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    公开号:WO1989004000A1
    申请号:PCT/DE1988/000647
    申请日:1988-10-22
    公开日:1989-05-05
    发明作者:Andreas Blessing；Jochen Griss；Gerd Kammerer
    申请人:Grässlin KG；
    IPC主号:H01M10-00
    专利说明:
    [0001] Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung des Enerqieinhaltswertes von elektrochemischen Energiespeiehern.
    [0002] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Energieinhaltswertes von elektrochemischen Energiespeichern im Lade- und/oder Entladebetrieb, durch die Messung der Klemmenspannung eines Energiespeichers. Ferner bezieht sich die Erfindüng auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
    [0003] Derartige Energiespeicher sowohl als Einzelzellen als auch zu einer Batterie beliebig zusammengeschaltete Zellen dienen in vielfältiger Art und Weise als Traktions- und Starterbatterien für Land-, Luft- und Wasserfahrzeuge, sowie der Energieversorgung, für eine Vielzahl von tragbaren und stationären Anlagen, von Maschinen- und Gerätesteuerungen, von Meßgeräten, Signalund Warnanlagen, und für solarelektrisch betriebene Speicher. In vielen der genannten Anwendungsfälle wird zur Vermeidung einer Betriebsunterbrechung der durch einen Energiespeicher betriebenen Einrichtungen insbesondere eine kontinuierliche hinreichend genaue Ermittlung und Überwachung des Energieinhalts derartiger Energiespeicher erforderlich, denn nur mit einer genauen Kenntnis des jeweiligen Energieinhaltes kann die Kapazität eines Energiespeichers voll ausgenutzt werden und eine für einen Energiespeicher schädliche Überschreitung oder Unterschreitung bestimmter Ladungs- oder Entladungsgrenzen vermieden werden. Dabei soll sichergestellt sein, daß das Verfahren mit einfachen Mitteln durchführbar ist und die Einrichtung zur Ermittlung des Energieinhaltswertes übersichtlich und zweckmäßig bedienbar ist.
    [0004] Aus der WO 86/00418 wurde ein Verfahren zur Überwachung des Ladezustandes von aufladbaren Batterien, insbesondere Nickel-CadmiumAkkumulatoren, wobei ein einem bestimmten Ladezustand entsprechender Referenzwert gespeichert, die Klemmenspannung, die Stromstärke und die Zeit während jedes Lade- und Entladezyklus der Batterie gemessen und unter Berücksichtigung der Strαmrichtung in eine der zugeführten bzw. verbrauchten Energiemenge entsprechende Größe umgesetzt werden, aus der, ausgehend von dem Referenzwert, die Ladezustands-Istwerte berechnet werden, wobei die Änderungsgeschwindigkeit der Klemmenspannung im Lade- und Entladezyklus überwacht wird, wobei nach Durchlaufen einer Phase relativ gleichmäßiger und geringer Spannungsänderungsgeschwindigkeit wenigstens ein Zeitpunkt bestimmt wird, bei dem eine charakteristische stärkere Spannungsänderungsgeschwindigkeit auftritt und wobei der berechnete Ladezustands-Istwert zu diesem oder einem definierten verzögerten Zeitpunkt auf den vorgegebenen Referenzwert abgeglichen wird.
    [0005] Zur Durchführung dieses Verfahrens ist dort eine Einrichtung mit Anordnungen zur Messung der Klemmenspannung der Batterie, der
    [0006] Richtung und Amplitude des Lade- bzw. Entladestroms und der Batterietemperatur, eine programmgesteuerte Recheneinheit, die mit den Meßanordnungen verbunden und so gesteuert ist, da sie die Änderungsgeschwindigkeit der Klemmenspannung während aller Ladeund Entladezyklen der Batterie überwacht und einen LadezustandsIstwert dann bestimmt, wenn die Spannungsänderungsgeschwindigkeit nach einer im wesentlichen konstanten Phase eine stärkere Änderung erfährt, ein Speicher, der zur Speicherung von Referenzwerten und der in der Recheneinheit entwickelten Istwerte der zugeführten bzw. verbrauchten Energiemengen mit der Recheneinheit verbunden ist, und eine Schnittstellen- und Treiberschaltung zur Kopplung der Recheneinheit mit peripheren Eingabe- und Ausgabegeräten, vorgesehen.
    [0007] Dieses Verfahren ist mit dem erheblichen Nachteil behaftet, daß dort zur Ermittlung des Ladezustandes u.a. eine Messung des Ladebzw. Entladestroms erforderlich ist und daß zu diesem Zweck in den Stromkreis der Batterie ein Präzisionswiderstand geschaltet werden muß, an dem der erforderliche diesbezügliche Referenzwert ermittelt wird. Außerdem ist der erforderliche erhebliche meßtechnische Aufwand von Nachteil, der einen wirtschaftlichen Einsatz nur in entsprechenden Großanlagen sinnvoll erscheinen läßt.
