WO1992015893A1 - Ladezustandsanzeige einer batterie - Google Patents

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WO1992015893A1
WO1992015893A1 PCT/DE1992/000098 DE9200098W WO9215893A1 WO 1992015893 A1 WO1992015893 A1 WO 1992015893A1 DE 9200098 W DE9200098 W DE 9200098W WO 9215893 A1 WO9215893 A1 WO 9215893A1
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WO
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battery
arrangement according
circuit arrangement
circuit
voltage
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Application number
PCT/DE1992/000098
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French (fr)
Inventor
Arnim Fiebig
Ross Green
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/3644—Constructional arrangements
    • G01R31/3648—Constructional arrangements comprising digital calculation means, e.g. for performing an algorithm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/382—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC
    • G01R31/3828—Arrangements for monitoring battery or accumulator variables, e.g. SoC using current integration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/00714—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current
    • H02J7/00718—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current in response to charge current gradient

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for displaying the state of charge of a rechargeable battery according to the preamble of the main claim.
  • EP-00 71 816 (AI) already discloses a method and a device for measuring the state of charge of a motor vehicle battery, in which the battery voltage is measured under load. During the starting process of the engine, the battery is loaded with the starter current. In this time phase, the battery voltage is measured and fed to an evaluation circuit. The evaluation circuit generates a current pulse with a constant amplitude, the length of which is a function of the battery terminal voltage. The current pulse is placed in a memory component which stores the amount of charge.
  • a shunt resistance measures charging or discharging currents which occur during the loading of the battery and which are supplied to the memory component with the correct sign. Adding the stored currents results in a control signal that can be used for comparison with a limit value for visual display.
  • the measured terminal voltage is very strongly dependent on the temperature of the battery and its age, so that the measured results are unsatisfied overall.
  • the circuit arrangement according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the remaining capacity of the battery is determined with very simple means. It is particularly advantageous that the circuit arrangement takes into account both very small and very high load currents, such as can occur when working with power tools. Particularly in the case of very small interference, a reliable measurement of the capacitance is given because of the high interference components.
  • the measures listed in the subclaims allow advantageous further developments and improvements of the circuit device specified in the main claim. It is particularly advantageous that the current is measured via a sensor which is built into the load circuit as a resistor. This makes the measurement very easy.
  • a particular advantage results from taking correction factors for different sources of error into account.
  • the correction factors can easily be determined by experiment and lead to a reproducible capacity display.
  • Another advantage is that the discharge of the battery is limited to a predetermined limit voltage. This prevents deep discharge and extends the life of the battery.
  • the arrangement of the current sensor between the individual cells of the battery is particularly favorable. For example, blocks produced in large series can be switched to six cells with the resistor and then further individual or several cells can be connected together. This results in special cost advantages. Due to the compact design of the evaluation circuit with the display in or on the housing of the battery, the current state of charge of the battery can be advantageously recognized at any time. In particular, in the case of a reserve battery, it can be immediately recognized what the state of charge of the battery is. Trying it out, for example by inserting the battery into a power tool, is not necessary.
  • a switchable display is also favorable, since it saves battery power.
  • non-volatile memory is particularly advantageous since it does not lose its information even when the battery is discharged.
  • Another advantage is the fact that the temperature of the battery can be indicated by measuring the set voltage.
  • the indication of the indicated temperature is also particularly advantageous, so that the battery can be switched off if the battery overheats. Further advantages of the invention can be found in the description.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the circuit arrangement
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement of the battery with the sensor
  • FIG. 3 shows the arrangement of individual components of the circuit arrangement
  • FIG. 4 shows a current diagram for the inrush current
  • FIG. 5 shows the arrangement of switch contacts of the battery housing
  • FIG. 6 a block diagram for the offset measurement
  • Figure 7 is a flow chart.
  • FIG. 1 shows a block diagram of the evaluation circuit and the battery circuit.
  • a battery 1 is connected via a switch 13 to an electric motor 14, which should symbolically represent the power tool.
  • the electric motor forms the load circuit with the battery, which is connected to the battery via the connections 30 and 32.
  • the battery has several cells
  • the battery 1 has eight cells 21.
  • the cells are, for example, NiCd batteries. Between the last cell and the penultimate cell there is a resistor as a sensor
  • a connection 30 of the battery is switched as a positive pole and a connection 32 as a negative pole for the load circuit.
  • the evaluation circuit 20 is supplied via the connections 30 and 31, the connection 31 being used as the ground connection.
  • the connection 30 is further connected to a voltage regulator 4, which has a reference voltage of 3.9 volts for the amplifiers 6, 7, 8 delivers.
  • the voltage regulator 4 supplies the microcomputer 10 and the displays 11, 12.
  • the amplifiers 6, 7, 8 are supplied with the voltage of about 8.4 volts across the remaining seven cells via a further line.
  • a voltmeter 9 measures the terminal voltage of the battery compared to terminal 31.
  • the current flowing through the sensor 22 is tapped as a voltage and fed to an ammeter 2.
  • the current meter 2 is connected to a filter 3, the output signal of which is fed to the amplifiers 6, 7 via a correction circuit 5.
  • the filter 3 is connected to the amplifier 8.
  • the outputs of the amplifiers 6, 7, 8 are connected to analog inputs of the microcomputer 10.
  • Digital outputs of the microcomputer 10 are connected to a display 11 as an overload display and a display 12 for the display of the state of charge.
  • the microcomputer is also connected to a changeover switch 15. With the aid of the switch, the microcomputer can process a test program, the plausibility of the signals applied to its inputs being verifiable. This makes it possible to test the entire circuit for proper functioning. When functioning correctly, all display elements light up.
