DE2500332A1 - Geraet zur anzeige des ladezustandes eines sekundaerelements - Google Patents

Geraet zur anzeige des ladezustandes eines sekundaerelements

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DE2500332A1 DE19752500332 DE2500332A DE2500332A1 DE 2500332 A1 DE2500332 A1 DE 2500332A1 DE 19752500332 DE19752500332 DE 19752500332 DE 2500332 A DE2500332 A DE 2500332A DE 2500332 A1 DE2500332 A1 DE 2500332A1
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Description

Akkumulatorenfabrik Dr. Leopold Jungfer in Feistritz i. Rosental (Karaten, Österreich)
Gerät zur Anzeige des Ladezustandes eines Sekundärelementes
Die zum Anwerfen von Verbrennungsmotoren verwendeten Elektromotoren benötigen kurzzeitig eine erhebliche Stromstärke, die auf Kraftfahrzeugen einer Akkumulatorenbatterie, der Starterbatterie, entnommen wird., Ferner muß die Starterbatterie während der Standzeit des Verbrennungsmotors zusätzlich oft andere Verbraucher speisen, z.B. Hundfunkempfänger, Lampen, Heizkörper und Gebläse. Die verbrauchte Startarbeit und sonstige Ah-Entnahme wird bei laufendem Verbrennungsmotor üblicherweise von einem gekuppelten Elektrogenerator der Starterbatterie wieder zugeführt.
Es ist nun eine Eigenart von Sekundärelementen, insbesondere von Bleiakkumulatoren, daß die entnehmbare Ah-Menge umso kleiner ist, je höher die Strombelastung ist.
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Belastet man daher die Starterbatterie mit niedrigen Strömen, so tritt der Verlust der Startfähigkeit schon erhebliche Zeit vor der Erschöpfung der Batterie für die niedrige Strombelastung ein. Es ist deshalb eine Warneinrichtung erwünscht, die rechtzeitig vor einer Unterschreitung der für einen Start erforderlichen Mindest-Ah-Menge in der Starterbatterie 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 etwa bei Elektrofahrzeugeη ähnlich wie mittels der Benzinuhr bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren der mögliche Aktionsradius des Fahrzeuges 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 ferner bekannt, den Ladezustand eines Sekundärelementes durch vorzeichenrichtige Zählung der entnommenen bzw. geladenen Ah-Menge mittels eines Gleichstromzählers (Analogoder Digitalzählung) anzugeben. Auch eine Kombination dieser beiden Meßverfahren ist bekannt.
Die bekannten Verfahren und Geräte sind jedoch in der Praxis insofern unzulänglich, als sie die von vielen Faktoren abhängige Charakteristik der Sekundärelemente nicht ausreichend berücksichtigen. So ist die Säuredichte von der Temperatur, die entnehmbare Ah-Menge von der Temperatur und von der Entladestromstärke, die Ladestromaufnahme und der Ladefaktor (Wirkungsgrad) von der Temperatur und von der Gegenspannung des Sekundärelementes ab-
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hängig. Daraus ergibt sich eine nichtlineare bzw. nichtproportionale Charakteristik der Sekundärelemente.
Die jeweils verfügbare Restkapazität des Sekundärelementes läßt sich demnach nicht durch einfache Differenzzählung der entnommenen und geladenen Ah-Menge bestimmen, weil dabei die von der Belastung abhängige nichtlineare Charakteristik und die Temperatur des Sekundärelementes nicht berücksichtigt werden. Ähnlich verhält es sich mit der Startfähigkeit von Sekundärelementen, die ebenfalls vorwiegend von der Temperatur und der Restkapazität abhängig ist.