    [0008] Auch ein, aus der DE-OS 34 16 849 bekanntgewordenes, Verfahren mit einer Anordnung zum Messen des Ladezustandes von Batterien benutzt zur Approximierung des Ladezustandes der zu messenden Batterieanlage ein initialisierter Amperstundenzähler, ausgehend von einer vollständig aufgeladenen Batterie, wobei das Ausgangssignal des Zählers dem wahren Ladezustand der Batterieanlage eng genug folgt.
    [0009] Dieses Verfahren ist ebenfalls mit dem Nachteil des Eingriffs in den Stromkreis der Batterieanlage behaftet, zumal der dort an einem Meßshunt ermittelte Strom nur bei einer hinreichend konstanten Belastung der Batterie eine Berechnung zusammen mit anderen Reaktionswerten hinreichend zuläßt.
    [0010] Außerdem ist auch bei dem, aus der DE-OS 29 52 835 bekannten, Verfahren zur Bestimmung der Kapazität eines Akkumulators eine Erfassung des Stromflusses durch den Akkumulator erforderlich, sodaß auch hier ein Eingriff in den Stromkreis erforderlich ist, der mit den bereits geschilderten Nachteilen behaftet ist.
    [0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, zur Ermittlung des Energieinhaltswertes oder Wirkungsgrades in Prozent, oder in einer Leistungseinheit, oder in einer Wegstrecke, oder in einer Zeiteinheit oder einem Arbeitstakt oder dergl. Einheit zu schaffen, das nur mit einer Messung der Klemmenspannung eines Energiespeichers und unter Kenntnis der Entlade-Charakteristik des zu messenden Energiespeichers durchgeführt werden soll. Dabei soll sichergestellt sei Einrichtung zur Ermittlung des Energieinhaltswertes einfach, und wirtschaftlich im Aufbau und zv/eckmäßig ist. Diese Aufgabe der Erfindung wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst und in den Unteransprüchen sind nicht nur weitere wesentliche Merkmale des Verfahrens beansprucht, sondern auch verschiedene Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gekennzeichnet.
    [0012] Vorteilhaft bei diesem Verfahren und den zur Durchführung dieses Verfahrens beanspruchten Einrichtungen zur Ermittlung des Energieinhaltswertes eines Energiespeichers ist nicht nur, daß kein elektrischer Eingriff in den Laststromkreis des Energiespeichers erforderlich ist, daß dort die Genauigkeit des ermittelten Energieinhaltswertes unabhängig von der Belastung des Energiespeichers ist, daß das Alter und die Umgebungstemperatur des Energiespeichers sich im Wert der gemessenen Klemmenspannung u.a. mit ausdrückt und im ermittelten Energieinhaltswert voll berücksichtigt ist, daß der noch zur Verfügung stehende Energieinhaltswert und/oder die restliche Entladezeit vorausschauend angezeigt werden kann, insbesondere unter der Annahme, daß sich die durchschnittliche Belastung des Energiespeichers seit dem Beginn der Entladung nicht wesentlieh ändern wird sondern auch, daß der im wesentlichen einfache apparatetechnische Aufwand im wirtschaftlichsten Falle und mit aus reichender Genauigkeit nur aus einem spannungsmessenden Instrument bestehen kann, das mit einer speziellen Skala ausgestattet ist, dessen Meßbereichseinteilung vom Bezugswert bzw. vom entsprechenden Funktionswert bestimmt ist.
    [0013] Vorteilhaft ist ferner die einfache Gewinnung des Bezugswertes bzw. des diesem entsprechenden Funktionswertes, insbesondere aus den statischen Kennlinien, insbesondere den Entladekennlinien, im Nennzustand eines Energiespeichers, wobei diese Kennlinien zusammen mit den zu diesen Kennlinien gehörenden Summen- oder Ent1 adeströmen in einem Rechner abgespeichert sind, aus denen ein bestimmter Funktionswert durch Interpolation ermittelt wird und auf den sich die gemessene Klemmenspannung bei der Ermittlung des Energieinhaltswertes bezieht. Vorteilhaft ist in diesem Falle ein speziell entwickeltes Rechnerprogramm unter der Benutzung des Neville'schen Algorithmus zur Bestimmung des Funktionswertes aus den Einzel bezugswerten auf den abgespeicherten Kennlinien, inform von statischen Entladekennlinien die den, für einen zu messenden Energiespeicher typischen, Unterlagen des Energiespeicher-Herstellers entnommen werden können.
