its particular rating. Although the selection of the appropriate circuit is automatic, the voltage measuring circuit cannot determine the actual terminal voltage of the battery. It only responds to whether the voltage of the battery is greater or less than a fixed threshold. Thus, unlike the method described herein,
offenbarte Vorrichtung eine solche Vorrichtung nicht in der Lage, eine Ladezustandskorrektur zu implementieren.disclosed device, such a device is not capable of implementing a state of charge correction.
Die vorliegende Erfindung stellt ein elektronisches Gerät zum Testen einer elektrochemischen Zelle oder Batterie mit einem dynamischen Parameter, welcher der dynamische Leitwert oder der dynamische Widerstand ist, einer Leerlaufspannung und eines Ladezustands bereit, wobei das elektronische Gerät eine Einrichtung enthält, die elektrisch mit der Zelle oder &iacgr;&ogr; Batterie zum Messen der dynamischen Parameter verbunden ist, und eine Einrichtung, die elektrisch mit der Zelle oder Batterie zum Messen der Leerlaufspannung verbunden ist, wobei das elektronische Gerät ferner gekennzeichnet ist:The present invention provides an electronic device for testing an electrochemical cell or battery having a dynamic parameter which is dynamic conductance or dynamic resistance, an open circuit voltage and a state of charge, the electronic device comprising means electrically connected to the cell or battery for measuring the dynamic parameters and means electrically connected to the cell or battery for measuring the open circuit voltage, the electronic device further characterized by:
eine Korrektureinrichtung, die mit der Einrichtung zum Messen des dynamischen Parameters verbunden ist, und direkt elektrisch mit der Einrichtung zum Messen der Leerlaufspannung verbunden ist, wobei die Korrektureinrichtung dazu dient, auf die Leerlaufspannung durch Anpassen eines gemessenen, dynamischen Parameterwerts in Abhängigkeit von der Leerlaufspannung zu regieren, um einen Ladezustands-korrigierten dynamischen Parameterwert zu erhalten; unda correction device connected to the device for measuring the dynamic parameter and directly electrically connected to the device for measuring the open circuit voltage, the correction device serving to respond to the open circuit voltage by adjusting a measured dynamic parameter value depending on the open circuit voltage to obtain a state of charge-corrected dynamic parameter value; and
eine Einrichtung zum Anzeigen eines dem Ladezustandskorrigierten Parameterwert entsprechenden Testergebnisses. a device for displaying a test result corresponding to the state of charge corrected parameter value.
Es werden drei Ausführungsformen eines verbesserten elektronischen Geräts zum Testen und Überwachen von Speicherbatterien, die nur teilweise geladen sein können, offenbart. Die erste Ausführungsform nutzt eine Analogschaltung des in dem U.S. Patent Nr. 4,912,416 beschriebenen Typs, um den dynamischen Leitwert der Batterie zu messen. Dieser dynamische Leitwert wird automatisch bezüglich des Ladezustands durch einen nicht-linearen Korrekturverstärker korrigiert, derThree embodiments of an improved electronic device for testing and monitoring storage batteries which may be only partially charged are disclosed. The first embodiment uses an analog circuit of the type described in U.S. Patent No. 4,912,416 to measure the dynamic conductance of the battery. This dynamic conductance is automatically corrected for the state of charge by a non-linear correction amplifier which
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elektrisch direkt mit der Einrichtung zum Messen der Leerlaufklemmenspannung der Batterie verbunden ist. Die zweite Ausführungsform verwendet auch eine Analogschaltung zum Messen des dynamischen Leitwerts. In dieser Ausführungsform wird jedoch die Ladezustandkorrektur durch einen Mikroprozessor durchgeführt, der direkt elektrisch mit der Einrichtung zum Messen der Leerlaufklemmenspannung der Batterie verbunden ist. Die dritte Ausführungsform verwendet eine Analogschaltung zur Messung eines anderen dynamischen Parameters - denelectrically connected directly to the device for measuring the open circuit terminal voltage of the battery. The second embodiment also uses an analog circuit for measuring the dynamic conductance. However, in this embodiment, the state of charge correction is performed by a microprocessor which is electrically connected directly to the device for measuring the open circuit terminal voltage of the battery. The third embodiment uses an analog circuit for measuring another dynamic parameter - the
&iacgr;&ogr; dynamischen Widerstand der Batterie. Ein Mikroprozessor, der direkt elektrisch mit der Einrichtung für die Messung der Leerlaufklemmenspannung der Batterie verbunden ist, führt wiederum eine Ladezustandskorrektur aus. In der dritten Ausführungsform kann jedoch der Mikroprozessor den gemessenen dynamischen Widerstand mathematisch invertieren, um den dynamischen Leitwert zu erhalten, wenn ein zur Batterieleistung proportionales numerisches Ergebnis gewünscht ist. Wenn nur ein qualitatives ("Gut/Schlecht")-Ergebnis gewünscht ist, ist dieser letzte Schritt nicht erforderlich. Zwei gemeinsame Elemente verknüpfen die drei Ausführungsformen. Dieses sind: 1). Die Existenz einer direkten elektrischen Kopplung zwischen der Einrichtung für das Erfassen der Leerlaufspannung und der Einrichtung für die Korrektur des gemessenen dynamischen Parameters; und 2). Die Fähigkeit der Korrektureinrichtung, auf die gekoppelte Leerlaufspannung zu reagieren, indem der dynamische Parameters bezüglich des Ladezustands geeignet korrigiert wird. Bei jeder von den drei Ausführungsformen ermittelt das Gerät den dynamischen Kleinsignalleitwert der Batterie, um entweder ein proportionales numerisches Ergebnis, das in geeigneten Batteriemeßeinheiten angezeigt wird, oder eine entsprechende qualitative Bewertung des relativen Zustands der Batterie auf der Basis des dynamischen Leitwerts und der elektrischen Nennleistung zu erzeugen. Ohne zusätzli-Î dynamic resistance of the battery. A microprocessor, directly electrically connected to the means for measuring the open circuit terminal voltage of the battery, in turn performs a state of charge correction. In the third embodiment, however, the microprocessor can mathematically invert the measured dynamic resistance to obtain the dynamic conductance if a numerical result proportional to the battery performance is desired. If only a qualitative ("pass/fail") result is desired, this last step is not necessary. Two common elements link the three embodiments. These are: 1). The existence of a direct electrical coupling between the means for sensing the open circuit voltage and the means for correcting the measured dynamic parameter; and 2). The ability of the correction means to respond to the coupled open circuit voltage by appropriately correcting the dynamic parameter with respect to the state of charge. In each of the three embodiments, the device determines the dynamic small-signal conductance of the battery to produce either a proportional numerical result displayed in appropriate battery measurement units or a corresponding qualitative assessment of the relative condition of the battery based on the dynamic conductance and the electrical rating. Without additional
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chen Benutzereingriff mißt das Gerät auch die Batterieklemmenspannung in einem im wesentlichen unbelasteten Zustand und koppelt diese Information direkt elektrisch in eine geeignete Einrichtung zum Korrigieren der gemessenen dynamischen Leitwert für den Ladezustand ein. Durch diese automatische Korrektur entspricht die dem Benutzer angezeigte quantitative oder qualitative Information der einer vollgeladenen Batterie auch dann, wenn die Batterie tatsächlich nur teilweise geladen sein kann. Wenn der Batterieladezustand für die Durchführung einer genauen Bewertung zu niedrig ist, wird keine Information angezeigt. Statt dessen erfolgt eine Anzeige für den Benutzer, daß die Batterie vor dem Test geladen werden muß.With manual user intervention, the instrument also measures the battery terminal voltage in a substantially unloaded condition and electrically couples this information directly to a suitable means for correcting the measured dynamic conductance for state of charge. This automatic correction makes the quantitative or qualitative information presented to the user that of a fully charged battery even when the battery may actually be only partially charged. If the battery state of charge is too low to make an accurate assessment, no information is displayed. Instead, an indication is given to the user that the battery must be charged before the test.
Das elektronische Batterietest/Überwachungs-Gerät mit automatischer Kompensation bezüglich eines niedrigen Ladezustands kann dazu genutzt werden, entweder eine qualitative oder quantitative Bewertung einer großen Vielzahl auch anderer elktrochemischer Energiequellen als Bleisäurebatterien verwendet werden. Beispielsweise können einzelne elektrochemiche Zellen in einer Weise getestet oder überwacht werden, die mit der zum Testen oder Überwachen von Batterien in Reihen geschalteter Zellen identisch ist. Ferner kann die Erfindung durch die Verwendung geeigneter numerischer Korrekturfaktoren zum Testen oder Überwachen anderer elektrochemischer Energiequellen, wie z.B. Alkali-, Nickel-Kadmium-, oder Lithiumzellen und -Batterien verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist in großem Umfang für einen derartigen Test oder eine Überwachung von Energiequellen, aufgrund ihrer Einfachheit, ihrer Sicherheit, ihrer Genauigkeit ihrer leichten Anwendung und ihrer niedrigen Kosten anwendbar.The electronic battery tester/monitor with automatic low state of charge compensation can be used to provide either a qualitative or quantitative evaluation of a wide variety of electrochemical energy sources other than lead acid batteries. For example, individual electrochemical cells can be tested or monitored in a manner identical to that used to test or monitor batteries connected in series. Furthermore, by using appropriate numerical correction factors, the invention can be used to test or monitor other electrochemical energy sources such as alkaline, nickel-cadmium, or lithium cells and batteries. The present invention is widely applicable to such testing or monitoring of energy sources because of its simplicity, safety, accuracy, ease of use, and low cost.
In den Zeichnungen ist:In the drawings:
Fig. 1 das Thevenin'sehe Ersatzschaltbild einer Blei-Säure-Speicherbatterie mit ihrer Leerlaufspannung V0 und ihrem in Reihe geschaltetem Innenwiderstand Rx.Fig. 1 shows Thevenin's equivalent circuit of a lead-acid storage battery with its open circuit voltage V 0 and its series-connected internal resistance R x .
Fig. 2 eine empirische Auftragung des normierten dynamischen Leitwerts Gx gegenüber der Leerlaufspannung V0, welche die Korrelation mit Messungen zeigt, welche an vier unterschiedlichen Blei-Säure-Speicherbatterien darstellt, die unterschiedliche elektrische Nennleistungen aufw.eisen und von unterschiedlichen Herstellern gebaut wurden.Fig. 2 is an empirical plot of the normalized dynamic conductance G x versus the open circuit voltage V 0 , showing the correlation with measurements taken on four different lead-acid storage batteries having different electrical ratings and built by different manufacturers.
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines verbesserten elektronischen Batterietest/Überwachungs-Geräts, welches eine automatische Kompensation eines niedrigen Ladezustands gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anwendet.Fig. 3 is a simplified block diagram of an improved electronic battery tester/monitoring device employing automatic low state of charge compensation in accordance with a first embodiment of the present invention.
Fig. 4 eine graphische Auftragung des Ladezustand-Korrekturfaktors, der durch Ermittlung des Reziprokwerts der empirischen normierten dynamischen Leitwertkurve von Fig. 2 erhalten wird.Fig. 4 is a graphical representation of the state of charge correction factor obtained by determining the reciprocal of the empirical normalized dynamic conductance curve of Fig. 2.
Fig. 5 eine Auftragung einer stückweise lineare Vier-Segmente-Approximation der Korrekturfaktorkurve von Fig. 4, implementiert durch die in Fig. 6 offenbarte Korrekturverstärkerschaltung .Fig. 5 is a plot of a four-segment piecewise linear approximation of the correction factor curve of Fig. 4 implemented by the correction amplifier circuit disclosed in Fig. 6.
Fig. 6 ein Schaltbild einer Gleichstrom-Korrekturverstärker-Ausführungsform, welche die in Fig. 5 dargestellte stückweise lineare Vier-Segmente-Übertragungsfunktion realisiert.Fig. 6 is a circuit diagram of a DC correction amplifier embodiment which implements the four-segment piecewise linear transfer function shown in Fig. 5.
Fig. 7 ein komplettes Schaltbild eines verbesserten elektronischen Batterietest/Überwachungs-Geräts, mit automatischer Kompensation eines niedrigen Ladezustands, das zum Te-Fig. 7 is a complete circuit diagram of an improved electronic battery test/monitoring device, with automatic compensation of a low state of charge, which is used to test
••»•-10*- '"••»•-10*- '"
sten/Überwachen von 12 V Autobatterien gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist.ing/monitoring 12 V car batteries according to a first embodiment of the present invention.
