DE19535294A1

DE19535294A1 - Verfahren zum Überwachen eines batteriebetriebenen Fahrzeugs und dessen Batterie sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Publication number: DE19535294A1
Application number: DE19535294A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Wenzl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 1997-03-27

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen eines batteriebetriebenen Fahrzeugs und dessen Batterie gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 Sie betrifft außerdem Verfahren zum Überwachen eines batteriebetriebenen Fahrzeugs und dessen Batterie.

In der Transporttechnik werden im großen Umfang batteriebetriebene Fahrzeuge eingesetzt. Beispiele hierfür sind Gabelstapler oder auch automatisch gesteuerte Fahrzeuge in Fabrikhallen zum Transport von Gütern oder das batteriebetriebene Stadtauto, mit dem ein emissionsfreier Individualverkehr möglich ist. Allein in der Bundesrepublik Deutschland sind insgesamt weit mehr als 100000 Flurförderzeuge im Einsatz.

Zum Antrieb solcher Fahrzeuge dienen Batterien (auch als Traktionsbatterien bezeichnet), die zuerst geladen und dann auf dem Fahrzeug eingesetzt werden. Durch die beim Betrieb erfolgende Stromentnahme werden sie langsam erschöpft und müssen wieder neu geladen werden. Dies erfolgt an einer sogenannten "Ladestation", wobei die Batterien an ein Ladegerät angeschlossen werden und dabei entweder auf dem Fahrzeug verbleiben oder davon getrennt werden. Batterien dieser Art kennen nur einen der beiden Zustände "Ladung" oder "Entladung" und werden deshalb nachfolgend als "intermittierend betriebene Batterien" bezeichnet. Dieser Begriff soll gegen Batterien abgrenzen, bei denen auch während des normalen Betriebs ein Ladegerät angeschlossen ist, wie es z. B. bei einer in einem Kraftfahrzeug eingesetzten Batterie der Fall ist.

Im allgemeinen handelt es sich bei diesen Batterien um Bleiakkumulatoren, es werden jedoch auch andere elektrochemische Systeme eingesetzt, wie z. B. Nickel/Cadmium-Batterien. In den Batterien, die zum Betrieb der in der Bundes republik Deutschland vorhandenen Fahrzeuge eingesetzt werden, kann insgesamt eine Energiemenge von ca. GWh elektrischer Energie gespeichert werden, pro Arbeitstag werden ca. 3-4 GWh Energie zum Laden benötigt.

Die technische Weiterentwicklung von wiederaufladbaren Batterien (auch ausgelöst durch das Bemühen um sparsamen Umgang mit Energie) hat die Erkenntnis gebracht, daß deren Lebensdauer beachtlich gesteigert werden kann, wenn bei den Lade/Entlade-Vorgängen bestimmte Vorsichtsmaßnahmen eingehalten werden. So ist z. B. bekannt, daß ein Bleiakkumulator keine Tiefentladung erfahren sollte, weil dabei das elektrochemische System durch Schlammbildung in der Batterie beeinträchtigt wird. Zur Verhinderung von Tiefentladung wurden deshalb Systeme entwickelt, die den Spannungsverlauf der Batterie während der Entladung analysieren und so auf deren Ladungszustand schließen oder den während des Einsatzes entnommenen Strom über die Zeit messen und aus dem Strom/Zeit- Integral die entnommene Ladungsmenge ermitteln und so auf den Ladungszustand der Batterie schließen. Einige dieser Systeme generieren bei Unterschreiten eines Grenzwerts ein Signal, mit dem die Hauptverbraucher abgeschaltet werden (bei einem Gabelstapler z. B. die Hubmotoren; Hubabschaltung).

Außerdem wurde erkannt, daß das Laden der Batterie schonender gestaltet werden kann, wenn dabei den elektrochemischen Eigenheiten der Batterie Rechnung getragen wird. Dies führte zur Entwicklung von Ladegeräten, die nach einem vorgegebenen Programm arbeiten, womit erreicht wird, daß der Ladestrom eine Funktion des bereits erreichten Ladezustands ist. Solche Ladegeräte arbeiten nach besonderen Kennlinien, die z. B. als IUIa- oder IOIUIa-Kennlinie bekannt sind (siehe hierzu VDE 0510/DIN 57 510).

Die bekannten Überwachungssysteme haben eine Reihe von Nachteilen und gewährleisten insbesondere keinen umfassenden Schutz der Batterie vor ungünstigen Betriebszuständen. So gibt es z. B. noch keinen wirklich sicheren Schutz gegen Überladungen, weil selbst Ladegeräte, die den Volladezustand der Batterie an der Spannungslage erkennen, zur sicheren Volladung der Batterie eine Mindestladezeit vorsehen, die zur Schädigung der Batterie führen kann. Außerdem gibt es kein Überwachungssystem, mit dem auch in bezug auf das Fahrzeug - nicht nur die Batterie betreffend - ungünstige Betriebszustände vermieden werden können.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Mittel zum umfassenden Überwachen eines batteriebetriebenen Fahrzeugs und dessen Batterie zur Verfügung zu stellen, mit denen durch Vermeidung von ungünstigen Betriebszuständen ein schonender Betrieb von Fahrzeug und Batterie möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie mit Verfahren gemäß den Ansprüchen 16 und 18.

