DE4132229C2 - Mikrocontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustands einer mehrzeiligen Batterie - Google Patents

Mikrocontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustands einer mehrzeiligen Batterie

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Description

Die Erfindung betrifft eine microcontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustandes einer aus mehreren Teilbatterien bestehenden Gesamtbatterie mit Schaltvorrichtungen zum Anschalten wenigstens einer Teilbatterie an wenigstens eine mit einem Diagnoseschaltkreis verbundenen Doppelleitung.
Bei der Ladung und Entladung von mehrzelligen, in Serie geschalteten Batterien weisen die Klemmenspannungen der einzelnen Zellen oder Teilbatterien infolge von unvermeidlichen unterschiedlichen konstruktiven, chemischen und elektrischen Parametern der einzelnen Zellen unterschiedliche Klemmenspannungen auf. Bei der Anwendung herkömmlicher Ladegeräte, die zur Steuerung des Ladevorganges nach bekannten Ladekennlinien (UI-, W- usw.) lediglich die Klemmenspannungen einer großen Zahl der in Reihe geschalteten Zellen heranziehen, kommt es daher im Laufe der Zeit zu einer unerkannten, zunehmend unterschiedlichen Aufladung der Zellen. Dies kann so weit gehen, daß einzelne Zellen umgepolt werden. Besonders problematisch sind hierbei hermetisch geschlossene Zellen, da diese zum Erhalt des Elektrolyten die genaue Einhaltung einer maximalen Ladespannung erfordern /14/.
Weiter ist es bei Ausfall einer Batterie schwierig und zeitaufwendig, die defekte Batterie aufzufinden. Ebenso ist eine Klärung der Ausfallursache nicht elementar möglich.
Ein zusätzliches Problem tritt auf, wenn einzelne Zellen durch neue, mit eventuell im Verhältnis zu den verbliebenen Zellen stark abweichenden Parametern, ausgetauscht werden. Dieser Effekt tritt bekannterweise bei Pb-Gel-Zellen auf, deren Anfangskapazität nur etwa 70% des Endwertes beträgt, und die diese Endkapazität erst nach 20 bis 50 Zyklen erreichen. Diese Zellen können mit herkömmlichen Ladegeräten nicht angemessen geladen werden, so daß der Hersteller gezwungen ist, sogenannte vorzyklierte Zellen oder Teilbatterien bereitzustellen.
Die Erfindung berührt zwei Problemkreise, nämlich die Messung, Diagnose oder Analyse von Batterien, insbesondere die Ermittlung der momentanen Kapazität und die gezielte Nachladung ausgewählter Zellen oder Teilbatterien.
Es sind eine Reihe von Verfahren bekannt, die aus dem Klemmenverhalten der gesamten Batterie auf den Ladezustand schließen /1/, /2/, /3/.
In /4/ ist eine Anordnung beschrieben, die sich auf die Kapazitätsmessung einer aus in Reihe geschalteten Einzelelementen bestehenden Batterie bezieht. Dabei wird die gesamte Batterie mit einem Entladewiderstand belastet. Mittels eines Sequenzers werden dann zyklisch alle Elemente adressiert, und es werden die Klemmenspannungen aller Elemente nacheinander einem Komparator zugeführt. Außerdem wird die Entladezeit überwacht. Bei Unterschreitung eines Schwellwertes der Klemmenspannung eines Elements wird der zyklische Meßvorgang unterbrochen.
Bezugspotential für die Messung jeder Zellenspannung ist Massepotential, so daß die Genauigkeit bei diesem Verfahren mit steigender Elementeanzahl stark abnimmt. Weiterhin ist eine quantitative Angabe der Kapazität unmöglich - lediglich ein Schwellwert wird überwacht. Eine Nachladung einzelner Zellen während der Gesamtladung ist mit dieser Anordnung nicht möglich.
Bei der Schaltung nach /5/ wird der Verdrahtungsaufwand bei der Messung einer Vielzahl von Einzelelementen dadurch verringert, daß jede Zelle oder Gruppe von Zellen mit einer Meßschaltung verbunden ist, die über eine gemeinsame Steuerleitung und/oder Meßleitung ausgelöst wird, wobei diese Werte nacheinander über eine gemeinsame Meßleitung einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung zugeführt werden.