  • the display (11, 12) contains light emitting diodes or corresponding liquid crystal elements.
  • the ammeter 2 detects the voltage drop across the sensor 22, which is measured with respect to the ground connection 31.
  • the measured voltage is screened at the filter 3 and fed to the offset correction circuit 5.
  • the filter 3 has a low-pass characteristic, so that high-frequency interference signals are suppressed.
  • the filtered signal is passed through the offset correction circuit 5 and first of all fed to the amplifiers 6 and 7.
  • the offset correction circuit 5 has a changeover switch which, under the control of the microcomputer 10, either switches to the amplifiers 6, 7 or interrupts the line. With the second changeover contact, the inputs of the amplifiers 6, 7 are switched against the measuring mass 31.
  • the offset of the amplifiers 6, 7 can be determined with the aid of this switch of the offsect correction circuit 5.
  • the offset of the amplifiers 6, 7 is essentially dependent on the temperature of the amplifiers. Due to the thermal coupling with the battery, the amplifier 6, 7 will approximately assume the temperature of the battery 1, so that the offset of the amplifier 6, 7 represents a measure of the temperature of the battery 1.
  • the microcomputer 10 first switches the inputs of the amplifiers 6, 7 to ground 31 and measures the output of the amplifiers. The measured values are compared with stored temperature values which are stored in the memory of the microcomputer 10. As a result, a temperature value is assigned to each voltage value.
  • the changeover switch of the offset correction circuit 5 is switched over so that the measurement input of the sensor 22 is connected to the inputs of the amplifiers 6, 7, then the amplifiers 6, 7, which correspond to the corresponding inputs of the microcomputer 10, are output are connected, an analog measurement of the current in the load circuit.
  • the changeover switch 35 of the offset correction circuit 5 is expediently designed as a semiconductor switch which is controlled by an output of the microcomputer. FET transistors have proven to be particularly favorable as switches, since they have a large blocking resistance or small on-resistance with low power loss.
  • the amplifier 7 has a high gain, while the amplifier 6 has a small gain. This makes it possible to measure very small currents at the sensor 22 using the amplifier 7. In contrast, large currents are measured with the amplifier 6. This arrangement ensures that the measuring range for the load circuit can be used from very small currents, for example a few milliamperes, to very large currents of approximately 30 to 35 amperes.
  • the output voltage in particular of the amplifier 7, can be used as a temperature indicator. Since the output voltage is measured by the microcomputer, it can also be used to display the temperature of the battery and can be output via the display 12.
  • the measurement of the offset can also be used to correct the measurement result and can be incorporated into the result of the charge status display. This enables an automatic offset adjustment.
  • the amplifier 6 monitors the charging current of the battery. Its amplification factor is relatively small, so that a charging current of up to approx. 7 amperes can be measured.
  • the amplifier 7 measures charge and discharge currents from very small values to a few 100 milliamperes.
  • the amplifier 8 has a very small gain. It can therefore be used to measure currents from approximately 1 ampere upwards. If a current greater than 20 amperes is detected, the overload indicator lights up.
  • a type ST 6210 is used as the microcomputer 10.
  • This eight-bit microcomputer has an EPROM as memory, via which the individual connections can be programmed as inputs or outputs.
  • the microcomputer 10 measures the analog voltage present at the outputs of the amplifiers 6, 7, 8 and, on the basis of the program entered, controls four LEDs on the display 12, which indicate the state of charge of the battery in 25% steps. The lowest level with 25% is represented by a color-contrasting light-emitting diode, preferably in red. Green LEDs are used as the remaining displays.
  • the microcomputer 10 also measures the battery voltage via the voltmeter 9.
  • the voltmeter 9 has a voltage divider which adjusts the voltage measured on the battery to the measuring range of the microcomputer 10. The battery voltage can be calculated by corresponding extrapolation using the resistance divider ratio.
  • a charger can be used to charge the battery, which delivers a selectable small or large current.
  • the battery is charged when the cell voltage is approximately 1.5 volts. If this value is determined via the voltmeter 9, the microcomputer 10 emits a signal to the charger, which leads to the charging current being switched off. At this voltage, the battery 1 has a capacity of approximately 100%. so that the corresponding light emitting diode of the display 12 lights up. If the battery is now plugged from the charger into an electric tool, a current will flow in the load circuit of the electric tool each time the switch 13 is actuated. This current is measured via the amplifiers 7, 8 and integrated by the microcomputer in accordance with the current flow duration.
  • the energy consumption is then successively subtracted from the stored value and is indicated in corresponding steps as the state of charge by the four light-emitting diodes LED.
  • the current flowing in the load circuit is subject to large fluctuations, which depend in particular on the load on the electric motor. Since the integration of the current is relatively slow because of the interference pulses to be suppressed, rapid changes in current are not detected. This would lead to errors in the calculation of the state of charge of the battery. In particular, high current pulses occur each time the device is switched on, which can lead to major errors if the power tool is switched on frequently.
  • a typical current pulse, such as occurs when the electric motor is switched on, is shown in FIG. However, this current pulse can only be measured with complex measuring technology.
  • the current pulse can be detected with sufficient accuracy by an empirically determined correction factor.
  • the correction corresponds to the hatched area of the curve in FIG. 4.
  • a total of 0.25% of the battery capacity is deducted from the current capacity value as consumption each time the electric motor is switched on.
  • the measurement is particularly simple in that the current rise is measured at one of the amplifier outputs 7, 8. This is because each current increase from 0 to a specific current value x means that the switch 13 is actuated.
