DE3706076A1

DE3706076A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberwachung des bereitschaftszustandes eines batteriebetriebenen fahrzeuges

Info

Publication number: DE3706076A1
Application number: DE19873706076
Authority: DE
Inventors: Richard Goldgrabe
Original assignee: ELEKTRON BREMEN
Current assignee: ELEKTRON BREMEN
Priority date: 1987-02-25
Filing date: 1987-02-25
Publication date: 1988-09-08
Also published as: EP0280916A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 21, die insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.

Für eine ganze Reihe von Einsatzzwecken werden bereits Elektro fahrzeuge verwendet, die ihre Energie aus wiederaufladbaren Batterien, insbesondere aus Bleiakkumulatoren beziehen. Diese Art von Antrieben wird sich voraussichtlich aus Gründen des Umweltschutzes in gesteigertem Maße durchsetzen, wie dies all gemein bekannt ist.

Ein wesentliches Problem besteht hierbei darin, daß der Führer des Fahrzeuges bzw. bei führerlosen Fahrzeugen das Wartungspersonal über den Bereitschaftszustand des Fahrzeuges auf dem laufenden gehalten werden muß. Hierzu gehört zum einen die Anzeige des Ladezustandes der Bat terie, zum anderen eine Anzeige der übrigen betriebsdauer abhängigen Parameter (Betriebsstunden etc.).

Bei Bleiakkumulatoren tritt zusätzlich noch das Problem auf, daß eine Entladung über einen gewissen Prozentsatz der an sich zur Verfügung stehenden Kapazität hinaus eine nach haltige Schädigung der Zellen mit sich bringt, die insbe sondere mit der Bildung grobkristallinen Sulfats zusammen hängt.

Zum Feststellen das Ladezustandes einer Batterie kann man nun den "Zustand", insbesondere die Dichte der Batterie säure bestimmen, wie dies beispielsweise aus der DE-OS 24 15 033, der DE-AS 16 98 236 oder der DE-PS 24 62 039 bekannt ist. Der große Nachteil dieses Verfahrens liegt aber darin, daß die Vorrichtungen hierfür zum einen kom pliziert sind, zum anderen nur der Ladezustand einer ein zigen Zelle eines ganzen Batterieaggregats festgestellt werden kann.

Aus der DE-OS 25 58 526 ist ein Verfahren zur Überwachung des Ladezustandes einer Batterie bekannt, bei dem eine Vielzahl von Spannungsreferenzstufen mit der momentanen Batteriespannung (Klemmenspannung) verglichen wird und die Zeit beim Unterschreiten eines Referenzwertes bis zu einem Grenzwert integriert wird, bei dem dann die nächst tiefere Stufe als Referenzwert verwendet wird. Bei diesem Verfahren wird aber von einem Normzustand der Batterie, z. B. einer konstanten Umgebungstemperatur, einem konstan ten Mittel-Entladestromwert und einem bestimmten Maximal stromwert ausgegangen. Wenn das tatsächliche Betriebsver halten des Fahrzeuges zu anderen Batteriebelastungen führt, so ist die Anzeige nicht mehr korrekt.

Aus der DE-AS 23 21 108 ist eine Einrichtung zur Kontrolle und Überwachung des Entladezustandes einer Batterie be kannt, bei dem ein Strommeßshunt zur Kompensation der Klemmenspannung im Hinblick auf den Laststrom verwendet wird. Durch diese Einrichtung können zwar Veränderungen des Betriebsverhaltens mit in die Messung einbezogen wer den, jedoch werden auch hier nur relativ ungenaue Anzei gen im Hinblick z. B. auf die Umgebungstemperatur oder ins besondere dann erhalten, wenn man die Batterie kurzzeitig zwischenlädt (z. B. durch Nutzbremsung oder dergleichen).

Weiterhin ist es bekannt, die der Batterie tatsächlich entnommene Energie zu messen und mit der anfänglich in der Batterie gespeicherten Ladung zu vergleichen (FR-A 23 61 754). Auch hier tritt wieder das Problem auf, daß die einfache Subtraktion der entnommenen Ladung von der anfänglich in der Batterie enthaltenen Ladung keineswegs den tatsächlichen Ladezustand der Batterie anzeigt, da die entnehmbare Ladung nicht gleichzusetzen ist mit der anfänglich bei voll geladener Batterie gespeicherten La dung.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik, ist es Auf gabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der ein gangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine möglichst genaue Überwachung des Bereitschaftszustandes eines batteriebetriebenen Fahrzeuges erzielt wird. Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 oder 14 angegebenen Merkmale gelöst. Eine Vorrichtung zur Durch führung des Verfahrens ist im Anspruch 21 beschrieben.

Der Erfindungsgedanke basiert in erster Linie darauf, daß man zeitdiskret abtastet und die Abtastwerte mindestens mit einer Kennlinie, welche für die Batterie charakteri stisch ist, vergleicht und aus diesem Vergleichswert den tatsächlichen Ladezustand herleitet. Bei einer bevorzug ten Ausführungsform der Erfindung ist diese Kennlinie (vorzugsweise sind es Kennlinienfelder) gespeichert, wäh rend bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform die Kennlinie(n) errechnet wird (werden).