Das in /6/ beschriebene Batterieladesystem enthält einen Mikroprozessor und einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung und Weiterverarbeitung der elektrischen Signale, um daraus Ausgangssignale zu gewinnen, die zur Ladungssteuerung und Anzeige verwendet werden können.
Die rechnergesteuerte Anordnung nach /7/ dient zum Laden einer Vielzahl von Batterien, die verschiedenen Typs sein können und elektrisch nicht in Reihe geschaltet sind. Es wird zunächst der Typ und die Anfangsladung jeder Batterie bestimmt, und es werden dann die Batterien nacheinander in umgekehrter Reihenfolge ihrer Anfangsladung geladen.
Die Anwendungen /8/ bis /13/ stellen zum Teil sehr aufwendige Lösungen dar, gehen aber sämtlich von der Klemmenspannung der Gesamtbatterie aus.
In /15/ wird ein Ladeverfahren angegeben, das mit Hilfe eines Mikroprozessors die Ladung und Messung mehrerer Batterien gestattet.
Ferner sind noch bekannt:
  • - Automatisch gesteuertes Mikroprozessor-Batterieprüfgerät BAT-CAT der Firma ANPICO. Dieses Gerät dient ausschließlich zur Batteriediagnose. Hierbei werden die Zellenspannungen über eine Vielzahl von Analogeingängen (Meßeinschüben) mit hoher Auflösung (12 Bit) eingelesen.
  • - Batterielade und Controllsystem (BL + CS) der Firma "Hildebrand Industrie Electronic" in Dietlikon (CH). Bei diesem Gerät werden die einzelnen Zellen oder Teilbatterien über zweipolige Relais mit einem prozessorgesteuerten Meß- und Ladegerät verbunden, wobei je Zelle ein Relais vorhanden ist.
Es ist auch ein Batterie-Scanningsystem bekannt (US-A-4 484 140) /17/, bei welchem jede Zelle oder Teilbatterie mit Hilfe einpoliger Relais an eine Doppelleitung geschaltet werden kann, welche direkt mit dem Eingang eines Isolationsverstärkers verbunden ist. Die Anzahl der Relais stimmt damit etwa mit der Anzahl von Teilbatterien überein und ist damit vergleichsweise sehr groß. Das bekannte System benötigt im übrigen einen Isolationsverstärker zur Überwindung des Gleichtaktanteils der Meßspannung. Ferner ist das bekannte System lediglich als "scanning system" zur Messung der Batterie-Teilspannungen ausgewiesen. Zusatzladung über das gleiche Relaisnetzwerk und die Doppelleitung ist nicht vorgesehen.
Es ist schließlich auch ein System zur Steuerung und Diagnose des Ladezustandes von Batterien, insbesondere in Standby-Versorgungen, bekannt (GB 2 216 277 A) /16/, bei welchem eine solche Diagnose nur in Verbindung mit einer definierten Entladung der Batterie durchgeführt werden kann, die Batterie aber stets innerhalb des Standby-Systems verfügbar sein muß. Die Diagnose des Ladezustandes erfolgt hierbei auf der Basis des Batterieverhaltens bei einer gesteuerten Entladung, und es wird die Teilbatterie während der Messung aus dem Verbund der übrigen Batterien herausgeschaltet und durch einen geschalteten Kurzschluß ersetzt. Die Batteriediagnose ist deshalb mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Voraussetzungen für eine neuartige, kostengünstige Realisierung einer mikrocontroller­ gesteuerten Einrichtung der eingangs genannten Art mit folgenden Eigenschaften zu schaffen:
  • - Die Vermeidung der Überladung einzelner Zellen,
  • - die Vermeidung der Tiefentladung einzelner Zellen,
  • - die Zulassung nicht vorzyklierter Austauschbatterien,
  • - die Optimierung des Gesamtladezustandes der Batterie,
  • - die Möglichkeit einer Post-Mortem-Analyse zur Klärung der Ausfallursache,
  • - die Vorhersage eines in naher Zukunft zu erwartenden Ausfalls einer Zelle oder Teilbatterie.
Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht.
Mit der Erfindung werden folgende technische Probleme auf besonders einfache Weise gelöst:
  • -Die Messung aller Zellenspannungen mit einer Auflösung im 10 mV-Bereich bei gleichzeitig vorhandener sehr hoher Genauigkeit im 100 V-Bereich,
  • -die gezielte Nachladung einzelner Zellen oder Teilbatterien,
  • -die Selektion einzelner Zellen oder Teilbatterien als Voraussetzung für die beiden oben genannten Optionen.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 Schematisch den schaltungsmäßigen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 2 eine genauere Darstellung der Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten der Schaltung nach Fig. 1 und
Fig. 3 ein spezielles Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Die Einrichtung nach Fig. 1 enthält einen Microcontroller 7 mit binären Ein/Ausgängen und analogen Eingängen, ein erstes Selektionsnetzwerk 2, mit welchem alle zu betrachtenden Knotenpunkte der in Reihe geschalteten Einzelzellen oder Teilbatterien einer Batterie 1 mit einem System von Doppelleitungen 3 schaltbar verbunden werden können. Jede der Leitungen des Systems von Doppelleitungen 3 ist mit je einem Eingang eines Überwachungsnetzwerkes 6 verbunden, dessen Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden ist. Das System von Doppelleitungen 3 ist ferner mit einem zweiten Selektionsnetzwerk 5 verbunden, in welchem eine der Doppelleitungen 3 mit einer Nachladeeinrichtung 4 schaltbar verbunden werden kann, und in welchem das System von Doppelleitungen mit einem zweiten Selektionsnetzwerk 5 zusammengeschaltet werden kann, das mindestens zwei Ausgangsleitungen besitzt, die mit den Eingängen einer aus mindestens einem RC-Glied 8 bestehenden Filtergruppe verbunden sind. In einem dritten Selektionsnetzwerk 9 kann eines der RC-Glieder 8 der Filtergruppe mit dem Eingang eines Spannungsmeßsystems 10 zusammengeschaltet sein, dessen Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden ist.
Die Lade- und Entladeströme werden mittels einer Stromerfassung 11, die je einen Meßshunt für den Ladestrom und den Entlade-/Rekuperationsstrom enthält, einem Strommeßsystem 12 zugeführt, dessen Ausgänge mit den Analogeingängen des Microcontrollers verbunden sind. Die Meßshunts sind je mit einer Klemme mit dem Minuspol der Batterie 1 und einem gemeinsamen Meßeingang (Nullpunkt) der Meßeinrichtung 12 verbunden. Das Strommeßsystem 12 enthält für die Messung des Entladestromes einen invertierenden Operationsverstärker, dessen negative Versorgungsspannung mit dem Nullpunkt der Meßeingänge bzw. dem Minuspol der Batterie 1 verbunden ist und dessen beide Eingänge mit dem Shunt 11 galvanisch verbunden sind. Die Ausgänge beider Verstärker sind mit je einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden.
Eine Präzisierung der Art und Weise der Zusammenschaltung der einzelnen Komponenten erfolgt anhand der Fig. 2. Die n zu messenden oder nachzuladenden Zellen oder Teilbatterien 1.1 bis 1.n können mit Hilfe eines aus m untereinander gleichartigen, mehrpoligen Relais 2.1 bis 2.m mit geradzahliger Anzahl I von Arbeitskontakten bestehenden ersten Selektionsnetzwerkes 2 dergestalt mit einem in seiner Anzahl mit der Kontaktanzahl der Relais 2 übereinstimmenden System von Doppelleitungen 3.1 bis 3.L schaltbar verbunden werden, daß je eine Doppelleitung 3 einem Bereich aufeinanderfolgender Zellen oder Teilbatterien zugeordnet ist, wobei aufeinanderfolgende Batterieknotenpunkte von in ihren Ordnungsnummern aufeinanderfolgenden Relais 2 abwechselnd mit je einer der beiden Leitungen der dem jeweiligen Batteriebereich zugeordneten Doppelleitungen zusammengeschaltet werden können.