  • a further correction of the display is provided by the physically related self-discharge of the battery. Since the evaluation circuit also has a certain current consumption, this also leads to a continuous reduction in the remaining capacity of the battery 1. A further correction factor is provided for these two factors. However, since these currents are very small and the quiescent current of the battery is approximately constant, it is sufficient to do so to count by means of cyclical timings. It is therefore provided to count time cycles during the idle phase of the circuit arrangement and to apply a correction factor to them. In the simplest form, the pulses derived from the clock generator of the microcomputer 10 are counted. The value determined in this way is deducted cyclically from the current residual capacity of the battery.
  • the correction factors for switch-on pulses, temperature, quiescent current and self-discharge By taking into account the correction factors for switch-on pulses, temperature, quiescent current and self-discharge, the actual remaining capacity of the battery 1 can be determined very precisely.
  • the correction factors are partly dependent on the type of battery used. It is therefore expedient to determine the correction factors by means of tests.
  • the end-of-work (EOW) point is reached. This point can be indicated by another LED. Furthermore, the working current in the load circuit can be switched off automatically to protect the battery against further discharge. Reaching the EOW point can also be expressed by a particularly rapid flashing of the 25% display. The EOW point can also be used to reset the microcomputer for calibration purposes.
  • the accuracy of the capacity calculation can be checked or corrected by comparison with the capacity points 0 and 100%. Since these points are measured with each loading and unloading process, a comparison of the values and the intermediate storage results in a simple check of the functional accuracy of the display.
  • a further embodiment of the invention provides a test cycle with a program routine according to FIG for the function of the charge status display.
  • the switch from the charge status display to the test cycle is carried out by closing the switch 15.
  • position 51 a query is made as to whether switch 15 is open or closed.
  • switch 15 is closed, all input levels are measured in position 52 and compared with predetermined target values. If the result is positive (position 53), all the light-emitting diodes of the display 12 are activated as a sign that the display device is working correctly.
  • the program then jumps back to the beginning in position 51.
  • the battery 1 with a non-volatile memory 45, preferably an EEPROM.
  • a non-volatile memory 45 preferably an EEPROM.
  • the battery 1 can be connected to the storage 45 either via the adapter 43 to the charger 41 or via the adapter 47 to the power tool 49.
  • Both the charger 41 and the power tool 49 have a microcomputer 42, 48, which has access to the data of the memory 45 via the adapters 44, 46.
  • This arrangement particularly advantageously results in a cost-effective solution, since only a few components are required because of the multiple use.
  • the data in the memory can be used both when charging and when discharging the battery.
  • the memory 45 therefore advantageously contains the control programs required for the microcomputers, as described above.
  • the adapters 44, 46 can also advantageously be designed as a unit. Particular importance was attached to a polarity-proof design of the contact arrangement.
  • the battery housing is usually round or oval.
  • the contacts according to FIG. 5 are arranged on opposite sides of oval battery housings.
  • the minus contact 60 and plus contact 61 are arranged on the opposing long sides.
  • a further contact is optionally provided on the narrow side on the right, to which a temperature sensor (NTC) can be connected, which can measure the temperature of the battery 1 during charging or discharging.
  • NTC temperature sensor
  • NiCd batteries are to be used for the charger 41 or the power tool 49, but also NiH batteries, for example, then further connections are necessary to adapt to the requirements of these batteries with regard to the charging and discharging current.
  • a contact 62 can be arranged on the left narrow side of the battery housing shown in FIG. The contact 62 forms the positive pole with respect to the negative contact 60.
  • the adapters 43, 47 then receive a corresponding additional contact. This very simple advantageous coding therefore enables the use of exchangeable batteries of different types for the power tool and the charger.

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Abstract

Es wird eine Schaltungsanordnung zur Anzeige des Ladezustandes einer wiederaufladbaren Batterie vorgeschlagen, bei der durch Integration des im Lastkreis fließenden Stromes der Ladezustand der Batterie ermittelt wird. Durch Berücksichtigung von verschiedenen Korrekturfaktoren wie Einschaltstromstoß, Temperatur, Offset und Selbstentladung der Batterie ergibt sich eine reproduzierbare Genauigkeit für den Ladezustand. Die Batterie ist insbesondere als Akkupack für Elektrowerkzeuge geeignet. Konstruktive Maßnahmen für die Anschlüsse ermöglichen den Einsatz eines universellen Ladegerätes und die Verwendung verschiedener Batterietypen für verschiedene Elektrowerkzeuge.

