DE2500332C3 - Elektrische Anzeigevorrichtung für den Ladezustand einer Sekundärbatterie - Google Patents

Elektrische Anzeigevorrichtung für den Ladezustand einer Sekundärbatterie

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DE2500332C3 DE2500332A DE2500332A DE2500332C3 DE 2500332 C3 DE2500332 C3 DE 2500332C3 DE 2500332 A DE2500332 A DE 2500332A DE 2500332 A DE2500332 A DE 2500332A DE 2500332 C3 DE2500332 C3 DE 2500332C3
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Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anzeigevorrichtung für den Ladezustand einer Sekundärbatterie mit einem den Lade- und Entladestrom vorzeichenrichtig zählenden Integrator und mit Korrektureinrichtungen, welche den Einfluß der Entladestromstärke und der Batterietemperatur auf die Entladezeit berücksichtigen.
Die zum Anwerfen von Verbrennungsmotoren verwendeten Elektromotoren benötigen kurzzeitig eine erheblich Stromstärke, die auf Kraftfahrzeugen einer Akkumulatorenbatterie, der Starterbatterie, entnommen wird. Ferner muß die Starterbatterie während der Standzeit des Verbrennungsmotores zusätzlich oft andere Verbraucher speisen, z. B. Rundfunkempfänger, Lampen, Heizkörper und Gebläse. Die verbrauchte Startarbeit und sonstige AbTEntnanme wird bei laufendem Verbrennungsmotor üblicherweise von einem gekuppelten Elektrogenerator wieder zugeführt Es ist eine Eigenart von Sekundärelementen, insbesondere von Bleiakkumulatoren, daß die entnehmbare Ah-Menge um so kleiner ist^ je höher die Strpmbelasturig ist Belastet man daher die Starterbatterie mit starken Strömen, so tritt der Verlust der Startfähigkeit ίο schon erhebliche Zeit vor der Erschöpfung der Batterie für die niedrige Strombelastung eia Es ist deshalb eine Warneinrichtung erwünscht die rechtzeitig vor einer Unterschreitung der für einen Start erforderlichen Spannung bzw. Mindest-Ah-Menge in der Starterbattene warnt Auch in anderen Anwendungsfällen, z. B. bei Traktionsbatterien für Elektrofahrzeuge, ist es erwünscht den jeweiligen Ladezustand einer Batterie bzw. die jeweils noch entnehmbare Ah-Menge anzuzeigen, so daß bei Elektrofahrzeugen, ähnlich wie mittels der Benzinuhr bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren der mögliche Aktionsradius des Fahrzeugs beurteilt werden kann.
Zur Anzeige des Ladezustandes von Sekundärelementen sind Geräte bekannt bei welchen durch Messung der Säuredichte bzw. der Batteriespannung (in Ruhe und unter Belastung) eine Aussage über den Ladezustand gemacht wird. Es ist auch bekannt den Ladezustand eines Sekundärelements durch vorzeichenrichtige Zählung der entnommenen bzw. eingeladene nen Ah-Menge mittels eines Gleichstromzählers (Analog- oder Digitalzählung) anzugeben. Schließlich ist es auch bekannt solche Anzeigevorrichtungen mit Korrektureinrichtungen zu versehen, die den Einfluß der Entladestromstärke und der Batterietemperatur auf die Entladezeit berücksichtigen. Solche Entladevorrichtungen sind in der ETZ 1973, Nr. 11, S. 637-645. der FP-PS 20 24 641 und der USA-PS 37 78 702 beschrieben. In der FR-PS 20 24 641 ist ein vorzeichenrichtig arbeitender Integrator beschrieben, der im Gegensatz zu den -tu Funktionsgebern, die in der ETZ beschrieben sind, die bei vorgegebenem Entladestrom und vorgegebener Temperatur der Batterie entnehmbare Ah-Menge angibt Abgesehen davon, daß ein solcher Funktionsgeber in der ETZ nicht offenbart ist, unterscheidet sich die erfindungsgemäße Schaltung von der bekannten auch noch dadurch wesentlich, daß bei ihr mit diesem Funktionsgeber ein zusätzlicher Funktionsgeber in Serie geschaltet ist der die Verknüpfung eines vorgegebenen Mindest-Ah-Bedarfs (z. B. für das Starten eines Motors) mit der jeweiligen Temperatur der Sekundärbatterie angibt Die USA-PS 34 74 796 befaßt sich zwar mit der gleichen Aufgabe wie die vorliegende Erfindung, versucht aber, diese Aufgabe mit einem in Abhängigkeit von der Batteriespannung gesteuerten Relais zu lösen, ohne die Temperaturabhängigkeit der Batterie entnehmbaren Ah-Menge zu berücksichtigen. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß allein durch Messung der Batteriespannung selbst bei vorgegebener Temperatur nur dann ein Schluß auf die noch verfügbare Ah-Menge gezogen werden kann, wenn die Messung bei eindeutig vorgegebener Belastung erfolgt. Diese bekannten Verfahren und Geräte sind jedoch in der Praxis insofern unzulänglich, als sie die von vielen Faktoren abhängige Charakteristik der Sekundärele- ^ mente nicht ausreichend berücksichtigen. So ist die Säuredichte von der Temperatur, die entnehmbare Ah-Menge von der Temperatur und von der Entladeätrornstärkc, die Ladcstrornaufnahme und der Ladefak-
25 OO
tor (Wirkungsgrad) von der Temperatur und von der Gegenspannung des Sekundärelements abhängig. Daraus ergibt sich eine nichtlineare bzw. nichtproportionale Charakteristik der Sekundärelemente, die bei allen bekannten Anzeigevorrichtungen nicht berücksichtigt ist
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zur Anzeige des Ladezustandes von Sekundärelementen geeignetes Gerät zu schaffen, das die nichtlineare Charakteristik und die Temperaturabhängigkeit der Sekundärelemente berücksichtigt und dadurch eine wesentlich genauere Aussage über die entnehmbare Arbeit bzw. Ah-Meege macht
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß bei der Anzeigevorrichtung nach der Erfindung ein entsprechend der Verknüpfung von Entladestrom, Temperatur und entnehmbarer Ah-Menge der betreffenden Sekundärbatterie programmierter und entsprechend dem jeweiligen Entladestrom und -der jeweiligen Temperatur der Sekundärbatterie gesteuerter Laststrom-Funktionsgeber vorgesehen ist der in Serie mit einem entsprechend der Verknüpfung eines vorgegebenen Mindest-Ah-Bedarfs mit der jeweiligen Temperatur der Sekundärbatterie programmierten zusätzlichen Funktionsgeber liegt, wobei das Ausgangssignal des zusätzlichen Funktionsgebers gemeinsam mit dem Ausgangssignal des Integrators an einer Vergleichseinrichtung liegt
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß an den Ausgang der Vergleichsein- κι richtung eine bei Oberwiegen des Ausgangssignals des Integrators ansprechende Signaleinrichtung angeschlossen ist Vorteilhafterweise wird dem Integrator ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer vorgeschaltet, wobei der Integrator ein digital arbeitender Vorwärts- Rückwärts-Zähler ist Von Vorteil ist es auch, wenn der Spannungs-Frequenz-Umsetzer ein Einstellorgan aufweist, mit dem der Umsetzfaktor für Eingangssignale verschiedener Polarität auf unterschiedliche Werte einstellbar ist Eine weitere bevorzugte Ausführungs- 4» form der Erfindung besteht darin, daß zwischen dem Spannungs-Ffequenz-Umsetzer und dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler ein Oder-Gatter eingefügt ist, in dessen zweitem Eingang ein bei unbelastetem Sekundärelement aktivierter Impulsgenerator mit einstellba- rer Frequenz liegt Es ist auch vorteilhaft, zwischen dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler und der Vergleichseinrichtung einen Digital-Analog-Wandler einzufügen.
