DE20308792U1

DE20308792U1 - Schaltungsanordnung zur Ladezustandserfassung von Batterien

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Publication number: DE20308792U1
Application number: DE20308792U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2013-06-05

Description

Schaltungsanordnung zur Ladezustandserfassung von Batterien

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erfassung des Ladezustandes von Batterien oder Akkumulatoren.
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Batterien und insbesondere Akkumulatoren finden bekanntlich zur Stromversorgung von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen bzw. Geräten unterschiedlichster Art und Größe Anwendung. Entsprechend groß ist auch die Anzahl verschiedener Batterien und Akkumulatoren, die hinsichtlich ihrer Abmessungen und Kapazität an den vorgesehenen Anwendungszweck angepasst sein müssen.

Ein Problem, das sich bei der Anwendung von Batterien und Akkumulatoren aufgrund ihrer begrenzten Ladekapazität ergibt, besteht in vielen Fällen in der Tatsache, dass der Benutzer des betreffenden Gerätes nicht abschätzen kann, wie lange er das Gerät noch betreiben kann, bevor die Batterien ausgewechselt oder die Akkumulatoren wieder aufgeladen werden müssen.

Eine solche Abschätzung ist insbesondere dann schwierig, wenn das Gerät bei sehr unterschiedlichen Temperaturen betrieben wird, da die Ladekapazität und der von einer Batterie bzw. einem Akkumulator zur Verfügung gestellte Strom bekanntlich auch von der Umgebungstemperatur abhängig ist.

Problematisch ist die Abschätzung auch dann, wenn die Leistung der Batterie bzw. des Akkumulators nicht allmählich, sondern aufgrund seiner Art oder seines Alters sehr schnell bzw. steil abfällt. In diesem Fall wird der Benutzer häufig von einem plötzlichen Totalausfall seines Gerätes überrascht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, mit der der Ladezustand einer Batterie oder eines Akkumulators zumindest in der Weise erfasst werden kann, dass sich ein Benutzer zu jeder Zeit ein Bild von der noch vorhandenen Ladekapazität und damit der noch zur Verfügung stehenden Betriebsdauer des betreffenden Gerätes machen kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einer Schaltungsanordnung zur Erfassung des Ladezustandes von Bakterien oder Akkumulatoren relativ zu einem vorbestimmbaren unteren und einem vorbestimmbaren oberen Spannungswert an-

hand eines Spannungsabfalls, der durch einen durch eine Zenerdiode fließenden Strom erzeugt wird, wobei die Zenerdiode in Reihe mit einem Vorwiderstand und einem Parallelwiderstand geschaltet ist, die so bemessen sind, dass über dem Parallelwiderstand eine Spannung abfällt, deren Wert gleichzeitig den prozentualen Ladezustand der Batterie darstellt.

Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass damit der Ladezustand schon lange vor der Erschöpfung der Batterie und nicht erst dann erfasst werden kann, wenn die Ladekapazität zur Neige geht.

Ein weiterer Vorteil der Lösung besteht darin, dass mit der Schaltungsanordnung auch ein Zellenschluss erkannt werden kann, da die Batterie bzw. der Akkumulator in diesem Fall nicht mehr auf den oberen Spannungswert aufgeladen werden kann. Da sich solche Batterien bzw. Akkumulatoren auch schneller entladen, können mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung auch Rückschlüsse auf deren Alter gezogen werden.

Auf diese Weise können auch verschiedene Batterien bzw. Akkumulatoren miteinander verglichen werden. Ferner kann festgestellt werden, ob ein Akkumulator tatsächlich aufgeladen wird (da in diesem Fall die gemessene Spannung ansteigt) und nicht etwa das Ladegerät oder die Lichtmaschine defekt ist.

Weiterhin ist die Schaltungsanordnung zur Anwendung mit Batterien und Akkumulatoren nahezu jeder Größe geeignet.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer solchen, an eine Batterie oder einen Akku

mulator angeschlossenen Schaltungsanordnung;

Fig. 2A eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung;
Fig. 2B eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltung; und Fig. 3A-D Kennlinien zur Darstellung der Abhängigkeit zwischen der relativen

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Ladekapazität und der Spannung an verschiedenen Akkumulatoren.

Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, die an einen Akkumulator 10 angeschlossen ist. Der Akkumulator 10 kann ein üblieher Blei-Akkumulator sein, wie er zum Beispiel zur Stromversorgung von elektrischen Motoren bzw. für Motor-Anlasser in Fahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen und / oder zur Notstromversorgung usw. verwendet wird. Es kann sich jedoch auch um einen Akkumulator für elektrische oder elektronische Geräte wie Bohrmaschinen, Videokameras, Mobiltelefone usw. oder um eine nicht aufladbare Batterie handeln.

Die an den Akkumulator 10 angeschlossene Schaltungsanordnung umfasst eine Last 20, die wiederum mit einer Zenerdioden-Schaltung 30 verbunden ist. Am Ausgang der Zenerdioden-Schaltung 30 liegt ein den Ladezustand repräsentierendes Signal an, das mit einer digitalen Mess- und Anzeigeeinrichtung 40, insbesondere mit einem digitalen Display, angezeigt wird.

Figur 2A zeigt eine erste Ausführungsform der Schaltung 30. An Eingangsanschlüssen 1, 2 der Schaltung 30 liegt die Spannung Ußatt des Akkumulators oder der Batterie 10 an. Die Last 20 ist in Form eines Lastwiderstandes Rl dargestellt. Der Lastwiderstand Rl kann jedoch auch eine einstellbare Zusatzlast, eine Impulslast oder eine induktive oder kapazitive Last sein.

Der Lastwiderstand Rl dient zur Belastung der Batterie während der Messung des Ladezustandes und stellt entweder den üblicherweise mit der Batterie verbundenen Verbaucher oder einen stattdessen angeschlossenen Ersatzwiderstand dar. Ein solcher Ersatzwiderstand kann insbesondere deshalb sinnvoll sein, weil sich Batterien insbesondere nach einer hohen Belastung, das heißt nach dem Abtrennen eines geringen Lastwiderstandes erholen und ihre Leerlaufspannung steigt. Zur Vermeidung einer damit verbundenen Verfälschung des Messwertes wird mit dem Ersatzwiderstand die überschüssige angehäufte Ladung abgebaut, so dass bei einem nächsten Messvorgang zumindest im wesentlichen wieder der normale Spannungswert erfasst wird. Durch Einsatz eines solchen Ersatzwiderstandes wird somit auch erreicht, dass der Messvorgang kürzer wird, da sich der Messwert schneller einpendelt und stabil bleibt.

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Parallel zu dem Lastwiderstand Rl ist eine Reihenschaltung aus einer in Sperrichtung geschalteten Zenerdiode Z, einem abgleichbaren Vorwiderstand Rzdio für die Zenerdiode Z, sowie einem abgleichbaren Parallelwiderstand Rvi_n geschaltet.

Über die Ausgangsanschlüsse 3, 4 der Schaltung wird die über dem Parallelwiderstand Rvin abfallende Spannung Uj_nDi_spi der digitalen Mess- und Anzeigeeinrichtung 40 zugeführt.

Eine zweite Ausführungsform der Schaltung 30 weist ebenfalls die in Figur 2A gezeigten Elemente auf. Zusätzlich dazu sind parallel zu den Eingangsanschlüssen 1, 2 die Spulen eines Relais K_ti geschaltet, dessen Abfallverzögerung einstellbar ist und über dessen Schaltkontakte K_t die über dem Parallelwiderstand Rvi_n abfallende Spannung an den Ausgangsanschluss 3 der Schaltung geführt wird.

Das Relais K_ti dient dazu, die Messzeit durch Öffnen der Schaltkontakte K_t zu beenden. Die Dauer der Messzeit wird durch Einstellung der Abfallverzögerung des Relais gewählt. Auf diese Weise kann, sofern die Mess-und Anzeigeeinrichtung 40 eine eigene Versorgungsspannungsquelle aufweist und nicht über die zu messende Spannung versorgt wird, eine Halte-Funktion realisiert werden, mit der der Messwert an der digitalen Mess- und Anzeigeeinrichtung 40 gehalten, d. h. über eine längere Zeit unverändert angezeigt wird.