Description

- '7 -
adez standsanzeige einer Batterie
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung für die Anzeige des Ladezustands einer wiederaufladbaren Batterie nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der EP- 00 71 816 (AI) ist schon ein Verfah¬ ren und eine Vorrichtung zur Messung des Ladezustands einer Kraft¬ fahrzeug-Batterie bekannt, bei dem die Batteriespannung unter Last gemessen wird. Während des Startvorganges des Motors wird die Batte¬ rie mit dem Anlasserstrom belastet. In dieser Zeitphase wird die Batteriespannung gemessen und einer AuswerteSchaltung zugeführt. Die Auswerteschaltung generiert einen Stromimpuls mit konstanter Ampli¬ tude, dessen Länge eine Funktion der Batterie-Klemmenspannung ist. Der Stromimpuls wird in ein Speicherbauelement gegeben, das die La¬ dungsmenge speichert. Desweiteren mißt ein Shuntwiderstand während der Belastung der Batterie auftretende Lade- bzw. Entladeströme, die vorzeichenrichtig dem Speicherbauelement zugeführt werden. Durch Addition der gespeicherten Ströme ergibt sich ein Steuersignal, das durch Vergleich mit einem Grenzwert zur optischen Anzeige verwertbar ist. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die gemessene Klemmen¬ spannung sehr stark von der Temperatur der Batterie und deren Alter abhängig ist, so daß die gemessenen Ergebnisse insgesamt unbefrie¬ digt sind. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Restkapazität der Batterie mit sehr einfachen Mitteln ermittelt wird. Besonders vorteilhaft ist, daß die Schaltungsanordnung sowohl sehr kleine als auch sehr hohe Lastströme berücksichtigt, wie sie bei Arbeiten mit Elektrowerkzeugen auftreten können. Insbesondere bei sehr kleinen Störmen ist wegen der hohen Störanteile eine zuver¬ lässige Messung der Kapazität gegeben.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Schaltungsvorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß der Strom über einen Sensor gemessen wird, der als Wider¬ stand in den Lastkreis eingebaut ist. Dadurch ist die Messung sehr einfach möglich.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich durch Berücksichtigung von Kor¬ rekturfaktoren für verschiedene Fehlerquellen. Die Korrekturfaktoren sind durch Versuch leicht ermittelbar und führen zu einer reprodu¬ zierbaren Kapazitätsanzeige.
Ein weiterer Vorteil ist, daß die Entladung der Batterie auf eine vorgegebene Grenzspannung begrenzt wird. Dadurch wird ein Tiefentla¬ den vermieden und die Lebensdauer der Batterie verlängert.
Besonders günstig ist die Anordnung des Stromsensors zwischen den einzelnen Zellen der Batterie. Beispielsweise können in Großserie hergestellte Blöcke zu sechs Zellen mit dem Widerstand geschaltet werden und dann weitere einzelne oder mehrere Zellen zusammenge¬ schaltet werden. Dadurch ergeben sich besondere Kostenvorteile. Durch die kompakte Bauweise der Auswerteschaltung mit der Anzeige im oder am Gehäuse der Batterie ist jederzeit der aktuelle Ladezustand der Batterie vorteilhaft erkennbar. Insbesondere kann bei einer Re¬ servebatterie sofort erkannt werden, wie der Ladezustand der Batterie ist. Ein Ausprobieren zum Beispiel durch Einstecken der Batterie in ein Elektrowerkzeug ist nicht erforderlich.
Günstig ist weiter eine schaltbare Anzeige, da dadurch Batteriestrom gespart wird.
Besondere Vorteile ergeben sich durch Erfassung des Ruhestromes und der Selbstentladung der Batterie. Da der Ruhestrom bzw. die Selbst¬ entladung der Batterie experimentell erfaßt werden kann, genügt eine einfache Zähl- bzw. Zeitmessung, um die Entladung während der Ruhe¬ zeit zu erfassen und bei der Anzeige des Ladezustandes zu berück¬ sichtigen.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines nichtflüchtigen Spei¬ chers, da dieser auch im entladenen Zustand der Batterie seine In¬ formationen nicht verliert.
Ein weiterer Vorteil ist auch darin zu sehen, daß durch Messung der Of setspannung die Temperatur der Batterie indiziert werden kann. Besonders vorteilhaft ist auch die Anzeige der indizierten Tempera¬ tur, so daß bei Überhitzung der Batterie die Batterie abgeschaltet werden kann. Weitere Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung entnehmbar.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge¬ stellt und in den Figuren näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung, Figur 2 eine Schaltungsan¬ ordnung der Batterie mit dem Sensor, Figur 3 die Anordnung einzelner Komponenten der Schaltungsanordnung, Figur 4 zeigt ein Stromdiagramm für den Einschaltstrom, Figur 5 die Anordnung von Schaltkontakten des Batteriegehäuses, Figur 6 ein Blockschaltbild für die Offsetmes¬ sung und Figur 7 ein Flußdiagramm.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Das Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild der AuswerteSchaltung und des Batteriekreises. Eine Batterie 1 ist über einen Schalter 13 mit einem Elektromotor 14 verbunden, der sym¬ bolisch das Elektrowerkzeug darstellen soll. Der Elektromotor bildet den Laststromkreis mit der Batterie, der über die Anschlüsse 30 und 32 mit der Batterie verbunden ist. Die Batterie weist mehrere Zellen
21 auf. Gemäß Figur 2 weist die Batterie 1 acht Zellen 21 auf. Die Zellen sind beispielsweise NiCd-Akku ausgebildet. Zwischen der letzten Zelle und der vorletzten Zelle ist als Sensor ein Widerstand
22 in Serie geschaltet, dessen Potential über zwei Anschlüsse 31, 32 von außen abgreifbar ist. Die dargestellten Zellen geben eine Nenn¬ spannung von 9,6 Volt ab. Selbstverständlich kann auch jede andere beliebige Zellenzahl angeordnet werden. Dadurch ist es in vorteil¬ hafter Weise möglich, fertigungstechnisch einfache Einheiten zu ei¬ nem Block zusammenzuschalten. Ein Anschluß 30 der Batterie ist als Pluspol und ein Anschluß 32 als Minuspol für den Lastkreis geschal¬ tet. Die Auswerteschaltung 20 wird über die Anschlüsse 30 und 31 versorgt, wobei der Anschluß 31 als Groundanschluß verwendet wird. Der Anschluß 30 ist weiter mit einem Spannungsregler 4 verbunden, der für die Verstärker 6, 7, 8 eine Referenzspannung von 3,9 Volt liefert. Desweiteren versorgt der Spannungsregler 4 den Mikrocompu¬ ter 10 sowie die Anzeigen 11, 12. Über eine weitere Leitung werden die Verstärker 6, 7, 8 mit der über die restlichen sieben Zellen anliegenden Spannung von etwa 8,4 Volt versorgt. An der Klemme 30 mißt ein Spannungsmesser 9 die Klemmenspannung der Batterie gegen¬ über der Klemme 31.
