DE19918529A1

DE19918529A1 - Method and appliance for determining state of charge and/or capacity of battery with correction based on previously determined characteristic of residual charge as function of recovery voltage

Info

Publication number: DE19918529A1
Application number: DE19918529A
Authority: DE
Inventors: Geb Leiers Rothert; Bernd Willer; Rainer Knorr; Claus Schmitz
Original assignee: Inst Solare Energieversorgungstechnik Iset; Universitaet Kassel
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2019-04-24
Also published as: DE19918529B4

Abstract

A first module (10) integrates the load current with time to obtain the discharged ampere hours (QB). A second module (13) calculates the residual charge (QR) based on a previously determined characteristic of residual charge as a function of recovery voltage (UR). In a third module (12) the discharged ampere hour is corrected using the residual charge to obtain the true residual charge (QU)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands und/oder der Kapazität einer Batterie gemäß der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 17 angege benen Gattungen sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren.The invention relates to a method for determining the state of charge and / or Capacity of a battery as specified in the preambles of claims 1 and 17 benen genera and devices for performing these methods.

Der Ladezustand eines wieder aufladbaren elektrochemischen, im folgenden kurz als Batterie bezeichneten Speichers ist z. B. definiert als Eins reduziert um den Quotienten aus einer zum betrachteten Zeitpunkt entnommenen, üblicherweise in Amperestunden (Ah) angegebenen und nachfolgend allgemein mit Q bezeichneten Ladung einer Batterie und einer maximal nutzbaren bzw. entnehmbaren, ebenfalls in Amperestunden angegebenen Ladung, die der Nennkapazität C_N entspricht. Eine Alterung der Batterie führt dazu, daß der Batterie weniger Ladung entnommen werden kann, als durch die Nennkapazität C_N angegeben ist. Daher tritt bei der Bestimmung des Ladezustands einer gealterten Batterie an die Stelle der Nennkapazität C_N eine aktuelle oder momentan erreichbare Kapazität C_a, die kleiner als die Nennkapazität C_N ist.The state of charge of a rechargeable electrochemical, hereinafter referred to briefly as a battery is z. B. defined as one reduced by the quotient of a charge taken from a battery taken at the time in question, usually specified in ampere-hours (Ah) and subsequently generally designated Q, and a maximum usable or removable charge, also indicated in ampere-hours, which corresponds to the nominal capacity C. _N corresponds. Aging of the battery means that less charge can be drawn from the battery than is indicated by the nominal capacity C _N. Therefore, in determining the state of charge of an aged battery enters a current or currently achievable capacity C _a, which is smaller than the nominal capacity C _N in place of the rated capacity C _N.

Da die einer Batterie entnommene Ladung nicht unmittelbar gemessen werden kann, wird der Ladezustand gewöhnlich aus dem zeitlichen Verlauf der Batteriespannung und des Batteriestroms abgeschätzt. Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands beruht z. B. auf der Berechnung der seit der letzten Volladung der Batterie entnommenen Ladung durch Integration des schrittweise oder kontinuierlich gemessenen Batteriestroms nach der Zeit. Die zeitliche Integration führt allerdings aufgrund von unvermeidlichen Meßfehlern bei der Messung des Batteriestroms durch die stetige Aufsummierung zu einer nicht mehr tolerierbaren Ungenauigkeit der Berechnung, insbesondere wenn zwischen zwei Volladungen lange Zeiträume von z. B. zwei Monaten liegen. Das gilt auch dann, wenn nicht zu einer nutzbaren Ladungsänderung beitragende Anteile des Batteriestroms, die u. a. durch Gasung oder Selbstentladung der Batterie bedingt sind, als Verlustströme berück sichtigt werden, was ebenfalls bereits bekannt ist.Since the charge taken from a battery cannot be measured immediately, the state of charge usually from the time course of the battery voltage and the Battery current estimated. A known method for determining the state of charge z. B. on the calculation of the removed since the last full charge of the battery Charging by integrating the battery current measured step by step or continuously after the time. The temporal integration leads however due to inevitable Measuring errors in the measurement of the battery current due to the constant summation to a no longer tolerable inaccuracy of the calculation, especially if between two Full loads long periods of z. B. two months. This also applies if portions of the battery current that do not contribute to a usable charge change, which u. a. due to gassing or self-discharge of the battery be taken into account, which is also already known.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands wird die für einen stromlosen Zustand geltende Ruhespannung der Batterie ermittelt und die entnomme ne Ladung aus einer Kennlinie gewonnen, die in Abhängigkeit der Ladung von der Ruhespannung angibt. Eine solche Ruhespannung kann allerdings bisher nur dann genau bestimmt werden, wenn sich die Batterie bei der Durchführung der Messung bereits seit vielen Stunden im stromlosen Zustand befindet. Da ein solcher Zustand bei in Strom kreisen befindlichen Batterien nur selten eintritt, kann der Ladezustand auf diese Weise zwar relativ genau, aber nicht kontinuierlich oder quasikontinuierlich und auch immer nur dann ermittelt werden, wenn nach dem Erreichen eines stromlosen Zustands eine Warte zeit von einigen Stunden eingehalten wird.In another known method for determining the state of charge, the for determines a current-free state of the battery's open voltage and removes it ne charge obtained from a characteristic curve that depends on the charge of the Quiescent voltage indicates. So far, however, such a rest voltage can only be accurate be determined if the battery has already been in the process of performing the measurement many hours in the de-energized state. Because such a condition when in electricity batteries in the circuit only rarely occurs, the state of charge in this way Relatively accurate, but not continuously or quasi-continuously and always only then be determined if there is a waiting area after reaching a de-energized state time of a few hours is observed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs angegebenen Gattung so zu verbessern, daß der Ladezustand permanent aus der zeitlichen Integration einer schrittweisen oder kontinuierlich bestimmten Größe ermittelt und der dadurch bedingte Fehler bei der Ladungsbestimmung dennoch klein gehalten werden kann.The invention is therefore based on the object, the method of the aforementioned Improve genus so that the state of charge permanently from the temporal integration a step-by-step or continuously determined size and thereby conditional errors in charge determination can still be kept small.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 17 und 19.The characteristic features of claims 1, 17 serve to solve this problem and 19th