Die Erfindung geht von der Kenntnis aus, daß eine umfassende Vermeidung von ungünstigen Betriebszuständen nur dann möglich ist, wenn die Zustandsdaten der Batterie nicht nur ermittelt und gespeichert, sondern auch konsequent zur Durch führung einer Befehlsstruktur verwendet werden, mit denen vor Ort (d. h. auf dem batteriebetriebenen Fahrzeug) und unmittelbar (d. h. zum Zeitpunkt, zu dem dieser Zustand auftritt) Maßnahmen ergriffen werden, die solche Betriebszustände erst gar nicht eintreten lassen. Zu diesem Zweck sind erfindungsgemäß bei einer Vor richtung zum Überwachen eines batteriebetriebenen Fahrzeugs und dessen Batterie eine Meß/Auswerteeinheit zur Ermittlung der Zustandsdaten der Batterie, sowie zur Generierung von Warn- und/oder Steuerbefehlen für den Einsatz der Batterie und des Fahrzeugs nach Maßgabe der Zustandsdaten, eine Anzeigeeinheit zur Darstellung der Zustandsdaten und der Steuer- und Warnbefehle zusammen mit der Batterie auf dem Fahrzeug untergebracht.

Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Steuerbefehle für den Einsatz der Batterie und des Fahrzeugs vor Ort generierbar und unmittelbar zum Vermeiden von ungünstigen Betriebszuständen einsetzbar sind. Weil sowohl die Ermittlung der Zustandsdaten der Batterie als auch die daraus abgeleitete Befehlsstruktur beliebig umfangreich gestaltet werden kann, ist der Schutz vor ungünstigen Betriebs zuständen umfassend. Die Erfindung vermeidet damit Nachteile von bekannten Vorrichtungen, die stets nur Teilaufgaben lösen konnten. Insbesondere werden die Nachteile von Systemen überwunden, die mit einem Zentralrechner arbeiten, der sich nicht auf dem Fahrzeug befindet. Ein solcher Rechner kann lediglich in den Ladevorgang eingreifen, nicht jedoch in den Betrieb der Batterie und - darüber hinaus - in den Betrieb des Fahrzeugs selbst.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mit der Meß/Aus werteeinheit ein Warn- bzw. Steuerbefehl generierbar, der auf die fällige Wartung der Batterie und/oder des Fahrzeugs hinweist und/oder den Ladevorgang der Batterie sperrt und/oder den Betrieb des Fahrzeugs ganz oder teilweise sperrt.

Zur Ermittlung der Zustandsdaten der Batterie können zur Verfügung stehende Geräte eingesetzt werden, die unter dem Namen "Batteriekontroller" bekannt sind. Es handelt sich dabei um Meßeinrichtungen, mit denen eines oder mehrere der folgenden Zustandsdaten ermittelbar sind:

I: aus der Batterie entnommener und/oder in die Batterie eingespeister Strom;
U, U_t: Spannung der Batterie (U) und/oder einzelner Batteriezellen (U_t);
U/U_t: Verhältniswert;
t: Zeit;
T: Temperatur der Batterie und/oder einzelner Batteriezellen;
Q_e: während einer vorgewählten Zeitspanne in die Batterie eingespeiste Ladungsmenge;
Q_a: während einer vorgewählten Zeitspanne aus der Batterie entnommene Ladungsmenge;
Q: Differenz (Q_e - Q_a);
Δ/Q_n: Verhältniswert, wobei Q_n die Nennkapazität der Batterie bedeutet;
Q_t: Restkapazität der Batterie.

Die an der Batterie gemessenen Basisdaten sind der Strom 1, der im allgemeinen im Shunt gemessen wird und dabei in Gestalt eines stromproportionalen Spannungs wertes zur Verfügung steht. Daneben werden die Gesamtspannung U und wahlweise die Spannung U_t einzelner Batteriezellen ermittelt. Mit Hilfe von an der Batterie vorgesehenen Temperatursensoren ist außerdem die Ermittlung der Temperatur T der Batterie oder einzelner Batteriezellen möglich.

Aus den vorgenannten Basisdaten (I, U, U_t, T) können abgeleitete Daten ermittelt werden, wobei zunächst der Verhältniswert U/U_t von Interesse ist. Dieser Verhältniswert macht eine Aussage darüber, ob einzelne Batteriezellen gegenüber den anderen Zellen geschwächt sind. Wenn die Anzahl der Zellen der Batterie n ist und die Teilspannung U_t über n/2 Zellen abgegriffen wird, so muß bei gleich leistungsstarken Zellen beim Entladen für den Verhältniswert folgende Bedingung erfüllt sein:

U/U_t = n/(n/2) = 2

Wenn sich unter den Zellen, über die U_t abgegriffen wird, eine geschwächte Zelle befindet, ist der Wert von U- kleiner als theoretisch, und es ist U/U_t < 2. Damit kann aus der Größe dieses Verhältniswertes auf die Schwächung einzelner Zellen geschlossen werden. Auch beim Laden ergibt sich bei geschwächten, defekten oder ungleichen Zellen eine Veränderung des theoretischen Wertes.