An dem Anschluß 33 wird der über den Sensor 22 fließende Strom als Spannung abgegriffen und einem Strommesser 2 zugeführt. Der Strom¬ messer 2 ist mit einem Filter 3 verbunden, dessen Ausgangssignal über eine Korrekturschaltung 5 den Verstärkern 6, 7 zugeführt ist. Desweiteren ist der Filter 3 mit dem Verstärker 8 verbunden. Die Ausgänge der Verstärker 6, 7, 8 sind mit analogen Eingängen des Mikrocomputers 10 verbunden. Digitale Ausgänge des Mikrocomputers 10 sind mit einer Anzeige 11 als Überlastanzeige und einer Anzeige 12 für die Anzeige des Ladezustands verbunden. Der Mikrocomputer ist desweiteren mit einem Umschalter 15 verbunden. Mit Hilfe des Um¬ schalters kann der Mikrocomputer ein Testprogramm bearbeiten, wobei die an seinen Eingängen anliegenden Signale auf ihre Plausibilität überprüfbar sind. Dadurch ist es möglich, die gesamte Schaltung auf ihre einwandfreie Funktion zu testen. Bei richtiger Funktion leuch¬ ten alle Anzeigeelemente. Die Anzeige (11, 12) enthält Leuchtdioden oder entsprechende Flüssigkristallelemente.
Im folgenden wird die Wirkungsweise dieser Schaltungsanordnung be¬ schrieben.
Der Strommesser 2 erfaßt die am Sensor 22 abfallende Spannung, die gegenüber dem Ground-Anschluß 31 gemessen wird. Die gemessene Span¬ nung wird über am Filter 3 gesiebt und der Offset-Korrekturschaltung 5 zugeführt. Das Filter 3 weist eine Tiefpaßcharakteristik auf, so daß hochfrequente Störsignale unterdrückt werden. Das gefilterte Signal wird über die Offset-Korrekturschaltung 5 geleitet und zu¬ nächst den Verstärkern 6 und 7 zugeführt. Die Offset-Korrekturschaltung 5 weist gemäß der Figur 6 einen Um¬ schalter auf, der das gefilterte Signal unter Kontrolle des Mikro¬ computers 10 entweder auf die Verstärker 6, 7 schaltet oder die Lei¬ tung unterbricht. Mit dem zweiten Umschaltkontakt werden die Eingän¬ ge der Verstärker 6, 7 gegen die Meßmasse 31 geschaltet.
Mit Hilfe dieses Umschalters der Offsektkorrekturschaltung 5 kann der Offset der Verstärker 6, 7 bestimmt werden. Der Offset der Ver¬ stärker 6, 7 ist im wesentlichen abhängig von der Temperatur der Verstärker. Durch die thermische Kopplung mit der Batterie wird der Verstärker 6, 7 in etwa die Temeperatur der Batterie 1 annehmen, so daß der Offset der Verstärker 6, 7 ein Maß für die Temperatur der Batterie 1 darstellt.
Der Mikrocomputer 10 schaltet zunächst die Eingänge der Verstärker 6, 7 auf ground 31 und mißt den Ausgang der Verstärker. Die Meßwerte werden mit gespeicherten Temperaturwerten verglichen, die im Spei¬ cher des Mikrocomputers 10 gespeichert sind. Dadurch ist jedem Span¬ nungswert ein Temperaturwert zugeordnet.
Wird dagegen der Umschalter der Offset-Korrekturschaltung 5 umge¬ schaltet, so daß der Meßeingang des Sensors 22 mit den Eingängen der Verstärker 6, 7 verbunden ist, dann erfolgt am Ausgang der Verstär¬ ker 6, 7, die mit entsprechenden Eingängen des Mikrocomputers 10 verbunden sind, eine analoge Messung des Stromes im Lastkreis. Der Umschalter 35 der Offset-Korrekturschaltung 5 ist zweckmäßigerweise als Halbleiterschalter ausgführt, der von einem Ausgang des Mikro¬ computers gesteuert wird. Als besonders günstig haben sich FET-Tran- sistoren als Schalter bewährt, da diese bei geringer Verlustleistung einen großen Sperrwiderstand bzw. kleinen Ein-Widerstand aufweisen. Der Verstärker 7 hat eine hohe Verstärkung, während der Verstärker 6 eine kleine Verstärkung aufweist. Dadurch ist es möglich, mit dem Verstärker 7 sehr kleine Ströme am Sensor 22 zu messen. Große Ströme werden dagegen mit dem Verstärker 6 gemessen. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der Meßbereich für den Laststromkreis von sehr kleinen Strömen, beispielsweise einige Milliampere bis zu sehr gro¬ ßen Strömen von etwa 30 bis 35 Ampere verwendbar ist.
Die AusgangsSpannung insbesondere des Verstärkers 7 ist als Tempera¬ turindikator verwendbar. Da die AusgangsSpannung vom Mikrocomputer gemessen wird, kann sie desweiteren auch zur Anzeige der Temperatur der Batterie verwendet werden und über die Anzeige 12 ausgegeben werden.
Die Messung des Offsets kann desweiteren zur Korrektur des Meßer¬ gebnisses herangezogen werden und in das Ergebnis der Ladezustands- anzeige eingearbeitet werden. Dadurch erfolgt ein automatischer Off- setabgleich.