Die Erfindung befaßt sich nun mit der Aufgabe, ein zur Anzeige des Ladezustandes von Sekundäre leine nt en geeignetes Gerät zu schaffen, das die nichtlineare Charakteristik und die Temperatui^ abhängigkeit der Sekundärelemente berücksichtigt und dadurch eine wesentlich genauere Aussage über die entnehmbare Arbeit bzw. Ah-Menge macht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß das Gerät eine Vergleichseinrichtung aufweist, an. der einerseits das die resultierende Ah-Entnahme, ausgehend von einem vorgegebenen vollen Ladezustand,, angebende Ausgangssignal eines den Lade- und Entladestrom des Sekundärelementes vorzeichenrichtig zählenden Integrators liegt und die anderseits in Abhängigkeit von dem die Jeweils entnehmbare Ah-Menge angebenden Ausgangssignal eines entsprechend der Verknüpfung von Entladestrom, Temperatur und entnehnibarer Ah-Menge beim betreffenden Sekundärelement programmierten und entsprechend dem jeweiligen Entladestrom und der jeweiligen Temperatur des Sekundärelementes gesteuerten Last-Kurvenrechners beaufschlagt ist.
Die Vergleichseinrichtung kann beispielsweise die Differenz der Ausgangssignale des Last-Kurvenrechners und des Inte-
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grators bilden und anzeigen; die so erhaltene Anzeige ist dann ein Maß für die beim jeweiligen Entladestrom und bei der wirksamen Temperatur des Sekundärelementes entnehmbare Ah-Menge.
Insbesondere bei Starterbatterien für Kraftfahrzeuge ist es erwünscht, eine unmittelbare Anzeige darüber zu erhalten, ob der Ladezustand des Sekundärelementes bei der jeweils wirksamen Temperatur einen vorgegebenen Mindest-Ah-Bedarf zu decken vermag, wobei dieser Mindest-Ah-Bedarf, der beispielsweise für 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 vorgegebenen Mindest-Ah-Bedarfes mit der jeweiligen Temperatur des Sekundärelementes programmierten Korrektur-Kurvenrechner liegt, dessen Ausgangssignal die Vergleichseinrichtung 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 (CN) der Batterie dar.
Fig. 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
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Fig. 3 stellt ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Gerätes nach der Erfindung dar.
Fig. 1 läßt erkennen, daß die einer Batterie entnehmbare Ah-Menge mit steigender EntladeStromstärke und sinkender Temperatur abnimmt. Fig. 2 zeigt, daß bei sinkender Temperatur zur Sicherung der Startfahigkeit ein größer werdender Prozentsatz der Nennkapazität der Batterie für einen otartvorgang verfügbar sein muß. Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Charakteristiken werden beim erfindungsgemäßen Gerät, wie nachfolgend noch gehauer 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 Keßverstärker 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 Sparinungswert proportionalen Frequenz liefert. Der Umsetzer 5» der handelsüblichen Aufbau haben kann, weist ein Hegelorgan 6 auf, mit dem in Abhängigkeit vom Lade faktor (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 Eingang 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 dannt wenn die Eingangsspannung des Umsetzers 5 verschwindet, vom Impulsgenerator 9 eine Impulsreihe einstellbarer Frequenz erzeugt, die mittels des Hegelorganes 10 so eingestellt wird, daß die
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Selbstentladurigsrate der Batterie, die am Widerstand 3 keinen zur Betätigung des Umsetzers 5 ausreichenden Spannungsbfall erzeugen würde, bei längerer Nichtbelastung des Akkumulators aber doch einen wesentlichen Fehler ergeben würde, über das ÜD^R-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 Dekaden 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-Entnähme, ausgehend von einem vorgegebenen vollen Ladezustand angibt. Um die Umsteuerung des Integrators bzv/. Zählers 11 in Abhängigkeit vom Ladebzw. Entladebetrieb zu steuern, ist dem Vorwärts-Rückwärtsoteuereingang 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-W'andler 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 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 anderseits an einem Eingang 20 von einem Temperaturfühler 21 in der Batterie 1 entsprechend der Betriebstemperatur derselben gesteuert wird, so daß er an seinen Ausgang 22 eine Analogspannung liefert, welche die beim jeweiligen Entladestrom und bei der wirksamen Temperatur entnehmbare Ah-Menge angibt.