Fig. 8 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines verbesserten elektronischen Batterietest/Überwachungs-Geräts mit automatischer Kompensation eines einen niedrigen Ladezustands.Fig. 8 is a simplified block diagram of a second embodiment of an improved electronic battery test/monitoring device with automatic compensation for a low state of charge.
Fig. 9 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines verbesserten elektronischen Batterietest/Überwachungs-Geräts mit automatischer Kompensation eines &iacgr;&ogr; niedrigen Ladezustands.Fig. 9 is a simplified block diagram of a third embodiment of an improved electronic battery tester/monitor with automatic low state of charge compensation.
In Fig. 1 ist das Thevenin'sehe Ersatzschaltbild einer Blei-Säure-Speicherbatterie dargestellt. In dieser Ersatzdarstellung wird die Batterie durch ihre Leerlaufspannung V0 und ihren in Reihe geschalteten Innenwiderstand Rx beschrieben.Fig. 1 shows Thevenin's equivalent circuit of a lead-acid storage battery. In this equivalent representation, the battery is described by its open circuit voltage V 0 and its internal resistance R x connected in series.
Wie bereits vollständig in den ersten fünf von den vorstehend zitierten sechs U.S. Patenten offenbart, vernachlässigt ein herkömmlicher dynamischer Leitwert-Batterietest einer vollgeladenen Batterie herkömmlicherweise die Leerlaufspannung V0. Statt dessen mißt die elektronische Testvorrichtung direkt den dynamischen Leitwert Gx = 1/Rx. Das Test/Überwachungsgerät liefert dann der bedienenden Person entweder eine numerische Anzeige, die in proportionalen Batteriemeßeinheiten (wie z.B. "Kaltstartampere", "Amperestunden" oder "Watt") angezeigt wird, oder andernfalls eine qualitative Anzeige ("Gut/Schlecht") auf der Basis eines Vergleichs des gemessenen Werts Gx mit einem entsprechenden Referenzwert, der von der elektrischen Nennleistung der Batterie und Temperatur bestimmt wird.As fully disclosed in the first five of the six U.S. patents cited above, a conventional dynamic conductance battery test of a fully charged battery typically neglects the open circuit voltage V 0 . Instead, the electronic test device directly measures the dynamic conductance G x = 1/R x . The test/monitor then provides the operator with either a numerical indication expressed in proportional battery measurement units (such as "cold cranking amps,""amp-hours," or "watts") or, otherwise, a qualitative indication ("Pass/Fail") based on a comparison of the measured G x value with a corresponding reference value determined by the battery's electrical rating and temperature.
Obwohl die Leerlaufspannung V0 normalerweise nicht bei dem dynamischen Leitwerttest vollgeladener Batterien verwen-Although the open circuit voltage V 0 is not normally used in the dynamic conductance test of fully charged batteries,
det wurde, wurde sie früher zur Bestimmung des Ladezustands verwendet. Wie dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt ist, steht der Ladezustand einer Batterie in direkter Beziehung zu ihrer (unbelasteten) Leerlaufklemmenspannung. Beispielsweise ist bekannt, daß bei Blei-Säure-Batterien für Autos mit einer Nominalspannung von 12 V die Leerlaufspannung von etwa 11,4 V für Batterien, die praktisch vollständig entladen sind, bis etwa 12,6 V für Batterien, die nahezu vollständig geladen sind, schwankt., it was previously used to determine the state of charge. As is well known to those skilled in the art, the state of charge of a battery is directly related to its (unloaded) open circuit terminal voltage. For example, in lead-acid automotive batteries with a nominal voltage of 12 V, the open circuit voltage is known to vary from about 11.4 V for batteries that are practically completely discharged to about 12.6 V for batteries that are almost fully charged.
&iacgr;&ogr; Fig. 2 stellt die beobachtete Beziehung zwischen dem normierten dynamischen Leitwert und der Leerlaufspannung dar, die auf eine große Klasse von Blei-Säure-Speicherbatterien von Autos zutrifft. Diese Information wurde ursprünglich in dem U.S. Patent Nr. 4,912,416 offenbart. Fig. 2 stellt einen empirischen Graphen des relativen dynamischen Leitwerts, normiert auf den vollständig geladenen Wert, Gx (V0)/Gx (12,6) , aufgetragen als eine Funktion der Leerlaufspannung V0 dar. Die in Fig. 2 aufgetragene, durchgezogene Kurve wird durch eine Polynomgleichung zweiter Ordnung beschrieben, welche Koeffizienten aufweist, welche für eine beste Übereinstimmung für die experimentellen Daten angepaßt sind. Die geeignet angepaßte Polynomgleichung lautet× Fig. 2 illustrates the observed relationship between normalized dynamic conductance and open circuit voltage applicable to a large class of automotive lead-acid storage batteries. This information was originally disclosed in U.S. Patent No. 4,912,416. Fig. 2 illustrates an empirical graph of the relative dynamic conductance normalized to the fully charged value, G x (V 0 )/G x (12.6) , plotted as a function of open circuit voltage V 0 . The solid curve plotted in Fig. 2 is described by a second order polynomial equation having coefficients fitted to best fit the experimental data. The appropriately fitted polynomial equation is
Gleichung 1:Equation 1:
=-{78,1963} +{12,3939 }F0 - {0,4848 }F0 2
)=-{78.1963} +{12.3939 }F 0 - {0.4848 }F 0 2
)
Fig. 2 offenbart auch normierte experimentelle Punkte, welche tatsächliche Messungen repräsentieren, die von vier unterschiedlichen Batterien mit unterschiedlichen elektrischen Nennleistungen und gebaut von unterschiedlichen Herstellern erzielt wurden. Die Batterien XMO, XMl und XM3 sind Sechs-Zellen-Batterien mit Nennspannungen von 12 Volt. DieFig. 2 also discloses standardized experimental points representing actual measurements obtained from four different batteries with different electrical ratings and built by different manufacturers. The batteries XMO, XMl and XM3 are six-cell batteries with nominal voltages of 12 volts. The
••"-12-••"-12-
Batterie XM2 ist eine Drei-Zellen-Batterie mit 6 Volt. Die LeerlaufSpannungsmeßwerte der Batterie XM2 wurden mit einem Faktor von 2 multipliziert, um XM2-Datenpunkte auf demselben Graphen wie dem der anderen drei Batterien aufzutragen. Man sieht, daß die von allen Batterien erzielten Messungen ziemlich gut mit der durch Gleichung 1 beschriebenen empirischen Beziehung übereinstimmen. Die Tatsache, daß dieselbe empirische Beziehung eine starke Korrelation mit experimentellen Daten zeigt, die sowohl von 6 Volt als auch von 12 Volt Batterien erhalten werden, zeigt, daß die in Fig. 2 offenbarte empirische Ladezustandskorrektur ziemlich universell ist, und tatsächlich eine fundamentale Eigenschaft einer Einzelzelle ist.Battery XM2 is a three-cell, 6-volt battery. The open circuit voltage readings of battery XM2 were multiplied by a factor of 2 to plot XM2 data points on the same graph as the other three batteries. It can be seen that the measurements obtained from all batteries agree quite well with the empirical relationship described by Equation 1. The fact that the same empirical relationship shows a strong correlation with experimental data obtained from both 6-volt and 12-volt batteries shows that the empirical state of charge correction disclosed in Figure 2 is quite universal, and is in fact a fundamental property of a single cell.
In Fig. 3 ist nun ein vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines verbesserten elektronischen Batterietest/Überwachungs-Geräts mit automatischer Kompensation eines niedrigen Ladezustands offenbart. Außer spezifischen Details, die mit der Schaltung für die automatische Kompensation eines niedrigen Ladezustands zu tun haben, ist die Erläuterung des Betriebs des Blockschaltbild von Fig. 3 identisch mit der des entsprechenden Blockschaltbilds, das in dem U.S. Patent Nr. 4,816,768 mit Fig. 1 bezeichnet ist.Referring now to Fig. 3, there is disclosed a simplified block diagram of a first embodiment of an improved electronic battery tester/monitor with automatic low state of charge compensation. Except for specific details relating to the automatic low state of charge compensation circuitry, the explanation of the operation of the block diagram of Fig. 3 is identical to that of the corresponding block diagram designated Fig. 1 in U.S. Patent No. 4,816,768.
Demzufolge werden Signale, welche das Signal am Ausgang 10 der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 repräsentieren, zu einem Eingang 20 der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 über zwei Rückkopplungspfade zurückgekoppelt; einen internen Rückkopplungspfad 14 und einen externen Rückkopplungspfad 16. Der interne Rückkopplungspfad 14 enthält ein Tiefpaßfilter (LPF) 18 und koppelt ein Signal direkt auf den Eingang 20 der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 zurück. Der Zweck des internen Rückkopplungspfads 14 und des Tiefpaßfilters 18 besteht in der Erzeugung einer starken Gleichspannungs-(DC) -Accordingly, signals representing the signal at the output 10 of the high gain amplifier cascade 12 are fed back to an input 20 of the high gain amplifier cascade 12 via two feedback paths; an internal feedback path 14 and an external feedback path 16. The internal feedback path 14 includes a low pass filter (LPF) 18 and feeds a signal directly back to the input 20 of the high gain amplifier cascade 12. The purpose of the internal feedback path 14 and the low pass filter 18 is to generate a strong direct current (DC)
Gegenkopplung aber einer relativ schwachen Wechselspannungs-(AC)-Rückkopplung, um den Arbeitspunkt der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 zu definieren, und deren DC-Stabilität ohne merkliche Reduzierung ihrer AC-Spannungsverstärkung sicherzustellen. Der externe Rückkopplungspfad 16 enthält ein Widerstandsnetzwerk 22 und koppelt ein Signalstrom auf die dem Test unterzogene Batterie 24 zurück. Die Summierschaltung 2 6 kombiniert die sich ergebende Signalspannung 28, die dadurch über der Batterie 24 erzeugt wird, mit einer periodisehen Rechteckwellen-Signalspannung 30.Negative feedback but relatively weak alternating voltage (AC) feedback to define the operating point of the high gain amplifier cascade 12 and to ensure its DC stability without appreciably reducing its AC voltage gain. The external feedback path 16 includes a resistor network 22 and feeds a signal current back to the battery 24 under test. The summing circuit 26 combines the resulting signal voltage 28 thereby generated across the battery 24 with a periodic square wave signal voltage 30.
In der in Fig. 3 offenbarten Ausführungsform wird die periodische Rechteckwellen-Signalspannung 30 durch den Betrieb eines Oszillators 32, eines Zerhackerschalters 34 und eines Korrekturverstärkers (Cor Amp) 36 erzeugt. Die Oszillationsfrequenz des Oszillators kann beispielsweise 100 Hz betragen. Die an den Eingang 38 des DC-Korrekturverstärkers 36 ist die DC-Klemmenspannung der Batterie 24. Aufgrund der Tatsache, daß die in Fig. 3 dargestellte elektronische Vorrichtung nur einen sehr geringen Laststrom aus der Batterie zieht, ist diese Klemmenspannung im wesentlichen die (unbelastete) Leerlaufklemmenspannung V0. Das Ausgangssignal 40 des DC-Korrektur-Verstärkers 36 ist eine von V0 abgeleitete DC-Spannung mit einem Spannungspegel, der invers auf die V0 bezogen ist, und somit invers auf den Ladezustand der Batterie 24. Diese abgeleitete DC-Spannung 40 wird wiederholt von dem Zerhackerschalter 34 unterbrochen, dessen Steuereingang 42 von dem Ausgangssignal des Oszillators 32 aktiviert wird. Die unterbrochene DC-Spannung weist somit eine periodische Rechteckwellen-Signalspannung 30 mit einer Spannungsamplitude auf, die in einer inversen Beziehung zu V0 steht, und somit in einer inversen Beziehung zu dem Ladezustand der Batterie 24 steht. Diese Signalspannung 30 wird der Summationsschaltung 26 zusammen mit der über der Batterie 24 entwickelten Signal-In the embodiment disclosed in Fig. 3, the periodic square wave signal voltage 30 is generated by the operation of an oscillator 32, a chopper switch 34 and a correction amplifier (Cor Amp) 36. The oscillation frequency of the oscillator may be, for example, 100 Hz. The voltage applied to the input 38 of the DC correction amplifier 36 is the DC terminal voltage of the battery 24. Due to the fact that the electronic device shown in Fig. 3 draws only a very small load current from the battery, this terminal voltage is essentially the open circuit (unloaded) terminal voltage V 0 . The output signal 40 of the DC correction amplifier 36 is a DC voltage derived from V 0 with a voltage level that is inversely related to V 0 and thus inversely related to the state of charge of the battery 24. This derived DC voltage 40 is repeatedly interrupted by the chopper switch 34, whose control input 42 is activated by the output signal of the oscillator 32. The interrupted DC voltage thus comprises a periodic square wave signal voltage 30 with a voltage amplitude that is inversely related to V 0 and thus inversely related to the state of charge of the battery 24. This signal voltage 30 is applied to the summation circuit 26 together with the signal developed across the battery 24.
spannung 28 präsentiert. Die sich ergebende zusammengesetzte Signalspannung 4 4 an dem Ausgang der Summationsschaltung 2 6 wird dann kapazitiv auf den Eingang 20 der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 mittels eines kapazitiv koppelnden Netzwerks 46 eingekoppelt.voltage 28. The resulting composite signal voltage 4 4 at the output of the summation circuit 2 6 is then capacitively coupled to the input 20 of the high-gain amplifier cascade 12 by means of a capacitive coupling network 46.