Gemäß der Figur 1 überwacht der Verstärker 6 den Ladestrom der Bat¬ terie. Sein Verstärkungsfaktor ist relativ klein, so daß ein Lade¬ strom bis ca. 7 Ampere gemessen werden kann. Mit dem Verstärker 7 werden dagegen Lade- und Entladeströme von sehr kleinen Werten bis einigen 100 Milliampere gemessen. Der Verstärker 8 hat eine sehr kleine Verstärkung. Mit ihm können daher Ströme ab etwa 1 Ampere aufwärts gemessen werden. Wird ein Strom größer als 20 Ampere detek- tiert, dann führt dies zum Aufleuchten der Überlast-Anzeige.
Als Mikrocomputer 10 wird beispielsweise ein Typ ST 6210 (SGS) ver¬ wendet. Dieser Acht-Bit-Mikrocomputer hat als Speicher ein EPROM, über den die einzelnen Anschlüsse als Ein- oder Ausgänge program¬ mierbar sind. In dem Speicher ist das Steuerprogramm für den Mikro- Computer und die gesamte Meßanordnung angeordnet. Die Programmierung des Steuerprogramms obliegt den Fähigkeiten des Fachmannes, so daß darauf nicht näher eingegangen werden muß. Der Mikrocomputer 10 mißt die an den Ausgängen der Verstärker 6, 7, 8 anliegende analoge Span¬ nung und steuert aufgrund des eingegebenen Programms vier Leuchtdio¬ den der Anzeige 12 an, die in 25 %-Schritten den Ladezustand der Batterie anzeigen. Die geringste Stufe mit 25 % wird durch eine farblich abgesetzte Leuchtdiode, vorzugsweise in rot, dargestellt. Als restliche Anzeigen werden gründe Leuchtdioden LED verwendet. Der Mikrocomputer 10 mißt desweiteren über den Spannungsmesser 9 die Batteriespannung. Der Spannungsmesser 9 weist einen Spannungsteiler auf, der die an der Batterie gemessene Spannung auf den Meßbereich des Mikrocomputers 10 anpaßt. Durch entsprechende Hochrechnung über das Widerstands-Teilerverhältnis ist die Batteriespannung berechen¬ bar.
Zum Laden der Batterie kann ein Ladegerät verwendet werden, das ei¬ nen wählbaren kleinen oder großen Strom liefert. Die Batterie ist dann geladen, wenn die Zellenspannung etwa 1,5 Volt beträgt. Wird dieser Wert über den Spannungsmesser 9 ermittelt, dann gibt der Mikrocomputer 10 ein Signal an das Ladegerät ab, das zum Abschalten des Ladestromes führt. Bei dieser Spannung hat die Batterie 1 die Kapazität von ca. 100 %. so daß die entsprechende Leuchtdiode der Anzeige 12 aufleuchtet. Wird nun die Batterie vom Ladegerät in ein Elektrowerkzeug umgesteckt, dann wird bei jedem Betätigen des Schal¬ ters 13 ein Strom im Lastkreis des Elektrowerkzeuges fließen. Dieser Strom wird über die Vestärker 7, 8 gemessen und entsprechend der Stromflußdauer vom Mikrocomputer integriert. Ausgehend von der 100 %-Kapazität wird nun der Energieverbrauch sukzessive vom gespei¬ cherten Wert abgezogen und in entsprechenden Schritten als Ladezu¬ stand von den vier Leuchtdioden LED angezeigt. Der im Lastkreis fließende Strom unterliegt großen Schwankungen, die insbesondere von der Belastung des Elektromotors abhängen. Da die Integration des Stromes wegen der zu unterdrückenden Störimpulse re¬ lativ langsam ist, werden schnelle Stromänderungen nicht erfaßt. Dieses würde zu Fehlern der Berechnung des Ladezustandes der Batte¬ rie führen. Insbesondere treten bei jedem Einschalten des Gerätes hohe Stromimpulse auf, die bei häufigem Einschalten des Elektrowerk- zeuges zu großen Fehlern führen können. Ein typischer Stromimpuls, wie er beim Einschalten des Elektromotors auftritt, ist in Figur 4 dargestellt. Dieser Stromimpuls ist jedoch nur mit aufwendiger Me߬ technik meßbar. Es hat sich vorteilhaft herausgestellt, daß der Stromimpuls durch einen empirisch ermittelten Korrekturfaktor hin¬ reichend genau erfaßt werden kann. Die Korrektur entspricht der schraffierten Fläche der Kurve in Figur 4. Zur Korrektur des Fehlers wird daher bei jedem Einschalten des Elektromotors pauschal 0,25 % der Batteriekapazität als Verbrauch vom momentanen Kapazitätswert abgezogen. Die Messung der Einschalthäufigkeit des Elektromotors kann auf verschiedene Arten erfolgen. Besonders einfach ist die Mes¬ sung dadurch, daß der Stromanstieg an einem der Verstärkerausgänge 7, 8 gemessen wird. Denn jeder Stromanstieg von 0 auf einen bestimm¬ ten Stromwert x bedeutet ein Betätigen des Schalters 13. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, einen Spitzenwertspei- cher zu verwenden, mit dem schnelle Stromspitzen erkannt werden und abgespeichert werden können. Auch können über einen weiteren Kontakt des Schalters 13 Zählimpulse gezählt werden.
