DE2405151C3 - Vorrichtung zur überwachung des Ladezustandes eines Akkumulators - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes eines Akkumulators, insbesondere eines Fahrzeug-Akkumulators mit einem über die. an einem vom Akkumulatorenstrom 5<> durchflossenen Meßwiderstand abfallende Spannung angesteuerten Amperestundenzähler.

Bei Akkumulatoren ist es notwendig, um jederzeit die noch im Akkumulator enthaltene Strommenge kontrollieren zu können, Amperestundenzähler vorzusehen. Da weiterhin die Kapazität des Akkumulators mit der Zahl der erfolgten Aufladungen und Entladungen abnimmt, werden Zyklenzähler benötigt, um die voraussichtliche Lebenserwartung des Akkumulators zu bestimmen. Bisher wurden zu diesem Zweck insbesondere elektromechanisch arbeitende Amperestundenzähler bzw. Zyklenzähler verwendet.

Derartige mechanische Zähler besitzen den Nachteil sich bewegender Teile und sind fertigungsmäßig mit hohen Kosten belastet. Dazu sind sie insbesondere dann nur schwierig einzusetzen, wenn die mit der Zvklenzah! abnehmende Kapazität des Akkumulators berücksichtigt werden soll. Bekannte Einrichtungen, in denen sowohl die Zahl der Zyklen gezählt werden als auch die nichtlineare Kennlinie der Kapazität des Akkumulators berücksichtigt werden soll, arbeiten mit mechanisch verstellbaren Widerständen zur Ansteuerung der Amperestundenzähler sowie mit Untersetzungsgetrieben (OE-PS 2 38 830).

Weiterhin ist es bei einer Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes gemäß der DT-PS 15 13 700 bekannt, durch den Spannungsabfall an einem vom Akumulatorstrom durchflossenen Widerstand einen in der Emitter-Basis-1-Strecke eines Doppelbasistransistors angeordneten Kondensator aufzuladen, wobei an der Basis 1 dieses Transistors Impulse entstehen, mit denen direkt oder über weitere Transistoren verstärkt eiektromechanische oder elektronische Zähleinrichtungen ansteuerbar sind.

Diese bekannten Amperestundenzähler besitzen den großen Nachteil, daß mit ihrer Hilfe keine genaue Aussage über den noch vorhandenen Rest-Energieinhalt der Batterie gemacht werden kann, da die Kapazität stark von der Entladestromstärke abhängt, was aber bei der Strommengenbilanzierung mit den bekannten Amperestundenzähler nicht berücksichtigt wird.

Aufgabe uer Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Ausführungsformen zu vermeiden und eine Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes von Akkumulatoren zu entwickeln, die eine genaue Aussage über die in einer Batterie vorhandene Kapazität durch Berücksichtigung der Entladestromstärke ermöglicht. Dabei soll sowohl für den Entlade- als auch für den Ladevorgang eine genaue Aussage über die Kapazität ermöglicht werden, indem neben der Stromstärke auch der Ladefaktor berücksichtigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß parallel zum Meßwiderstand der Eingang eines die Akkumulatorenstromstärke bewertenden aktiven nichtlinearen Netzwerkes geschaltet ist und daß der Ausgang dieses Netzwerkes in Reihe mit dem Meßwiderstand an die Eingangsklemmen des Amperestundenzähler geschaltet ist.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung enthält als wesentliche Bestandteile eine Anordnung zur Bewertung der Akkumulatorenstromstärke, welche im folgenden als Korrekturspannungsgeber bezeichnet ist und als Amperestundenzähler eine Spannungs/ Frequenzumsetzerstufe, über welche die bewertete Spannung in eine Impulsfolge zerlegt und in einer Zähleinheit integriert wird.

Der Korrektnrspannungsgeber ist als aktives nichtlineares Netzwerk aufgebaut und bildet das Verhalten des Akkumulators nach, in dem Sinne, daß mit zunehmender Entladestromstärke die Zählrate nicht stromlinear, sondern überproportiowal erhöht wird.