Die Vergleichseinrichtung kann beispielsweise die Differenz der Ausgangssignale des Last-Kurvenrechners und des Integrators bilden und anzeigen; die so erhaltene Anzeige ist dann ein Maß für die beim jeweiligen Entladestrom und bei der wirksamen Temperatur des Sekundärelements entnehmbare Ah-Menge. Insbesondere bei Starterbatterien für Kraftfahr- zeuge ist es erwünscht, eine unmittelbare Anzeige darüber zu erhalten, ob der Ladezustand des Sekundärelements bei der jeweils wirksamen Temperatur einen vorgegebenen Mindest-Ah-Bedarf zu decken vermag, wobei dieser Mindest-Ah-Bedarf, der beispielsweise für ho einen Startvorgang erforderlich ist, seinerseits wieder strom- und Temperaturabhängig ist. Diese spezielle Aufgabe wird im Rahmen der Erfindung dadurch gelöst, daß das Ausgangssignal des Last-Kurvenrechners an einem entsprechend der Verknüpfung des vorgegebe- .,, nen Mindest-Ah-Bedarfs mit der jeweiligen Temperatur des Sekundärelements programmierten Korrektur-Kurvenrechner liegt dessen Ausgangssignal die Ver gleichseinrichtung beaufschlagt
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen hervor. In den Zeichnungen stellt
fig. 1 die temperaturabhängigen Ah/A-Charakteristiken eines üblichen Bleiakkumulators, ausgedrückt in Prozenten der Nennkapazität iCN) der Batterie dar.
F i g. 2 zeigt beispielsweise für eine Starterbatterie die zur Sicherung der Startfähigkeit erforderliche Mindest-Ah-Menge in Prozenten der Nennkapazität der Batterie in Abhängigkeit von der Temperatur und
Fig.3 stellt ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Geräts nach der Erfindung dar.
F i g. 1 läßt erkennen, daß die einer Batterie entnehmbare Ah-Menge mit steigender Entladestromstärke und sinkender Temperatur abnimmt F i g. 2 zeigt, daß bei sinkender Temperatur zur Sicherung der Startfähigkeit ein größer werdender Prozentsatz der Nennkapazität der Batterie für einen Startvorgang verfügbar sein muß. Die in den F i g. 1 und 2 dargestellten Charakteristiken werden beim erfindungsgemäßen Gerät, wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird, in Kurvenrechnern üblicher Bauart verarbeitet.
In Fig.3 ist eine Starterbatterie 1 dargestellt, in deren Stromkreis 2 ein kleiner Widerstand 3 liegt, von dem eine Meßspannung abgegriffen und einem Meßverstärker 4 zugeführt wird. Die Ausgangsspannung des Meßverstärkers 4 wirkt eingangsseitig auf einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 5, der in seinem Ausgang eine Impulsreihe mit einer dem eingangsseitigen Spannungswert proportionalen Frequenz liefert Der Umsetzer 5, der handelsüberlichen Aufbau haben kann, weist ein Regelorgan 6 auf, mit dem in Abhängigkeit vom Ladefaktor (Wirkungsgrad) des Sekundärelementes 1 die Ausgangsfrequenz in solchem Maße beeinflußt werden kann, daß der Ladestrom um einen dem Ladefaktor entsprechenden Betrag geringeren Einfluß auf die Ausgangsfrequenz ausübt als der Entladestrom. Die Ausgangsleitung 7 des Umsetzers 5 liegt an einem Einang eines ODER-Gatters 8, auf dessen zweitem Eingang ein Impulsgenerator 9 wirkt, dessen Impulsfolge mittels eines Regelorgans 10 einstellbar ist. Durch nicht gezeigte Schaltmittel wird jeweils dann, wenn die Eingangsspannung des Umsetzers 5 verschwindet, vom Impulsgenerator 9 eine Impulsreihe einstellbarer Frequenz erzeugt, die mittels des Regelorgans 10 so eingestellt wird, daß die Selbstentladungsrate der Batterie, die am Widerstand 3 keinen zur Betätigung des Umsetzers 5 ausreichenden Spannungsabfall erzeugen würde, bei längerer Nichtbelastung des Akkumulators aber doch einen wesentlichen Fehler ergeben würde, über das ODER-Gatter 8 durch Zusatzimpulse berücksichtigt wird. Die Ausgangsspannung des ODER-Gatters 8 wirkt auf den Zähleingang 12 eines Digitalzählers 11, der als Integrator dient und z. B. als Vorwärts-Rückwärts-Zähler mit vier Deckaden ausgebildet ist. Dieser Zähler läuft bei Ladung rückwärts und bei Entladung vorwärts, so daß er ein digitales Ausgangssignal liefert und speichert, welches die resultierende Ah-Entnahme, ausgehend von einem vorgegebenen vollen Ladezustand angibt. Um die Umsteuerung des Integrators bzw. Wählers 11 in Abhängigkeit vom Lade- bzw. Eniladebetrieb zu steuern, ist dem Vorwärts-Rückwärts-Steucreingang 13 ein Polaritätskomperator 14 vorgeschaltet, der in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Ausgangsspannung des Meßverstärkers 4 gesteuert wird.