    [0014] Vorteilhaft ist außerdem, daß der Bezugswert bezw. ein diesem entsprechender Funktionswert aus einem momentan fließenden Summenstrom des Energiespeichers ermittelt werden kann. Dabei kann dieser Summenstrom unter der Verwendung einer Hall'sehen Meßsonde unmittelbar vor der Ermittlung des Energieinhaltswertes, ohne den Einsatz eines Summenstrom-Meßwiderstandes im Laststromkreis eines Energiespeichers, gemessen werden, aus dem über den Bezugswert der erforderliche Funktionswert errechnet wird.
    [0015] Wie das Verfahren und seine Durchführung mit entsprechenden Einrichtungen im einzelnen gedacht ist, wird anhand einiger Funktions beispiele und einiger Beispiele von Einrichtungen zur Ermittlung des Energieinhaltswertes in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen
    [0016] Fig. 1 die Darstellung eines Funktionsdiagramm mit einem, einem bestimmten einzelnen Bezugswert entsprechenden Funktionswert,
    [0017] Fig. 2 eine Darstellung eines Funktionsdiagramms mit mehreren
    [0018] Summenstrom-/Entladestrom-Kennlinien mit einzelnen Bezugswerten und einem daraus interpolierten Funktionswert,
    [0019] Fig. 3 eine Darstellung eines Funktionsdiagramms mit einer Schar statischer Summenstrom-/Entladestrom-Kennlinien wie sie den technischen Unterlagen eines Energiespeichers entsprechen, die vom Hersteller eines Energiespeichers geliefert sind, Fig. 4 eine Darstellung eines Funktionsdiagramms mit der Klemmenspannung UKL als Funktion des relativen Energieinhaltswertes EIW in Prozent für verschiedene Summen-/Entladeströme EI,
    [0020] Fig. 5 eine Darstellung eines Funktionsdiagramms mit der Klemmenspannung UKL als Funktion des Summenstroms-/Entladestroms EI für verschiedene relative Energieinhaltswerte EIW in Prozent,
    [0021] Fig. 6 eine Darstellung eines räumlichen Funktionsdiagramms mit der Klemmenspannung UKL als Funktion des Energieinhaltswertes EIW in Prozent für verschiedene Bezugswerte BW und entsprechende Funktionswerte FW,
    [0022] Fig. 7 ein Blockschaltbild eines einfachsten, durch einen Energiespeicher versorgten, Laststromkreises,
    [0023] Fig. 8 eine schaubildliche Darstellung einer Einrichtung zur Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW mit zwei spannungsmessenden Instrumenten,
    [0024] Fig. 9 eine schaubildliche Darstellung einer Einrichtung zur Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW mit nur einem spannungsmessenden Instrument,
    [0025] Fig. 10 eine Darstellung eines Instrumentes für eine Einrichtung nach Fig. 8 oder 9 mit einer Wechsel skala,
    [0026] Fig. 11 eine Ansicht eines Meßgerätes u. a. zur Anzeige des Energieinhaltswertes EIW und
    [0027] Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Einrichtung zur Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW mit einem Rechner mit Halbleiter Speicher und mit Anzeige-, Signal- und Ein-/Ausgabevorrichtungen im Einsatz an einem, durch einen Energiespeicher betriebenen Gerät.
    [0028] Das, in der Fig. 1 dargestellte, Funktionsdiagramm mit der Klemmenspannung UKL als Funktion des Energieinhaltswertes EIW, in Prozent, zeigt einen einzigen bestimmten Bezugswert BW, der aus einem angenommenen, berechneten oder gemessenen, in einer bestimmten Zeiteinheit dt und in einem bestimmten Betriebsspannungsbereich BSB fliessenden Summenstrom EI und/oder aus Reaktionswerten des Energiespeichers, wie dem Innenwiderstand, der Innentemperatur oder der Säu redichte, gebildet ist und der in dieser Funktion dem Funktionswert FW entspricht, auf den sich die gemessene Klemmenspannung UK L bei der Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bezieht.
    [0029] Der Summenstrom EI kann dort die Summe aus einem oder mehreren zu berücksichtigenden Entladeströmen und/oder aus einem Ladestrom sein, sofern ein wiederaufladbarer Energiespeicher vorliegt.
    [0030] Es ist jedoch auch vorgesehen, daß das vorliegende Verfahren auch bei nichtaufladbaren Energiespei ehern eingesetzt wird.
    [0031] Unter dem Begriff Energiespeicher sind deshalb sowohl wiederaufladbare, als auch nichtaufladbare Einzelzellen oder auch beliebig zu einer Batterie zusammengeschaltete Zellen zu verstehen.