Weitere erfindungswesentliche Details ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Beispielen bevorzugter Ausführungsformen, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Kennlinienfeld der mittleren Batterie spannung in Abhängigkeit vom Entladegrad bei verschiedenen Entladeströmen;

Fig. 2 ein Kennlinienfeld des erreichbaren Ent ladegrades über den maximalen Entladestrom in Abhängigkeit vom Tastverhältnis der Entladung (Stromflußzeit dividiert durch Zykluszeit);

Fig. 3 ein Kennlinienfeld der Abhängigkeit der Batteriespannung vom Entladegrad bei ver schiedenen (fortlaufend in Pfeilrichtung steigenden) Entladeströmen;

Fig. 4 ein Kennlinienfeld der Batteriespannung über den Ladegrad bei verschiedenen Bat terie-Temperaturen und zwar für Entladung mit konstantem Strom;

Fig. 5 ein Kennlinienfeld ähnlich dem nach Fig. 4 jedoch bei Entladung mit über die Zeit variierender Stromstärke;

Fig. 6 eine Kennlinie der mittleren Batteriespan nung über den Entladegrad bei Zwischenla dung der Batterie;

Fig. 7 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens,

Fig. 8 die perspektivische Ansicht eines Gerätes, das die Schaltung nach Fig. 7 enthält; und

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines in ei nem Gehäuse angeordneten Gerätes nach Fig. 8.

Bei der nachfolgenden Beschreibung wird nun auf die Fig. 1 bis 6 Bezug genommen, um verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens näher zu beschreiben.

Wenn man, wie in Patentanspruch 1 beschrieben, die Klem menspannung zeitdiskret abtastet, so ist es möglich, aus den einzelnen Meßpunkten den Verlauf der tatsächlichen Batteriespannung herzuleiten. Kennt man das Betriebsver halten des zu überwachenden Fahrzeuges, so kann man dann z. B. über einen Vergleich der gemessenen Batteriespannung mit einer für das Betriebsverhalten charakteristischen Kennlinie den Ladezustand der Batterie herleiten. Insbe sondere bei fahrerlosen Fahrzeugen, die in zunehmendem Maße in automatisierten Werkstätten Einsatz finden, sind immer die gleichen Fahrzyklen zu erwarten, so daß die Spei cherung einer einzigen Kennlinie, die bei einer Versuchs fahrt gewonnen werden kann, ausreicht.

Vorzugsweise gibt man dann ein Warnsignal ab, wenn die Batterie auf im wesentlichen 20% ihrer Nennkapazität ent laden ist. Dadurch kann man die eingangs beschriebene nachhaltige Schädigung der Batterie vermeiden. Vorzugs weise wird eine definierte Zeitdauer nach Abgabe des Warn signales die Stromabgabe unterbrochen, damit keine (fahr lässige) Schädigung der Batterie trotz Abgabe des Warnsig nales auftreten kann.

Ein wesentliches Problem bei der Spannungsmessung an der im Betrieb befindlichen Batterie besteht darin, daß während der Batteriebelastung ein Spannungseinbruch (Innenwider stand der Batterie) auftritt und die Batterie direkt nach Beendigung der Belastung aufgrund der Diffusions- bzw. Strömungsgeschwindigkeiten der Säure nicht sofort wieder ihre Ruhespannung erreicht. Bei einer bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung zieht man die während einer Strom entnahme vorliegenden Meßwerte nicht zur Beurteilung des Ladezustandes heran, sondern wartet nach Beendigung der Stromentnahme eine definierte Zeitspanne, die zur "Erho lung" der Batterie dient, bis man einen neuen Abtastwert der Ladezustandsbeurteilung zugrundelegt. Hier spielt es also eine sehr wichtige Rolle, daß die Klemmenspannung zu definierten Zeitpunkten abgetastet und das Meßergebnis nicht kontinuierlich der Beurteilung des Ladezustandes zugrunde gelegt wird. Die dadurch erhältliche Anzeige wird also durch Lasteinbrüche der Klemmenspannung nicht beeinflußt. Diese Art der Messung eignet sich selbstver ständlich nicht für kontinuierlich betriebene Fahrzeuge (z. B. Busse), da dort sehr lang dauernde Lastzustände zu erwarten sind, während derer nur der letzte in einer Be triebspause gewonnene Meßwert angezeigt werden kann.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung errechnet man aus zwei zuvor erhaltenen Abtastwer ten, zwischen denen also eine Batteriebelastung aufgetre ten ist, in den Zeitintervallen, in denen die Batterie be lastet wird, eine Kurve, welche die fiktive Ruhespan nung über die Zeit repräsentiert und verfolgt diese Kurve (ggf. Ge rade) bei der Anzeige des Ladezustandes. Hier wird also gemäß der vorliegenden Erfindung davon ausgegangen, daß die Batteriekapazität und damit die Klemmenspannung wäh rend der aktuellen Entladungsphase ähnlich der zuvor be obachteten und mit zwei Meßpunkten definierten Entladungs phase absinkt.