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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 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, welche Ah-Menge der Batterie, ausgehend von einem vorgegebenen
zustand/
vollen LadeffCcay7~*bereits entnommen worden ist. Die Differenzspannung zeigt somit an, 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 Elektrofahrzeugeη 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 im Ausgang 22 des Last-Kurvenrechners 18, wie in Fig. 3 in vollen Linien dargestellt ist, auf den einen Eingang 27 eines Korrektur-Kurvenrechners 26, der gemäß der Charakteristik nach Fig. 2 entsprechend der Verknüpfung von Mindest-Ah-Bedarf und Temperatur programmiert ist und an einem zweiten Eingang 28 vom Temperaturfühler 21 beaufschlagt wird. Das
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analoge signal im Ausgang 29 dieses Korrektur-Kurvenrechners 26 wirkt sodann auf den Eingang 24 des Vergleichsinstrumentes 25, dessen anderer Eingang 25 wieder vom Wandler beaufschlagt wird. Im Ausgang der Vergleichseinrichtung liegt eine kippbare Schaltstufe 30, die jeweils dann anspricht, wenn das Vergleichssignal gleich oder kleiner als KuIl 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 soweit erschöpft wird, daß ihre Startfähigkeit in Frage gestellt wird. Die vom Korrektur-Kurvenrechner 26 verarbeitete Charakteristik nach Fig. 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 zum Erreichen 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 Wennkapazität 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.
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Claims (9)

Patentansprüche :
1. Gerät zur Anzeige des Ladezustandes eines Sekundärelementes, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vergleichseinrichtung (23) aufweist, an der einerseits das die resultierende Ah-Entnahme, ausgehend von einem vorgegebenen vollen Ladezustand, angebende Ausgangssignal
eines den Lade- und Entladestrom des Sekundärelementes vorzeichenrichtig zählenden Integrators (11) liegt und die anderseits in Abhängigkeit von dem die jeweils entnehmbare Ah-Menge angebenden Ausgangssignal eines entsprechend der Verknüpfung von Entladestrom, Temperatur und entnehmbarer Ah-Menge beim betreffenden Sekundärelement programmierten und entsprechend dem jeweiligen Entladestroia und der jeweiligen Temperatur des Sekundärelernentes gesteuerten Last-Kurvenrechners (18) beaufschlagt ist.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung (23) die Differenz der
Ausgangssignale des Last-Kurvenrechners (18) und des
Integrators (11) als Maß für die beim jeweiligen Entladestrom und der jeweils wirksamen Temperatur entnehmbare Ah-Menge bildet und anzeigt.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige, ob der Ladezustand des Sekundärelementes bei der jeweils wirksamen Temperatur einen vorgegebenen Mindest-Ah-Bedarf zu decken vermag, das Ausgangssignal des Last-Kurvenrechners (18) an einem entsprechend der Verknüpfung des vorgegebenen Mindest-Ah-Bedarfes mit der jeweiligen Temperatur des Sekundärelementes programmierten Korrektur-Kurvenrechner (26) liegt, dessen Ausgangssignal die Vergleichseinrichtung (23) beaufschlagt.
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4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Vergleichseinrichtung (23) eine bei Überwiegen des Ausgangssignals des Integrators (11) ansprechende Signaleinrichtung (30, 31) angeschlossen ist.
% Gerät nach einem der Ansprache 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strcv-'screis (2) des Cekundärelementes (1) ein Widerstand (3) liegt, an den ein Meßverstärker (4) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit dem Integrator (11) und mit dem Last-Kurvenrechner (19) verbunden ist.
6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator ein Spannungs-Frequenz-Umsetzer (5) vorgeschaltet ist und daß der Integrator ein digital arbeitender Vorwärts-Rückwärts-Zähler (11) ist.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Frequenz-Umsetzer (5) ein Einstellorgan (6)
aufweist, mit dem der Umsetzfaktor für Eingangssignal verschiedener Polarität auf unterschiedliche Werte einstellbar ist.
8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, 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.
9. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Vorwärts-Rückwärts-Zähler (11) und der Vergleichseinrichtung (23) ein Digital-Analog-Wandler (15) eingefügt ist.
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