Wie bereits vollständig in U.S. Patent Nr. 4,816,768 erläutert wurde, weist die Spannung am Ausgang 10 der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 eine konstante DC-Vorspannungskomponente zusammen mit einer AC-Signalkomponente auf,As already fully explained in U.S. Patent No. 4,816,768, the voltage at the output 10 of the high gain amplifier cascade 12 comprises a constant DC bias component together with an AC signal component,
&iacgr;&ogr; die proportional zu den dynamischen Leitwert Gx der getesteten Batterie 24 sowie zu dem Pegel der Rechteck-Signalspannung 30 ist. Die konstante DC-Vorspannungskomponente wird ignoriert, während die variable AC-Signalkomponente detektiert und genau in eine DC-Signalspannung durch einen Synchrondetektors 48 umgewandelt wird, der mit dem Oszillator 32 mittels eines Synchronisationspfads 50 synchronisiert ist .σ which is proportional to the dynamic conductance G x of the battery 24 under test as well as to the level of the square wave signal voltage 30. The constant DC bias component is ignored while the variable AC signal component is detected and accurately converted to a DC signal voltage by a synchronous detector 48 which is synchronized to the oscillator 32 by means of a synchronization path 50.
Die DC-Signalspannung am Ausgang 52 des Synchrondetektors 48 passiert das einstellbare Netzwerk 54 zu dem Eingang des DC-gekoppelten Operationsverstärkers 56. Der Rückkoppelungspfad 58 des Operationsverstärkers 56 enthält ein DC-Milliamperemeter 60. Demzufolge ist die Anzeige des DC-Milliamperemeters 60 proportional zu dem DC-Signalspannungspegel am Ausgang 52 des Synchrondetektors 4 8 und somit zu dem dynamischen Leitwert Gx der Batterie 24. Zusätzlich ist die Proportionalitätskonstante bezüglich des Gx anzeigenden MiI-liamperemeters durch den Wert bestimmt, der von dem einstellbaren Widerstandsnetzwerks 54 angenommen wird, sowie von dem Pegel der Signalspannung bei 30 - und somit durch den Ladezustand der Batterie der durch deren unbelastete DC-Klemmenspannung V0 dargestellt wird.The DC signal voltage at the output 52 of the synchronous detector 48 passes through the adjustable network 54 to the input of the DC coupled operational amplifier 56. The feedback path 58 of the operational amplifier 56 includes a DC milliammeter 60. Accordingly, the reading of the DC milliammeter 60 is proportional to the DC signal voltage level at the output 52 of the synchronous detector 48 and hence to the dynamic conductance G x of the battery 24. In addition, the proportionality constant with respect to the milliammeter reading G x is determined by the value assumed by the adjustable resistor network 54 and the level of the signal voltage at 30 - and hence by the state of charge of the battery which is represented by its unloaded DC terminal voltage V 0 .
Durch die Verwendung eines geeignet festgelegten Widerstandwerts in dem Widerstandsnetzwerk 54 und dann durch Kali-By using a suitably set resistance value in the resistor network 54 and then by potassium
• ··
brierung des Milliamperemeters 60 in Batteriemeßeinheitszahlen, die proportional zu dem dynamischen Leitwert der Batterie sind, emuliert die in Fig. 3 offenbarte Ausführungsform den in U.S. Patent Nr. 3,873,911 offenbarten direkt anzeigenden Batterietester. Zusätzlich ist, wie vollständig in dem U.S. Patent Nr. 4,816,768 gelehrt, der Widerstandswert des Widerstandsnetzwerks 54, welcher die Anzeige des DC-Milliampereremeters 60 auf einen spezifischen festgelegten Wert bringt, direkt proportional zu dem dynamischen Leitwert der Batterie 24. Somit emuliert durch Kalibrierung des Widerstandsnetzwerks 54 in herkömmlichen Batterieleistungseinheiten und dann durch Zuweisung von "Gut"- und "Schlecht"- Bereichen auf der Skala des Milliamperemeters, die in Fig. 3 offenbarte Ausführungsform auch die in dem U.S. Patent Nr.3 emulates the direct reading battery tester disclosed in U.S. Patent No. 3,873,911. In addition, as fully taught in U.S. Patent No. 4,816,768, the resistance of the resistor network 54 which drives the reading of the DC milliammeter 60 to a specific set value is directly proportional to the dynamic conductance of the battery 24. Thus, by calibrating the resistor network 54 in conventional battery power units and then assigning "pass" and "fail" ranges on the scale of the milliammeter, the embodiment disclosed in FIG. 3 also emulates the direct reading battery tester disclosed in U.S. Patent No.
3,909,708 offenbarte "Gut-Schlechf'-Batterietestvorrichtung. Ferner kann man einen Schalter verwenden, um entweder ein Netzwerk 54 mit festen Werten oder ein Netzwerk 54 mit einstellbaren Werten auswählen und kann sowohl eine Zahlenskala als auch "Gut-Schlecht"-Bereiche auf der Anzeige des Milliamperemeters anordnen. Man kann daher sowohl einen Direktanzeige-Batterietester als auch einen "Gut-Schlecht"-Batterietester mit nur einem Gerät realisieren.3,909,708. Furthermore, one can use a switch to select either a fixed value network 54 or an adjustable value network 54 and can arrange both a numerical scale and "good-bad" ranges on the display of the milliammeter. One can therefore realize both a direct display battery tester and a "good-bad" battery tester with only one device.
Für jede Emulation ist die Amplitude des detektierten Signals am Ausgang 52 des Synchrondetektors 48 direkt proportional zu der Amplitude des Rechteckwellensignals 30 an dem Ausgang des Zerhackerschalters 34. Somit werden sowohl der Pegel der während des Direktablesevorgangs angezeigten numerischen Größe, sowie die während des "Gut/Schlecht"-Betriebs bereitgestellte relative qualitative Bewertung von dem Ladezustand der Batterie dargestellt durch deren unbelastete Klemmenspannung V0 beeinflußt. Damit die dargestellte Information von dem Batterieladezustand unbeeinflußt ist, ist es erforderlich, daß Vout, die DC-Ausgangsspannung bei 4 0 am Kor-For each emulation, the amplitude of the detected signal at the output 52 of the synchronous detector 48 is directly proportional to the amplitude of the square wave signal 30 at the output of the chopper switch 34. Thus, both the level of the numerical quantity displayed during the direct reading operation and the relative qualitative rating provided during the "Pass/Fail" operation are affected by the state of charge of the battery represented by its unloaded terminal voltage V 0 . In order for the information displayed to be unaffected by the battery state of charge, it is necessary that V out , the DC output voltage at 4 0 on the cor-
—16 ——16 —
rekturverstärker 36 zu dem Reziprokwert von Gx(V0) proportional ist. Unter diesen Umständen kann Vout geschrieben werden als:rectification amplifier 36 is proportional to the reciprocal of G x (V 0 ). Under these circumstances, V ou t can be written as:
Gleichung 2:Equation 2:
Vout(V0) = V0Ut (12, 6) x F(V0)V out (V 0 ) = V 0 Ut (12, 6) x F(V 0 )
wobei:
Gleichung 3:where:
Equation 3:
GX(U,6) Gx(V0) G X (U,6) G x (V 0 )
ein geeigneter in dem Korrekturverstärker 36- eingespeister Ladezustandskorrekturfaktor ist. Eine Umformung von Gleichung 2 führt zu:is a suitable state of charge correction factor fed into the correction amplifier 36. A transformation of equation 2 leads to:
Gleichung 4:Equation 4:
F(V0) =F(V 0 ) =
Vout(12,6)V out (12.6)
welche zeigt, daß F(V0) einfach als die DC-Ausgangsspannung des Verstärkers 38 normiert auf die mit einer vollgeladenen Batterie erhaltene DC-Ausgangsspannung betrachtet werden kann; d.h., für eine Batterie, bei welcher V0 = 12,6 V ist.which shows that F(V 0 ) can be considered simply as the DC output voltage of amplifier 38 normalized to the DC output voltage obtained with a fully charged battery; ie, for a battery where V 0 = 12.6 V.
Zusätzlich zu der Erzeugung eines DC-Ausgangssignals 40 liefert der Korrekturverstärker 36 auch ein "Zerhackersperr"-Ausgangssignal 62 und ein LED-Ausgangssignal 64. Diese zwei zusätzlichen Ausgangssignale werden aktiviert, sobald die Klemmenspannung V0 der Batterie und somit ihr Ladezustand zu klein für die Ausführung eines genauen dynamischen Leitwerttests ist. Unter diesen speziellen Bedingungen wird der Zerhackerschalter 34 gesperrt, so daß keine qualitative oder quantitative Information dem Benutzer angezeigt wird. StattIn addition to producing a DC output signal 40, the correction amplifier 36 also provides a "chopper lock" output signal 62 and an LED output signal 64. These two additional output signals are activated when the battery terminal voltage V 0 and thus its state of charge is too low to perform an accurate dynamic conductance test. Under these special conditions, the chopper switch 34 is locked so that no qualitative or quantitative information is displayed to the user. Instead of
dessen leuchtet die LED 66, um dem Benutzer anzuzeigen, daß die Batterie nachgeladen werden muß, bevor sie getestet werden kann.LED 66 will light up to indicate to the user that the battery must be recharged before it can be tested.
Fig. 4 stellt eine graphische Auftragung des Ladezustand-Korrekturfaktors F(V0) dar, der durch Bilden des Reziprokwerts der in Fig. 2 dargestellten empirischen Kurve von [Gx (V0)/Gx (12,6)] erhalten wird. Eine stückweise Approximation in vier Segmenten für' diese empirische Kurve ist in Fig. 5 offenbart. Die Parameter, welche die vier Knickpunkte dieser stückweise linearen Approximation spezifizieren, sind in Tabelle 1 aufgelistet.Fig. 4 is a graphical plot of the state of charge correction factor F(V 0 ) obtained by taking the reciprocal of the empirical curve of [G x (V 0 )/G x (12,6)] shown in Fig. 2. A four-segment piecewise approximation for this empirical curve is disclosed in Fig. 5. The parameters specifying the four breakpoints of this piecewise linear approximation are listed in Table 1.
TARF.T.T.E T
PARAMETER JDER STfTPKWKTSE T.TNEARF.N APPROXIMATION TARF.TTE T
PARAMETERS OF EACH STfTPKWKTSE T.TNEARF.N APPROXIMATION
Die stückweise lineare Eingangs/Ausgangs-Beziehung von Fig. 5 wird durch die Übertragungsfunktion der in Fig. 6 offenbarten Ausführungsform einer DC-Korrekturverstärkerschaltung implementiert. Gemäß Fig. 6 weist der insgesamt in dem Block 36 enthaltene DC-Korrekturverstärker eine Schaltung von vier Operationsverstärkern 70, 92, 74 und 76 zusammen mit einem Komparator 78 auf. Die Schaltungseingangsleitung 38 stellt eine Verbindung zu der positiven Anschlußklemme der getesteten Batterie 24 her, während die negative Batterieanschlußklemme auf Masse liegt. Aufgrund der Tatsache, daß nur sehr wenig Strom aus der Batterie 24 gezogen wird, ist dieThe piecewise linear input/output relationship of Fig. 5 is implemented by the transfer function of the embodiment of a DC correction amplifier circuit disclosed in Fig. 6. Referring to Fig. 6, the DC correction amplifier contained in block 36 comprises a circuit of four operational amplifiers 70, 92, 74 and 76 together with a comparator 78. The circuit input line 38 connects to the positive terminal of the battery 24 under test, while the negative battery terminal is grounded. Due to the fact that very little current is drawn from the battery 24, the
Schaltungseingangsspannung bei 38, Vin, gemessen in Bezug auf Masse im wesentlichen gleich der Leerlaufklemmenspannung V0.Circuit input voltage at 38, Vi n , measured with respect to ground, is substantially equal to the open circuit terminal voltage V 0 .