Vorzugsweise wird aber bei den zuvor beschriebenen Verfah ren der der Batterie entnommene Momentanstrom bestimmt, über die Zeit gemittelt und der mittlere Strom zur Bestim mung bzw. als Parameter derjenigen von mehreren Kennli nien zugrunde gelegt, die für diesen mittleren Strom die Spannungs-/Entlade-Kennlinie repräsentieren. Auf diese Weise kann man z. B. in dem in Fig. 1 gezeigten Kennli nienfeld von Kennlinie zu Kennlinie "springen", was dann wichtig ist, wenn das Betriebsverhalten des Fahrzeuges nicht voraussehbar und konstant ist. Diese Vorgehensweise ist besonders dann sehr vorteilhaft, wenn Fahrzeuge sehr unterschiedlich betrieben werden, wie sich dies aus Fig. 1 leicht ersehen läßt. Wenn man nämlich von einem mittleren Entladestrom I=0,5 (Relativwert) ausgeht und diese Kennlinie allein der Herleitung des Ladezustandes zugrun delegt, so wird die Anzeige dann sehr fehlerhaft sein, wenn das Fahrzeug plötzlich mit einem höheren Entlade strom (I=1,5) betrieben wird. In diesem Fall wird also bei einer vorliegenden Spannung von z. B. U=0,9 ange zeigt, daß die Batterie annähernd entladen ist, obwohl tatsächlich noch eine sehr große Restkapazität zur Verfü gung steht. Ahnliches geht aus Fig. 3 hervor, wobei in dieser Abbildung die Stromstärke in Pfeilrichtung steigt bzw. die Gesamtentladedauer der Batterie in Pfeilrichtung sinkt.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung bestimmt man (durch zeitdiskrete Abtastung) den der Batterie entnommenen Momentanstrom und legt diesen zur Bestimmung derjenigen von mehreren Kennlinien (siehe Fig. 2) zugrunde, die für den bestimmten Zeitverlauf des Stromes die Maximalstrom-/erreichbarer-Entladegrad-Kenn linie repräsentiert. Es hat sich nämlich gezeigt, daß der der Batterie entnommene Momentanstrom einen wesentlichen Einfluß auf die der Batterie entnehmbare Kapazität hat. Vorzugsweise werden die Kennlinienfelder von Fig. 1 und Fig. 2 gemeinsam zur Bestimmung des Entladegrades bzw. Ladezustandes herangezogen.

Die Bestimmung des der Batterie entnommenen Momentanstroms wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem Vergleich der unter Last vorliegenden Klemmen spannung mit einem Kennlinienfeld hergeleitet, das den Spannungsverlauf der Klemmenspannung abhängig vom momen tanen Entladungsgrad wiedergibt. Ein solches Kennlinien feld ist in der Fig. 3 gezeigt. In diesem Fall wird also das Kennlinienfeld nach Fig. 3 zur Strombestimmung ver wendet, während die entnehmbare Kapazität aus den Kenn linienfeldern nach den Fig. 1 und 2 errechnet wird. Da als aktueller Meßwert nur die Klemmenspannung vorliegt, geht man davon aus, daß im wesentlichen der bei der letzten (zurückliegenden) Messung erhaltene q-Wert (Entladegrad) im wesentlichen noch korrekt ist und errechnet daraus den der Batterie momentan entnommenen Strom. Dieses Verfah ren ist zwar naturgemäß fehlerbehaftet, hat aber den Vor teil, daß kein Meßwiderstand oder eine andere Vorrich tung zur Messung des entnommenen Stroms vorgesehen wer den muß.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung wird der der Batterie entnommene Momentanstrom eben falls über eine Abtastmessung bestimmt, wobei eine Mes sung über magnetfeld-empfindliche Halbleiteranordnungen wie Feldplatte oder Hall-Sensor von besonderem Vorteil ist, da solche Messungen keine Energieverluste mit sich bringen. Darüber hinaus kann eine solche Messung "berüh rungslos" erfolgen, erfordert also keinen Umbau des Fahr zeuges, wie dies bei Einbau eines Meßwiderstandes der Fall ist.

Wenn batteriebetriebene Fahrzeuge bei im wesentlichen kon stanter Umgebungstemperatur betrieben werden, wie dies z.B. in Fabrikhallen meist der Fall ist, so ist eine Be rücksichtigung der Batterietemperatur nicht notwendig. Um aber den Einfluß der Umgebungstemperatur von vornherein auszuschalten und das Verfahren somit bei allen vorkommen den Fällen verwenden zu können, wird bei einer bevorzug ten Ausführungsform der Erfindung die Batterietemperatur bestimmt und über ein Kennlinienfeld (Fig. 4 und 5) der Herleitung des Entladezustandes der Batterie zugrunde gelegt. Insbesondere dann, wenn das Fahrzeug z. B. in ei nem Kühlhaus betrieben wird, ist diese bevorzugte Ausfüh rungsform der Erfindung besonders vorteilhaft, da wie aus den Abbildungen 4 und 5 hervorgeht, der Zusammenhang zwischen Batteriespannung und Entladegrad sehr stark tem peraturabhängig ist. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn man für die verschiedenen Zeitverläufe der Batteriebelastung verschiedene Kennlinienfelder zur Bestimmung des Ladezu standes heranzieht, da bei gleicher Klemmenspannung je nach Art der Belastung (Dauerbelastung in Fig. 4, schwan kende Belastung in Fig. 5) verschiedene Entladegrade vor liegen.

Vorzugsweise leitet man die Parameter zur Bestimmung der momentan anwendbaren Kennlinie aus einer gleitenden Mittel wertsbildung mit definiertem Zeitfenster über die Meßgröße her. Dies gilt sowohl für die Spannungsmessung als auch für die (gegebenenfalls erfolgende) Strommessung bzw. Strom-Errechnung. Man geht hierbei davon aus, daß eine länger zurückliegende Belastungs-"Art" der Batterie, also die Belastung z. B. mit einem sehr hohen Strom im Laufe der Zeit an Einfluß auf das Batterie-"Verhalten" verliert, während die gerade zurückliegenden Belastungsarten die Hauptrolle spielen. Dies wäre z. B. dann der Fall, wenn ein batteriebetriebenes Fahrzeug, z. B. ein Hochregalstap ler, zu Beginn der Schicht eine Reihe von schweren Lasten in die obersten Regalfächer laden muß und nach dieser starken Belastung nur noch geringe Lasten in Bodennähe zu bewegen sind.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsge mäßen Verfahrens ist insbesondere dann mit Vorteil anwend bar, wenn die Batterie des Fahrzeuges immer wieder zwi schengeladen wird, was zum einen bei Nutzbremsung des Fahrzeuges der Fall ist, insbesondere aber bei fahrerlo sen Fahrzeugen auftritt, die an ihren End- oder auch an Zwischenpositionen (Wartestellung an der Maschine) über Stromschienen zwischengeladen werden. Der Verlauf der mittleren Batteriespannung in einem solchen Fall ist für zwei Zwischenladevorgänge in Fig. 6 aufgezeigt. Während der Aufladung läuft also die mittlere Batteriespannung (bei einem höheren Niveau entsprechend der höheren Lade spannung) auf der Entladekennlinie zurück und beginnt wieder von neuem. Dieser Neubeginn liegt aber nicht exakt auf der Entladekennlinie, wie sie ohne Zwischenladung aussehen würde, da während des Ladevorganges zusätzlich zum Speichern von Energie noch ein Säureausgleich statt findet, die Batterie sich also "erholt". Hierbei ist der Einfluß der "Erholung" umso größer, je mehr die Batterie zum Ladebeginn schon entladen ist.