Die Potentiale aller Doppelleitungen 3 werden in einer aus einem Diodennetzwerk mit gemeinsamer Kathode und einem Spannungsteiler bestehenden Überwachungsnetzwerk 6 zu einem Leitungszustandssignal verdichtet, mit dessen Hilfe der Microcontroller das höchste Potential innerhalb sämtlicher Leitungen der Doppelleitungen 3 erkennen und verarbeiten kann.
Im zweiten Selektionsnetzwerk 5 kann jeweils eine der Doppelleitungen 3 mit einer potentialfreien Energiequelle zur Nachladung derart schaltbar verbunden werden, daß die mit Hilfe zweier benachbarter Relais 2 angesprochene Zelle oder Teilbatterie 1.x polrichtig mit der Nachladeeinrichtung 4 verbunden ist. Die Energieversorgung für die Nachladeeinrichtung 4 kann aus einer externen Quelle oder vorzugsweise mit Hilfe eines DC-DC-Wandlers mit Potentialtrennung aus der Batterie 1 erfolgen.
Das zweite Selektionsnetzwerk 5 ist außerdem mit einer aus mindestens einem und höchstens aus einer der Anzahl der Doppelleitungen 3 entsprechenden Anzahl von RC-Gliedern 8 verbunden, so daß jeweils mindestens ein Kondensator mit mindestens einer der im zweiten Selektionsnetzwerk 5 ausgewählten Doppelleitungen zusammengeschaltet werden kann. In einem Selektionsnetzwerk 9 wird jeweils einer der Kondensatoren ausgewählt und einem für die Verarbeitung von Eingangsspannungen beider Polarität ausgestatteten Meßsystem 10 zugeführt, in welchem eine im Selektionsnetzwerk 9 ausgewählte Kondensatorspannung für die Messung durch den Mikrorechner aufbereitet wird.
Bei Anwendung der beschriebenen Anordnung beträgt die Anzahl der notwendigen Relais im ersten Selektionsnetzwerk lediglich n DIVK + 1 (wobei DIV der Divisionsoperator für eine ganzzahlige Division ist), wenn n die Zellen- oder Teilbatterieanzahl ist und K die Kontaktzahl der Relais 2 angibt. Weiterhin werden die gleichen Relais 2 sowohl für die Messung als auch für die Nachladung verwendet.
In Fig. 3 ist die Schaltungsanordnung eines speziellen Ausführungsbeispiels dargestellt, das für die Analyse und die Nachladung von maximal 40 Zellen oder Teilbatterien vorgesehen ist. Wenn k Eingangsklemmen des aus Relais mit je vier Arbeitskontakten bestehenden Selektionsnetzwerkes 2 in der dargestellten Weise fortlaufend durchnummeriert werden und n die Anzahl der tatsächlich vorhandenen Zellen oder Teilbatterien angibt, so ist die Anschlußzuordnung zwischen der i-ten Minuspolklemme einer Zelle oder Teilbatterie und der j-ten Eingangsklemme des ersten Selektionsnetzwerkes 2 durch die Beziehung
i = 1 + (((j-1)MOD4) * d) + ((j-1)DIV4) (1)
gegeben, wobei für d gilt:
d = (n + 3)DIV4 (2)
Dabei ist MOD der Modulo-Operator, der den ganzzahligen Rest bei der Division zweier ganzer Zahlen ergibt.
Die Anzahl der mindestens benötigten Relais beträgt d + 1. Der Batterieklemmenindex i = n + 1 gehört zur negativen Klemme der nicht vorhandenen n+ersten Zelle oder Teilbatterie und bezeichnet die positive Klemme der n-ten Zelle oder Teilbatterie.
Das zweite Selektionsnetzwerk 5 besteht aus zwei vierpoligen Relais 5.1 und 5.2, die so geschaltet sind, daß aus den vier Doppelleitungen 3.1 bis 3.4 zwei ausgewählt werden können. Die Relais 5.3 bis 5.5 gestatten die polrichtige Anschaltung der Nachladeeinrichtung 4 an eine der mit den Relais 5.1 oder 5.2 ausgewählten Doppelleitungen.