Innerhalb der in Fig. 6 offenbarten DC-Korrekturverstärkerschaltung wird eine konstante Referenzspannung VR mittels einer Spannungsreferenzdiode 80 erzeugt, welche ihren Betriebsstrom durch einen Serienwiderstand 82 empfängt. Die Referenzspannung VR kann beispielsweise 2,5 V betragen. Die VR wird ferner an einer aus Widerständen 84, 86, 88 und 90 bestehenden Spannungsteilerkette betrieben. Demzufolge ist derWithin the DC correction amplifier circuit disclosed in Fig. 6, a constant reference voltage V R is generated by means of a voltage reference diode 80, which receives its operating current through a series resistor 82. The reference voltage V R can be, for example, 2.5 V. The V R is also operated on a voltage divider chain consisting of resistors 84, 86, 88 and 90. Accordingly, the
&iacgr;&ogr; an die nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 70, 72 angelegte Spannungspegel VR, während zunehmend kleinere Anteile der Referenzspannung VR an den nicht-invertierenden Eingängen der Operationsverstärker 74, 60 und an den invertierenden Eingang des Komparators 7 8 angelegt sind.β voltage levels V R applied to the non-inverting inputs of the operational amplifiers 70, 72, while increasingly smaller portions of the reference voltage V R are applied to the non-inverting inputs of the operational amplifiers 74, 60 and to the inverting input of the comparator 78.
Zusätzlich zu diesen festgelegten Spannungspegeln wird eine variable Spannung Vx, die proportional zur Batteriespannung V0 ist, von Vin mittels Spannungsteilerwiderständen 92 und 94 abgeleitet. Diese variable Spannung ist direkt an den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 78 und an die invertierenden Eingänge der Operationsverstärker 72, 74 und 76 über Widerstände 98, 102 und 106 angelegt.In addition to these fixed voltage levels, a variable voltage V x , proportional to battery voltage V 0 , is derived from V in by means of voltage divider resistors 92 and 94. This variable voltage is applied directly to the non-inverting input of comparator 78 and to the inverting inputs of operational amplifiers 72, 74 and 76 through resistors 98, 102 and 106.
Die Ausgänge der vier Operationsverstärker 70, 72, 74 und 76 sind über vier Dioden 108, 110, 112 und 114 mit einem gemeinsamen Bus Vout verbunden. Wegen des Betriebs der vier Dioden ist nur einer von den Operationsverstärkern zu irgendeinem beliebig gegebenen Zeitpunkt aktiv - der Verstärker mit der größten (höchsten positiven) Ausgangsspannung. Nur dieser Operationsverstärker wird mit dem Ausgangsbus verbunden und steuert somit die Ausgangsspannung Vout . Die anderen drei Operationsverstärker, diejenigen welche kleinere Ausgangsspannungen aufweisen, werden von dem Ausgangsbus dadurch abge-The outputs of the four operational amplifiers 70, 72, 74 and 76 are connected to a common bus V out via four diodes 108, 110, 112 and 114. Due to the operation of the four diodes, only one of the operational amplifiers is active at any given time - the amplifier with the largest (highest positive) output voltage. Only this operational amplifier is connected to the output bus and thus controls the output voltage V out . The other three operational amplifiers, those which have smaller output voltages, are thereby disconnected from the output bus.
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trennt, daß sie rückwärts vorgespannte Dioden in ihren Ausgangskreisen aufweisen.by having reverse biased diodes in their output circuits.
Der Operationsverstärker 70 ist mit seinen invertierenden Eingang direkt mit dem Ausgangsbus verbunden, und ist daher als ein Spannungsfolger konfiguriert, der mit einer Verstärkungsfaktor von 1 die Referenzspannung von VR verstärkt. Die anderen drei Operationsverstärker 72, 74 und 76 verwenden Rückkopplungswiderstände und sind als invertierende Verstärker konfiguriert; wobei jeder die variable Spannung Vx verstärkt; und jeder eine negative inkrementelle Spannungsverstärkung erzeugt, welche jeweils durch das entsprechende Wiederstandsverhältnis {R(96)/R(98)}, {R(100)/R(102)}, {R(104)/R(106)} gegeben ist.The operational amplifier 70 has its inverting input connected directly to the output bus, and is therefore configured as a voltage follower amplifying with a gain of 1 the reference voltage of V R . The other three operational amplifiers 72, 74 and 76 use feedback resistors and are configured as inverting amplifiers; each amplifying the variable voltage V x ; and each producing a negative incremental voltage gain given by the corresponding resistance ratio {R(96)/R(98)}, {R(100)/R(102)}, {R(104)/R(106)}, respectively.
Die Schaltung von Fig. 6 funktioniert wie folgt: Für Vin > VA = 12,6 V ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 70 größer als die Ausgangsspannungen der anderen drei Operationsverstärker. Demzufolge wird er Ausgangsbus durch den Spannungsfolger 70 mit der Verstärkung 1 kontrolliert, so daß V0Ut = VR ist. Dieser Bereich einer konstanten Ausgangsspannung wird durch das Segment 1 in der in Fig. 5 dargestellten stückweise linearen Übertragungsfunktion dargestellt. The circuit of Fig. 6 operates as follows: For V in > V A = 12.6 V, the output voltage of op-amp 70 is greater than the output voltages of the other three op-amps. Consequently, the output bus is controlled by voltage follower 70 with a gain of unity so that V 0 Ut = V R This region of constant output voltage is represented by segment 1 in the piecewise linear transfer function shown in Fig. 5.
Wenn Vin auf VA = 12,6 V abgefallen ist, ist Vx ausreichend kleiner als VR geworden, so daß die Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers 72 gleich dem des Verstärkers 70 ist. Somit wird für Vin < VA die Diode 108 rückwärts vorgespannt während die Diode 110 vorwärts vorgespannt wird, und damit der Verstärker 72 den Ausgangsbus kontrolliert. Aufgrund der Verstärkung des invertierenden Verstärkers 72 bewirkt ein weiteres Absinken von Vin einen Anstieg von Vout mit einer inkrementellen Verstärkung oder "Steigung" von
{R(96)/R(98)} . Dieser Bereich der Verstärkung, welcher bis Vin ist gleich V3 anhält, wird von dem Segment 2 in Fig. 5 darge-When V in has dropped to V A = 12.6 V, V x has become sufficiently less than V R so that the output voltage of the inverting amplifier 72 is equal to that of the amplifier 70. Thus, for Vi n < V A, the diode 108 is reverse biased while the diode 110 is forward biased, and the amplifier 72 controls the output bus. Due to the gain of the inverting amplifier 72, a further decrease in Vi n causes V ou t to rise with an incremental gain or "slope" of
{R(96)/R(98)} . This range of amplification, which lasts until V in is equal to V 3 , is represented by segment 2 in Fig. 5.
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'-2(3-'-2(3-
gleich VB anhält, wird von dem Segment 2 in Fig. 5 dargestellt. equal to V B is represented by segment 2 in Fig. 5.
Wenn Vin auf VB abgesunken ist, ist Vx ausreichend abgesunken, daß die Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers 74 die des Verstärkers 72 überschreitet. Die Diode 110 wird daher rückwärts vorgespannt, während die Diode 112 vorwärts vorgespannt wird, und nun der Verstärker 74 des Ausgangsbus kontrolliert. Aufgrund der Verstärkung des invertierenden Verstärkers 74 bewirkt ein weiteres Absinken von Vin &iacgr;&ogr; einen Anstieg von Vout mit der größeren inkrementellen Verstärkung oder "Steigung" von -{R(100)/R(102)}. Dieser Verstärkungsbereich hält an bis Vin gleich Vc ist, und wird von dem Segment 3 in Fig. 5 dargestellt.When V in has dropped to V B , V x has dropped sufficiently that the output voltage of inverting amplifier 74 exceeds that of amplifier 72. Diode 110 is therefore reverse biased while diode 112 is forward biased and amplifier 74 now controls the output bus. Due to the gain of inverting amplifier 74, a further decrease in Vi n γ causes V ou t to rise with the larger incremental gain or "slope" of -{R(100)/R(102)}. This gain region continues until Vi n is equal to V c and is represented by segment 3 in Fig. 5.
Wenn Vin auf Vc abgesunken ist, ist Vx ausreichend abgesunken, daß die Ausgangsspannung des invertierenden Verstärkers 76 die des Verstärkers 74 überschreitet. Die Diode 112 wird daher rückwärts vorgespannt, während die Diode 114 vorwärts vorgespannt wird. Somit kontrolliert nun der Verstärker 7 6 den Ausgangsbus. Aufgrund der Verstärkung des invertierenden Verstärkers 76 bewirkt ein weiteres Absinken von V1n einen Anstieg von Vout mit der noch größeren inkrementellen Verstärkung oder "Steigung" von -{R(104)/R(106)}. Dieser Bereich der größten Verstärkung wird von dem Segment 4 in Fig. 5 dargestellt. When V in has dropped to V c , V x has dropped sufficiently that the output voltage of inverting amplifier 76 exceeds that of amplifier 74. Diode 112 is therefore reverse biased while diode 114 is forward biased. Thus, amplifier 7 6 now controls the output bus. Due to the gain of inverting amplifier 76, a further drop in V 1n causes V ou t to rise with the even larger incremental gain or "slope" of -{R(104)/R(106)}. This region of greatest gain is represented by segment 4 in Fig. 5.
Zum Schluß wird für Vin kleiner VD die gewünschte Spannung Vx kleiner als die heruntergeteilte Referenzspannung, die an dem Verbindungspunkt der Widerstände 88 und 90 vorliegt. Unter diesen speziellen Bedingungen liegt der nicht-invertierende Eingang des Komparators 78 auf einem niedrigeren Potential als der invertierende Eingang und bewirkt somit, daß der Ausgang des Komparators 78 sich in einem "niedrigen" Zustand befindet. Demzufolge leuchtet die LED 66, um dem Benutzer ei-Finally, for V less than V D, the desired voltage V x will be less than the divided reference voltage present at the junction of resistors 88 and 90. Under these special conditions, the non-inverting input of comparator 78 is at a lower potential than the inverting input, causing the output of comparator 78 to be in a "low" state. Consequently, LED 66 will illuminate to provide the user with a
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ne Anzeige zu geben, daß die Batterie nachgeladen werden muß, bevor sie getestet werden kann. Zusätzlich befindet sich die Ausgangsleitung 62 in einem "niedrigem" Zustand und sperrt somit den Zerhackerschalter 34 und verhindert, daß irgend eine qualitative oder quantitative dynamische Leitwertinformation an den Benutzer ausgegeben wird.to give an indication that the battery must be recharged before it can be tested. In addition, the output line 62 is in a "low" state, thus disabling the chopper switch 34 and preventing any qualitative or quantitative dynamic conductance information from being output to the user.