Wenn man, wie im Patentanspruch 14 beschrieben, gemäß der zweiten Alternative der Erfindung eine Bestimmung der tat sächlich entnommenen Ladung durchführt und diesen Wert mit der anfänglich gespeicherten Ladung vergleicht, so wird erfindungsgemäß ebenfalls mindestens eine Kennlinie herangezogen, um die zur Verfügung stehende Restladung zu beurteilen. Wie vorteilhaft dies ist, wird bei Be trachtung z. B. von Fig. 4 oder Fig. 5 klar, da die bei niederen Temperaturen der Batterie tatsächlich entnehm bare Ladung wesentlich geringer ist als die anfänglich (bei höheren Temperaturen) in der Batterie vorhandene Ladung.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäs sen Verfahren geht man bei der Anzeige des Ladezustandes der Batterie dann von einer auf ihre Nennkapazität aufge ladenen Batterie aus, wenn nach dem Abklemmen einer Bat terie und einem erneuten Anklemmen einer (gegebenenfalls anderen) Batterie deren Klemmenspannung bei mindestens 2,09 V pro Zelle liegt. Es wird also hier lediglich die Klemmenspannung abgetastet und danach entschieden, ob nun mehr von einer frisch aufgeladenen Batterie auszugehen ist. Eine weitere Eingabe von Daten ist zunächst nicht notwendig.

Wenn man bei eingebauter Batterie lädt, so ist es von Vor teil, daß man dann von einer wieder aufgeladenen Batte rie ausgeht, wenn die Gasungsspannung (2,35 bzw. 2,45 V pro Zelle) eine definierte Zeitdauer überschritten wurde. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man also bei eingebauter Batterie gleichzeitig eine Ladekontrolle durchführen.

Vorzugsweise bestimmt man gleichzeitig mit dem Ladezustand auch die seit Einstellen eines Null-Wertes abgelaufene Betriebszeit des Fahrzeuges und zeigt diese bei Bedarf gleichzeitig oder auch auf gesonderte Abfragesignale hin an. Es wird also parallel zur Bestimmung des Ladezustandes der Batterie auch noch eine Bestimmung des ganz allgemei nen Betriebszustandes des Fahrzeuges durchgeführt, wobei die Betriebsdauer ein wesentlicher Parameter bei der Be stimmung des Betriebszustandes ist. Diese Betriebsdauer kann z. B. auch als noch zur Verfügung stehende Betriebs dauer bis zu dem Zeitpunkt angezeigt werden, an dem eine Fahrzeugwartung durchzuführen ist. Wenn man so vorgeht, hat man alle für den störungsfreien Betrieb notwendigen Daten bei der Hand, soweit diese voraussehbar sind.

Besonders einfach und den tatsächlichen Beanspruchungs verhältnissen am besten angepaßt, läßt sich die Betriebs zeit dann feststellen, wenn man diejenigen Zeitintervalle aufsummiert, in denen der Batterie Strom entnommen wird. Nachdem bei batteriebetriebenen Fahrzeugen alle Bewegungs vorgänge, also alle Vorgänge, die Verschleißteile betref fen, welche zu warten sind, über einen Entnahmestrom er folgen, entspricht die tatsächliche Betriebszeit eben die ser Stromentnahmezeit. Um nun auch noch die Zeiten in die Berechnung der Betriebszeit mit einfließen zu lassen, in denen das Fahrzeug während der Arbeitszeit des Fahr zeugführers kurze Betriebspausen (hinsichtlich der Strom entnahme) einlegt, ist es von Vorteil, wenn man ein defi niertes Zeitintervall nach Beendigung der Stromentnahme auch noch der Betriebszeit hinzurechnet. Wenn man davon ausgeht, daß entsprechend einem zuvor festgestellten mitt leren Betriebsverhalten die Betriebsunterbrechungspausen (Pausen zwischen Stromentnahmezyklen) einen gewissen Ma ximalwert nicht überschreiten, so kann man mit dem zuvor beschriebenen Verfahren sehr gut beurteilen, welche mitt leren Betriebszeiten beim Fahrzeug aufgelaufen sind. Die se Art des Vorgehens ist wesentlich genauer, als die bis her oft geübte Methode, bei der man als Betriebszeit den jenigen Zeitraum definiert, in dem ein Schlüsselschalter eingeschaltet ist.

Im folgenden wird anhand der Fig. 7 eine Anordnung zur Durchführung des eingangs beschriebenen Verfahrens näher erläutert, wobei diese Anordnung auf einem Mikroprozessor (µP) basiert. Der µP 20 weist die üblichen internen Spei cher zum wahlfreien Zugriff auf und steht darüber hinaus mit einem externen Speicher 21 in Verbindung. Dieser Speicher 21 ist vorzugsweise als EEPROM ausgebildet und dient zur Speicherung der eingangs erwähnten Kennlinien. Zur Stromversorgung ist eine Spannungsüberwachungsschal tung 29 mit einer Lithiumbatterie vorgesehen, damit bei Abklemmen der zu überwachenden Batterie die in den flüch tigen Speichern gespeicherten Daten nicht verlorengehen.