Wenn die Messung von 1 zeitabhängig erfolgt, kann gleichzeitig das Strom/Zeit- Integral gebildet und damit die in die Batterie eingespeiste oder daraus entnommene Ladungsmenge gemessen werden, die üblicherweise in Ampèrestunden (Ah) angegeben wird. Zur Bildung des Strom/Zeit-Integrals stehen Mikrochips zur Verfügung.

Mit Hilfe des Strom/Zeit-Integrals ist (bei gleichzeitiger Erfassung der Absolutzeit) die Ermittlung von weiteren abgeleiteten Zustandsdaten in Gestalt der während einer vorgewählten Zeitspanne in die Batterie eingespeisten Ladungsmenge Q_e bzw. der aus der Batterie entnommenen Ladungsmenge Q_a möglich. Außerdem kann die Differenz ΔQ = (Q_e - Q_a) ermittelt werden, mit der (wie noch ausgeführt werden soll) eine Überladung verhindert werden. Als weitere abgeleitete Größe kann der Verhältniswert ΔQ/Q_n ermittelt werden, wobei Q_n die Nennkapazität der Batterie bedeutet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mit der Meß/Aus werteeinheit Steuer- bzw. Warnbefehle generierbar, wenn mindestens einer der vorgenannten Zustandsdaten einen vorgegebenen Grenzwert G über- oder unterschreitet. Ein einzelner Grenzwert kann dabei wahlweise von anderen Zustandsdaten abhängig sein.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine nutzungsabhängige Wartung der Batterie möglich, mit der erstmalig eine Schädigung der Batterie durch übermäßige Überladung sicher verhindert wird. Es ist bekannt, daß eine Überladung eine Batterie in zweierlei Hinsicht beeinträchtigt. Zum einen finden unerwünschte elektrochemische Prozesse statt, wenn beispielsweise bei einem Bleiakkumulator alles Pb(II) an einer Elektrode zu Pb(IV) oxidiert und an der anderen Elektrode zu Pb(0) reduziert worden ist. In der neueren elektrochemischen Forschung wird die ständige Überladung einer vollgeladenen Batterie sogar als ein Weg bezeichnet, der in definierter Weise zu Kapazitätsverlust führt. Zum anderen wird nach einer Ladung über die Nennkapazität hinaus die zugeführte Energie zum größeren Teil in Wärme oder in Elektrolyse zu Wasser umgesetzt, wobei Wasserstoff entsteht (Gasen der Zelle). Auf diese Weise entsteht bei häufigerem Überladen ein Wasserverlust, der gelegentlich durch Zugabe von destilliertem Wasser ausgegli chen werden muß. Nachfolgend wird unter dem Begriff "Wartung einer Batterie" eine Maßnahme verstanden, bei der jedenfalls (d. h. wahlweise zusammen mit anderen Maßnahmen) ein Nachfüllen von Wasser erfolgt. Der letztgenannte Effekt des Überladens, d. h. der dadurch verursachte Wasserverlust hat dabei die größere wirtschaftliche Bedeutung, weil der dazu erforderliche Wartungsaufwand hoch ist und eine nicht erfolgte Wartung sehr schnell zu einer Zerstörung der Batterie führt.