Fig. 7 offenbart ein vollständiges Schaltbild einer ersten Ausführungsform eines verbesserten elektronischen Batterietest/Überwachungs-Geräts mit einer automatischen Ladezu-Standskompensation, die für den Test/Überwachung von 12 Volt Batterien gemäß der vorliegenden Erfindung konfiguriert ist. Operationsverstärker 120, 122, 124 und 126 stellen vier Elemente einer integrierten Schaltung IC 1 mit vier Operationsverstärkern dar. Bilaterale Analogschalter 34 und 28 stellen zwei Elemente einer integrierten Schaltung IC 2 mit vier bilateralen CMOS-Schaltern dar. Die Operationsverstärker 70, 72, 74 und 76 stellen vier Elemente einer integrierten Schaltung IC 3 mit vier Operationsverstärkern dar. Der Komparator 78 stellt ein Element einer integrierten Schaltung IC 4 mit vier Komparatoren dar. Alle vier integrierten Schaltungen IC 1, IC 2, IC 3 und IC 4 werden mittels gemeinsamer Versorgungsleitungen V+ 130 und V" 132 mit Energie versorgt, welche mit der zu testenden Batterie 24 über Batteriekontakte 134 bzw. 136 verbunden sind.Fig. 7 discloses a complete circuit diagram of a first embodiment of an improved electronic battery tester/monitor with automatic charge level compensation configured for testing/monitoring 12 volt batteries in accordance with the present invention. Operational amplifiers 120, 122, 124 and 126 represent four elements of an integrated circuit IC 1 with four operational amplifiers. Bilateral analog switches 34 and 28 represent two elements of an integrated circuit IC 2 with four bilateral CMOS switches. The operational amplifiers 70, 72, 74 and 76 represent four elements of an integrated circuit IC 3 with four operational amplifiers. The comparator 78 represents one element of an integrated circuit IC 4 with four comparators. All four integrated circuits IC 1, IC 2, IC 3 and IC 4 are supplied with energy by means of common supply lines V + 130 and V" 132, which are connected to the battery 24 to be tested via battery contacts 134 and 136, respectively.
Die hochverstärkende Verstärkerkaskade 12 von Fig. 3 weist einen Operationsverstärker 120 und einen als Emitterfolger geschalteten npn-Transistor 138 auf. Der Widerstand 140 führt eine DC-Vorspannung an den nicht-invertierenden (+) Eingang des Operationsverstärkers 120 von Spannungsteilerwiderständen 142 und 144, welche mit der Batterie 24 über Batteriekontakte 146 und 148 verbunden sind. Die Ausgangsspannung der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 wird über denThe high-gain amplifier cascade 12 of Fig. 3 comprises an operational amplifier 120 and an emitter-follower connected npn transistor 138. The resistor 140 supplies a DC bias voltage to the non-inverting (+) input of the operational amplifier 120 from voltage divider resistors 142 and 144, which are connected to the battery 24 via battery contacts 146 and 148. The output voltage of the high-gain amplifier cascade 12 is fed via the
Rückkopplungswiderstand 22 des externen Pfads festgelegt. Ein interner Rückkopplungspfad bestehend aus den Widerständen 150 und 152 leitet die DC-Spannung an der gemeinsamen Verbindung zwischen dem Emitter des npn-Transistors 138 und dem Widerstand 22 an den invertierenden (-) Eingang des Operationsverstärkers 120. Die Widerstände 150 und 152 bilden zusammen mit dem Kondensator 154 das Tiefpaßfilter 18 von Fig. 3.Feedback resistor 22 of the external path. An internal feedback path consisting of resistors 150 and 152 passes the DC voltage at the common connection between the emitter of npn transistor 138 and resistor 22 to the inverting (-) input of operational amplifier 120. Resistors 150 and 152 together with capacitor 154 form low-pass filter 18 of Fig. 3.
Die über der Batterie 24 entwickelte AC-Signalspannung wird an den Batteriekontakten 146 und 148 erfaßt und in ReiheThe AC signal voltage developed across the battery 24 is detected at the battery contacts 146 and 148 and in series
&iacgr;&ogr; einer Eingangssignalspannungskomponente hinzuaddiert, die über dem Betrachtungswiderstand 156 aufgebaut wird. Die sich ergebende zusammengesetzte AC-Signalspannung wird in den Differenzeingang des Operationsverstärkers 120 mittels eines aus den Kondensatoren 158 und 160 bestehenden kapazitiven Einkoppelnetzwerks eingekoppelt. Ein Rückkopplungsstrom, der proportional zu der über dem Widerstand 22 aufgebauten Spannung ist, passiert die Batterie 24 mittels der Leiter 162 und 164 des externen Rückkopplungspfads, zusammen mit den Batteriekontakten 134 und 136.σ is added to an input signal voltage component developed across the viewing resistor 156. The resulting composite AC signal voltage is coupled to the differential input of the operational amplifier 120 by means of a capacitive coupling network consisting of capacitors 158 and 160. A feedback current proportional to the voltage developed across the resistor 22 passes through the battery 24 by means of the conductors 162 and 164 of the external feedback path, together with the battery contacts 134 and 136.
Eine Rechteckwellen-Eingangssignalspannung wird über den Betrachtungswiderstand 156 aufgebaut und durch die Wirkung des Oszillators 32 des Zerhackerschalter 34 und des Korrekturverstärker 36 geformt. Der Oszillator 32 welcher ein 100 Hz Rechteckwellen-Sychronisationssignal erzeugt, ist ein herkömmlicher astabiler Multivibrator bestehend aus dem Operationsverstärker 122 zusammen mit den Widerständen 168, 170, 172, 174 und dem Kondensator 176. Das Synchronisationsausgangssignal des Oszillators 32 wird dem Steuereingang des Zerhackerschalters 34 über einen Widerstand 178 zugeführt.A square wave input signal voltage is developed across the viewing resistor 156 and shaped by the action of the oscillator 32, the chopper switch 34 and the correction amplifier 36. The oscillator 32, which produces a 100 Hz square wave synchronization signal, is a conventional astable multivibrator consisting of the operational amplifier 122 together with resistors 168, 170, 172, 174 and capacitor 176. The synchronization output of the oscillator 32 is applied to the control input of the chopper switch 34 through a resistor 178.
Demzufolge schaltet der Zerhackerschalter 34 periodisch mit einer 100 Hz Rate aus und ein. Die Signalanschlußklemmen des Zerhackerschalters 118 verbinden den DC-Signalausgang 40 desConsequently, the chopper switch 34 switches off and on periodically at a 100 Hz rate. The signal terminals of the chopper switch 118 connect the DC signal output 40 of the
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Korrekturverstärkers 36 mit der Eingangsleitung des für eine anfängliche Kalibrierungseinstellung verwendeten Trimmerpotentiometers 180. Die Signalspannung über dem Trimmerpotentiometer 180 weist daher eine 100 Hz Rechteckwelle mit einer Amplitude proportional zu der DC-Ausgangsspannung des Korrekturverstärkers 36 auf. Ein Signalstrom proportional zu der Signalausgangsspannung des Trimmerpotentiometers 180 passiert den Injektionswiderstand 184 und wird in den Betrachtungswiderstand 156 injiziert, und erzeugt dadurch eine 100 Hz Signalspannung über dem Betrachtungswiderstand 156. Aufgrund der Wirkung des unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschriebenen Korrekturverstärkers 36 enthält die Signalspannung " über dem Betrachtungswiderstand 156 eine automatische Korrektur für den Ladezustand der zu testenden Batterie. Wenn jedoch der Batterieladezustand für eine genaue Batteriebewertung zu niedrig ist, befinden sich die Ausgangsleitungen 62 und 64 auf logisch niedrigen Zuständen. Diese Ausgangsleitungen ziehen wiederum den Eingang des Zerhackerschalters 34 nach unten und ziehen die Kathode der LED 66 nach unten. Demzufolge wird der Zerhackerschalter 34 gesperrt, so daß kein AC-Signal in den Betrachtungswiderstand 156 injiziert wird, und die LED 66 leuchtet, um dem Benutzer anzuzeigen, daß die Batterie nachgeladen werden muß, bevor ein dynamischer Leitwerttest durchgeführt werden kann.correction amplifier 36 to the input line of the trimmer potentiometer 180 used for an initial calibration adjustment. The signal voltage across the trimmer potentiometer 180 therefore comprises a 100 Hz square wave with an amplitude proportional to the DC output voltage of the correction amplifier 36. A signal current proportional to the signal output voltage of trimmer potentiometer 180 passes through injection resistor 184 and is injected into viewing resistor 156, thereby producing a 100 Hz signal voltage across viewing resistor 156. Due to the action of correction amplifier 36 described with reference to Fig. 4, the signal voltage " across viewing resistor 156 includes an automatic correction for the state of charge of the battery under test. However, if the battery state of charge is too low for accurate battery evaluation, output lines 62 and 64 are at logic low states. These output lines, in turn, pull the input of chopper switch 34 low and pull the cathode of LED 66 low. As a result, chopper switch 34 is disabled so that no AC signal is injected into viewing resistor 156, and LED 66 is illuminated to indicate to the user that the battery must be recharged before a dynamic conductance test can be performed.
Der Analogschalter 128 bildet zusammen mit dem Operationsverstärker 124, welcher als ein Integrator geschaltet ist, den Synchrondetektor 48 von Fig. 3. Ein Widerstand 194 und Nebenschlußkondensator 126 bilden ein Tiefpaßfilter, welches den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 124 auf den Spannungspegel der über dem Rückkopplungswiderstand 22 entwickelten DC-Vorspannungskomponente vorspannt. Ein von der Gesamtspannung an der gemeinsamen Verbindung zwischen dem Widerstand 22 und dem Transistor 138 abgeleiteterThe analog switch 128, together with the operational amplifier 124, which is connected as an integrator, forms the synchronous detector 48 of Fig. 3. A resistor 194 and shunt capacitor 126 form a low-pass filter which biases the non-inverting input of the operational amplifier 124 to the voltage level of the DC bias component developed across the feedback resistor 22. A voltage derived from the total voltage at the common junction between the resistor 22 and the transistor 138
Signalstrom passiert den Widerstand 198 und den Analogschalter 128 zu dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 124. Dieser Signalstrom wird periodisch mit der Oszillatorfrequenz durch das Steuersignal des Analogschalters . 128 unterbrochen, welcher mit dem Synchronisationsausgang des Oszillators 32 verbunden ist. Ein Widerstand 200 erzeugt eine DC-Gegenkopplung an den Operationsverstärker 124. Ein Integrationskondensator 202 dient zum Glätten des von dem Operationsverstärker 124 ausgegebenen detektierten Spannungssignals. Signal current passes through resistor 198 and analog switch 128 to the inverting input of operational amplifier 124. This signal current is interrupted periodically at the oscillator frequency by the control signal of analog switch 128 which is connected to the synchronization output of oscillator 32. Resistor 200 provides DC negative feedback to operational amplifier 124. Integration capacitor 202 serves to smooth the detected voltage signal output by operational amplifier 124.
Der nicht-invertierende Eingang des Operationsverstärkers 126 ist auf den DC-Pegel des nicht-invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 124 vorgespannt, während der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 126 mit einem SPDT-Auswahlschalter 206 verbunden ist. Demzufolge passiert ein zu der detektierten Signalspannung an dem Ausgang des Operationsverstärkers 124 proportionaler DC-Strom das Milliamperemeter 60 zu dem Ausgang des Operationsverstärkers 160 über einen der von dem Selektorschalter 206 gewählten zwei Pfade. Mit dem Schalter 206 in der Position 1 passiert der Instrumentenstrom den festen Widerstand 208. Unter diesen Bedingungen emuliert die offenbarte Erfindung ein Direktablese-Batterietestgerät, welches eine quantitative Ausgangsgröße liefert, die in Batteriemeßeinheiten angezeigt wird, die zu dem dynamischen Leitwert der Batterie 24 proportional sind. Mit dem Schalter 206 in der Position 2 passiert der Instrumentenstrom einen festen Widerstand 210 und einen variablen Widerstand 212. Unter diesen Bedingungen emuliert die offenbarte Erfindung ein qualitatives "Gut/Schlecht"-Batterietestgerät mit einer manuell angepaßten Batterienennleistungsskala, die linear von der Einstellung des variablen Widerstands 212 und einem Nennleistungsoffset abhängt, der von dem Wert des festen Widerstands 210 bestimmt wird.The non-inverting input of operational amplifier 126 is biased to the DC level of the non-inverting input of operational amplifier 124, while the inverting input of operational amplifier 126 is connected to an SPDT selector switch 206. Accordingly, a DC current proportional to the detected signal voltage at the output of operational amplifier 124 passes through milliammeter 60 to the output of operational amplifier 160 via one of two paths selected by selector switch 206. With switch 206 in position 1, the instrument current passes through fixed resistor 208. Under these conditions, the disclosed invention emulates a direct reading battery tester which provides a quantitative output displayed in battery measurement units proportional to the dynamic conductance of battery 24. With switch 206 in position 2, the instrument current passes through a fixed resistor 210 and a variable resistor 212. Under these conditions, the disclosed invention emulates a qualitative "pass/fail" battery tester with a manually adjusted battery rating scale that is linearly dependent on the setting of variable resistor 212 and a rating offset determined by the value of fixed resistor 210.