Die Filterbaugruppe 8 enthält für jede dieser zwei Doppelleitungen ein RC-Filter mit untereinander gleichen Widerständen 8.1 und den Kondensatoren 8.2. Das dritte Selektionsnetzwerk 9 besteht lediglich aus einem Relais mit zwei Wechselkontakten. Das Spannungsmeßsystem 10 enthält zwei gleiche Strombegrenzungswiderstände 13, vier Begrenzungsdioden 15 mit kleinem Leckstrom, zwei Symmetrierwiderstände 14, einen Filterkondensator 19, einen Operationsverstärker 18, einen Rückkopplungswiderstand 16 und einen Erdungs-Widerstand 17. Einer der in Reihe geschalteten Symmetrierwiderstände 14 ist mit einer für die Funktion des ADC erforderlichen, hier jedoch nicht näher betrachteten Referenzspannung Uref verbunden, und es ist die Ausgangsspannung Uc mit einem Analogeingang des Microcontrollers 7 verbunden.
Die Gesamtfunktion der Einrichtung kann entsprechend der weiter oben angegebenen Zielstellung in die folgenden Komponenten gegliedert werden:
  • 1. Zyklisch fortwährende Analyse des Ladezustandes der einzelnen Zellen oder Teilbatterien,
  • 2. bedarfsgerechtes Nachladen einzelner Zellen oder Teilbatterien,
  • 3. Schutz- und Überwachungsfunktionen mit Strommessung,
  • 4. Bedienung und Anzeige/Ausgabe von wählbaren Analyseergebnissen.
Für die vorliegende Erfindung sind dabei zwei Grundoperationen von besonderem Interesse. Diese werden im folgenden beschrieben:
  • - Messung der Klemmenspannung der selektierten Zelle oder Teilbatterie,
  • - Nachladung einer ausgewählten Zelle.
Voraussetzung für beide Operationen ist die beschriebene Einrichtung zur Selektion einer Zelle oder Teilbatterie.
Messung einer Teilspannung
Zunächst sind alle Relais entregt. Dann wird Relais 9 durch den Microcontroller so angesteuert, daß der für die anschließende Spannungsmessung nicht interessierende Kondensator 8.2 mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbunden ist. Danach werden zwei benachbarte Relais 21.2(i+1) und eines der Relais 5.1 bis 5.2 so vom Microcontroller angesteuert, daß der nicht mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbundene Kondensator 8.2 mit der zu messenden Zelle oder Teilbatterie verbunden ist. Dieser aktuelle Meßkondensator lädt sich über die Strombegrenzungswiderstände 8.1 auf den Wert der zu messenden Klemmenspannung unverfälscht auf, da er nicht über die Eingangswiderstände 13 mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbunden ist. Somit kann beim anschließenden - technisch real nicht zeitsynchronen - Öffnen der Kontakte des Relais 5.1 oder 5.2 auch kurzzeitig kein einer möglichen, relativ hohen Gleichtaktspannung entsprechender Fehlerstrom über die Widerstände 13 zu einer Ladungsverschiebung im aktuellen Meßkondensator 8.2 führen.
Nach dem controllergesteuerten Öffnen der Kontakte von Relais 5.1 oder 5.2 wird Relais 9 umgeschaltet, so daß der aktuelle Meßkondensator mit dem Eingang des Meßsystems 10 verbunden ist und nach Ablauf einer durch die Zeitkonstante R14/2-C19 der Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Operations­ verstärkers 19 und einer, möglicherweise infolge hoher Gleichtaktspannung an den Widerständen 13 unmittelbar zuvor verursachten Übersteuerung des Operationsverstärkers bestimmten Übergangszeit am Ausgang Uc eine der zu messenden Zellen- oder Teilbatteriespannung entsprechende Ausgangsspannung zum Einlesen durch den Microcontroller zur Verfügung steht.