Es ist bekannt, daß eine Batterie eine um so höhere Überladung verträgt, je größer ihre Nennkapazität ist. Bei konventionellen Batterien mit flüssigem Elektrolyten und einem Ladegerät mit IUIa-Kennlinie gilt als Richtwert, daß Wasser nachgefüllt werden sollte, wenn die Überladung 50% der Nennkapazität beträgt. Bei Batterien mit IOIUIa-Kennlinie und Elektrolytumwälzung kann dagegen die Differenz bis zum zehnfachen der Nennkapazität betragen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine nutzungsabhängige Wartung der Batterie, indem die Batterie zunächst in einen definierten Ausgangszustand gebracht, d. h. geladen und gewartet (Nachfüllen von Wasser) wird. Sodann werden über die darauffolgenden Lade/Entlade-Vorgänge (nachfolgend kurz als "Zyklen" bezeichnet) die während dieser Zeit entnommene Ladungsmenge Q_e und die eingespeiste Ladungsmenge Q_a ermittelt und daraus die Differenz ΔQ = (Q_e - Q_a) ermittelt. Keine Überladung liegt vor, wenn Q_e = Q_a, d. h. ΔQ = 0. Wenn ΔQ endliche Werte annimmt, kann damit die Größe der Überladung bestimmt und zur Nennkapazität der Batterie Q_n ins Verhältnis gesetzt, d. h. der Verhältniswert ΔQ/Q_n gebildet werden. Dieser Verhältniswert ist ein Maß für den Zeitpunkt, bei dem die Batterie unter Nachfüllen von Wasser gewartet werden sollte. Bei dem vorliegenden Beispiel, d. h. bei konventionellen Batterien mit flüssigem Elektrolyten und einem Ladegerät mit IUIa-Kennlinie und einer zulässigen Differenz von 50% der Nennkapazität, ist eine Wartung der Batterie bei ΔQ/Q_n = 0,5 erforderlich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist deshalb ein auf die fällige Wartung der Batterie hinweisender Warnbefehl generierbar, wenn ΔQ/Q_n, gemessen nach erfolgter Wartung und Ladung der Batterie während der da rauf folgenden Lade/Entlade-Vorgänge (Zyklen) der Batterie, einen vorgegebenen Grenzwert G₁ überschreitet. In der Praxis wird dieser Grenzwert G₁ so gewählt, daß er lediglich eine Warnung (Warnbefehl) an der Anzeigeeinheit auslöst, der einen weiteren Betrieb der Batterie noch erlaubt. Wird dann die Wartung nicht durch geführt und ein weiteres Ansteigen des Verhältniswertes ΔQ/Q_n zugelassen, ist bei Überschreiten eines zweiten Grenzwertes G₂ (G₂ < G₁) ein Steuerbefehl generier bar, der ein Laden der Batterie solange verhindert, bis Wasser nachgefüllt (d. h. die Wartung erfolgt) und der Sperrbefehl zurückgesetzt ist. Auf diese Weise ist eine Befehlsstruktur geschaffen, die vor Ort eingreift, wenn die nutzungsabhängige Wartung einer Batterie erforderlich ist, und die durch den Grenzwert G₂ vorher ein Laden der Batterie unmöglich macht.

Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch ein Verfahren zum Überwachen einer intermittierend betriebenen Batterie, bei dem nach erfolgter Wartung und Ladung der Batterie während der darauffolgenden Lade/Entlade-Vorgänge von einer Meß/Auswerteeinheit fortlaufend die Summe Q_a der aus der Batterie entnomme nen Ladungsmenge und die Summe Q_e der eingespeisten Ladungsmenge bestimmt und daraus die Differenz ΔQ = Q_e - Q_a ermittelt und zur Nennkapazität Q_n der Batterie ins Verhältnis gesetzt wird, und von der Meß/Auswerteeinheit ein Warnbefehl generiert wird, der auf die Notwendigkeit einer Wartung der Batterie hinweist, wenn der Verhältniswert ΔO/Q_n einen vorgewählten Grenzwert G₁ übersteigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird von der Meß/ Auswerteeinheit ein Steuerbefehl generiert, der das Laden der Batterie sperrt, wenn der Verhältniswert ΔO/Q_n einen Grenzwert G₂ überschreitet, wobei G₂ < G₁.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt (alternativ oder zusammen mit der vorstehend beschriebenen nutzungs abhängigen Wartung der Batterie) eine nutzungsabhängige Wartung des batteriebe triebenen Fahrzeugs. In der Praxis hat sich erwiesen, daß die Wartung des Fahrzeugs nicht nach Betriebsstunden erfolgen sollte, sondern nach einem bestimmten Energiedurchsatz, z. B. dem hundertfachen der Nennkapazität. Die Wartung nach Maßgabe des Energiedurchsatzes ist deswegen ein besseres Kriterium, weil dabei Betriebszustände mit höherem Energiedurchsatz (bei denen das Fahrzeug mehr beansprucht wird) höher gewichtet werden als Betriebs zustände, bei denen sich das Fahrzeug im durchschnittlichen Bereich des Energieverbrauchs befindet, und umgekehrt. Nur bei Einsatz in der Nähe des mittleren Energieverbrauchs ist deshalb eine Wartung des Fahrzeugs nach Maßgabe der Betriebsstunden das sinnvolle Kriterium. Dies bedeutet, daß auch bei Fahrzeugen eine nutzungsabhängige Wartung Vorteile bringt.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine nutzungsabhängige Wartung des Fahrzeugs möglich, indem auch hier das Fahrzeug zunächst in einen definierten Ausgangszustand gebracht, d. h. gewartet wird. Während der drauffolgenden Lade- Entladevorgänge der Batterie (wiederum kurz als "Zyklen" bezeichnet) wird von der Meß-Auswerteeinheit die aus der Batterie entnommene Lademenge Q_a bestimmt und über alle nachfolgenden Zyklen aufsummiert. Wenn Q_a einen vorgewählten Grenzwert G₃ übersteigt, wird analog wie bei der nutzungsabhängigen Wartung der Batterie zunächst ein Warnbefehl generiert, der auf die fällige Wartung des Fahrzeugs hinweist, und dann bei Überschreiten eines Grenzwerts G₄ (G₄< G₃) ein Steuerbefehl, der den weiteren Betrieb des Fahrzeugs ganz oder teilweise sperrt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist deshalb auch ein Verfahren zum Überwachen eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, bei dem nach erfolgter Wartung des Fahrzeugs während der darauffolgenden Lade/Entlade-Vorgänge der Batterie von einer Meß/Auswerteeinheit die aus der Batterie entnommene Ladungsmenge Q_a bestimmt und von der Meß/Auswerteeinheit ein Warnbefehl generiert wird, der auf die Notwendigkeit einer Wartung des Fahrzeugs hinweist, wenn Q_a einen vor gewählten Grenzwert G₃ übersteigt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird von der Meß/Auswerteeinheit ein Steuerbefehl generiert, der den Betrieb des Fahrzeugs ganz oder teilweise sperrt, wenn Q_a einen Grenzwert G₄ überschreitet, wobei G₄ < G₃.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Steuerbefehl generierbar, der bei Überschreiten eines Grenzwer tes für die Temperatur T der Batterie den Betrieb des Fahrzeugs teilweise sperrt, indem er dessen Hauptverbraucher abschaltet und/oder die Ladung der Batterie sperrt. Daneben ist ein Steuerbefehl möglich, der bei Überschreiten eines Grenzwertes für U/U_t die Hauptverbraucher des batteriebetriebenen Fahrzeugs abschaltet und/oder gleichzeitig die Ladung der Batterie sperrt.