Die Ausführungsform des verbesserten Batterietest/Überwachungs-Geräts mit einer automatischen Kompensation eines niedrigen Ladezustand, die in Fig. 7 dargestellt ist, arbeitet wie folgt: Die bedienende Person verbindet das Gerät einfach mit der zu testenden Batterie und wählt eine der zwei Positionen der Auswahlschalters 206. Wenn die Position 1 gewählt ist, zeigt das Milliamperemeter 60 den quantitativen Zustand der Batterie in geeigneten Batteriemeßeinheiten an wobei die angezeigten quantitativen Ergebnisse automatischThe embodiment of the improved battery test/monitor with automatic low charge compensation shown in Fig. 7 operates as follows: The operator simply connects the device to the battery to be tested and selects one of the two positions of the selector switch 206. When position 1 is selected, the milliammeter 60 displays the quantitative condition of the battery in appropriate battery measurement units, with the displayed quantitative results automatically
&iacgr;&ogr; entsprechend denen einer vollständig geladenen Batterie angepaßt sind. Wenn sich der Schalter 206 in der Position 2 befindet, und der variable Widerstand 212 entsprechend der Nennleistung der Batterie eingestellt wurde, zeigt das Amperemeter 60 den qualitativen ("Gut/Schlecht"-) Zustand der Batterie an. Wiederum sind die angezeigten Ergebnisse automatisch angepaßt, so daß sie denen einer vollgeladenen Batterie entsprechen. In beiden Wahlstellungen wird, wenn der Batterieladezustand für eine genaue Bewertung zu niedrig ist, dem Benutzer keine Information angezeigt. Statt dessen leuchtet eine LED um dem Benutzer anzuzeigen, daß die Batterie vor dem Test geladen werden muß.&iacgr;&ogr; are adjusted to correspond to those of a fully charged battery. When switch 206 is in position 2 and variable resistor 212 is adjusted to correspond to the battery rating, ammeter 60 indicates the qualitative ("pass/fail") condition of the battery. Again, the displayed results are automatically adjusted to correspond to those of a fully charged battery. In either selection position, if the battery charge level is too low for an accurate evaluation, no information is displayed to the user. Instead, an LED is illuminated to indicate to the user that the battery must be charged before testing.
Die Tabelle II enthält eine Liste von Komponenten und werten für die erste Ausführungsform eines verbesserten elektronischen Batterietest/Überwachungs-Geräts mit automatischer Kompensation eines niedrigen Ladezustands, das in Fig. 7 offenbart ist.Table II contains a list of components and values for the first embodiment of an improved electronic battery tester/monitor with automatic low state of charge compensation disclosed in Figure 7.
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KOMPONF.NTENTYPFN &Tgr;&Tgr;&Ngr;&Ggr;&Pgr; ffiWERTF. FTTR DTK SCT-TAT1TTJNfG VON FTfi. BEZUGSZEICHEN BAUTEILCOMPONENT TYPE &Tgr;&Tgr;&Ngr;&Ggr;&Pgr; ffiVALUE. FTTR DTK SCT-TAT 1 TTJNfG OF FTfi. REFERENCE NUMBER COMPONENT
HalbleiterbauteileSemiconductor components
120, 122, 124, 126 ICl - LM324N120, 122, 124, 126 ICl - LM324N
34, 128 IC2 - CD4066B34, 128 IC2 - CD4066B
70, 72, 74, 76 IC3 - LM324N70, 72, 74, 76 IC3 - LM324N
78 IC4 - LM33978 IC4 - LM339
80 IC5 - LM336-2,580 IC5 - LM336-2.5
138 TIP31C Leistungsferansistor138 TIP31C Power transistor
108, 110, 112, 114 1N4148 Dioden108, 110, 112, 114 1N4148 diodes
66 T-I 3/4 LED66 T-I 3/4 LED
Widerstände - Ohm (^-W sofern nicht anders abgegeben)Resistances - Ohm (^-W unless otherwise stated)
22 22&OHgr;- - 5 Watt22 22Ω- - 5 Watt
82 4,7K82 4.7K
84 5,36K84 5.36K
86 6,19K86 6.19K
88 6,04K88 6.04K
90 200K90 200K
92 2,25K92 2.25K
94 57694 576
96, 100, 104 &Igr;,&Ogr;&Ogr;&Mgr;96, 100, 104 &Igr;,&Ogr;&Ogr;&Mgr;
98 174K98 174K
102 49,9K102 49.9K
106 13,7K106 13.7K
116, 142, 144 l,0K116, 142, 144 l,0K
156, 210 100156, 210 100
208 470208 470
212 500 Potentiometer212 500 Potentiometer
180 1OK Trimmpotentiometer180 1OK trim potentiometer
202 1 mA DC-Milliamperemeter202 1 mA DC milliammeter
Schalter
206 SPDT Switch
206 SPDT
Fig. 8 offenbart ein vereinfachtes Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines verbesserten elektronischen Batterietest/Überwachungs-Geräts mit einer automatischen Kompensation eines niedrigen Ladezustands. Diese Ausführungsform eliminiert den Korrekturverstärker 36 und den Zerhackerschalter 34 der im Blockschaltbild von Fig. 3 offenbarten ersten Ausführungsform. Statt dessen enthält sie einen insgesamt durch den Block 220 von Fig. 8 dargestellten Mikroprozessor.Fig. 8 discloses a simplified block diagram of a second embodiment of an improved electronic battery tester/monitor with automatic low state of charge compensation. This embodiment eliminates the correction amplifier 36 and chopper switch 34 of the first embodiment disclosed in the block diagram of Fig. 3. Instead, it includes a microprocessor generally represented by block 220 of Fig. 8.
Der Mikroprozessorblock 220 enthält alle üblichen Elemente, welche ein Mikroprozessorsystem bilden, wie z.B. die erforderlichen Logikelemente, einen Taktoszillator, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff, ein in einem NUR-Lese-Speicher enthaltenes Firmware-Programm und natürlich den Prozessor selbst. Bei der Ausführungsform von Fig. 8 wird die geeignete Korrektur für den niedrigen Ladezustand durch den Mikropro-The microprocessor block 220 contains all the usual elements that make up a microprocessor system, such as the necessary logic elements, a clock oscillator, a random access memory, a firmware program contained in a read-only memory and, of course, the processor itself. In the embodiment of Fig. 8, the appropriate correction for the low charge state is carried out by the microprocessor.
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zessorblock 220 gesteuert von dem darin enthaltenen Firmware-Programm ausgeführt.processor block 220 controlled by the firmware program contained therein.
Eine Beschreibung des Betriebs der meisten Elemente von Fig. 8 ist eine Parallele der Beschreibung des Betriebs der in Fig. 3 offenbarten Ausführungsform. Signale die das Signal am Ausgang 10 der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 repräsentieren, werden auf den Eingang 20 hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 mittels zwei Rückkopplungspfaden zurückgekoppelt; einem internen Rückkopplungspfad 14 und einem &iacgr;&ogr; Rückkopplungspfad 16. Der interne Rückkopplungspfad 14 enthält einen Tiefpaßfilter (LPF) 18 und koppelt eine Signalspannung direkt auf den Eingang 20 der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 zurück. Der externe Rückkopplungspfad 16 enthält ein Widerstandsnetzwerk 22 und koppelt einen Signalis strom auf die zu testende Batterie 24 zurück. Die Summierschaltung 26 kombiniert die sich ergebende Signalspannung 28, welche dadurch über der Batterie entwickelt wird, mit einer periodischen Rechteckwellen-Signalspannung 30.A description of the operation of most of the elements of Fig. 8 parallels the description of the operation of the embodiment disclosed in Fig. 3. Signals representing the signal at the output 10 of the high gain amplifier cascade 12 are fed back to the input 20 of the high gain amplifier cascade 12 by means of two feedback paths; an internal feedback path 14 and a γ feedback path 16. The internal feedback path 14 includes a low pass filter (LPF) 18 and feeds a signal voltage directly back to the input 20 of the high gain amplifier cascade 12. The external feedback path 16 includes a resistor network 22 and feeds a signal current back to the battery 24 under test. The summing circuit 26 combines the resulting signal voltage 28 thereby developed across the battery with a periodic square wave signal voltage 30.
In der Ausführungsform von Fig. 8 weist die Signalspannung 30 einfach das konstante Ausgangssignal des Oszillators 32 auf. Die Oszillationsfrequenz des Oszillators 32 kann beispielsweise 100 Hz sein. Dieses periodische Signal wird der Summierschaltung 26 zusammen mit der über der Batterie 24 erzeugten Signalspannung 28 präsentiert. Die sich ergebende zusammengesetzte Signalspannung 4 4 am Ausgang der Summierschaltung 26 wird dann mittels eines kapazitiven Koppelnetzwerks 46 kapazitiv in den Eingang 20 der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 eingekoppelt. Demzufolge weist die Spannung am Ausgang 10 der hochverstärkenden Verstärkerkaskade 12 eine konstante DC-Vorspannungskomponente zusammen mit einer AC-Signalkomponente auf, die zu dem dynamischen Leitwert Gx der zu testenden Batterie 24 proportional ist. Die konstante DC-In the embodiment of Fig. 8, the signal voltage 30 simply comprises the constant output signal of the oscillator 32. The oscillation frequency of the oscillator 32 may be, for example, 100 Hz. This periodic signal is presented to the summing circuit 26 together with the signal voltage 28 generated across the battery 24. The resulting composite signal voltage 4 4 at the output of the summing circuit 26 is then capacitively coupled to the input 20 of the high gain amplifier cascade 12 by means of a capacitive coupling network 46. Consequently, the voltage at the output 10 of the high gain amplifier cascade 12 comprises a constant DC bias component together with an AC signal component which is proportional to the dynamic conductance G x of the battery 24 under test. The constant DC
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Vorspannungskomponente wird ignoriert, während die variable AC-Signalkomponente detektiert und genau in eine DC-Signalspannung von dem Synchrondetektor 48 umgewandelt, der über den Synchronisationspfad 50 mit der Oszillatoreinrichtung synchronisiert wird.Bias component is ignored while the variable AC signal component is detected and accurately converted into a DC signal voltage by the synchronous detector 48, which is synchronized to the oscillator device via the synchronization path 50.
Der DC-Signalpegel am Ausgang 52 des Synchrondetektors 50 ist proportional zu dem dynamischen Leitwert Gx der Batterie. Diese analoge Spannung wird in eine entsprechende digitale Darstellung von Gx durch einen Analog/Digital-(A/D)-WandlerThe DC signal level at the output 52 of the synchronous detector 50 is proportional to the dynamic conductance G x of the battery. This analog voltage is converted into a corresponding digital representation of G x by an analog/digital (A/D) converter
&iacgr;&ogr; 222 umgewandelt und dann über einen Eingangsanschluß 224 in den Mikroprozessorblock 220 eingegeben. Zusätzlich ist die unbelastete Batteriespannung V0 über den DC-Pfad 38 mit dem Eingang eines Analog/Digital-Wandlers 226 verbunden. Eine entsprechende digitale Darstellung von V0 am Ausgang des A/D-Wandlers 226 wird dadurch über den Eingangsanschluß 228 in den Mikroprozessorblock 220 eingegeben.222 and then input to the microprocessor block 220 via an input terminal 224. In addition, the unloaded battery voltage V 0 is connected to the input of an analog-to-digital converter 226 via the DC path 38. A corresponding digital representation of V 0 at the output of the A/D converter 226 is thereby input to the microprocessor block 220 via the input terminal 228.
Durch programmierte algorithmische Techniken, die dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt sind, nutzt das Firmware-Programm des Mikroprozessors die digitale Darstellung von V0, um die digitale Darstellung von Gx bezüglich des Ladezustands der Batterie zu korrigieren. Dieses kann beispielsweise erfolgen, indem V0 in eine "Nachschlagetabelle" eingegeben wird, deren Ausgangsgröße der entsprechende Korrekturfaktor F ist, und indem dann Gx mit dem sich ergebenden Faktor F multipliziert wird, um den korrigierten Leitwert Gx (12,6) zu erhalten. Alternativ könnte der korrekte Wert von Gx(12,6) direkt durch eine numerische Berechnung des Reziprokwerts der in Gleichung 1 offenbarten empirischen Beziehung berechnet werden.Through programmed algorithmic techniques known to those skilled in the art, the microprocessor firmware program uses the digital representation of V 0 to correct the digital representation of G x for the state of charge of the battery. This can be done, for example, by entering V 0 into a "look-up table" whose output is the appropriate correction factor F, and then multiplying G x by the resulting factor F to obtain the corrected conductance G x (12,6). Alternatively, the correct value of G x (12,6) could be calculated directly by numerically calculating the reciprocal of the empirical relationship disclosed in Equation 1.