Die Abtastung der Batteriespannung sowie gegebenenfalls des in die bzw. aus der Batterie fließenden Stromes ge schieht über einen spannungsgesteuerten Oszillator 22, dessen Ausgangsimpulse von einem Zähler 23 gezählt werden. Der Zähler 23 wird vom µP 20 in äquidistanten Zeiträumen abgefragt und wieder auf Null gesetzt. Diese Art der Ab tastung ist von besonderem Vorteil auf dem hier vorliegen den Gebiet, da die im Bordnetz eines batteriebetriebenen Fahrzeuges unvermeidbar auftretenden sprung- bzw. impuls förmigen Spannungsschwankungen über eine VCO-Abtastung besonders wirksam geglättet werden können. Parallel zur Batteriespannungsabtastung über den Eingang M 1 kann bei Bedarf ein Eingang M 2 vorgesehen sein, der über einen zweiten spannungsgesteuerten Oszillator 22 a und einen zweiten Zähler 23 a arbeitet.

Die Taktfrequenz für den µP 20 wird von einem Taktoszil lator 28 geliefert. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Taktoszillator 28 entweder in seiner Frequenz veränderbar oder durch einen externen Taktoszillator zeit weise ersetzbar ist, wobei dann gleichzeitig auch der Zäh ler 23 mit einem Ausgangsstellenumschalter versehen ist. Wenn die Anordnung so aufgebaut ist, so kann man einen schnellen Testlauf durchführen, indem man den µP 20 mit einer wesentlich gesteigerten Taktrate betreibt und das entsprechende Test-Batteriespannungs-/Strommuster über die VCO′s 22 bzw. 22 a eingibt und dabei gleichzeitig die Zähler 23, 23 a an entsprechend höherwertigen Stellen (die mit niederwertigen Stellen vertauscht sind) abfragt. Die ser Stellentausch muß vorgenommen werden, damit die der Spannung proportionalen Ausgangsfrequenzen der VCO′s gleich bleiben und dennoch die über ein definiertes Zeit intervall gezählten Ausgangspulse den korrekten, simulier ten Wert anzeigen können.

Bei einer anderen, hier nicht gezeigten bevorzugten Aus führungsform der Erfindung wird die Verbindungsleitung zwischen dem Zähler 23 und dem µP 20 während des Testlaufs aufgetrennt und das Testmuster direkt als Digitalwert eingegeben.

Zur Anzeige der wie eingangs beschrieben errechneten Werte dient eine LCD-Anzeige 24, die vom µP 20 direkt ange steuert werden kann. Damit die Anordnung auch bei niedri gen Temperaturen ein einwandfreies Ablesen der Werte er möglicht, ist es von Vorteil, in der Nähe der LCD-Anzeige 24 ein Heizelement 26 vorzusehen. Die Steuerung des Heiz elementes 26 geschieht vorteilhafterweise durch einen tem peraturabhängigen Widerstand 27, der den Heizstrom über einen Transistor steuert. Der temperaturabhängige Wider stand 27 ist vorzugsweise in der Nähe der LCD-Anzeige 24 angeordnet. Das Heizelement 26 ist vorzugsweise ein Peltier- Element, auf dem die LCD-Anzeige sitzt.

Zur Beleuchtung ist es von Vorteil, an einer entsprechen den Stelle über eine Leuchtdiode 25 die LCD-Anzeige zu beleuchten.

Neben der LCD-Anzeige 24 ist eine Leuchtdiode 30 vorge sehen, um ein noch besser sichtbares Warnsignal dann ab zugeben, wenn die Batteriekapazität an die Grenze der er laubten bzw. der erreichbaren Restkapazität kommt. Dieser Leuchtdiode 30 kann ein Relais 31 parallel geschaltet sein, das bei Erreichen dieses Grenzwertes ein akustisches Signal abgibt und/oder bestimmte Lasten (Motoren) ab schaltet.

Um die Anordnung bei verschiedenartigen Fahrzeugen bzw. bei verschiedenen Batteriesätzen verwenden zu können, ist es von Vorteil, wenn Spannungsanpassungsschaltungen 32, 33 vorgesehen sind, über welche die Klemmenspannung auf einen, der vorrichtungsinternen Arbeitsspannung angepaß ten Wert herabsetzbar ist. Hierbei wird zum einen ein DC/DC-Wandler 33 vorgesehen, der die anliegende Batterie spannung in eine für den Eingang der Spannungsüberwachungs schaltung 29 passende Spannung umsetzt, sowie Anpassungs schaltungen 32, welche die Batteriespannung in eine Meß spannung (für die spannungsgesteuerten Oszillatoren) bzw. Zählimpulsspannungen (Eingänge Zl bis Zn) in entsprechend niedrigere Spannungswerte umwandeln, die dann vom µP 20 bearbeitet werden können. Weiterhin ist es hier von Vor teil, wenn zwei Gruppen von Zähl-Spannungsumsetzern 32 ein ODER-Gatter 34 nachgeschaltet ist, dessen einer Ein gang invertiert ist. Auf diese Weise ist es möglich, so wohl positive wie auch negative Spannungsflanken zählbar zu machen. Über die Eingänge Zl bis Zn ist es möglich, den µP 20 mit einem Betriebsschalter des Fahrzeuges zu verbinden, oder auch verschiedene Lasten abzufragen, so daß z. B. die Betriebszeit des Hubmotors bei einem Stapler unabhängig von der Betriebszeit des Fahrmotors erfaßt werden kann. Derartige Erfassungen sind von großem Vor teil, wenn man z. B. aus kaufmännischer Sicht eine Rationa lisierung auf konkrete Daten basieren lassen will. Da rüber hinaus sind derart getrennt erfaßte Daten für die Wartung der Fahrzeuge von großem Vorteil, überflüssige Wartungsarbeiten an wenig belasteten Motoren können dann entfallen, wenn die Zähldaten getrennt gespeichert werden.