Eine weitere Korrektur der Anzeige ist durch die physikalisch be¬ dingte Selbstentladung der Batterie vorgesehen. Da desweiteren auch die AuswerteSchaltung einen gewissen Stromverbrauch hat, führt die¬ ser ebenfalls zu einer kontinuierlichen Reduzierung der Restkapazi¬ tät der Batterie 1. Für diese beiden Faktoren wird ein weiterer Kor¬ rekturfaktor vorgesehen. Da diese Ströme jedoch sehr klein sind und der Ruhestrom der Batterie in etwa konstant ist, genügt es, diese durch zyklische Zeittakte zu zählen. Es ist daher vorgesehen, wäh¬ rend der Ruhephase der Schaltungsanordnung Zeittakte zu zählen und diese mit einem Korrekturfaktor zu beaufschlagen. In einfachster Form werden die vom Taktgenerator des Mikrocomputers 10 abgeleiteten Impulse gezählt. Der so ermittelte Wert wird zyklisch von der momen¬ tanen Restkapazität der Batterie abgezogen.
Durch Berücksichtigung der Korrekturfaktoren für Einschaltimpulse, Temperatur, Ruhestrom und Selbstentladung kann die tatsächliche Restkapazität der Batterie 1 sehr genau ermittelt werden. Die Kor¬ rekturfaktoren sind teilweise abhängig vom verwendeten Batterietyp. Es ist daher zweckmäßig, die Korrekturfaktoren durch Versuche zu er¬ mitteln.
Erreicht die Batterie 1 während des Entladens eine Zellenspannung von etwa 0,8 Volt, dann ist der Punkt End-Of-Work (EOW) erreicht. Dieser Punkt kann durch eine weitere Leuchtdiode angezeigt werden. Desweiteren kann zum Schutz der Batterie gegen weiteres Entladen der Arbeitsstrom im Lastkreis automatisch abgeschaltet werden. Das Er¬ reichen des EOW-Punktes kann desweiteren auch durch ein besoders schnelles Blinken der 25 %-Anzeige ausgedrückt werden. Der EOW-Punkt kann desweiteren verwendet werden, um dem Mikrocomputer für Eich¬ zwecke zurückzusetzen. Durch Vergleich mit den Kapazitätspunkten 0 und 100 % kann die Genauigkeit der Kapazitätsberechnung überprüft bzw. korrigiert werden. Da diese Punkte bei jedem Lade- und Entlade¬ vorgang gemessen werden, ergibt sich durch Vergleich und Zwischen- speicherung der Werte eine einfache Überprüfung der Funktionsge¬ nauigkeit der Anzeige.
Aufgrund der universell beschaltbaren Ein- und Ausgänge des Mikro¬ computers ST 6210 ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorge¬ sehen, mit einer Programmroutine gemäß der Figur 7 einen Prüfzyklus für die Funktion der Ladezustandsanzeige durchzuführen. Die Umschal¬ tung -von Ladezustandsanzeige auf Prüfzyklus erfolgt durch Schließen des Schalters 15. Dadurch wird ein im Speicher des Mikrocomputers 10 gespeichertes Programm entsprechend dem Flußdiagramm der Figur 7 ge¬ startet (Position 50). In Position 51 wird abgefragt, ob der Schal¬ ter 15 geöffnet oder geschlossen ist. Bei geschlossenem Schalter 15 werden in Position 52 alle Eingangspegel der Reihe nach gemessen und mit vorgegebenen Sollwerten verglichen. Bei positivem Ergebnis (Po¬ sition 53) werden alle Leuchtdioden der Anzeige 12 angesteuert als Zeichen dafür, daß die Anzeigevorrichtung fehlerfrei arbeitet. An¬ schließend springt das Programm zurück an den Anfang in Position 51. Bei einem aufgedeckten Fehler wird dagegen nur eine Leuchtdiode der Anzeige 12 angesteuert. Die Leuchtdiode kann einem bestimmten Feh¬ lertyp zugeordnet werden. Anschließend springt das Programm eben¬ falls an den Anfang in Position 51, um die Messung erneut zu kon¬ trollieren. Diese Schleife wird so oft durchlaufen, bis der Schalter 15 wieder geöffnet wird. In diesem Fall springt das Programm gemäß der Abfrage in Position 51 in das Hauptprogramm.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, entsprechend der Figur 3 die Batterie 1 mit einem nichtflüchtigen Speicher 45, vorzugsweise einem EEPROM zu kombinieren. Über entsprechende Adapter 44, 46 kann die Batterie 1 mit dem Speicher 45 entweder über den ei¬ nen Adapter 43 mit dem Ladegerät 41 verbunden werden oder über den Adapter 47 mit dem Elektrowerkzeug 49. Sowohl das Ladegerät 41 als auch das Elektrowerkzeug 49 haben einen Mikrocomputer 42, 48, der über die Adapter 44, 46 Zugriff zu den Daten des Speichers 45 hat. Durch diese Anordnung ergibt sich besonders vorteilhaft eine kosten¬ günstige Lösung, da wegen der Mehrfachnutzung nur wenige Bauteile benötigt werden. Die Daten des Speichers sind sowohl beim Laden als auch beim Entladen der Batterie verwendbar. Der Speicher 45 enthält daher in vorteilhafter weise die für die Mikrocomputer erforderli¬ chen Steuerprogramme, wie sie zuvor beschrieben wurden. Die Adapter 44, 46 können ebenfalls in vorteilhafter Weise als eine Einheit ausgeführt werden. Dabei wurde besonders Wert gelegt auf ei¬ ne verpolsichere Ausgestaltung der Kontaktanordnung. Üblicherweise ist das Gehäuse der Batterie rund oder oval ausgeführt. Um die Ver- polsicherheit zu gewährleisten, ist es daher vorteilhaft, an ovalen Batteriegehäusen die Kontakte gemäß der Figur 5 an gegenüberliegen¬ den Seiten anzuordnen. Beispielsweise ist an den sich gegenüber¬ stehenden Längsseiten der Minuskontakt 60 und Pluskontakt 61 ange¬ ordnet. An der rechten Schmalseite ist optional ein weiterer Kontakt vorgesehen, an den ein Temperatursensor (NTC) anschließbar ist, der die Temperatur der Batterie 1 während des Ladens oder Entladens mes¬ sen kann. Sollen für das Ladegerät 41 oder das Elektrowerkzeug 49 nicht nur für NiCd-Akkus verwendet werden, sondern beispielsweise auch NiH-Akkus, dann sind zur Anpassung an die Erfordernisse dieser Akkus bezüglich des Lade- bzw. Entladestroms weitere Anschlüsse er¬ forderlich. Beispielsweise kann für einen NiH-Akku ein Kontakt 62 an der linken Schmalseite des in Figur 5 dargestellten Batteriegehäuses angeordnet sein. Der Kontakt 62 bildet den Pluspol gegenüber dem Minuskontakt 60. Die Adapter 43, 47 erhalten dann einen entsprechen¬ den zusätzlichen Kontakt. Diese sehr einfache vorteilhafte Kodierung ermöglicht daher die Verwendung von Wechselakkus verschiedener Typen für das Elektrowerkzeug als auch das Ladegerät.