Der Vorwiderstand Rzdio für die Zenerdiode Z sowie der Parallelwiderstand Ryin werden so bemessen, dass über dem Parallelwiderstand Rvin eine Spannung abfallt, deren Wert gleichzeitig den prozentualen Ladezustand der Batterie darstellt, also zum Beispiel zwischen 1 mV und 100 mV liegt. Damit kann der auf der Mess- und Anzeigeeinrichtung 40 angezeigte Wert gleichzeitig als Prozentzahl interpretiert werden.

Die Zenerdiode Z wird bei beiden Ausführungsformen vorzugsweise so gewählt, dass deren Zenerspannung im Bereich der Sollspannung Ußatt der Batterie bzw. des Akkumulators liegt. Im Falle einer 12 Volt Batterie würde also eine Zenerdiode mit einer Zenerspannung von etwa 11,5 Volt gewählt werden.

Der Parallelwiderstand RvJ_n, mit dem auch die Empfindlichkeit der Anzeige eingestellt und eine Grobabstimmung des oberen und unteren Spannungswertes (100%,

0%) vorgenommen werden kann, kann in diesem Fall einen Wert von etwa 100 Ohm haben, während der Vorwiderstand Rzdio der Zenerdiode einen Wert von 200 Ohm erhält und zur Feinabstimmung des oberen und unteren Spannungswertes dient.
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Der Vorwiderstand Rzdio der Zenerdiode Z wird bei beiden Ausführungsformen vorzugsweise so eingestellt, dass der Strom durch die Zenerdiode Z deutlich unter ihrem Nennstrom und somit in ihrem Knickbereich (z. B. zwischen etwa 10 mA und 20 mA) liegt. Damit wird u. a. erreicht, dass der angezeigte Messwert stabil bleibt.

Die Messung des Ladezustandes der Batterie bzw. des Akkumulators erfolgt relativ zu dem gewählten unteren und dem gewählten oberen Spannungswert, wobei dem unteren Spannungswert zum Beispiel der Ladezustand 0 % und dem oberen Spannungswert der Ladezustand 100 % zugeordnet wird.

Der obere Spannungswert ergibt sich durch die Nennspannung der Batterie oder des Akkumulators in geladenem Zustand, wobei dieser Wert gegebenenfalls mit einem Faktor korrigiert werden kann, der sich aus einer gemessenen oder bei der betreffenden Anwendung der Batterie zu erwartenden, maximalen Umgebungstemperatur ergibt, so dass ggf. auch Ladezustände über 100 % angezeigt werden können.

Der untere Spannungswert wird vorzugsweise so gewählt, dass in Abhängigkeit von der Leistung der Batterie oder des Akkumulators und dem für den betreffenden Verbraucher benötigten Strom eine für einen Batteriewechsel oder ein Abschalten des Verbrauchers ausreichende Rest-Betriebszeit zur Verfügung steht. Der untere Spannungswert wird dabei auch durch die Art der Batterie und insbesondere den Verlauf der Batteriespannung in Abhängigkeit von der abnehmenden Ladung bestimmt. Der untere Spannungswert kann schließlich auch mit einem Faktor korrigiert werden, der sich aus einer gemessenen oder bei der betreffenden Anwendung zu erwartenden, minimale Umgebungstemperatur ergibt.

Zwischen dem oberen und dem unteren Spannungswert ergibt sich aufgrund der oben genannten Einstellung des Stroms durch die Zenerdiode Z ein zumindest im wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen der an dem Parallelwiderstand Rvi_n abfallenden Spannung und dem prozentualen Ladezustand der Batterie und damit eine im wesentlichen gerade Kennlinie.

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Bei einer Nennspannung der Batterie von etwa 12 Volt, einer Zenerdiodenspannung von etwa 11,5 Volt, einem Vorwiderstand Rzdio der Zenerdiode Z von etwa 140 Ohm und einem Parallelwiderstand Ryi_n von etwa 13,4 Ohm ergibt sich zum Beispiel bei einer Batteriespannung von etwa 10,49 Volt ein Strom durch die Zenerdiode Z von etwa 0,77 mA ein Spannungsabfall über dem Parallelwiderstand Rvj_n von etwa 10 mV. Dieser Wert kann als Ladezustand von 10% angezeigt werden.