Unter dem Begriff "Hauptverbraucher" werden diejenigen Verbraucher eines batteriebetriebenen Fahrzeugs verstanden, die die Energie am meisten belasten und deshalb auch am meisten schädigen, wenn sie nach Erreichen eines Grenzwertes weiter betrieben sind. Bei einem Gabelstapler sind die Hauptverbraucher im wesentlichen die Hubmotoren. Beschränkt man die Stillegung auf diese Ver braucher, dann sind die Antriebsmotoren noch betreibbar, und das Fahrzeug kann noch zur Wartung gefahren werden. Dies ist unter Sicherheitserwägungen erforderlich, weil ein nicht mehr fahrbares Fahrzeug in einem Werksgelände gegebenenfalls ein Sicherheitsrisiko darstellt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Meß/Auswerteeinheit fest mit der Batterie und die Anzeigeeinheit fest mit dem Fahrzeug verbunden, wobei die Verbindung zwischen Meß/Auswerteeinheit und Anzeigeeinheit über ein Kabel mit einer lösbaren Steckerverbindung erfolgt.

In vorteilhafter Weise können die Funktionen der Meß/Auswerteeinheit zur Ermittlung der Zustandsdaten und/oder zur Generierung der Warn- und/oder Steuerbefehle ganz oder teilweise von einem Mikroprozessor übernommen werden. Dies hat den Vorteil, daß das Programm des Mikroprozessors frei gewählt und verändert werden kann, womit ein Höchstmaß an Flexibilität bei der Überwachung von Fahrzeug und Batterie, die Berücksichtigung zahlreicher Abhängigkeiten der Grenzwerte von den einzelnen Zustandsdaten und bei der Gestaltung der Befehlsstruktur gewährleistet ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine Batterie 1, eine Meß/Auswerteeinheit 2 und eine Anzeigeeinheit 3 aufweist;

Fig. 2 die Ausführungsform von Fig. 1 in der Betriebsphase, in der die Ladung der Batterie 1 vorbereitet wird;

Fig. 3 eine Modifikation der Ausführungsform von Fig. 1, bei der die Meß/Auswerteeinheit 2 auf der Batterie 1 untergebracht ist;

Fig. 4 eine Detaildarstellung eines Signalstiftes.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Batterie 1, einer Meß/Auswerteeinheit 2 und einer Anzeigeeinheit 3. Die Batterie 1 ist über ein Steckerpaar 11, 12 mit den Verbrauchern eines batteriebetriebenen Fahrzeugs verbindbar, wobei Bezugszeichen 10 den Antriebsmotor des batteriebetriebenen Fahrzeugs und Bezugszeichen 15 den Hauptverbraucher (im Falle eines Gabel staplers den Hubmotor) bedeutet.

Von der Meß/Auswerteeinheit 2 führt eine Leitung l₄ zu einem Schalter S. Mit der Leitung l₄ ist ein Steuerbefehl übertragbar, der den Hauptverbraucher 15 des batteriebetriebenen Fahrzeugs selektiv abschaltet, ohne dabei auch den Antriebs motor 10 abzuschalten. Mit l wird ein in den Stromkreis geschaltetes Strommeßge rät symbolisiert, von dem eine Leitung l₂ ausgeht, die den gemessenen Stromwert auf die Meß/Auswerteeinheit überträgt. Entsprechend verhält es sich mit einer Leitung l₃, die von einem über die Batteriespannung gelegten Spannungsmeßgerät U ausgeht. Links neben dem Spannungsmeßgerät U verzweigt sich die Spannungs versorgung und führt direkt zum Antriebsmotor 10 und über den Schalter S zum Hauptverbraucher 15. In entsprechender Weise ist über die Leitung l₁ von der Meß/Auswerteeinheit 2 zum batterieseitigen Stecker 12 des Steckerpaares 11, 12 ein Steuerbefehl übertragbar, der die Ladung der Batterie sperrt. Dies wird in Fig. 2 näher erläutert.