Im Ausgang des Digitalzählers 11 befindet sich ein Digital-Analog-Wandler 15, der eine dem Digitalinhalt dieses Zählers entsprechende Analogspannung liefert. Diese Spannung hat bei voller Ladung der Batterie 1 den Wert Null und wächst mit zunehmender Entladung ■-. an.
An den Meßverstärker 4 ist ferner ein Last-Kurvenrechner 18 angeschlossen, der gemäß der in Fig. 1 dargestellten Verknüpfung von Entladestrom, Temperatur und Ah-Entnahme programmiert ist und einerseits an einem Eingang 19 vom Meßverstärker 4 entsprechend dem jeweiligen Entladestrom und andererseits an einem Eingang 20 von einem Temperaturfühler 21 in der Batterie 1 entsprechend der Betriebstemeratur derselben gesteuert wird, so daß er an seinen Ausgang 22 eine ι ■> Analogspannung liefert, welche die beim jeweiligen Entladestrom und bei der wirksamen Temperatur entnehmbare Ah-Menge angibt.
Wie in Fig.3 mit einer strichpunktierten Linie angedeutet ist, kann der Ausgang 22 des Last-Kurvenrechners 18 an dem einen Eingang 24 einer Vergleichseinrichtung 23 liegen, deren anderer Eingang 25 von der Analogspannung des Digital-Analog-Wandlers 15 beaufschlagt wird. Die Vergleichseinrichtung 23 kann in diesem Fall ein Zeigerinstrument sein, das die Differenz ?λ der Spannungen an seinen Eingängen 24 und 25 bildet. Die am Eingang 24 wirksame Spannung gibt, wie schon erwähnt, an, welche Ah-Menge der Batterie 1 beim jeweiligen Entladestrom und bei der wirksamen Temperatur unter Berücksichtigung der nichtlinearen Charakteristik der Batterie überhaupt entnommen werden kann. Die Spannung am Eingang 25 gibt an, weiche Ah-Menge der Batterie, ausgehend von einem vorgegebenen vollen Ladezustand, bereits entnommen worden ist. Die Differenzspannung zeigt somit an, j> welche Ah-Menge beim derzeitigen Ladezustand der Batterie beim jeweiligen Entladestrom und bei der wirksamen Temperatur noch entnommen werden kann. Die Skala des Zeigerinstrumentes kann unmittelbar in Ah-Werten oder in Prozenten der Nennkapazität der Batterie 1 geeicht werden und das Instrument kann sodann auf Elektrofahrzeugen mit einer Traktionsbatterie analog wie eine Benzinuhr auf Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor verwendet werden.
Um eine Anzeige darüber zu erhalten, ob der Ladezustand der Batterie 1 bei der wirksamen Temperatur einen vorgegebenen Mindest-Ah-Bedarf zu decken vermag, wirkt gemäß der weiteren Erfindung das Signal am Ausgang 22 des Last-Kurvenrechners 18, wie in F i g. 3 in vollen Linien dargestellt ist, auf den einen Eingang 27 eines Korrektur-Kurvenrechners 26, der gemäß der Charakteristik nach F i g. 2 entsprechend der Verknüpfung von Mindest-Ah-Bedarf und Temperatur programmiert ist und an einem zweiten Eingang 28 vom Temperaturfühler 21 beaufschlagt wird. Das analoge Signal im Ausgang 29 dieses Korreklur-Kurvenrechners 26 wirkt sodann auf den Eingang 24 des Vergleichsinstrumentes 23, dessen anderer Eingang 25 wieder vom Wandler 15 beaufschlagt wird. Im Ausgang der Vergleichseinrichtung 23 liegt eine kippbare Schaltstufe 30. die jeweils dann anspricht, wenn das Vergleichssignal gleich oder kleiner als Null ist und alsdann ein Ausgangssignal liefert, welches einen Indikator 31 beaufschlagt, der beispielsweise ein optisches oder akustisches Signal liefern kann.