Nachladen einer Zelle oder Teilbatterie
Zunächst sind alle Relais entregt. Dann wird mit den Relais 2, 5.1 oder 5.2 und dem Relais 5.3 ein solcher Strompfad geschaffen, daß die Wechselkontakte von Relais 5.3 mit der nachzuladenden Zelle oder Teilbatterie verbunden sind. Bis zu diesem Zeitpunkt schalten alle Relais im stromlosen Zustand. Dann wird entsprechend der Polarität Relais 5.4 oder 5.5 zugeschaltet, wodurch der Ausgang der Nachladeeinrichtung 4 mit der adressierten Zelle oder Teilbatterie verbunden ist. Wenn die Strom- oder Spannungsquelle der Nachladeein­ richtung 4 nicht vom Microcontroller auftastbar ist, so schaltet Relais 5.4 bzw. 5.5 den Ladestrom ein, bei elektronischer Auftastung der Nachladeeinrichtung schaltet Relais 5.4 bzw. 5.5 stets lastfrei. Die Abschaltung des Ladestromes erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, so daß in jedem Falle nur Relais 5.4 oder 5.5 unter Last schaltet.
Schutz und Überwachung
Um sicherzustellen, daß es bei dem relativ komplizierten Ablauf und der Vielzahl von beteiligten Relaiskontakten zu keiner Havarie und insbesondere zu keinen Kurzschlußschaltungen kommen kann, wird erfindungsgemäß so vorgegangen, daß sämtliche Leitungen der Doppelleitungen 3 in einer Überwachungsbaugruppe 7 zu einem Analogwert verdichtet werden, der vom Microcontroller gelesen werden kann. Das Bezugspotential des Microcontrollers (Groundpotential für Analogmessung) für diese Messung ist der Minuspol der Batterie. In dieser Baugruppe wird jede der Doppelleitungen mit je einer Anode einer hochsperrenden Diode verbunden, deren Kathoden parallel geschaltet und mit dem Eingang eines Spannungsteilers verbunden sind, an dessem Ausgang die als Analogwert UO vorliegende Leitungs­ zustandsinformation vom Microcontroller eingelesen werden kann. Mit dieser Anordnung ist jeweils das höchste positive Potential auf den Doppelleitungen 3 erfaßbar. Die Überwachungsbaugruppe kann auch aus einem Widerstandsnetzwerk bestehen, wodurch bei Verwendung von Präzisionswiderständen ein Leitungszustandssignal mit höherem Informationsgehalt bereit steht.
Vor jedem Zuschalten eines beliebigen Relais der Baugruppe 3 kann somit vom Microcontroller geprüft werden, ob die Spannungspegel auf den Leitungen den Erwartungen entsprechen, so daß bei Abweichungen eine Information über das vermutlich defekte Relais ausgegeben werden kann.
Strommessung
Wird der Shunt 11 vom Entlade- oder Rekuperationsstrom durchflossen, so entsteht an seiner mit dem Meßeingang verbundenen Klemme gegenüber dem Minuspol der Batterie bzw. dem Nullpunkt des Strom­ meßsystems 12 eine je nach Stromrichtung gepolte Spannung. Je einer der mit dem Shunt verbundenen Operationsverstärker wird dadurch entweder übersteuert oder liefert an seinem Ausgang eine dem Strom proportionale Spannung. Da beide Verstärkerausgänge IB und IF dem Microcontroller 7 zugeführt werden, kann dieser erkennen, in welcher Richtung der Strom fließt und welche Größe er hat.