Der Spannungs/Frequenzumsetzer erhält eine dem Entlade- bzw. Ladestrom proportionale Spannung, zu der die Korrektursp'nnung addiert ist. Di^se Spannung wird in eine Impulsfolge umgesetzt, deren Frequenz der Spannungshöhe entspricht. Dii Impulszahl ist damit ein echtes Maß für die entnommene bi.w. eingeladene Kapazität.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt dabei den Spannungs/Frequenzumsetzer,

F i g. 2 den Korrekturspannungsgeber,

F i g. 3 die verwendete Zählkurve und
F i g. 4 das Prinzipbild einer Zähleinheit.
Gemäß Fig. 1 wird das am Meßwideistand bzw. Shunt ShI (Klemmen a, b) abgenomtnene und mit der Korrekturspannung U_K beaufschlagte Eingangssignal über die Verstärker IC 1 integriert. Die Ausgangsspannung entspricht dem \ U,.dt, wird über Diode Dl ausgekoppelt und einem Schmitt-Trigger, bestehend aus, den Transistoren Tl und Tl, zugeführt. Bei Erreichen der oberen Schaltspannung gibt der Schmitt-Trigger einen Rücksetzimpuls an die aus den Thyristoren 77; 1 und ThI bestehende Entladestufe für den Kondensator C1. Dadurch wird die aufintegrierte Spannung auf Null gesetzt und eine neue Integration ermöglicht. Gleichzeitig wird der Rücksetziinpuls vom Kollektor des Transistors Tl als Zählimpuls (Klemme Z) ausgekoppelt und einer Zähleinheit zugeführt. Um auch negative Ausgangsspannungen als IC 1 erfassen zu können, ist ein Verstärker IC 2 als Phasenumkehrstufe nachgeschaltet. Dessen Ausgangsspannung wird über Diode Dl ausgekoppelt, um über den gleichen Schmitt-Trigger Tl, Tl den Rücksetzimpuls auszulösen. Durch das Widerstandsverhältnis Rl: Rl, welches die Verstärkung des ICl bestimmt, kann ein gewünschter Ladefaktor programmiert werden. Die Versorgungsspannung ist mit U_n , bezeichnet.

An den Ausgängen χ und y werden Impulse ausgekoppelt, welche zur Vorbereitung der Zählung in einem Vorwärts- bzw. Rückwärtszähler benutzt werden können. Mit dem Einstelltrimrr.cr Pl werden Einflüsse der Eingangsströme kompensiert.

Der Korrekturspannungsgeber ist gemäß F; g. 2 ebenfalls an die Klemmen des Meßwiderstandes Sh I angeschlossen (Klemmen a" und b"). Die abgenommene Spannung wird im Verstärker /C 3 verstärkt und anschließend einem Dioden-Widerstands-Netzwerk zugeführt. An den mit U_K bezeichneten Anschlüssen wird die Korrekturspannung als Ausgangsspannung abgenommen und dem Spannungs/Frequenzumsetzer zugeführt. Das Dioden-Widerstands-Netzwerk mit Einstellwiderstand Pl erzeugt eine in F i g. 3 dargestellte Korrekturspannungsknrve.

In F i g. 3 ist mit 1 ein linearer Zusammenhang zwischen Spannung am Shunt ShI(U) und Impulsfrequenz Z dargestellt. Da das Kapazitätsverhalten des Akkumulators nicht linear ist, ist in Kurve 2 eine den Werten eines üblich hergestellten Bleiakkumulators entsprechende nichtlineare Zählkurve dargestellt. Aus Kurve 2 ist ersichtlich, daß höhere Ströme überproportional bewertet werden müssen. Entsprechend kann auch das Temperaturverhalten des Akkumulators berücksichtigt werden. Diese Kurve wird dem Spannungs/Frequenzumsetzei- durch Einfügung der Korrekturspannung U_K vorgegeben.

An den Spannungs/Frequenzumsetzer wird anschließend eine Zähleinheit geschaltet. In Fig. 4 ist eine mögliche Ausführungsform einer solchen Zähleinheit dargestellt. Die vom Spannungs/Frequenzumsetzer gelieferten Impulse (Z) werden im ersten Zähler I 10 :1 geteilt und im zweiten Zähler Il gezählt. Der Zählerstand wird mit dem Dekoder III dekodiert und einer optischen Anzeige zugeführt, welche beispielsweise aus den Lampen Ll bis L10 besteht, welche jeweils einer Änderung der Kapazität um 10^ü/i> entsprechen. Sobald die Lampe Ll (10%) aufleuchtet, werden die weiteren Zählimpulse mit

ίο dem Gatter IV gesperrt. Mit der Taste T kann die Zähleinheit wieder auf den Stand »100^uu« gesetzt werden. Der Transistor 73 dient der Impulsformung. Die notwendigen Versorgungsspannungen sind mit '^Bi-. i^ß-1 und U₁ J₃ bezeichnet. Außer einer 10-^u.«-

stufigen Anzeige über ein Lampenband ist es möglich, beliebige Zählerstände über übliche elektronische oder elektromechanische Zähler anzuzeigen.