Das vorstehend beschriebene Gerät kann beispielsweise mit Vorteil an Kraftfahrzeugen in Verbindung mit der Starterbatterie angewendet werden, um den Kraftfahrer rechtzeitig zu warnen, falls die Gefahr besteht, daß die Batterie durch Stromentnahme während der Standzeit so weit erschöpft wird, daß ihre Startfähigkeit in Frage gestellt wird. Die vom Korrektur-Kurvenrechner 26 verarbeitete Charakteristik nach F i g. 2 gibt dann an, welcher Mindestprozentsatz der Nennkapazität der Batterie 1 bei der wirksamen Temperatur zur Sicherung eines einwandfreien Startes noch vorhanden sein muß. Diese Charakteristik wird empirisch ermittelt. Im Hinblick auf die schon erläuterten Steuerspannungen an den Eingängen 27 und 28 gibt die Ausgangsspannung dieses Korrektur-Kurvenrechners 26 an, welche Ah-Menge der Batterie 1 bei der wirksamen Temperatur und dem jeweiligen Entladestrom bis ram F.rreichen einer die Startfähigkeit gerade noch sichernden Restkapazität entnommen werden kann. Bei Gleichheit der Signale an den Eingängen 24 und 25 der Vergleichseinrichtung ist dieser Mindestprozentsatz der Nennkapazität erreicht und der Indikator liefert dann die Warnanzeige, daß während der Standzeit der Batterie keine weitere elektrische Arbeit entnommen werden darf, wenn die Startfähigkeit des Kraftfahrzeuges gewahrt werden soll.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

25 OO 332 Patentansprüche:
1. Elektrische Anzeigevorrichtung für den Ladezustand einer Sekundärbatterie, mit einem den Lade- und Entladestrom der Sekundärbatterie vorzeichenrichtig zählenden Integrator und mit Korrektureinrichtungen. welche den Einfluß der Entladestromstärke und der Batterietemperatur auf die Entladezelt berücksichtigen, dadurch gekennzeichnet, daß ein entsprechend der Verknüpfung von Enüadestrom, Temperatur und entnehmbarer Ah-Menge der betreffenden Sekundärbatterie (1) programmierter und entsprechend dem jeweiligen Entladeström und der jeweiligen Temperatur der Sekundärbatterie (1) gesteuerter Laststrom-Funktionsgeber (18) vorgesehen ist, der in Serie mit einem entsprechend der Verknüpfung eines vorgegebenen Mindest-Ah-Bedarfes mit der jeweiligen Temperatur der Sekundärbatterie programmierten zusätzlichen Funktionsgeber (26) liegt, wobei das Ausgangssignal des zusätzlichen Funktionsgebers (18) gemeinsam mit dem Ausgangssignal des Integrators (11) an einer Vergleichseinrichtung (23) liegt
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Vergleichseinrichtung (23) eine bei Überwiegen des Ausgangssignals des Integrators (11) ansprechende Signaleinrichtung (30, 31) angeschlossen ist
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß dem Integrator ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer (5) vorgeschaltet ist und daß der Integrator ein digital arbeitender Vorwärts-Rückwärts-Zähler(ll)ist
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Frequenz-Umsetzer (5) ein Einstellorgan (6) aufweist, mit dem der Umsetzfaktor für Eingangssignale verschiedener Polarität auf unterschiedliche Werte einstellbar ist.
5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet daß zwischen dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer (5) und dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler (11) ein Oder-Gatter (8) eingefügt ist in dessen zweitem Eingang ein bei unbelastetem Sekundärelement aktivierter Impulsgenerator (9) mit einstellbarer Frequenz liegt.
6. Gerät nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler (11) und der Vergleichseinrichtung (23) ein Digital-Analog-Wandler (15) eingefügt ist.
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