Fig. 2 zeigt zusätzlich zu den Komponenten von Fig. 1 ein modifiziertes Ladegerät 14, welches über einen Gegenstecker 13 mit dem batterieseitigen Stecker 1 2 des Steckerpaares 11, 12 verbindbar ist. Der batterieseitige Stecker weist eine erste Steckerbuchse 20 sowie eine zweite Steckerbuchse 21 auf, die mit dem ersten Steckerstift 23 und dem zweiten Steckerstift 24 des Gegensteckers 13 in Kontakt geraten, wenn das Steckerpaar 12, 13 zusammengesteckt wird. Zusätzlich ist im batterieseitigen Stecker 12 ein Signalanschluß in Gestalt eines Signalstifts 22 vorgesehen, der passend zu einer entsprechenden Signalbuchse 25 des Gegen steckers 13 gestaltet ist. Nach dem Zusammenstecken des Steckerpaares 12, 13 ist es also möglich, den von der Leitung l₁ zur Verfügung gestellten Steuerbefehl zum Sperren des Ladevorgangs der Batterie über den Signalstift 22 bzw. die Signalbuchse 25 an eine Logik zu übertragen, die im modifizierten Ladegerät 14 vorgesehen ist. Hierzu dient die Leitung l₅, die mit der Signalbuchse 25 des Gegensteckers 13 und mit dem Ladegerät 14 verbunden ist.

Fig. 3 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 1, bei der die Meß/Auswerteeinheit 2 fest mit der Batterie 1 verbunden ist. Außerdem sind die Geräte zur Spannungs- bzw. Strommessung U, I (und damit auch die Leitungen l₂ und l₃) in den Gesamtaufbau der Batterie 1 integriert. Das röhrenförmige Element, mit dem in Fig. 2 sowohl die Meß/Auswerteeinheit 2 als auch die Anzeigeeinheit 3 dargestellt wird, ist verkürzt dargestellt, um anzudeuten, daß es nur noch die Anzeigeeinheit 3 umfaßt.

Die Verbindung zwischen der auf der Batterie 1 untergebrachten Meß/Auswerteein heit 2 und der Anzeigeeinheit 3 erfolgt über eine lösbare Steckerverbindung, mit denen die Leitungen l₄, l₄′ bzw. l₆ trennbar sind. Von diesen Leitungen dient l₄, l₄′ zum Übertragen des Steuerbefehls, mit dem die Hauptverbraucher 15 des batteriebetriebenen Fahrzeugs gesperrt werden können. Die Leitung l₆ dient zum Übertragen der Zustandsdaten an die Anzeigeeinheit 3, die damit dargestellt werden sollen. Wie in den Fig. 1 und 2 ist eine Leitung l₁ vorgesehen, mit der ein Steuerbefehl zum Sperren des Ladevorgangs der Batterie 1 an den batterieseitigen Stecker und von dort weiter an den Gegenstecker eines (in Fig. 3 nicht gezeigten) Ladegeräts übertragen werden kann.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 zeigt das Prinzip der sogenannten "Wechselbat terie", deren Vorteile darin bestehen, daß das Fahrzeug während der zur Ladung der erschöpften Batterie benötigten Zeit durch Einwechseln einer vollgeladenen Batterie weiter genutzt werden kann. Der Wechsel der Batterie erfolgt bei sehr intensiv genutzten Fahrzeugen häufig. Durch die Anbringung der Meß/Auswerteeinheit auf der Batterie müssen beim Einwechseln der vollgeladenen Batterie die hinterlegten Zustandsdaten und Grenzwerte in der Meß/Auswerteeinheit nicht überprüft werden, und die Ladung der erschöpften Batterie kann unabhängig vom Fahrzeug unter Nutzung der generierten Steuerbefehle erfolgen.

Bei allen Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 3 kann das modifizierte Ladegerät 14 entweder bei einer externen Ladestation oder auf dem batteriebetrie benen Fahrzeug selbst untergebracht sein. Die Unterbringung auf dem Fahrzeug hat den Vorteil, das Fahrzeug und Ladegerät eine Aktionseinheit bilden, die eine externe Ladestation nicht benötigt.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 bis 3 kann der über die Leitung l₄ übertragene Steuerbefehl zum Sperren der Hauptverbraucher 1 5 mit dem Befehl zum Sperren des Ladevorgangs der Batterie kombiniert werden. Dies hat den Vorteil, daß der Benutzer immer dann zu einer Wartung der Batterie gezwungen wird, wenn beim Betrieb des Fahrzeugs ein Ereignis eingetreten ist, das zum Sperren der Hauptverbraucher 15 geführt hat.

Die Verbindung des verbraucherseitigen Steckers 11 mit den Verbrauchern 10, 15 des batteriebetriebenen Fahrzeugs erfolgt in den Fig. 1 bis 3 in der Praxis nicht so wie dargestellt, sondern über einen zwischengeschalteten Leistungsanschluß, von wo aus die Leistung der Batterie an die unterschiedlichen Verbraucher weitergeleitet wird. Dieser Leistungsanschluß ist aus Gründen der Vereinfachung nicht eingezeichnet.