Für eine Batteriespannung von etwa 12,4 Volt ergibt sich ein Strom durch die Zenerdiode Z von etwa 7,7 mA, ein Spannungsabfall über der Zenerdiode Z von etwa 11,24 Volt und ein Spannungsabfall über dem Parallelwiderstand Ryin von etwa 100 mV, der einem Wert des Ladezustandes von 100 % zugewiesen werden kann.

Für eine Batteriespannung von etwa 11,19 Volt ergibt sich ein Strom durch die Zenerdiode Z von etwa 2,32 mA, ein Spannungsabfall über der Zenerdiode Z von etwa 10,85 Volt und ein Spannungsabfall über dem Parallelwiderstand Ryi_n von etwa 30 mV, der einem Wert des Ladezustandes von 30 % zugeordnet werden kann.

Schließlich ergibt sich für eine Batteriespannung von etwa 12,25 Volt ein Strom durch die Zenerdiode Z von etwa 6,49 mA, ein Spannungsabfall über der Zenerdiode Z von etwa 11,21 Volt und ein Spannungsabfall über dem Parallelwiderstand Rvin von etwa 90 mV, der als Ladezustand der Batterie von 90% angezeigt werden kann.

Da sich zwischen diesen Spannungswerten gemäß den nachfolgend noch erläuterten Figuren 3A-3D ein linearer Zusammenhang ergibt, stellt jeder gemessene Spannungswert, der auf dem Display angezeigt wird, gleichzeitig den prozentualen Wert des Ladezustands dar.

Die Figuren 3A bis 3D zeigen verschiedene Beispiele für solche Kennlinien für Akkumulatoren mit unterschiedlichen Spannungen, wobei jeweils auf der horizontalen Achse die Spannung zwischen dem unteren und dem oberen Spannungswert und auf der vertikalen Achse der prozentualer Ladezustand angegeben ist.

Im einzelnen zeigt Figur 3 A ein Beispiel für einen 12 Volt Akkumulator, für den der untere Spannungswert bei 9,6 Volt, entsprechend einem Ladezustand von 0 Prozent,

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und der obere Spannlingswert bei 12,6 Volt, entsprechend einem Ladezustand von 100 Prozent, festgelegt wurde.

Figur 3B zeigt ein Beispiel fur eine 6 Volt Batterie, für die der untere Spannungswert bei 5,0 Volt und der oberen Spannungswert bei 7,0 Volt festgelegt wurde.

Figur 3 C zeigt ein Beispiel für eine 24 Volt Batterie, für die der untere Spannungswert bei 19,5 Volt und der obere Spannungswert bei 24,5 Volt festgelegt wurde.

In Figur 3D ist schließlich eine Kennlinie für eine 48 Volt Batterie dargestellt, für die der untere Spannungswert bei 40,0 Volt und der obere Spannungswert bei 50,0 Volt festgelegt wurde.

Bei einer Erhöhung der Umgebungstemperatur erhöht sich auch der Spannungswert einer Batterie bzw. eines Akkumulators (zum Beispiel von 12,0 V auf 12,3 V). Dies hätte zunächst zur Folge, dass sich auch der angezeigte prozentuale Spannungswert (von 100 % auf 110%) entsprechend erhöht. Da jedoch die Schaltungsanordnung ebenfalls der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist, wird diese Erhöhung durch die Zenerdiode Z zumindest teilweise gegengeregelt (zum Beispiel auf 104 %) bzw. kompensiert. Bei einer Verminderung der Umgebungstemperatur gilt entsprechendes in umgekehrter Weise.

Die Schaltungsanordnung kann zur Erhöhung der Unabhängigkeit von Änderungen der Umgebungstemperatur geringfügig erweitert werden. Zu diesem Zweck können zum Beispiel der Parallelwiderstand Rvin und / oder der Vorwiderstand Rzdio der Zenerdiode mit temperaturstabilisierenden Bauteilen und / oder Regelkreisen ergänzt werden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist in zahlreichen Ausführungen realisierbar. Sie kann als Einbau-Messgerät für Fahrzeuge, wie insbesondere Hybridfahrzeuge, Gabelstapler, Flurfahrzeuge usw., sowie für Schiffe und Flugzeuge vorgesehen sein. Weiterhin kann die Schaltungsanordnung als Einbau-Instrument für Schaltschränke, Notstromaggregate, Automatiktüren und bestimmte technische Geräte wie zum Beispiel aus der Medizintechnik (Injektomaten, Defibrillatoren) ausgeführt sein. Schließlich ist auch eine Ausgestaltung als Hand-Messgerät für Werkstätten, zur Anwendung mit Akkubohrmaschinen, Videokameras und andere elektri-

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sche bzw. elektronische Geräte, die auch mit Kleinakkumulatoren betrieben werden, möglich.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kann natürlich mit weiteren Tastschaltern, Signalgebern usw. ergänzt werden, die die Messung des Ladezustandes der Batterie vereinfachen oder weitere Funktionen aufweisen.