Vorzugsweise sind gesonderte Abtastmittel zum Abtasten der Batterietemperatur vorgesehen und mit dem µP verbun den. Dies ist in Fig. 7 nicht gezeigt. Bei derartigen ge sonderten Abtastmitteln genügt im allgemeinen eine Abta stung mit geringerer Bit-Zahl, da eine Grobeinteilung in Temperaturbereiche zum Heraussuchen der momentan aktuellen Kennlinie hinreichend genau ist.

Weiterhin sind mit dem µP 20 zwei Programmiertasten 35, 36 verbunden, über die Steuerdaten in den µP 20 eintastbar sind. Derartige Steuerdaten können zum einen für die Mes sung relevante Daten (z. B. Nennkapazität der Batterien, Wartungsintervall usw.) sein, zum anderen können über diese Tasten Abfragen erfolgen, damit eine einzige Anzei ge zum ständigen Anzeigen der Batterierestkapazität und alternativen Anzeigen von z. B. der bis zur nächsten Wartung verbleibenden Zeit genügt. Vorzugsweise ist hierbei minde stens eine der Tasten (35 oder 36) so unzugänglich mon tiert, daß diese nur von "befugten" Personen bedient wer den kann. Man kann in diesem Fall auch die entsprechende Taste an einem externen Prüf-/Überwachungsgerät vorsehen und nur über eine anzukoppelnde Steckerverbindung aktivie ren, was die Unzugänglichmachung für Unbefugte besonders wirksam macht. Weiterhin ist es möglich, in Reihe mit ei ner der Programmiertasten 35 oder 36 einen Schlüsselschal ter vorzusehen, so daß die Taste bei geöffnetem Schlüssel schalter und abgezogenem Schlüssel "inaktiv" ist.

Der konstruktive Aufbau des Gerätes erfolgt vorzugsweise im wesentlichen in zwei Abschnitten, wobei der eine Ab schnitt all diejenigen Bauteile bzw. Baugruppen enthält, die nach der abzutastenden Batteriespannung dimensioniert sein müssen, während alle übrigen Bauteile auf einer (oder mehreren) anderen Platine sitzen. Dies soll anhand der Fig. 8 verdeutlicht werden. Wie aus dieser Abbildung er sichtlich, ist eine Doppel-Platine 11/12 vorgesehen, wo bei die obere Platine 11 die LCD-Anzeige 24 mit dazuge höriger Beleuchtung 25 und Heizung 26 sowie die Warn-LED 30 enthält, während die darunterliegende Platine den µP 20 und die weiteren in Fig. 7 strichliert umrahmten Teile enthält. Alle kundenspezifischen Teile, also z. B. das Re lais 31 (das nicht für jedes Fahrzeug benötigt wird) oder die Spannungsanpassungsschaltungen 32/33 werden auf einer gesonderten Platine 14 angeordnet, die mit der Doppelpla tine 11/12 entweder über eine Steckerleiste 13 oder über entsprechende mehrpolige Verbindungskabel verbunden ist. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann man somit Grundge räte konzipieren, die durch einfaches Verbinden mit kun denspezifischen Platinen zum "Spezialinstrument" werden.

Bei dieser Anordnung ist es von Vorteil, wenn die, die kundenspezifischen Bauteile enthaltende Platine 14, die in Fig. 8 gezeigte senkrechte Lage zu den übrigen Platinen einnimmt, weil dann ein leichtes Installieren bzw. Aus wechseln in vorgefertigten Geräten möglich ist, bei denen die oberen Platinen 11/12 bereits in einem Gehäuse 10 mon tiert sind.

Der Anschluß des gesamten Gerätes am damit auszurüstenden Fahrzeug erfolgt vorzugsweise über einen Stecker 37, so daß das Gehäuse 10 (mit Inhalt) auf einfache Weise mon tiert und abgenommen werden kann, wobei man dann das Ge häuse 10 besonders leicht bereits beim Hersteller wasser dicht ausführen, gegebenenfalls sogar mit Kunstharz ver gießen kann.

Wie aus obiger Darstellung hervorgeht, besteht ein wesent licher Punkt der Erfindung darin, daß durch die Art der Datenabtastung und Auswertung ein Gerät geschaffen wird, das den jeweiligen Anforderungen besonders einfach anpaß bar ist. Man kann durch die Möglichkeit der Speicherung von Kennlinien beliebiger Art von einer reinen Spannungs messung zu einer Spannungs-/Strommessung oder einer reinen Ladungsmessung übergehen, je nach dem wie der Einsatzbe reich des Fahrzeuges dies erfordert. Es ist auf diese Weise möglich, sowohl Fahrzeuge mit intermittierendem Be trieb als auch solche mit kontinuierlichem Betrieb zu über wachen, da man von der einen Meßmethode (relevanten Kur venschar) auf eine andere Meßmethode übergehen kann. Die Genauigkeit der Anzeige ist gegenüber den herkömmlichen Geräten um ein vielfaches höher, da eine Vielzahl von Pa rametern aufgrund der Verfahrens- bzw. Gerätekonzeption in die Messung Eingang finden kann. Die oben beschriebenen Details werden somit auch für sich alleine gesehen als er findungswesentlich beansprucht.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht weiterhin darin, daß man die in der Batterie an sich zur Verfügung stehende gespeicherte Ladung besser als bisher ausnutzen kann, da eine Unterscheidung zwischen mo mentan entnehmbarer und tatsächlich entnommener Ladung ge troffen wird. Bei Anwendung dieses Verfahrens ist es somit dem Fahrzeugführer möglich, der Batterie dann eine "Er holungspause" zu gönnen, wenn die Batteriespannung zwar weit abgesunken ist, an sich aber noch gespeicherte Ladung zur Verfügung steht. Wesentlich ist hierbei, daß dennoch der maximale Entladegrad nicht überschritten wird, wie dies bei einem solchen Betriebsverhalten sonst der Fall war.