Um einen quantitativen elektronischen Batterietester zu emulieren, wird ein zu Gx (12,6) proportionaler numerischer Wert ausgegeben, und auf einer digitalen Anzeige, wie z.B.To emulate a quantitative electronic battery tester, a numerical value proportional to G x (12.6) is output and displayed on a digital display such as
236, angezeigt, die über einen Ausgangsanschluß 234 angeschlossen ist, oder über einen Drucker, wie z.B. 240, ausgedruckt, der über einen Ausgangsanschluß 238 an den Mikroprozessor 220 angeschlossen ist. Zusätzlich unterdrückt das Firmware-Programm immer dann, wenn V0 niedriger als ein vorbestimmter Minimalwert ist, die numerische Anzeige und erzeugt statt dessen eine Anzeige für den Benutzer, daß die Batterie vor dem Testen geladen werden muß. Diese spezielle Information kann beispielsweise durch die digitale Anzeige &iacgr;&ogr; 236 angezeigt, durch einen Drucker 240 gedruckt oder über eine LED 76, die über einen Ausgangsanschluß 242 an dem Mikroprozessor 220 angeschlossen ist, zu dem Benutzer gebracht werden.236 connected to an output terminal 234 or printed by a printer such as 240 connected to the microprocessor 220 via an output terminal 238. In addition, whenever V 0 is less than a predetermined minimum value, the firmware program suppresses the numerical display and instead provides an indication to the user that the battery must be charged before testing. This special information may be displayed, for example, by the digital display 236, printed by a printer 240, or provided to the user via an LED 76 connected to the microprocessor 220 via an output terminal 242.
Zur Emulation eines qualitativen elektronischen ("Gut/ Schlecht") Batterietesters wird die Nennleistung der Batterie zuerst über eine Eingangsvorrichtung, wie z.B. einen über einen Eingangsanschluß 232 mit dem Mikroprozessor 220 verbundenen Wellenkodierer 230, in den Mikroprozessor 220 eingegeben. Eine dem Wellenkodierer zugeordnete Skalenscheibe ist in Batterie-Nennleistungseinheiten, wie z.B. in Kaltstartampere oder Amperestunden kalibriert. Durch programmierte algorithmische Techniken, die dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt sind, weist dann das Firmware-Programm des Mikroprozessors den Mikroprozessorblock 220 an, den für den Ladezustand korrigierten dynamischen Leitwert mit einem für die eingegebene Batterienennleistung geeigneten Nennwert zu vergleichen, und die sich ergebende Gut/Schlecht-Information an den Benutzer auszugeben. Diese qualitative Ausgangsinformation kann beispielsweise durch eine digitale Anzeige 236 angezeigt, durch einen Drucker 240 gedruckt oder über eine LED 24 6, die über einen Ausgangsanschluß 244 mit dem Mikroprozessor 220 verbunden ist, zu dem Benutzer gebracht werden. Wiederum wird, wenn V0 kleiner als ein vorbestimmter MinimalwertTo emulate a qualitative electronic ("pass/fail") battery tester, the battery rating is first input to the microprocessor 220 through an input device such as a shaft encoder 230 connected to the microprocessor 220 through an input terminal 232. A dial associated with the shaft encoder is calibrated in battery rating units such as cold cranking amps or amp-hours. Through programmed algorithmic techniques well known to those skilled in the art, the microprocessor firmware program then instructs the microprocessor block 220 to compare the state-of-charge corrected dynamic conductance with a nominal value appropriate for the entered battery rating and output the resulting pass/fail information to the user. This qualitative output information may be displayed, for example, by a digital display 236, printed by a printer 240, or provided to the user via an LED 246 connected to the microprocessor 220 via an output terminal 244. Again, if V 0 is less than a predetermined minimum value
ist, die dargestellte Information unterdrückt, und der Benutzer informiert, daß die Batterie vor dem Test geladen werden muß. Diese spezielle Information kann beispielsweise durch das digitale Display 236 angezeigt, durch den Drucker 240 gedruckt oder durch die LED 66 zu dem Benutzer gebracht werden.suppresses the information displayed and informs the user that the battery must be charged before the test. This special information may be displayed, for example, by the digital display 236, printed by the printer 240, or conveyed to the user by the LED 66.
Fig. 9 offenbart ein vereinfachtes Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines verbesserten elektronischen Batterietest/Überwachungs-Geräts mit einer automatischen Kompensation einen niedrigen Ladezustands. Wie die in Fig. 8 offenbarte Ausführungsform weist diese dritte Ausführungsform einen Mikroprozessorblock 220 zu Implementierung der geeigneten Korrektur eines niedrigen Ladezustands auf. Sie unterscheidet sich von der Ausführung von Fig. 8 dadurch, daß die Hardware eine digitale Darstellung des dynamischen Wider stands Rx der Batterie dem Mikroprozessor 220 repräsentiert, welcher dann ein Firmware-Programm verwendet, um die reziproke Größe des dynamischen Leitwerts Gx = 1/Rx zu berechnen sowie eine Korrektur einen niedrigen Ladezustands der Batterie durchzuführen.Fig. 9 discloses a simplified block diagram of a third embodiment of an improved electronic battery tester/monitor with automatic low state of charge compensation. Like the embodiment disclosed in Fig. 8, this third embodiment includes a microprocessor block 220 for implementing the appropriate low state of charge correction. It differs from the embodiment of Fig. 8 in that the hardware presents a digital representation of the battery's dynamic resistance R x to the microprocessor 220, which then uses a firmware program to calculate the reciprocal of the dynamic conductance G x = 1/R x and to perform a battery low state of charge correction.
Die in Fig. 9 offenbarte Hardware funktioniert wie folgt: Ein Oszillator 32 erzeugt ein periodisches Rechteckwellensignal 42, welches direkt an den Stromverstärker 244 ausgegeben wird. Die Oszillationsfrequenz des Oszillators 32 kann beispielsweise 100 Hz sein. Die Ausgangsgröße des Stromverstärkers 244, ein periodischer Signalstrom 246, passiert dann die Batterie 24. Aufgrund der Tatsache daß der Ausgangswiderstand des Stromverstärkers 244 wesentlich größer als der dynamische Widerstand Rx der Batterie ist, ist die Amplitude des Signalstroms 246 praktisch von Rx unabhängig. Demzufolge ist die sich ergebende AC-Signalspannung 248, die über den Anschlußklemmen der Batterie auftritt, direkt proportional zu dem dynamischen Widerstand Rx der Batterie. Das kapazitive Koppel-The hardware disclosed in Fig. 9 functions as follows: An oscillator 32 generates a periodic square wave signal 42 which is output directly to the current amplifier 244. The oscillation frequency of the oscillator 32 may be, for example, 100 Hz. The output of the current amplifier 244, a periodic signal current 246, then passes through the battery 24. Due to the fact that the output resistance of the current amplifier 244 is substantially greater than the dynamic resistance R x of the battery, the amplitude of the signal current 246 is practically independent of R x . Consequently, the resulting AC signal voltage 248 appearing across the battery terminals is directly proportional to the dynamic resistance R x of the battery. The capacitive coupling
-its* ti · · * ·· -its* ti · · * ··
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netzwerk 250 koppelt die AC-Signalspannung 248 in einen Eingang 252 eines Spannungsverstärkers 254. Dieses Koppelnetzwerk unterdrückt die DC-Klemmenspannung der Batterie, ermöglicht aber die Verstärkung der AC-Signalspannung durch den Spannungsverstärker 254. Die Ausgangsspannung 256 des Spannungsverstärkers 254 stellt die Eingangsspannung zu dem Synchrondetektor 48 dar, welcher zu dem Oszillator 32 über den Synchronisationspfad 50 synchronisiert ist. Demzufolge entsteht eine DC-Signalspannung 52 an dem Ausgang des Synchrondetektors 48, die direkt proportional zu dem dynamischen Widerstand Rx der Batterie ist.network 250 couples the AC signal voltage 248 to an input 252 of a voltage amplifier 254. This coupling network suppresses the DC terminal voltage of the battery, but allows the AC signal voltage to be amplified by the voltage amplifier 254. The output voltage 256 of the voltage amplifier 254 represents the input voltage to the synchronous detector 48, which is synchronized to the oscillator 32 via the synchronization path 50. As a result, a DC signal voltage 52 is produced at the output of the synchronous detector 48 that is directly proportional to the dynamic resistance R x of the battery.
Die analoge Spannung 52 wird durch einen Analog/Digital-Wandler 222 in eine entsprechende digitale Darstellung von Rx umgewandelt und dann über den Eingangsanschluß 224 in dem Mikroprozessorblock 220 eingegeben. Zusätzlich ist die Leerlaufspannung V0 der Batterie über einen DC-Pfad 38 mit dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 226 verbunden. Eine entsprechende digitale Darstellung von V0 an dem Ausgang des A/D-Wandlers 226 wird daraufhin in den Mikroprozessorblock 220 über den Eingangsanschluß 228 eingegeben.The analog voltage 52 is converted to a corresponding digital representation of R x by an analog-to-digital converter 222 and then input to the microprocessor block 220 via input terminal 224. In addition, the battery open circuit voltage V 0 is connected to the input of the analog-to-digital converter 226 via a DC path 38. A corresponding digital representation of V 0 at the output of the A/D converter 226 is then input to the microprocessor block 220 via input terminal 228.
Durch programmierte algorithmische Techniken, die dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt sind, weist das Firmware-Programm des Mikroprozessors den Mikroprozessorblock 220 an, die digitale Darstellung von Rx zu invertieren, um eine digitale Darstellung des dynamischen Leitwerts Gx der Batterie zu erhalten. Er benutzt dann die digitale Darstellung von V0, um die digitale Darstellung von Gx bezüglich des Batterieladezustands zu korrigieren. Dieses kann beispielsweise erfolgen, indem V0 in eine "Nachschlagetabelle" eingegeben wird, deren Ausgangsgröße der entsprechende Korrekturfaktor F ist, und indem dann Gx mit dem sich ergebenden Faktor F multipliziert wird, um den korrigierten LeitwertThrough programmed algorithmic techniques well known to those skilled in the art, the microprocessor firmware program instructs the microprocessor block 220 to invert the digital representation of R x to obtain a digital representation of the dynamic conductance G x of the battery. It then uses the digital representation of V 0 to correct the digital representation of G x for the battery state of charge. This can be done, for example, by entering V 0 into a "look-up table" whose output is the appropriate correction factor F, and then multiplying G x by the resulting factor F to obtain the corrected conductance
Gx (12,6) zu erhalten; oder durch direktes Berechnen von Gx (12,6) aus dem Reziprokwert der in Gleichung 1 offenbarten empirischen Beziehung berechnet wird. Alternativ kann zuerst ein korrigierter Wert von Rx, Rx (12,6), berechnet werden und dann algorithmisch invertiert werden, um Gx (12,6) zu erhalten. G x (12,6); or by directly calculating G x (12,6) from the reciprocal of the empirical relationship disclosed in Equation 1. Alternatively, a corrected value of R x , R x (12,6), can be calculated first and then algorithmically inverted to obtain G x (12,6).
Um einen quantitativen elektronischen Batterietester zu emulieren, wird ein zu Gx (12,6) proportionales numerisches Ergebnis ausgegeben, und auf einer digitalen Anzeige, wieTo emulate a quantitative electronic battery tester, a numerical result proportional to G x (12.6) is output and shown on a digital display, such as
&iacgr;&ogr; z.B. 236, angezeigt, die über einen Ausgangsanschluß 234 angeschlossen ist, oder über einen Druckern wie z.B. 240, ausgedruckt, der über einen Ausgangsanschluß 238 an den Mikroprozessor 220 angeschlossen ist. Zusätzlich unterdrückt das Firmware-Programm immer dann, wenn V0 niedriger als ein vorbestimmter Minimalwert ist, die numerische Anzeige und erzeugt statt dessen eine Anzeige für den Benutzer, daß die Batterie vor dem Testen geladen werden muß. Diese spezielle Information kann beispielsweise durch die digitale Anzeige 236 angezeigt, durch den Drucker 240 gedruckt oder über eine LED 66, die über den Ausgangsanschluß 242 an dem Mikroprozessor 220 angeschlossen ist, zu dem Benutzer gebracht werden. The numerical display may be displayed on a digital display such as 236 connected to an output terminal 234 or printed on a printer such as 240 connected to the microprocessor 220 via an output terminal 238. In addition, whenever V 0 is less than a predetermined minimum value, the firmware program suppresses the numerical display and instead generates an indication to the user that the battery must be charged before testing. This special information may be displayed, for example, by the digital display 236, printed by the printer 240, or provided to the user via an LED 66 connected to the microprocessor 220 via the output terminal 242.
