AT404198B

AT404198B - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des ladezustandes einer wiederaufladbaren batterie

Info

Publication number: AT404198B
Application number: AT0094494A
Authority: AT
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1994-05-05
Publication date: 1998-09-25
Also published as: ATA94494A; DE4316471C2; DE4316471A1

Description

AT 404 198 B

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie, gemäß der Gattung, des Hauptanspruches.

In der DE-OS 41 12 987 wird der Ladezustand einer wiederaufladbaren Batterie, inbesondere eines Nickel-Cadmium-Akkumulators, mit einer elektronischen Zählvorrichtung erfaßt, deren Zählerstand beim Laden hochgezählt und beim Entladen heruntergezählt wird. Der Ladezustand der Batterie ist der Zustand, der momentan im Nickel-Cadmium-Akkumulator vorhandenen, tatsächlich gespeicherten Ladungsmenge.

Im folgenden ist die Kapazität eines Akkumulators das momentane, alterungsabhängige Ladungsspeicherungsvermögen oder Ladungsfassungsvermögen des Akkumulators. Die Kapazität eines Akkumulators ist der maximale Ladezustand des Akkumulators zu jeder Zeit. Sowohl die Kapazität als auch der Ladezustand des Akkumulators werden hinsichtlich des gleichen Nullpunktes der entnehmbaren Ladungsmenge des Akkumulators beurteilt. Dabei wird von einer Nulladung des Akkumulators ausgegangen. Der Nullpunkt wird durch einen Schwellwert einer Meßgröße, meist der Klemmenspannung, die der Entladeschlußspannung für die Tiefentladung des Nickel-Cadmium-Akkumulators entspricht, festgelegt.

Nennkapazität ist die Kapazität eines Akkumulators, die für den Akkumulator vom Hersteller angegeben wird. Sie entspricht der Mindestkapazität der Akkumulatoren eines neu gefertigen Loses von Akkumulatoren der gleichen Bauart.

Der Meßbetrieb eines Akkumulators weist ein oder mehr Justierzyklen und ein oder mehr Arbeitszyklen auf. Ein Justierzyklus dient sowohl der Ingangsetzung der Vorrichtung als auch der Korrektur des laufenden Meßbetriebs. Ein Arbeitszyklus dient dem Zweck der Energieentnahme aus der wiederaufladbaren Batterie. Parasitäre Energieentnahme aus dem Akkumulator, zum Beispiel durch Selbstentladung des Akkumulators, tritt während des Meßbetriebes begleitend auf.

Gewöhnlich wird der Ladezustand eines Akkumulators durch die Messung seiner Klemmenspannung überwacht. Ein Nachteil der Bestimmung des Ladezustandes eines Nickel-Cadmium-Akkumulators durch Spannungsmessung besteht durch die Ungenauigkeit dieser Messmethode aufgrund sehr niedriger Absolutwerte der Änderungen der Klemmenspannung (Entladekurve) des Akkumulators. Die Kapazität wird bestimmt über Meßwerte jenseits dieses flachen Kurvenverlaufes der Entladekurve.

Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist ferner, daß aufgrund von Alterung und unterschiedlichen Lade-/Entladezyklen Abweichungen der Kapazität des Nickel-Cadmium-Akkumulators von der Nennkapazität auftreten. Ist die Kapazität des Nickel-Cadmium-Akkumulators kleiner als die Nennkapazität, so wird nicht die tatsächlich verfügbare Ladungsmenge durch die Zählvorrichtung angezeigt, sondern ein Ladezustand vorgetäuscht, der auf den Wert der Nennkapazität bezogen ist. Eine Eichung der Meßeinrichtung ändert nichts an der angezeigten Ladungsmenge hinsichtlich der Kapazität des Akkumulators. Wird der Nickel-Cadmium-Akkumulator in Geräten eingesetzt, bei denen die tatsächlich verfügbare Ladungsmenge wichtig ist, zum Beispiel einer Leuchte für Feuerwehranwendungen oder Notstromanwendungen, so ist die Überwachung der Kapazität neben der des Ladezustandes des Nickel-Cadmium-Akkumulators erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu erarbeiten, die die tatsächlich verfügbare Ladungsmenge eines Akkumulators erfaßt und anzeigt.