    [0032] Der Energieinhaltswert EIW im Energieinhaltsbereich EIB kann, wie bereits erwähnt, ein prozentual bezogener Wert sein. Es ist jedoch auch daran gedacht, den Energieinhaltswert EIW als Kapazitätswert, oder als Wegstrecke, oder als ein Arbeitstakt, oder als ein zeitbe zogener Wert zu ermitteln, wenn dies anwendungszweckmäßig ist und aus diesem Wert über den momentanen Energieinhalt eines Energiespeichers hinaus auch eine anwendungsbezogene Leistungsaussage und oder eine Steuerungs- bzw. eine Signalwirkung erzielt werden soll.
    [0033] So ist es nach dem Verfahren möglich, daß mit einer entsprechenden Einrichtung, wie sie im folgenden noch näher gezeigt und erläutert wird, und in der ein bestimmter einzelner Bezugswert BW, der im wesentlichen dem Funktionswert FW im Diagramm der Fig. 1 entspricht, bei einem bestimmten gemessenen Wert der Klemmenspannung UKL eines Energiespeichers, ein bestimmter Energieinhaltswert EIW für den gemessenen Energiespeicher ermittelt wird. So kann mit einer solchen Einrichtung, die das vorliegende Verfahren in seiner einfachsten Form nutzt, die Entladung oder die Ladung des Energiespeichers vielseitig überwacht werden.
    [0034] Dabei beschränkt sich das Verfahren nicht auf die Verwendung nur eines einzelnen Bezugswertes BW, sondern es ist vorgesehen, mehrere Bezugswerte BW, mit zueinander unterschiedlichen Summenströmen EI einzubeziehen wobei aus diesen verschiedenen Bezugswerten BW ein gemeinsamer Funktionswert FW errechnet wird und auf den die Funktion UKL=f(ElW,EI) anwendbar ist.
    [0035] Wie die Fig. 2 zeigt, können einzelne bestimmte Bezugswerte BW auf statisch ermittelten Summenstrom- El- insbesondere EntladestromKennlinien 2 liegen. Aus diesen Einzelbezugswerten EBW wird ein gemeinsamer Funktionswert FW durch Interpolation der Einzelbezugswerte EBW errechnet, zur Erfüllung der Funktion UKL=f(ElW,EI), und zu Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW eines Energiespeichers, aus der Messung der Klemmenspannung UKL.
    [0036] Der ermittelte Energieinhaltswert EIW kann dort zum Ausdruck bringe wieviel elektrische Energie, beispielsweise in Prozent, im Energiespeicher bereits verbraucht, oder wieviel Energie noch vorhanden ist. Dabei beginnt die Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW immer mit einem100%igen Rest-Energieinhaltswert EIW, bezogen auf einen bestimmten Betriebsspannungsbereich BSB des Energiespeichers. Um den Energieinhaltswert EIW eines Energiespeichers während der Entladung und/oder der Ladung nur durch die Messung der Klemmenspannung UKL des Energiespeichers zu ermitteln, werden, nach einer weiteren vorteilhaften Möglichkeit des Verfahrens, die statischen Entladekennlinien 2 als Bezugswerte herangezogen. Bei diesen statischen Entladekennlinien 2, wie sie von den Herstellern von Energiespeichern in den technischen Unterlagen inform eines Kennliniendatenblattes herausgegeben werden, ist die Klemmenspannung UKL als Funktion der Entladezeit in(sec, min, h) für verschiedene Entladeströme gewählt, wie dies aus der Fig. 3 ersichtlich ist. Diese Entladekenn linien 2 repräsentieren den Nennzustand eines Energiespeichers.
    [0037] Zur Berechnung des Energieinhaltswertes EIW wird dort wiederum eine Form gewählt, bei der die Klemmenspannung UKL als Funktion der relativen Kapazität K, in Prozent, für verschiedene Summenströme EI ist, entspr. UKL=f(k, EI). Wie die Fig. 4 zeigt ist in dieser Funktion die x-Achse invertiert (100%-k).
    [0038] Es läßt sich noch eine andere Darstellung aus der Fig. 3 ableiten, indem für einige relative Kapazitäten (k) die Klemmenspannung UKL über dem Summnenstrom EI aufgetragen ist, UKL=f(EI,k), wie dies die Fig. 5 zeigt. Diese Beziehung wird benötigt, um aus der gemessenen Spannung den Summenstrom EI berechnen zu können.
    [0039] Es ist bei der Berechnung des Energieinhaltswertes EIW erforderlich daß die verschiedenen Betriebszustände eines Energiespeichers, wie der Ladezustand oder Ladegrad bei Beginn der Entladung, das Alter und die Elektrolyttemperatur, berücksichtigt werden.