Bezugszeichenliste: 10 Gehäuse
11 Obere Platine
12 Untere Platine
13 (Steck-) Verbindung
14 Tauschmodul
15 Anschlußkabel
20 Mikroprozessor
21 EEPROM
22 VCO
23 Zähler
24 LCD
25 Beleuchtung
26 Heizung
27 NTC
28 Taktoszillator
29 Spannungsüberwachung
30 LED
31 Relais
32 Spannungsanpassungsschaltung
33 DC/DC-Wandler
34 ODER-Schaltung
35, 36 Programmierschalter
37 Anschlußstecker

Claims

1. Verfahren zur Überwachung des Bereitschaftszustandes eines batteriebetriebenen Fahrzeuges, wobei man mindestens die Klemmenspannung an der Batterie mißt, dadurch gekennzeichnet, daß man die Klemmenspannung zeitdiskret abtastet, das Ergebnis mit einem Punkt auf mindestens einer (Entlade-) Spannungs kennlinie (u (q)) vergleicht, deren Variable (q) der momen tane Entladungsgrad ist, und daß man mindestens die Diffe renz zwischen momentanem Entladegrad (q) und erreichbarem Ladegrad (qE) entsprechend der Kennlinie als Ladezustand anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Abgabe eines Warnsignales, gegebenenfalls eine Unterbrechung der Stromabgabe dann bewirkt, wenn die Batterie auf im wesentlichen 20% ihrer Nennkapazi tät (KN) entladen ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Ergebnis der Abtastung nur dann dem Ver gleich zugrundelegt, wenn die Batterie-Ruhespannung über eine definierte Zeitspanne nach Belastung der Batterie vorliegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man während einer Belastung der Batterie aus min destens zwei zuvor erhaltenen Abtastwerten mit dazwi schen liegender Belastung den Verlauf einer, die fik tive Ruhespannung über die Zeit repräsentierenden Geraden errechnet und den errechneten Wert als fikti ven Abtastwert der weiteren Rechnung/Anzeige zugrunde legt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den der Batterie entnommenen Momentanstrom (I) bestimmt, über die Zeit mittelt (I) und den mittleren Strom (I) zur Bestimmung (Parameter) derjenigen von mehreren Kennlinien zugrundelegt, die für diesen mitt leren Strom (I) die Spannungs-/Entladegrad-Kennlinie repräsentiert (Fig. 1).

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den der Batterie entnommenen Momentanstrom (I) bestimmt und zur Bestimmung (Parameter) derjeni gen von mehreren Kennlinien zugrundelegt, die für den bestimmten Zeitverlauf des Stromes die Maximalstrom-/ erreichbarer -Entladegrad-Kennlinie (Imax/qE) reprä sentiert (Fig. 2).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den der Batterie entnommenen Momentanstrom (I) aus einem Vergleich der unter Last vorliegenden Klemmenspannung (u) mit einem Kennlinienfeld bestimmt, das den Spannungsverlauf (u) abhängig vom momentanen Entladungsgrad (q) wiedergibt (Fig. 3).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den der Batterie entnommenen Momentanstrom (I) über eine Abtastmessung bestimmt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man den Momentanstrom über eine magnetfeld-empfind liche Halbleiteranordnung (Feldplatte, Hall-Sensor) abtastet.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Batterietemperatur (T) bestimmt und der Bestimmung der momentan anwendbaren Kennlinie (mehr dimensionales Kennlinienfeld) zugrundelegt (Fig. 4, 5).

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Parameter zur Bestimmung der momentan an wendbaren Kennlinie aus einer gleitenden Mittelwerts bildung mit definiertem Zeitfenster über die Meßgröße herleitet.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man dann, wenn die Klemmenspannung (u) um einen definierten Wert über dem beim momentanen Entladegrad (q) zu erwartenden Ruhespannungswert oder über der momentanen mittleren Klemmenspannung (u) liegt (Erho lung Zwischenladung), die Neubestimmung von anwend baren Kennlinien unterbricht, bis eine definierte Belastung der Batterie (Zusammenbruch der Klemmen spannung, Strom) festgestellt wurde (Fig. 6).

13. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die Schlußspannung (us) bei Bestimmung des (20%) Entladungszustandes vorzugsweise durch Ver gleich mit der mittleren Klemmenspannung (u) abhängig von dem Zeitpunkt bzw. Entladegrad (q) bestimmt, bei dem mit einer Zwischenladung begonnen wurde (Fig. 6).

14. Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes eines batteriebetriebenen Fahrzeuges, wobei man mindestens den aus der bzw. in die Batterie fließenden Strom mißt, dadurch gekennzeichnet, daß man den der Batterie entnommenen Momentanstrom (I) zeitdiskret abtastet, die Abtastwerte aufsummiert, das Ergebnis mit einem Punkt auf mindestens einer Ka pazitäts-Kennlinie vergleicht, deren Anfangspunkt der Nennkapazität einer vollen Batterie entspricht und deren Variable mindestens der Verlauf der entnomme nen Stromstärke und/oder der Temperatur ist, und daß man die Differenz zwischen dem Summenwert und dem 20%-Kapazitätswert entsprechend der Kennlinie als Ladezustand anzeigt.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Anzeige des Ladezustandes der Bat terie dann von einer auf ihre Nennkapazität aufgela denen Batterie ausgeht, wenn nach dem Abklemmen einer Batterie und einem erneuten Anklemmen einer (gege benenfalls anderen) Batterie deren Klemmenspannung bei mindestens 2,09 V/Zelle liegt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man beim Wiederaufladen der Batterie dann von ei ner wiederaufgeladenen Batterie ausgeht, wenn die Ga sungsspannung (2,35; 2,45 V/Zelle) eine definierte Zeitdauer überschritten wurde.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man gleichzeitig mit der Bestimung des Ladezustan des die seit Einstellen eines Null-Wertes abgelaufe ne Betriebszeit des Fahrzeuges bestimmt und bei Bedarf oder gleichzeitig anzeigt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man die abgelaufene Betriebszeit mit definier ten Wartungszeitintervallen vergleicht und die Diffe renz (Zeitintervall bis zur nächsten Wartung) bei Bedarf oder gleichzeitig anzeigt.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß man als Betriebszeit diejenigen Zeitintervalle aufsummiert, in denen der Batterie Strom entnommen wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß man ein definiertes Zeitintervall nach Beendi gung der Stromentnahme der Betriebszeit zurechnet.

21. Vorrichtung zur Überwachung des Bereitschaftszustan des eines batteriebetriebenen Fahrzeuges, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der An sprüche 1 oder 14, mit einem Gehäuse (10) mit Sicht fenster, mit Abtastmitteln (22, 23) zum Abtasten der Batteriespannung und/oder des aus der (in die) Bat terie fließenden Stroms, mit Auswertmitteln (20, 21) zum Bestimmen des Bereitschaftszustandes des Fahrzeu ges und mit Anzeigemitteln (24, 30) zum Anzeigen des Bereitschaftszustandes, wobei die Abtastmittel und die Anzeigemittel mit den Auswertmitteln verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertmittel einen Mikroprozessor (20) mit Taktgenerator (28) und Speichermittel (EEPROM 21) um fassen, in den für die verwendete Batterie des Fahr zeuges charakteristische Daten und/oder Kennlinien speicherbar sind, die vom Mikroprozessor (20) mit den Abtastwerten verglichen werden, wobei der Mikro prozessor (20) aus dem Vergleichsergebnis den Bat terie-Ladezustand errechnet und auf den Anzeigemit teln (24, 30) anzeigt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel mindestens eine LCD-Anzeigeein heit (24) zum symbolischen und/oder numerischen Anzei gen des Ladezustandes und eine selbstleuchtende An zeigeeinheit (LED 30) zum Abgeben eines Warnsignales bei Überschreitung einer zulässigen Maximalentladung umfassen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet daß die LCD-Anzeigeeinheit (24) über ein Heiz- vorzugs weise ein Peltier-Element (26) beheizbar ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltier-Element (26) über ein temperaturabhän giges Bauteil (NTC 27) ansteuerbar ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die LCD-Anzeige (24) beleuchtbar (LED 25) ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastmittel einen spannungsgesteuerten Os zillator (22) mit nachgeschaltetem, vom Mikroprozes sor (20) ausles- und rücksetzbaren Zähler (23) um fassen.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermittel (21) ein EEPROM umfassen.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß Programmiertasten (35, 36) mit dem Mikroprozessor (20) verbunden sind, über die Steuerdaten in den Mikroprozessor (20) eintastbar sind.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Programmiertasten (35, 36) inaktivierbar ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsschutzschaltung (29) mit Batterie mindestens für den Mikroprozessor (20) bzw. alle flüchtigen Speicher vorgesehen ist.

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgenerator (28) und die Abtastmittel (22, 23) über (gehäuse-) externe Mittel (Frequenzverviel facher, externer Taktgenerator; Stellenumschalter) in seiner Taktfrequenz bzw. in ihrem Übertragungsfak tor heraufsetzbar sind.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Abtastmittel zum Abtasten der Bat terietemperatur vorgesehen und mit dem Mikroprozessor (20) verbunden sind.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Digitaleingang des Mikroprozes sors (20) mit einem Betriebsschalter des Fahrzeuges verbindbar ist.

34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Spannungsanpassungsschaltung (32, 33), über welche die Klemmenspannung auf einen, der vorrichtungsinternen Arbeitsspannung angepaßten Wert herabsetzbar ist.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen/elektronischen Bauteile der Vor richtung auf mindestens zwei Platinen (11, 12; 14) vorgesehen sind, wobei alle von der abzutastenden Batteriespannung abhängig zu dimensionierenden Bau teile (32, 33) nur (alleine) auf einer der Platinen (Modulplatine 14) angeordnet sind.

36. Vorrichtung nach den Ansprüchen 22 und 35, dadurch gekennzeichnet, daß ein parallel zur selbstleuchtenden Anzeigeeinheit (LED 30) ansteuerbares Relais (31) vorgesehen ist, das auf der Modulplatine (14) sitzt.

37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulplatine (14) an das, dem Gehäusefenster gegenüberliegende Gehäuseende angrenzend angebracht ist, während die übrigen Platinen (11, 12) parallel zum Gehäusefenster liegen.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulplatine (14) senkrecht zu den übrigen Platinen (11, 12) angebracht ist.