Vorteile der Erfindung

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden gefährliche Situationen vermieden, weil der unter Berücksichtigung der Kapazität ermittelte Ladezustand einer wiederaufladbaren Batterie den tatsächlichen Werten entspricht. Über die gesamte Lebensdauer wird die wiederaufladbare Batterie zu jedem Zeitpunkt des Meßbetrie-bes zuverlässig einsetzbar. Das Ende der Lebensdauer der Batterie wird voraussehbarer.

Die Selbstentladung des Akkumulators wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Akkumulators berücksichtigt. Beim Aufladen wird der Ladezustand auf die gemessene Kapazität des Akkumulators begrenzt. Eine Alterung des Akkumulators wird somit vom Anwender erkannt, der diesen rechtzeitig austauscht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Vorrichtung und des Verfahrens möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Figur 1 zeigt ein elektrisches Netzwerk zur Bestimmung des Ladezustandes eines Nickel-Cadmium-Akkumulators, Figur 2 zeigt eine 2

AT 404 198 B

Entladekurve eines Nickel-Cadmium-Akkumulators, Figur 3 zeigt ein Schaubild einer Folge von Kapazitätswerten eines Nickel-Cadmium-Akkumulators.

Ausführungsbeispiel

Figur 1 zeigt eine elektronische Schäftung mit einem Nickel-Cadmium-Akkumulator 11, einem Mikroprozessor 12, einem Verbraucher 14, einem Feldeffekttransistor 15 als Transistor-Schaltelement und einem Referenzwiderstand 13 mit Meßleitungen 16 und 17. Ferner ist ein Temperatursensor T vorhanden, der mit dem Mikroprozessor 12 verbunden ist.

Figur 2 zeigt die Entladekurve eines Nickel-Cadmium-Akkumulators mit Klemmenspannung U, Einsatzspannung UE, Entladeschlußspannung Us und Nennspannung Um. Der Justier- und der Arbeitszyklus werden auf ein Spannungsintervall zwischen UE und Us festgelegt. Der Entladeschlußspannung entspricht eine Entladeschlußkapazität Ks bei 100 Kapazitätsanteilen K des Akkumulators. Die Einsatzspannung UE muß nicht die Maximalspannung sein, wenn zum Beispiel ein Handscheinwerfer mit einer Regelschaltung betrieben wird.

Figur 3 zeigt eine Folge von gemessenen Kapazitäten Qi zu verschiedenen Zeitpunkten t, anhand ausgezogener Striche, beginnend mit der ersten Kapazität Q, für das Folgeglied i = 1 bis zur n-ten Kapazität Q„, bei der die Lebensdauer des Akkumulators endet. Weiter zeigt Figur 3 gestrichelt dargestellte Strecken für eine Folge von Sollwerten S{ der Kapazität und gepunktet gezeichnete Strecken konstanter Länge, die Glättwerte G«. QN ist die Nennkapazität der Baureihe des Akkumulators, i ist der fortlaufende Folgegiiedindex und Qs < Qn die Entladeschwellkapazität für den Akkumulator.