    [0040] Die Rechnung beginnt mit 100% Restkapazität. 100% Restkapazität können je nach Ladezustand einesEnergiespeichers am Anfang der Entladung verschiedene Kapazitäten bzw. Energieinhaltswerte EIW bedeuten. Diese Restkapazität bzw. der Restenergieinhaltswert EIW in Prozent und die gemessene Klemmenspannung UKL bestimmen einen Bezugswert BW im Kennlinienfeld, der einem angenommenen Summen- oder Entladestrom entspricht. Dieser Strom stimmt in fast allen Fällen nicht mit dem meßbaren wirklichen Summen- oder Entladestrom überein. Nur wenn sich der Energiespeicher genau im Kennlinien- oder Nennzustand befindet, sind diese beiden Vergleichsströme übereinstimmend. Der angenommene Summen- oder Entladestrom wird mit den, dem momentanen Rest-Energieinhaltswert EIW oder der Restkapazität entsprechenden Stützpunkten aus dem Kennlinienfeld der Fig. 4 und der aktuellen Klemmenspannung UKL durch Interpolation berechnet, wie das folgende Beispiel zeigt:
    [0041] Der momentane relative Restenergieinhaltswert EIW oder die relative Restkapazität sei k = 25%, daraus folgt wegen Invertierung k1 = 100% - 25% = 75%. Dieser Wert ergibt Schnittpunkte mit den drei Kennlinien UKL1 = 1,98V; E 1, = 3,15A
    [0042] UKL2 = 1,90V; EI2 = 18, 9A UKL3 = 1,45V; EI3 = 441A
    [0043] Diese Schnittpunkte gleich Bezugswerte BW sind Stützpunkte einer Kennlinie 2 in Fig. 4.
    [0044] Mit der aktuell gemessenen Klemmenspannung UKL von beispielsweise UKL = 10,3V folgt wegen der sechs (6) Zellen des Energiespeichers 1 eine Klemmenspannung UKL pro Zelle von UKL= U /6 = 1,71 Mit diesem Argument wird der angenoinmene Summenstrom EI interpoliert, sodaß ein Wert von EI = 150A erzielt wird.
    [0045] Mit diesem berechneten Summenstrom EI wird die während der Dauer T des Meßintervalls verbrauchte absolute Kapazität berechnet, sodaß Kv = EI × T = 150A x 10 sec = 0,417Ah ist.
    [0046] Der zur Verfügung stehende maximale Energieinhaltswert EIW oder die maximale Kapazität ist beim Energiespeicher 1 von der Belastung abhängig. Die Nennkapazität kann nur bei Belastung mit dem Nennstrom entnommen werden. Der erreichbare Entladegrad, der bei Nennbelastung gleich eins (1) ist, fällt bei großen Entladeströmen bis auf Werte von 0,2 ab. Dies ist auf ein Blockierungseffekt infolge der zu geringen Diffusionsgeschwindigkeit des Elektrolyten zurückzuführen. Der konzentrierte Elektrolyt zwischen den Platten des Energiespeichers kann nicht schnell genug in die Poren der Platten nachdiffundieren . Es kommt zu einer Säureverarmung in den Poren der Platten. Damit steigt der Elektrolytwiderstand stark an, die Spannung an den Klemmen bricht zusammen und es kommt zu einem frühzeitigen Entladeschluß.
    [0047] Dem Programm zur Berechnung des Energieinhaltswertes EIW sind also die maximalen Kapazitätswerte für verschiedene Entladeströme, etwa die neun (9) Datenblattkennlinien wie aus der Fig. 3 ersichtlich, bekannt. Der dortige Entladestrom der Kennlinien 2 multipliziert mit der maximal erreichbaren Entladezeit ergibt die maximale Kapazität Kmax. Mit diesen Stützpunktenund insbesondere unter Ausnutzung des Neville'sehen Algorithmus wird eine weitere Kennlinie interpoliert und die zum angenommenen Summenoder Entladestrom von 150A gehörige maximale Kapazität mit Kmax = 22Ah berechnet,
    [0048] Das Verhältnis von kv zu Kmax ergibt die während der Dauer des
    [0049] Meßintervalls verbrauchte relative Kapazität, welche nun von der zuletzt berechneten relativen Restkapazität abgezogen eine neue
    [0050] Restkapazität ergibt. Entsprechend ist k = 25% - (0,417/22) × 100% 23,1%. Diese Berechnung wiederholt sich, bis eine gewählte untere Grenze, beispielsweise 20% Restkapazität, unterschritten ist.