Claims

Ansprüche
1. Schaltungsanordnung für die Anzeige des Ladezustands einer wie- deraufladbaren Batterie, mit einer Meßeinrichtung, die während der Belastung der Batterie eine Spannung mißt, mit einer Auswerteschal¬ tung und einer Anzeige für den Ladezustand der Batterie, dadurch ge¬ kennzeichnet,
a) daß in einem Lastkreis (15) ein Stromsensor (22) in Reihe zu den Zellen (21) der Batterie (1) schaltbar ist, der den Strom im Lastkreis (15) erfaßt und eine entsprechende Spannung der Aus¬ werteschaltung (20) zuführt,
b) daß die Auswerteschaltung (20) die Spannung entsprechend der Stromflußrichtung im Lastkreis (15) integriert und speichert,
c) daß die gespeicherten Werte der Spannung mit vorgegebenen oder ermittelten Grenzwerten (Umin, Umax) verglichen werden,
d) und daß die Differenz zu wenigstens einem der Grenzwerte als La¬ dezustand der Batterie (1) auf der Anzeige (11, 12) ausgebbar ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (22) ein Widerstand ist, dessen Spannung über zwei Anschüsse (31, 32) abgreifbar ist.
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß der ermittelte Ladezustand der Batterie durch Berücksichtigung von Korrekturfaktoren für Einschaltimpulse, Temperatur und / oder Selbstentladung ermittelbar ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Grenzwert für die nie¬ drigste Entladespannung der Batterie (end of work) größer ist als der typische Wert (end of life) für die entladene Batterie (1).
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die EntladeSpannung (end of work) für NiCd-Batterien in etwa
0,8 Volt pro Zelle beträgt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsensor (22) zwischen der letzten und vorletzten Zelle (21) der Batterie (1) schaltbar ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) der Anzeige (11, 12) im oder am Gehäuse der Batterie (1) angeordnet ist.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Anzeige (11, 12) der Batterie schalt¬ bar ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Batterie (1) für Elektrowerkzeuge ver¬ wendbar ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichent, daß der Ruhestrom der Batterie erfaßbar ist.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) einen Mikrocom¬ puter (10) aufweist.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) die Ruhezeit der Batterie (1) während der Selbstentladung ermittelt und daraus proportional zur Ruhezeit einen Kapazitätsverlust der Batterie. (1) berechnet.
13. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) einen nicht flüchtigen Speicher (45), vorzugsweise ein EEPROM aufweist.
14. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) wenigstens ei¬ nen Signalverstärker (6, 7, 8) aufweist, der mit der Batterie (1) thermisch gekoppelt ist.
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Offsetspannung des Signalverstärkers (6, 7, 8) während des Entlade- oder Ladebetriebs der Batterie (1) von dem Mikrocomputer (10) zyklisch meßbar ist.
16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzei¬ chnet, daß die Offsetspannung des Signalverstärkers (6, 7, 8) als Temperaturindikator für die Batterie (1) speicherbar ist und/oder anzeigbar ist.
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes für die Off¬ setspannung der Entlade- bzw. Ladebetrieb der Batterie (1) unter¬ brechbar ist.
18. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß der nichtfluchtigte Speicher (45) in oder am Gehäuse der Batterie (1) angeordnet ist und über einen Adapter (44, 46) mit der Steuereinheit (42, 48) des Elektrowerkzeugs (49) bzw. mit dem Ladegerät (41) verbindbar ist.
19. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß der Batterieadapter (44, 46) mit dem Adapter (43, 47) des Elektrowerkzeμgs (49) bzw. des Ladegeräts (41) verpolsicher codierbar ist.
20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Batteriegehäuse vier Seiten aufweist, an denen gegenüberlie¬ gende Kontakte angeordnet sind.
21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Kontakt (62) an einer Gehäuseseite vorgesehen ist, der für einen weiteren Batterietyp verwendbar ist.
22. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß zur Korrektur des Ladezustands der Batte¬ rie (1) der Einschaltimpuls beim Schließen des Schalters (13) zähl¬ bar ist.
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