Zur Inbetriebnahme der Vorrichtung im Justierzyklus J wird der Akkumulator bis zur Entladeschlußspannung Us entladen. Es folgt eine 14 Stunden andauernde vollständige Aufladung des Akkumulators mit einem Ladestrom ho = Qn/10 h, wie dies in dem DE-Buch der VARTA Aktiengesellschaft, Gasdichte Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Verein Deutscher Ingenieure, Gesellschaft mit beschränkter Haftung. Düsseldorf, 2. Auflage 1988, Seite 65 unter Berücksichtigung des Wirkungsgrades der Aufladung beschrieben ist. Bei der folgenden Entladung bis zur Entladeschlußspannung Us wird der Entladestrom l(t) und das Entladezeitintervall gemessen. Die Kapazität errechnet sich durch Integration des zeitabhängigen Entlade-Stroms l(t) für das Entladezeitintervall vom Entladebeginn bis zum Entladeschluß. Die Zählvorrichtung berechnet durch numerische Näherung dieses Integral, beispielsweise durch ein Programm eines Mikroprozessors, und speichert die errechnete Kapazität Q, im Register des Mikroprozessors als Si-Wert.

Zur Inbetriebnahme in einem ersten Arbeitszyklus A nach dem Justierzyklus J wird der Akkumulator vierzehn Stunden bei für jede Aufladung nahezu gleichbleibender Umgebungstemperatur mit ho vollgeladen und anschließend während des Betriebes entladen. Bei der Entladung können Entladepausen und Schwankungen der Umgebungstemperatur auftreten zum Beispiel bei der Verwendung einer Handlampe mit einem Akkumulator im Außendienst. Die Kapazität Q2 wird bestimmt durch Integration wie im vorangehenden Abschnitt beschrieben. Ist Q2 > Qi = St so wird ein konstanter Glättwert G2 zu Qi hinzugefügt: S2 = Qi + G2, ist Qi = Q2 geschieht nichts S2 = Qi und ist Q2 < Qi so wird ein konstanter Glättwert G2 von Qi abgezogen: S2 = Qi - G2 = Si - G2 und S2 gespeichert.

Im folgenden Justierzyklus dient S2 zum Vergleich mit dem dann gemessenen Q3; allgemein wird S{~ 1 mit Qi verglichen für weitere Zyklen. Zwischen den Justierzyklen liegen Arbeitszyklen, wobei die Lade- und Entladeströme als Integral der Strom-Zeit-Funktion im Ladezustand erfaßt werden: Li+i = L, ± l*At. Dabei ist L der Ladezustand, I die Zählvariable und das Pluszeichen steht für Laden, das Minuszeichen für Entladen. I ist der im Zeitintervail gemessene Lade- oder Entladestrom in Bezug auf den Akkumulator. Der Wert Li wird immer auf den Wert S| begrenzt, das heißt, Li £ Sj.

Es sind auch andere Reihenfolgen der Arbeits- und Justierzyklen denkbar. Ferner ist es möglich, auch einen Arbeitszyklus als Justierzyklus zu nutzen, wenn beispielsweise bestimmte Parameter einen voraussehbaren Einfluß auf den Ladezustand oder die Kapazität der wiederaufladbaren Batterie ausüben. Der Mikroprozessor bleibt auch bei Leerlauf, d. h. ohne Belastung, an der Versorgungsspannung der Vorrichtung und führt Überwachungsinstruktionen, zum Beispiel die Kontrolle der Klemmenspannung beim Aufladen des Akkumulators aus. Selbstverständlich kann an die Stelle eines Nickel-Cadmium-Akkumulators auch ein anderer Batterietyp treten, zum Beispiel ein Bleiakkumulator. Die Einflüsse der Temperatur und der Selbstentladung werden in konstanten Zeitintervallen erfaßt und bei der Berechnung des Ladezustandes berücksichtigt 3