    [0051] Gemäß dem vorliegenden Verfahren wird in Abhängigkeit vom Betriebs zustand und der Belastung des Energiespeichers 1 der richtige Zeit punkt berechnet, wann keine Ladung mehr entnommen werden darf, um Tiefentladungen zu vermeiden. Die Einflußgrößen wie die Alterung, die Elektrolyttemperatur und der Ladegrad drücken sich in der Grösse der Klemmenspannung UKL und somit auch im berechneten Funktionswert FW aus.
    [0052] Zur Verdeutlichung dieser Tatsache werden zwei zueinander unter-schiedliche Fälle aufgezeigt:
    [0053] 1. Ist der Energiespeicher 1 neu und/oder vollgeladen und/oder die Elektrolyttemperatur höher als die Nenntemperatur, dann wird aufgrund der dort gemessenen höheren Klemmenspannung UKL ein kleinerer Funktionswert berechnet, als dies im Nennzustand der
    [0054] Fall wäre.
    [0055] 2. Ist der Energiespeicher 1 nicht mehr neu und/oder nicht vollgeladen und/oder die Elektrolyttemperatur niederer als die Nenntemperatur, dann wird aufgrund der dort gemessenen niedereren Klemmenspannung UKL ein größerer Funktionswert berechnet.
    [0056] Im Fall 1. kann länger entladen werden als unter den Bedingungen des Nennzustandes oder denen des Falles 2.
    [0057] Aus der Fig. 6 ist ein räumliches Funktionsdiagramm ersichtlich, dort kann auf der dargestellten Oberfläche jeder beliebige Funktionswert FW liegen. BW bezeichnet die Bezugswerte, EIW die Achse für den Energieinhaltswert in Prozent, UKL die Funktionsachse für die Klemmenspannung.
    [0058] Die Fig. 7 zeigt einen einfachen Stromkreis mit einem Energiespeicher 1 und einem Verbraucher 6. 4 bezeichnet ein Instrument zur unmittelbaren Ermittlung des Energieinhaltswertes durch die Messung der Klemmenspannung UKL an den Klemmen 7 des Energiespeichers 1.
    [0059] In der einfachsten Ausführung kann eine Einrichtung zur Ermittlung des Energieinhalts wertes EIW aus einem Spannungsmessenden Instrument 4, insbesondere einem Zeigerinstrument, bestehen, das , wie die Fig. 9 zeigt, mit einer Skala 3 ausgestattet sein kann, die mit mehreren Bereichen 8 versehen ist, die zueinander unterschiedlichen Summenströmen EI, bzw. entsprechenden Bezugswerten BW / Funktionswerten FW entsprechen können. Der jeweilige, der Messung zugrunde liegende Summenstrom EI, bzw. Bezugswert / Funktionswert FW kann dort von einem optischen Signal 9 signalisiert werden.
    [0060] Es kann vorgesehen sein, daß die einzelnen Meß-Bereiche 8 manuell mechanisch oder selbsttätig elektronisch vorwählbar sind, wie die Fig. 10 zeigt.
    [0061] Es ist auch daran gedacht mit zwei Instrumenten 4 eine Bestimmung des Energieinhaltswertes EIW auf der Basis einer Messung der Klemmenspannung UKL vorzunehmen, wie die Fig. 8 zeigt. Dort wird mit dem zweiten Zeigermeßwerk die optische Anzeige nach der Ausführung gemäß der Fig. 9 ersetzt. Der Schnittpunkt der beiden Zeiger 10 zeigt den Energieinhaltswert EIW auf dem jeweils gültigen Bereich 8 an.
    [0062] Die Fig. 11 zeigt ein Meßgerät für ein Elektrofahrzeug mit einer analogen Anzeigevorrichtung an einer in Prozent geeichten Skala 3 an der die prozentuale Restkapazität k abgelesen werden kann. In diesem Meßgerät kann außerdem die Uhrzeit 11 und/oder die Betriebsstunden 12 und/oder die Zyklenzeit 13 angezeigt werden. Weitere Anzeigen 14 für Zellen-, Außen-, Motortemperatur können vorgesehen seih. Derartige Meßgeräte können in Elektrofahrzeugen allgemein, insbesondere in elektrisch angetriebenen Gabelstablern nützlich sein. Die Anzeigen können in digitaler Form erfolgen. Die gesammte geräteseitige Skala 31 kann insbesondere ein LCD-Anzeigemodul sein.