Zur Emulation eines qualitativen elektronischen ("Gut/ Schlecht") Batterietesters wird die Nennleistung der Batterie zuerst über eine Eingangsvorrichtung, wie z.B. einen über einen Eingangsanschluß 232 mit dem Mikroprozessor 220 verbundenen Wellenkodierer 230, in den Mikroprozessor 220 eingegeben. Eine dem Wellenkodierer zugeordnete Skalenscheibe ist in Batterie-Nennleistungseinheiten, wie z.B. in Kaltstartampere oder Amperestunden kalibriert. Durch programmierte algorithmische Techniken, die dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannt sind, weist dann das Firmware-Programm des Mi-To emulate a qualitative electronic ("Pass/Fail") battery tester, the battery rating is first input to the microprocessor 220 through an input device, such as a shaft encoder 230 connected to the microprocessor 220 through an input terminal 232. A dial associated with the shaft encoder is calibrated in battery rating units, such as cold cranking amps or amp-hours. Through programmed algorithmic techniques well known to those skilled in the art, the microprocessor's firmware program then instructs the battery to be rated at the correct voltage.
kroprozessors den Mikroprozessorblock 220 an, die berechnete Größe Gx (12,6) mit einer eingegebenen Batterienennleistung entsprechenden Referenzgröße zu vergleichen, um zu ermitteln, ob die Batterie gut oder schlecht ist. Bei einer berechneten Größe, die größer als die Referenzgröße ist, ist die Batterie gut. Anderenfalls ist sie schlecht. Alternativ kann ein Vergleich zwischen der berechneten Größe Rx (12,6) und einer der eingegebenen Batterienennleistung entsprechenden Referenzgröße durchgeführt werden, um zu ermitteln, ob die Batterie gutmicroprocessor, the microprocessor block 220 is to compare the calculated quantity G x (12.6) with a reference quantity corresponding to the inputted battery rating to determine whether the battery is good or bad. If the calculated quantity is greater than the reference quantity, the battery is good. Otherwise, it is bad. Alternatively, a comparison can be made between the calculated quantity R x (12.6) and a reference quantity corresponding to the inputted battery rating to determine whether the battery is good.
&iacgr;&ogr; oder schlecht ist. Bei einer berechneten Größe, die kleiner als die Referenzgröße ist, ist die Batterie gut. Anderenfalls ist sie schlecht. In beiden Fällen wird diese qualitative Ausgangsinformation durch die digitale Anzeige 236 angezeigt, durch den Drucker 240 gedruckt oder über die LED 246, die über einen Ausgangsanschluß 244 mit dem Mikroprozessor 220 verbunden ist, zu dem Benutzer gebracht. Wiederum wird, wenn V0 kleiner als ein vorbestimmter Minimalwert ist, die Anzeige der Information unterdrückt, und der Benutzer informiert, daß die Batterie vor dem Test geladen werden muß. Diese spezielle Information kann beispielsweise durch das digitale Display 236 angezeigt, durch den Drucker 240 gedruckt oder durch die LED 66 zu dem Benutzer gebracht werden.γ or bad. If the calculated value is less than the reference value, the battery is good. Otherwise, it is bad. In either case, this qualitative output information is displayed by the digital display 236, printed by the printer 240, or brought to the user by the LED 246 which is connected to the microprocessor 220 by an output terminal 244. Again, if V 0 is less than a predetermined minimum value, the display of the information is suppressed and the user is informed that the battery must be charged before the test. This particular information may, for example, be displayed by the digital display 236, printed by the printer 240, or brought to the user by the LED 66.
Obwohl drei spezifische Arten der Ausführung der Erfindung beschrieben wurden, dürfte es sich verstehen, daß viele Modifikationen und Variationen durchgeführt werden können, ohne von dem abzuweichen, was als der Schutzumfang und Gegenstand der Erfindung betrachtet wird. Beispielsweise kann die Erfindung aus einem einzigen in einem Gehäuse eingebauten Instrument bestehen, das kurzzeitig mit der Batterie verbunden wird, um die Batterie vor Ort zu testen. Alternativ kann dieses Gerät aus einem Überwachungsgerät bestehen, das praktisch dauernd mit einer Batterie verbunden ist, um eine kontinuierliche Überwachung des Batteriezustands an einem entferntenAlthough three specific ways of carrying out the invention have been described, it should be understood that many modifications and variations may be made without departing from what is considered to be the scope and spirit of the invention. For example, the invention may consist of a single instrument housed in a housing which is temporarily connected to the battery for testing the battery in situ. Alternatively, this device may consist of a monitoring device which is substantially permanently connected to a battery for continuous monitoring of the battery condition at a remote
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Ort zu ermöglichen. In diesem letzteren Falle wird die Vorrichtung möglicherweise in zwei Teile getrennt - einen Teil der mit der Batterie verbunden ist, und am Ort der Batterie angeordnet ist, während der andere Teil, der die Fernanzeige enthält an der entfernten Stelle angeordnet ist. Die Unterteilung zwischen den zwei Teilen kann beliebig vorgenommen werden. Ich behaupte jedoch, daß alle derartigen Unterteilungen, Modifikationen und Variationen in den Schutzumfang der hierin offenbarten Erfindung fallen, und daher von den beigefügten Ansprüchen abgedeckt sein dürften.location. In this latter case, the device may be separated into two parts - one part connected to the battery and located at the battery location, while the other part containing the remote display is located at the remote location. The division between the two parts may be made arbitrarily. However, I submit that all such divisions, modifications and variations are within the scope of the invention disclosed herein and are therefore intended to be covered by the appended claims.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, daß daran Änderungen in Form und Detail ohne Abweichung von der Idee und dem Schutzumfang der Erfindung durchgeführt werden können.Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that changes in form and detail may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention.
Claims (18)
Korrektureinrichtungen (36, 220), welche mit den Einrichtungen zum Messen des dynamischen Parameters (40, 62, 226, 228) verbunden sind und direkt elektrisch mit den Einrichtungen zum Messen der Leerlaufspannung (38, 226, 228) verbunden sind, wobei die Korrektureinrichtungen zum Erhalt eines in Bezug auf Ladungszustand korrigierten dynamischen Parameterwerts durch Anpassung eines erfaßten dynamischen Parameterwerts entsprechend der Leerlaufspannung auf diese Leerlaufspannung anspricht; und
Einrichtungen (56, 58, 60, 64, 66, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246) zum Anzeigen eines Testresultats in Übereinstimmung mit dem in Bezug auf Ladungszustand korrigierten dynamischen Parameterwert. 1. Electronic device for testing an electrochemical cell or battery (24) which has a dynamic parameter, which is either a dynamic conductance or a dynamic resistance, an open circuit voltage and a state of charge, the electronic device further comprising devices which are electrically connected to the cell or battery (16, 28, 246, 248) for measuring this dynamic parameter (10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 26, 28, 30, 32, 34, 42, 44, 46, 48, 50, 52, 222, 224, 244, 246, 248, 250, 252, 254, 256), and further devices which are connected to the cell or battery for measuring the open circuit voltage (38), the electronic Device is further characterized by:
Correction means (36, 220) connected to the means for measuring the dynamic parameter (40, 62, 226, 228) and directly electrically connected to the means for measuring the open circuit voltage (38, 226, 228), the correction means being responsive to obtain a dynamic parameter value corrected for state of charge by adjusting a detected dynamic parameter value corresponding to the open circuit voltage to said open circuit voltage; and
Means (56, 58, 60, 64, 66, 234, 236, 238, 240, 242, 244, 246) for displaying a test result in accordance with the state of charge corrected dynamic parameter value.
einer Einrichtung, die betrieblich mit der Zelle oder Batterie verbunden ist, zum Bestimmen des dynamischen Leitwerts;
einer Einrichtung, die betrieblich mit der Zelle oder Batterie verbunden ist, zum Bestimmen der Leerlaufspannung;
einer Einrichtung zum automatischen Korrigieren des dynamischen Leitwerts in einer inversen Korrespondenz zu der Leerlaufspannung, um einen korrigierten dynamischen Leitwert zu erhalten; und
einer Einrichtung zum Anzeigen von Testergebnissen gemäß dem korrigierten dynamischen Leitwert. 9. An electronic device for monitoring or testing an electrochemical cell or battery having a dynamic conductance and an open circuit voltage, comprising:
a device operatively connected to the cell or battery for determining the dynamic conductance;
a device operatively connected to the cell or battery for determining the open circuit voltage;
means for automatically correcting the dynamic conductance in an inverse correspondence to the open circuit voltage to obtain a corrected dynamic conductance; and
a device for displaying test results according to the corrected dynamic conductance.
einer Einrichtung, die betrieblich mit der Zelle oder Batterie verbunden ist, zum Bestimmen des dynamischen Leitwerts;
einer Einrichtung, die betrieblich mit der Zelle oder Batterie verbunden ist, zum Bestimmen der Leerlaufspannung;
einer Einrichtung zum automatischen Korrigieren des dynamischen Leitwerts in einer inversen Korrespondenz zu der Leerlauf Spannung, um einen korrigierten dynamischen Leitwert zu erhalten;
einer Einrichtung zum Vergleichen des korrigierten dynamischen Leitwerts mit einem Referenzleitwert, um ein qualitatives Ergebnis zu erhalten;
einer Einrichtung zum Anzeigen des qualitativen Ergebnisses. 12. Electronic device for monitoring or testing an electrochemical cell or battery having a dynamic conductance, an open circuit voltage and a rated electrical power, comprising:
a device operatively connected to the cell or battery for determining the dynamic conductance;
a device operatively connected to the cell or battery for determining the open circuit voltage;
means for automatically correcting the dynamic conductance in an inverse correspondence to the open circuit voltage to obtain a corrected dynamic conductance;
a device for comparing the corrected dynamic conductance with a reference conductance to obtain a qualitative result;
a device for displaying the qualitative result.
einer Einrichtung, die betrieblich mit der Zelle oder Batterie verbunden ist, um ein zu dem dynamischen Leitwert proportionales Signal zu liefern;
einer Einrichtung, die betrieblich mit der Zelle oder Batterie verbunden ist, um die Leerlaufspannung zu messen;
einer Einrichtung zum automatischen Einstellen des Pegels des Signals gemäß der gemessenen Leerlaufspannung und
einer Einrichtung zum Anzeigen einer Bewertung der Zelle oder Batterie als Antwort auf den Pegel des Signals. 15. Electronic device for testing or monitoring an electrochemical cell or battery having a dynamic conductance, an open circuit voltage and a rated electrical power, comprising:
a device operatively connected to the cell or battery for providing a signal proportional to the dynamic conductance;
a device operatively connected to the cell or battery for measuring the open circuit voltage;
a device for automatically adjusting the level of the signal according to the measured open circuit voltage and
means for indicating a rating of the cell or battery in response to the level of the signal.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US87764692A | 1992-05-01 | 1992-05-01 | |
EP93910920A EP0672248B1 (en) | 1992-05-01 | 1993-04-30 | Electronic battery tester with automatic compensation for low state-of-charge |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE9321638U1 true DE9321638U1 (en) | 2001-07-26 |
Family
ID=26135163
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE9321638U Expired - Lifetime DE9321638U1 (en) | 1992-05-01 | 1993-04-30 | Electronic battery tester with automatic compensation of a low state of charge |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE9321638U1 (en) |
Cited By (3)
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DE10236958B4 (en) * | 2002-08-13 | 2006-12-07 | Vb Autobatterie Gmbh & Co. Kgaa | Method for determining the removable amount of charge of a storage battery and monitoring device for a storage battery |
US7674551B2 (en) | 2002-06-03 | 2010-03-09 | Vb Autobatterie Gmbh | State of charge indicator for a battery |
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1993
- 1993-04-30 DE DE9321638U patent/DE9321638U1/en not_active Expired - Lifetime
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