Claims

AT 404 198 B Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie, mit einer elektronischen Zählvorrichtung, deren Zählerstand entsprechend dem Lade- und Entladestrom der Batterie veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerstand der Zählvorrichtung (12) zusätzlich abhängt von der tatsächlich vorhandenen Kapazität der Batterie (11) und daß Mittel zur Überwachung der mit der Alterung abnehmenden Kapazität der Batterie (11) und des jeweiligen Ladezustandes vorhanden sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine wiederaufladbare Batteriezelle (11), eine Zählvorrichtung (12) zur Überwachung des Ladezustands und der Kapazität und ein Referenzbauteil (13) zur Messung des Lade- und Entladestroms vorhanden sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als wiederaufladbare Batterie (11) ein Nickel-Cadmium-Akkumulator, als Zählvorrichtung (12) ein Mikroprozessor und als Referenzbauteil (13) ein Widerstand in Reihe mit der Batterie (11) verwendet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung in einem Handscheinwerfer oder als Bestandteil eines Handscheinwerfers, wobei die Zählvorrichtung (12) gleichzeitig als Steuereinrichtung für den Betrieb der Glühlampe (14) des Handscheinwerfers im Impulsbetrieb bei konstanter Leistung dient.
5. Verfahren zur Bestimmung des Ladezustandes einer wiederaufladbaren Batterie, wobei der Zählerstand einer elektronischen Zählvorrichtung entsprechend dem Lade- und Entladestrom der Batterie veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerstand der Zählvorrichtung (12) zusätzlich verändert wird in Abhängigkeit von der tatsächlich vorhandenen Restkapazität der Batterie (11), wobei der Zählvorrichtung (12) einerseits Signale entsprechend der mit der Alterung abnehmenden Kapazität der Batterie (11) und andererseits Signale entsprechend dem Ladezustand der Batterie zugeführt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbetrieb ein oder mehr Justierzyklen (J) und ein oder mehr Arbeitszyklen (A) aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Justierzyklus (J) eine Entladung der wiederaufladbaren Batterie (11) bis zur Entladeschlußspannung, eine Aufladung bis zur Volladung und anschließend zur Bestimmung der Restkapazität wiederum eine Entladung bis zur Entladeschlußspan-nung der Batterie (11) aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von einem abgeschlossenen Justierzyklus (J) mindestens ein Arbeitszyklus (A) folgt, der mit einer Volladung der Batterie (12) beginnt und dem unter Ermittlung des jeweiligen Ladezustandes eine Entladung bis zur Entladeschlußspannung folgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis B, dadurch gekennzeichnet daß die Justierzyklen (J) und Arbeitszyklen (A) durch Verwaltung der qualitativen und quantitativen Meß- und Regeldaten mit der Zählvorrichtung (12) überwacht werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbetrieb einen Justierzyklus (J, Qi) und viele Arbeitszyklen (A) mit einer Folge von Kapazitäten (Q2 bis Q() umfaßt, wobei jede Kapazität des momentanen Arbeitszyklus mit der des vorhergehenden Arbeitszyklus (A) verglichen und das Vergleichsergebnis gespeichert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß die Aufladung der wiederaufladbaren Batterie (11) im folgenden Arbeitszyklus (A) durch das Vergleichsergebnis aus dem vorangegangenen Arbeitszyklus (A) festgelegt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet daß das Vergleichsergebnis des momentanen Arbeitszyklus (A) zusammen mit einem konstanten Glättwert zur Berichtigung des Kapazitätswertes der Zählvorrichtung benutzt wird. 4 AT 404 198 B
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der berichtigte Kapazitätswert zur Festlegung des Ladestroms und der Ladezeit für die Aufladung im folgenden Arbeitszyklus (A) verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeschlußspannung, der Ladezustand und die Kapazität vom gleichen Bezugspotential aus ermittelt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstentladung der wiederaufladbaren Batterie (11) durch die Zählvorrichtung (12) erfaßt und der Wert des Ladezustandes berichtigt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstentladung der wiederaufladbaren Batterie in Abhängigkeit von der Batterietemperatur berücksichtigt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturabhängigkeit der Kapazität durch die Zählvorrichtung mit einem Temperatursensor (T) erfaßt und der Wert der Kapazität berichtigt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet daß ein Arbeitszyklus (A) als Justierzyklus (J) benutzt wird. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 5