    [0063] Aus der Fig. 12 ist ein Blockschaltbild einer elektronischen, rech nergesteuerten Einrichtung zur Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW ersichtlich. 11 bezeichnet einen Energiespeicher mit einer Las 6 im Stromkreis. 15 bezeichnet den elektronischen Teil der Einrich tung mit einer Stromversorgung 16 zur Versorgung der Einrichtung, mit einem Analog-Digital-Wandler 17 zur Aufbereitung der gemessene Klemmenspannung UKL, dessen Informationen über einen Datenbus 19 der Zentraleinheit CPU zugeführt werden, die auf das Befehlsregister mit den abgespeicherten Bezugswerten von mindestend drei Kennlinien 2 inform von Einzelbezugswerten EBW in der Berechnung des Energieinhaltswertes EIW zurückgreift. Im RAM werden die berechneten Werte in Prozent, in einer Zeiteinheit, in Arbeitstakten, in einer Leistungseinheit, abgespeichert, über eine Schnittstelle 20 sind Ein-/Ausgabegeräte 21, wie eineTastatur zur Dateneingabe, ein Magnetkartenleser zur Dateneingabe, ein optoelektronischer Leser zur Dateneingabe, ein Drucker zur Datenausgabe, ein Koordinatenschreiber zur Datenausgabe. Außerdem sind an dieser Schnittstelle 20 Anzeigeeinrichtungen 22 zur unmittelbaren Anzeige von Aus- und/ oder Eingabewerten, anschließbar. Desweiteren können dort optische und/oder akustische Signalgeber 23 angeschlossen werden, welche insbesondere bei einem Energieinhaltswert von null im Energiespeicher 1 signalisieren.
    [0064] Die elektronische Einrichtung nach dem Blockschaltbild der Fig. 12 beschränkt sich nicht auf die dort gezeigte und beschriebene Hardwäre, sondern ist sowohl hinsichtlich des Festwertspeichers ROM als auch des Schreib-Lese-Speichers RAM beliebig, den Erfordernissen entsprechend, erweiterbar. So ist es insbesondere vorgesehen, daß die Einzel bezugswerte EBW der statischen Kennlinien 2 aus dem Damehrerer tenblatt nach Fig. 3 inform einer oder/rechteckiger Matrizen im Speieher ROM abgelegt sind, und daß dort die abgespeicherten Spalten dem Energieinhaltswert EIW, insbesondere in Prozent, und die abgespeicherten Zeilen den Einzelbezugswerten EBW der Kennlinien 2 ent sprechen. Dabei ist es vorgesehen, daß die Einzelbezugswerte EBW zur Bildung eines Funktionswertes FW in beliebiger Anzahl für die jeweilige spezifische Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW berechnet werden können.
    [0065] Das vorliegende Verfahren und die erwähnten Einrichtungen eignen sich nicht nur zur Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW von elektrochemischen aufladbaren oder nicht aufladbaren Energiespeichern, sondern auch zur Ermittlung des Energieinhaltswertes von statischen Energiespeichern, wie dies Kondensatoren zum Speichern einer elektrischen Ladung darstellen.
    [0066] Die bereits erwähnten Vorteile des Verfahrens und der dort zur Durchführung des Verfahrens erwähnten Einrichtungen, wonach kein Eingiff in den Laststromkreis erforderlich ist, die Genauigkeit des erzielten Ergebnisses unabhängig von der Belastung ist, das Alter eines Energiespeichers, seine Elektrolyttemperatur und der Ladegrad sich in der Spannungslage der gemessenen Klemmenspannung ausdrückt, wo in Abhängigkeit von der Belastung der unterschiedliche Entladeschluß berücksichtigt werden kann und die noch zur Verfügung stehende Entladezeit -unter der Annahme, daß sich die durchschnittliche Belastung seit Beginn der Entladung nicht wesentlich ändern wird- vorausschauend angezeigt werden kann und wo die Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW zum Entladeschluß hin genauer wird, können auch erzielt werden, wenn zur Ermittlung des Energieinhaltswertes EIW neben der Messung der Klemmenspannung UKL auch eine momentane Summenstrommessung unter Ausnutzung des Hall-Effektes durchgeführt wird, welche keinen direkten Eingriff in den Laststromkreis erfordert.
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Verfahren zur Ermittlung des Energieinhaltswertes (EIW) von elektrochemischen Energiespeichern (1) durch die Messung der Klemmenspannung (UKL) eines Energiespeichers (1), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens einen Bezugswert (BW), der aus einem, in einer bestimmten Zeiteinheit (dt) und in einem bestimmten Betriebsspannungsbereich (BSB) im Energiespeicher (1) fließenden, Summenstrom (EI) und/oder aus Reaktionswerten des Energiespeichers (1), wie dem Innenwiderstand, der Innentemperatur oder der Säueredichte, gebildet ist, daß dieser Bezugswert (BW) in Abhängigkeit von einer bestimmten Klemmenspannung (UKL) im Betriebsspannungsbereich (BSB) und einem bestimmten Energieinhaltswert (EIW) in einem Energieinhaltsbereich (EIB) einen Funktionswert (FW) darstellt, und daß die gemessene Klemmenspannung (UKL) bezogen auf den Funktionswert (FW) einem bestimmten Energieinhaltswert (EIW) im Energieinhaltsbereich (EIB) entspricht.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswert (BW) eine ausgewählte oder berechnete Größe des Summenstroms (EI) und/oder der Reaktionswerte ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der, aus dem Bezugswert (BW) ermittelte, Funktionswert (FW) auf einer, dem Energiespeicher (1) typischen, Kennlinie (2) liegt, deren Verlauf einem angenommenen Summenstrom (EI), insbesondere einem Entladestrom, eines Energiespeichers (1) im Nennzustand entspricht.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionswert (FW) auf der Kennlinie (2) durch die gemessene Klemmenspannung (UKL) und einen relativen Energieinhaltswert (EIW) bestimmt ist.