Claims (6)

1. Microcontroller-gesteuerte Einrichtung zur Analyse des Ladezustandes einer aus mehreren Teilbatterien bestehenden Gesamtbatterie mit Schaltvorrichtungen zum Anschalten wenigstens einer Teilbatterie an wenigstens eine mit einem Diagnoseschaltkreis verbundene Doppelleitung, dadurch gekennzeichnet, daß
ein System von mehreren Doppelleitung (3.1-3.L) entsprechend einem Bruchteil der Gesamtzahl der Batteriezellen oder Teilbatterien (1.1-1.n) der Gesamtbatterie vorgesehen ist,
daß als Schaltvorrichtungen mehrpolige Relais (2.1-2.m) mit der Anzahl an Doppelleitungen entsprechender Anzahl an Schaltkontakten vorgesehen sind, von denen jeder an eine Leitung einer eigenen Doppelleitung (3.1-3.L) angeschlossen ist,
daß die Schaltkontakte aller mehrpoligen Relais (2.1-2.m) einerseits mit den Knotenpunkten der Batteriezellen oder Teilbatterien und andererseits mit den Doppelleitungen so verbunden sind, daß in der Reihenschaltung der Batteriezellen oder Teilbatterien benachbarte Knotenpunkte abwechselnd an die eine und die andere Leitung der eigenen Doppelleitung angeschlossen sind,
daß jede Doppelleitung an ein aus wenigstens einem Widerstand und einem Kondensator bestehendes RC-Filter angeschlossen ist oder anschaltbar ist, dessen Kondensator über zweipoliges Schaltglied an den Eingang einer Spannungsmeßeinrichtung (10) schaltbar ist, nachdem zuvor die über zwei der mehrpoligen Relais (2.1-2.m) an das RC-Filter angeschalteten, der zu messenden Batteriezelle oder Teilbatterie zugehörigen Knotenpunkte wieder von dem RC-Filter abgeschaltet worden sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Selektionsnetzwerk aus einem einzigen Relais mit zwei Wechselkontakten besteht, welches im Zusammenwirken mit den Relais des ersten Selektionsnetzwerkes (2) und des zweiten Selektionsnetzwerkes (5) derart angesteuert wird, daß in einer ersten Phase eines Meßvorganges die Klemmen der zur Messung vorgesehenen Zelle oder Teilbatterie mit einem RC-Glied einer aus zwei RC-Gliedern (8) bestehenden Filterbaugruppe verbunden sind, wobei der Ausgang der Filterbaugruppe in dieser Phase nicht mit dem Eingang des Spannungsmeßsystems (10) verbunden ist, und daß in der sich anschließenden zweiten Phase eines Meßvorganges das Relais des dritten Selektionsnetzwerkes (9) umgeschaltet wird, nachdem die Relaiskontakte des zweiten Selektionsnetzwerkes (5) geöffnet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Leitungen des Systems von Doppelleitungen mit je einer Anode eines aus einem Diodennetzwerk mit gemeinsamer Kathode und nachgeschaltetem Spannungsteiler bestehenden Überwachungsnetzwerkes verbunden ist, dessen Ausgang mit einem Analogeingang des Microcontrollers verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Selektionsnetzwerk jeweils eine der Doppelleitungen (3) mit einer potentialfreien Nachladeeinrichtung (4) derart schaltbar verbunden wird, daß die mit Hilfe des ersten Selektionsnetzwerkes (2) und zweiten Selektionsnetzwerkes (5) angesprochene Zelle oder Teilbatterie polrichtig mit der Nachladeeinrichtung (4) schaltbar verbunden werden kann, so daß das erste Selektionsnetzwerk (2) und zweite Selektionsnetzwerk (5) sowohl für die Messung als auch für die Ladung auswählbarer Zellen oder Teilbatterien verwendet werden kann.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie für die Nachladeeinrichtung (4) zur Ladungsoptimierung ausgewählter Zellen oder Teilbatterien mit Hilfe eines DC-DC-Wandlers unabhängig von Einsatzort, -zeit und Betriebszustand der Batterie aus der Batterie selbst gewonnen wird.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entlade- und Ladeströme der Batterie mittels eines Meßshunts (11) und eines Strommeßsystems (12) gemessen werden, wobei eine Klemme des Meßshunts (11) mit dem Minuspol der Batterie und einem Meßeingang (Nullpunkt) des Strommeßsystems (12) verbunden ist, und die zweite Shuntklemme mit einem zweiten Meßeingang des Strommeßsystems (12) galvanisch verbunden ist, das je einen invertierenden und einen nichtinvertierenden Operationsverstärker enthält, dessen negative Versorgungsspannung mit dem Nullpunkt der Meßeingänge bzw. dem Minuspol der Batterie verbunden ist, und deren Eingänge des invertierenden und des nichtinvertierenden Verstärkers mit dem zweiten Meßeingang verbunden sind, und deren beide Ausgänge mit je einem Analogeingang des Microcontrollers (7) verbunden sind.