Jn Fig. 1 sind zusätzlich zum AusgangZ bereits Ausgänge jc und y vorgesehen, über welche elektronische oder elektromechanische Zählvorrichlungen so angesteuert werden können, daß vor- und rückwärts gezählt werden kann. Dies ist insbesondere möglich, da der Integrationsbaustein IC 1 so geschaltet ist, daß er positive und negative Meßspannungen entsprechende Lade- und Entladcströme verarbeiten kann.

Besonders vorteilhaft läßt sich eine Anordnung gemäß der Erfindung in einem Elektrostraßcnfahrzeug mit einer aus mehreren Einzelzellen bestehenden Bleiakkumuiatorenbatterie verwenden, bei dem beim Bremsvorgang Energie durch Nutzbremsung an den Akkumulator zurückgeführt wird. Bei entsprechender Auslegung insbesondere der Bauelemente R_v und C₁ des Integrationsbausteines ICl ist es möglieh, nur mit einem Vorwärtszähler <;emäß F i g. 4 zu arbeiten. Die in kurzen Energiepulsen zurückgespeiste Energie wird dabei automatisch in einer Umladung von C, berücksichtigt, ohne daß eine zweiseitige Zählanordnung notwendig ist.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Zählerstände in beliebiger Weise elektrisch femübertragen werden können.

Sämtliche Baueinheiten, insbesondere der Korreklurspannungsgeber, und die Anzeige und Zähleinheit können durch modularen Aufbau den verschiedensten Erfordernissen angepaßt werden.

Außer den Variationsmöglichkeiten durch Kombination der Zähler- und Anzeigeei'iheiten soll noch erwähnt werden, daß man das Dioden-Widerstands-5= netzwerk des Korrekturspannungsgebers für verschiedene Batterien mit Festwiderständen aufbauen und als steckbares Modul ausbilden kann. Ebenso kann man die Integrationseinheit, bestehend aus C₁ und R_v, als steckbares Modul fertigen. Dem Anwender würden somit zu einem Grundgerät (80 bis 90⁰Zo des Gesamlpreises) mehrere Blockmodule zur Verfügung stehen, um durch Kombination derselben alle gängigen Butterietypen überwachen zu können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung des Ladezustandes eines Akkumulators, insbesondere eines Fahrzeug-Akkumulators mit einem über die an einem vom Akkumulatorenstrom durchflossenen Meßwiderstand abfallende Spannung angesteuerten Amperestundenzähler, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Meßwiderstand (Ski) der Eingang eines die Akkumulatorenstromstärke bewertenden aktiven nichtlinearen Netzwerkes geschaltet ist und daß der Ausgang dieses Netzwerkes in Reihe mit dem Meßwiderstand (ShI) an die Eingangsklemmen des Amperestundenzählers geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Amperestundenzähler einen Verstärker (/Cl) enthält, zwischen dessen Ausgang und Eingang die Parallelschaltung aus einem Kondensator (C₁) und zwei antiparallel geschalteten Thyristoren (Tl, ThI) liegt, daß die Ausgangsklemmen des Verstärkers (/Cl) über eine erste Diode (Dl) direkt und über eine zweite Diode (D 2) über einen als Phasenumkehrstufe geschalteten zweiten Verstärker (/C 2) mit der Eingangsklemme eines Schmitt-Triggers (Tl, Tl) verbunden ist und daß ein Ausgang des Schmitt-Triggers (Tl, T2) jeweils mit den Steuerelektroden der Thyristoren (TAl, ThI) und die zweite Ausgangsklemme des Schmitt-Triggers (Tl, T2) mit einem Impulszähler verbunden sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturspannungsgeber einen Verstärker (/C 3) und ein Dioden-Widerstandsnetzwerk enthält.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (/Cl) ein zweiter Verstärker (/C 2) nachgeschaltet ist und daß der Ausgang und der invertierende Eingang des zweiten Verstärkers (/C 2) über einen Rückkopplungswiderstand (R 2) verbunden sind.