    5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Funktionswert (FW) einer momentanen, insbesondere angenommenen, Summenstrαm-(EI)-größe entspricht.
    6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswert (BW) aus Einzelbezugswerten (EBW) gebildet ist, daß die Einzelbezugswerte (EBW) jeweils auf zueinander unterschiedlich, verlaufende Kennlinien (2) in einem Kennlinienfeld eines im Nennzustand befindlichen Energiespeichers (1) bezogen sind, und daß der Funktionswert (FW) durch Interpolation der Einzelbezugswerte (EBI) berechnet ist.
    7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieinhaltswert (EIW) im Energieinhaltsbereich (EIB) der
    Funktion UKL=f(EIW, EI), als ein prozentual bezogener Wert, oder als ein Kapazitätswert, oder als eine Wegstrecke, oder als ein Arbeitstakt, oder als ein zeitbezogener Wert bemessen ist.
    8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieinhaltswert (EIW) eines Energiespeichers (1) auf der Skala (3) eines, die Klemmenspannung (UKL) des Energiespeichers (1) messenden Instrumentes (4) ablesbar ist, wobei die Einteilung des Energieinhaltsbereichs (EIB) auf der Skala (3) vom Bezugswert (BW) bzw. vom Funktionswert (FW) bestimmt ist.
    9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument (4) mit mehreren, auf verschiedene Bezugswerte (BW) bzw. entsprechenden Funktionswert (FW) bezogene, Skalen (3) für den Energieinhaltswert (EIW) versehen ist, und daß die einzelnen Meßbereiche der Skalen (3), insbesondere mit einer mechanisch oder mit einer elektronisch arbeitenden, Meßbereichsumschaltung anwählbar sind.
    10. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieinhaltswert (EIW) an einem, die Klemmenspannung (UKL) des Energiespeichers (1) messenden digital anzeigenden, insbesondere elektronischen, Instrument (5) angezeigt wird, und daß die einzelnen, vom Bezugswert (BW) bzw. einem entsprechenden Funktionswert (FW) bestimmten Meßbereiche des Instrumentes (5) manuell oder selbsttätig umschaltbar sind.
    11. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Bezugswertes (BW) bzw. eines entsprechenden Funktionswertes (FW) mindestens drei Kennlinien (2) gebildet aus Einzelbezugswerten (EBW), zusammen mit den zu diesen drei Kennlinien (2) gehörenden Summenströmen (EI) in einem Rechner, einem Computer, abgespeichert sind, und daß zur Darstellung der Abspeicherung der Kennlinien (2) im Rechner die Klemmenspannung (UKL) als Funktion des Energieinhaltswertes (EIW), insbesondere in der Form der prozentualen Restkapazität, für verschiedene Summenströne (EI bzw. Entladeströme, gemäß UKL=f(EIW, EI), vorgesehen ist.
    12, Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
    Einteilung der x-Achse für die Abspeicherung der Funktion UKL=f(EIW,E die den Energieinhaltsbereich (EIB) darstellt, in der Form (100% - k) invertiert ist.
    13. Einrichtung nach Anspruch 11 und 12 , dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelbezugswerte (EBW) der Kennlinien (2) inform einer oder mehrerer rechteckiger Matrizen im Speicher des Rechners abgelegt sind.
    14. Einrichtung nach Anspruch 13 , dadurch gekennzeichnet , daß die abgespeicherten Zeilen den Einzelbezugswerten (EBW) der Kennlinien (2) und die abgespeicherten Spalten dem Energieinhaltswert (EIW) , insbesondere in Prozent des Energieinhaltswertes (EIW) , entsprechen.
    15. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13 , dadurch gekennzeichnet , daß die Einzelbezugswerte (EBW) zur Bildung eines Funktionswertes (FW) in beliebiger Anzahl für die jeweilige .spezifische Ermittlung des Energieinhalts wertes (EIW) berechnet werden.
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