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DE (1) DE4132229C2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10051984C2 (de) * 1999-10-21 2003-04-24 Honda Motor Co Ltd Batteriespannungs-Messvorrichtung
US20170288422A1 (en) * 2011-04-22 2017-10-05 Sk Innovation Co., Ltd. Charge equalization apparatus for a battery string

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5416402A (en) * 1993-03-12 1995-05-16 Globe Union, Inc. State of charge indicator for deep-cycle application
DE4338178C2 (de) * 1993-11-09 2003-04-30 Aeg Energietechnik Gmbh Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen-Modulen
TW269727B (en) * 1995-04-03 1996-02-01 Electrosource Inc Battery management system
DE19605481C1 (de) * 1996-02-14 1997-06-12 Siemens Ag Batteriemeßmodul für eine USV-Batterie
US5850351A (en) * 1996-04-25 1998-12-15 General Motors Corporation Distributed management apparatus for battery pack
JP3618472B2 (ja) * 1996-07-01 2005-02-09 富士通株式会社 電池ユニット及び電池ユニットを使用する装置
DE19810746B4 (de) * 1998-03-12 2008-10-16 Varta Automotive Systems Gmbh Platine mit einer Schaltung zur Überwachung einer mehrzelligen Akkumulatorenbatterie
AT503204B1 (de) * 2006-02-02 2008-05-15 Wieger Martin Dipl Ing Verfahren und anordnung zur veränderung des lade- und gesundheitszustandes (soc, soh) eines akkumulators
DE102007052929A1 (de) * 2007-11-07 2009-05-20 Braun Gmbh Schaltungsanordnung mit einer Akkumulatorkaskade

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2443686A1 (fr) * 1978-12-07 1980-07-04 Accumulateurs Fixes Procede et dispositif de suivi de l'etat de charge d'un accumulateur
US4289836A (en) * 1980-03-05 1981-09-15 Lemelson Jerome H Rechargeable electric battery system
US4396880A (en) * 1981-06-05 1983-08-02 Firing Circuits Inc. Method and apparatus for charging a battery
US4433294A (en) * 1981-06-05 1984-02-21 Firing Circuits, Inc. Method and apparatus for testing a battery
DE3130669A1 (de) * 1981-08-03 1983-02-17 Möhrstedt, Udo, 8623 Staffelstein Verfahren und vorrichtung zur messung des ladezustandes einer batterie
FR2523728A1 (fr) * 1982-03-17 1983-09-23 Renault Procede et dispositif de mesure de l'etat de charge d'un generateur electrochimique en fonctionnement
US4484140A (en) * 1982-04-23 1984-11-20 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Battery scanning system
FR2537785A1 (fr) * 1982-12-13 1984-06-15 Electricite De France Dispositif de controle de la capacite d'une batterie d'elements d'accumulateur
GB8306071D0 (en) * 1983-03-04 1983-04-07 Electronic Designs Iw Ltd Battery charging
US4746852A (en) * 1984-10-29 1988-05-24 Christie Electric Corp. Controller for battery charger
DE3702591A1 (de) * 1987-01-29 1988-08-11 Sonnenschein Accumulatoren Schaltung zur laufenden ueberpruefung der qualitaet einer mehrzelligen batterie
US4843299A (en) * 1987-06-01 1989-06-27 Power-Tech Systems Corporation Universal battery charging system and a method
US4849682A (en) * 1987-10-30 1989-07-18 Anton/Bauer, Inc. Battery charging system
IT1219776B (it) * 1988-03-02 1990-05-24 Beghelli G P B Srl Sistema di controllo e diagnosi dello stato di carcia delle batterie specialmente per gruppi "di continuita'" di alimentazione elettrica
DE3811371A1 (de) * 1988-04-05 1989-10-19 Habra Elektronik Verfahren zum laden und gleichzeitigen pruefen des zustandes eines nickelcadmium-akkumulators
DE3813823C1 (de) * 1988-04-23 1989-05-11 Accumulatorenfabrik Sonnenschein Gmbh, 6470 Buedingen, De
US5055763A (en) * 1988-09-26 1991-10-08 Eveready Battery Company, Inc. Electronic battery charger device and method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10051984C2 (de) * 1999-10-21 2003-04-24 Honda Motor Co Ltd Batteriespannungs-Messvorrichtung
US20170288422A1 (en) * 2011-04-22 2017-10-05 Sk Innovation Co., Ltd. Charge equalization apparatus for a battery string

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