Das erfindungsgemäße Prinzip, mit dem der Ladezustand einer Batterie oder eines Akkumulators gemessen und dargestellt wird, ist zum Beispiel auch zur Anzeige des Flüssigkeitsstandes oder des Gasdrucks in einem Tank oder Behälter geeignet. Für diese Anwendung kann dem Vorwiderstand R_zdi₀ der Zenerdiode Z zum Beispiel ein innerhalb des Tanks oder Behälters angeordneter Dehnungsmessstreifen parallel geschaltet werden, so dass durch eine Veränderung des Flüssigkeitsstandes oder Gasdrucks in dem Tank bzw. Behälter der durch die Zenerdiode Z fließende Strom verändert wird. Dadurch verändert sich entsprechend den obigen Erläuterungen auch der mit der digitalen Mess- und Anzeigeeinrichtung 40 angezeigte relative Messwert. Der Dehnungsmesstreifen kann auch in Reihe zu dem Vorwiderstand Rzdio der Zenerdiode (Gruppenschaltung) geschaltet werden. An den Anschlüssen 1 und 2 der Schaltung liegt in diesem Fall eine Versorgungsspannungsquelle an.

Das erfindungsgemäße Prinzip ist sogar zur Erfassung des Ladezustandes einer Brennstoffzelle anwendbar, obwohl bei einer Brennstoffzelle die Nennspannung erst kurz vor der Entladung der Zelle und dann relativ steil abfällt und die zu erfassende Spannungsdifferenz somit sehr gering ist. Bei einer Nennspannung von zum Beispiel 40 V, die als oberer Spannungswert (entsprechend 100 Prozent) festgelegt wird, würde der untere Spannungswert bei etwa 39 V (entsprechend 0 Prozent) festgelegt werden. Auch eine so geringe Spannungsdifferenz reicht jedoch aus, um das erfindungsgemäße Prinzip anwenden zu können.

Claims

1. Schaltungsanordnung zur Erfassung des Ladezustandes von Bakterien oder Akkumulatoren relativ zu einem vorbestimmbaren unteren und einem vorbestimmbaren oberen Spannungswert anhand eines Spannungsabfalls, der durch einen durch eine Zenerdiode (Z) fließenden Strom erzeugt wird, wobei die Zenerdiode (Z) in Reihe mit einem Vorwiderstand (R_Zdio) und einem Parallelwiderstand (R_Vin) geschaltet ist, die so bemessen sind, dass über dem Parallelwiderstand (R_Vin) eine Spannung abfällt, deren Wert gleichzeitig den prozentualen Ladezustand der Batterie darstellt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der durch die Zenerdiode (Z) fließende Strom unterhalb des Nennstroms der Zenerdiode (Z) liegt, wobei die Zenerdiode (Z) eine Zenerspannung im Bereich der Nennspannung der Batterie bzw. des Akkumulators aufweist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der Parallelwiderstand (R_Vin) zur Veränderung der Messempfindlichkeit einstellbar ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der Vorwiderstand (R_Zdio) zum Abgleich des Stroms durch die Zenerdiode (Z) einstellbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, mit einem Lastwiderstand (R_L) zur Belastung der Batterie oder des Akkumulators während der Messung.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der der Spannungsabfall mit einer Mess- und Anzeigeeinrichtung (40) erfasst und angezeigt wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, mit einem an die Batterie oder den Akkumulator angeschlossenen abfallverzögerten Relais (K_t1), dessen Schaltkontakte (K_t) den Parallelwiderstand (R_Vin) mit einer selbstversorgten Mess- und Anzeigeeinrichtung (40) verbinden bzw. von dieser trennen.