Fig. 4 zeigt eine Detaildarstellung einer Ausführungsform eines Signalstifts 22 und einer Signalbuchse 25. Diese beiden Elemente sind komplementär zueinander ausgebildet, so daß sie sich beim Zusammenstecken zu einem sechskantigen Element ergänzen. Sowohl der Signalstift 22 als auch die Signalbuchse 25 weist einen Isolierkörper 40, 41 auf, der an den jeweils freiliegenden Oberflächen elektrisch leitende Flächen 42-45 trägt, die beim Zusammenstecken miteinander in elektrisch leitenden Kontakt geraden und eine Übertragung eines Steuerbefehls ermöglichen. Hierzu dienen die von der Meß/Auswerteeinheit kommende Leitung l₁ und die zum Ladegerät 14 führende Leitung l₅. Durch die besondere Form der Signalstifte 22 und der Signalbuchse 25 wird auch verhindert, daß Batterien an nicht modifizierten Ladegeräten geladen und somit die durch die Vorrichtung erzwungenen Arbeitsabläufe umgangen werden können.

Bezugszeichenliste

1 Batterie
2 Meß/Auswerteeinheit
3 Anzeigeeinheit
10 Antriebsmotor
11 verbraucherseitiger Stecker
12 batterieseitiger Stecker
13 Gegenstecker
14 Ladegerät
15 Hubmotor
20 erste Steckerbuchse
21 zweite Steckerbuchse
22 Signalstift
23 erster Steckerstift
24 zweiter Steckerstift
25 Signalbuchse
30 lösbare Steckerverbindung
40, 41 Isolierkörper
42-45 elektrisch leitende Flächen
S Schalter
l₁-l₆ Leitungen

Claims

1. Vorrichtung zum Überwachen eines batteriebetriebenen Fahrzeugs und dessen Batterie (1), wobei die Vorrichtung aufweist:
eine Meß/Auswerteeinheit (2) zur Ermittlung der Zustandsdaten der Batterie (2), sowie zur Generierung von Warn- und/oder Steuerbefehlen für den Einsatz der Batterie (1) und des Fahrzeugs nach Maßgabe der Zustands daten,
eine Anzeigeeinheit (3) zur Darstellung der Zustandsdaten und der Steuer- und Warnbefehle,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Meß/Auswerteeinheit (2) und die Anzeigeeinheit (3) zusammen mit der Batterie (1) auf dem Fahrzeug untergebracht sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Warn- bzw. Steuerbefehl generierbar ist, der auf die fällige Wartung der Batterie hinweist und/oder den Ladevorgang der Batterie sperrt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Warn- bzw. Steuerbefehl generierbar ist, der auf die fällige Wartung des Fahrzeugs hinweist und/oder den Betrieb des Fahrzeugs ganz oder teilweise sperrt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß mit der Meß/Auswerteeinheit eines oder mehrere der folgen den Zustandsdaten ermittelbar sind: I: aus der Batterie entnommener und/oder in die Batterie eingespeister Strom;
U, U_t: Spannung der Batterie (U) und/oder einzelner Batteriezellen (U_t);
U/U_t: Verhältniswert;
t: Zeit;
T: Temperatur der Batterie und/oder einzelner Batteriezellen;
Q_e: während einer vorgewählten Zeitspanne in die Batterie eingespeiste Ladungsmenge;
Q_a: während einer vorgewählten Zeitspanne aus der Batterie entnomme ne Ladungsmenge;
ΔQ: Differenz (Q_e - Q_a);
ΔQ/Q_n: Verhältniswert, wobei Q_n die Nennkapazität der Batterie bedeutet;
Q_t: Restkapazität der Batterie;und daß mit der Meß/Auswerteeinheit ein Steuer- oder Warnbefehl gene rierbar ist, wenn mindestens einer dieser Zustandsdaten einen vorgegebenen Grenzwert G über- oder unterschreitet, wobei ein einzelner Grenzwert wahlweise von den anderen Zustandsdaten abhängig ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die fällige Wartung der Batterie hinweisende Warnbefehl generierbar ist, wenn ΔQ/Q_n, gemessen nach erfolgter Wartung und Ladung der Batterie während der darauffolgenden Lade/Entlade-Vorgänge der Batterie, einen vorgegebenen Grenzwert G₁ überschreitet.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 4 oder 2 und 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der den Ladevorgang der Batterie sperrende Steuerbefehl generiebar ist, wenn ΔQ/Q_n, gemessen nach erfolgter Wartung und Ladung der Batterie während der darauffolgenden Lade/Entlade-Vorgänge der Batterie, einen vorgegebenen Grenzwert G₂ überschreitet, wobei G₂ < G₁.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die fällige Wartung des Fahrzeugs hinweisende Warnbefehl generier bar ist, wenn Q_a, gemessen nach erfolgter Wartung des Fahrzeugs während der darauffolgenden Lade/Entlade-Vorgänge der Batterie, einen vorgegebe nen Grenzwert G₃ überschreitet.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4 oder 3 und 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der den Betrieb des Fahrzeugs ganz oder teilweisende sperrende Steuerbefehl generierbar ist, wenn Q_a, gemessen nach erfolgter Wartung des Fahrzeugs während der darauffolgenden Lade/Entlade-Vor gänge der Batterie, einen vorgegebenen Grenzwert G₄ überschreitet, wobei G₄ < G₃, wobei wahlweise ein weiterer Steuerbefehl generierbar ist, der den Ladevorgang der Batterie sperrt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Steuerbefehl generierbar ist, der bei Überschreiten eines Grenzwertes für die Temperatur T die Hauptverbraucher (15) des batte riebetriebenen Fahrzeugs abschaltet (S) und/oder den Ladevorgang der Batterie (1) sperrt.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Steuerbefehl generierbar ist, der bei Über- oder Unter schreiten eines Grenzwertes für U/U_t die Hauptverbraucher (15) des batteriebetriebenen Fahrzeugs abschaltet (S) und/oder die Ladung der Bat terie (1) sperrt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das batteriebetriebene Fahrzeug ein Gabelstapler und die Hauptverbraucher ein oder mehrere Hubmotoren (15) sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 6, gekennzeichnet durch eine lösbare Kabelverbindung zwischen der Batterie (1) und den Verbrauchern (10, 15) des batteriebetriebenen Fahrzeugs, wobei die Kabelverbindung über ein Steckerpaar (11, 12) erfolgt, dessen batterieseitiger Stecker (12) zum Gegenstecker (13) eines modifizierten Ladegeräts (14) paßt und an die Meß/ Auswerteinheit (2) angeschlossen ist, und wobei der batterieseitige Stecker (12) neben den Anschlüssen (20, 21) zur Verbindung mit den Batteriepolen einen Signalanschluß (22) aufweist, mit dem der Steuerbefehl zum Sperren des Ladevorgangs der Batterie (1) von der Meß/Auswerteinheit (2) auf das Ladegerät (14) übertragbar ist und der den Anschluß an unmodifizierte Ladegeräte ohne den passenden Gegenstecker (13) blockiert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegen stecker (13) des modifizierten Ladegeräts (14) einen zum Signalan schluß (22) des batterieseitigen Steckers (13) passenden Signalanschluß (25) zur Übertragung des Steuerbefehls aufweist und das modifizierte Ladegerät (14) wahlweise auf dem batteriebetriebenen Fahrzeug unter gebracht ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meß/Auswerteeinheit (2) fest mit der Batterie (1) und die Anzeigeeinheit (3) fest mit dem Fahrzeug verbunden sind und die Verbin dung zwischen Meß/Auswerteeinheit (2) und Anzeigeeinheit (1) über ein Kabel mit einer lösbaren Steckerverbindung (30) erfolgt.

15. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die Meß/Auswerteeinheit einen Mikroprozessor zur teilweisen oder vollständigen Ermittlung der Zustandsdaten und/oder Generierung der Warn und/oder Steuerbefehlen aufweist.

16. Verfahren zum Überwachen einer intermittierend betriebenen Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß
nach erfolgter Wartung und Ladung der Batterie während der darauf folgenden Lade/Entlade-Vorgänge von einer Meß/Auswerteeinheit fort laufend die Summe Q_a der aus der Batterie entnommenen Ladungsmenge und die Summe Q_e der eingespeisten Ladungsmenge bestimmt und daraus die Differenz ΔQ = Q_e- Q_a ermittelt und zur Nennkapazität Q_n der Batterie ins Verhältnis gesetzt wird, und
von der Meß/Auswerteeinheit ein Warnbefehl generiert wird, der auf die Notwendigkeit einer Wartung der Batterie hinweist, wenn der Verhältniswert ΔQ/Q_n einen vorgewählten Grenzwert G₁ übersteigt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß von der Meß/ Auswerteeinheit ein Steuerbefehl generiert wird, der das Laden der Batterie sperrt, wenn der Verhältniswert ΔQ/Q_n einen Grenzwert G₂ überschreitet, wobei G₂ < G₁.

18. Verfahren zum Überwachen eines batteriebetriebenen Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß nach erfolgter Wartung des Fahrzeugs während der darauffolgenden Lade/Entlade-Vorgänge der Batterie von einer Meß/Auswerteeinheit die aus der Batterie entnommene Ladungsmenge Q_a bestimmt und von der Meß/Auswerteeinheit ein Warnbefehl generiert wird, der auf die Notwendigkeit einer Wartung des Fahrzeugs hinweist, wenn Q_a einen vor gewählten Grenzwert G₃ übersteigt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß von der Meß/ Auswerteeinheit ein Steuerbefehl generiert wird, der den Betrieb des Fahrzeugs ganz oder teilweise sperrt, wenn Q_a einen Grenzwert G₄ über schreitet, wobei G₄ < G₃.