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, den Fehler, der sich bei der Bestimmung der Ladung aus der zeitlichen Integration des gemessenen Batteriestroms ergibt, dadurch zu reduzieren, daß die entnommene Ladung beim Eintreten der vorgewählten Bedingungen, z. B. eines eine längere Zeitlang andauernden stromlosenen Zustands, auch aus der Ruhespannung ermittelt und die gemessene Ladung dann mit der aus der Ruhespannung ermittelten Ladung korrigiert wird. Auf diese Weise können die Vorteile der permanenten Bestimmung des Ladezustands und der genauen Berechnung der entnommenen Ladung aus einer Kennlinie kombiniert werden.The invention is based on the idea of the error that occurs in determining the Charge results from the temporal integration of the measured battery current reduce the charge removed when the preselected conditions occur, e.g. B. a long-lasting currentless state, also from the Open-circuit voltage is determined and the measured charge then with that from the open-circuit voltage determined charge is corrected. This way you can take advantage of permanent Determination of the state of charge and the exact calculation of the removed load a characteristic curve can be combined.

Weitere vorteilhaft Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous features of the invention emerge from the subclaims.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen an Ausführungsbei spielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the accompanying drawings play explained in more detail. Show it:

Fig. 1 schematisch eine Batterie in einem üblichen Stromkreis und mit Messgeräten, die zur Messung von physikalischen, in die erfindungsgemäße Berechnung des Ladezustands eingehenden Größen dienen; Figure 1 schematically illustrates a battery in a conventional circuit and with measuring devices, which serve for the measurement of physical, in-depth into the inventive calculation of the state of charge sizes.

Fig. 2 ein schematisches Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Berechnung des Ladezustands; und Fig. 2 is a schematic flow diagram of the method for calculating the state of charge; and

Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Variante des erfindungsgemäßen Ver fahrens, nach der u. a. auch Änderungen der aktuellen Kapazität der Batterie berücksichtigt werden können. Fig. 3 is a schematic flow diagram of a variant of the method according to the invention, according to which changes in the current capacity of the battery can also be taken into account.

Zur erfindungsgemäßen Bestimmung des Ladezustands wird auf die Messung der physika lischen Größen Batteriespannung U, Batterietemperatur T und Batteriestrom I zurückge griffen. Hierzu wird gemäß Fig. 1 von einer Batterie 1 ausgegangen, die an einen Ver braucher 2 und/oder wenigstens ein Ladegerät 3, z. B. einen Generator in Form eines photovoltaischen (PV) Moduls, eines Dieselgenerators oder dgl. angeschlossen ist. Derartige Schaltungsanordnungen dienen in bekannter Weise z. B. dem Zweck, die mittels eines PV-Moduls bei Sonnenstrahlung erzeugte elektrische Energie dem Verbraucher 2 zuzuführen bzw. überschüssige Energie in der Batterie 1 zu speichern. Die Batteriespan nung U wird dabei nach Fig. 1 zwischen den Polen 4a, 4b der Batterie 1 mit einem ersten Voltmeter 5 gemessen. Die Batterietemperatur T wird mit einem Temperaturfühler 6 gemessen, der sich vorzugsweise im Säurebad der Batterie 1 bzw. einer Zelle davon befindet. Der Batteriestrom I kann z. B. über den mit einem zweiten Voltmeter 7 aufge nommenen Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand 9 im Verbraucherkreis gemessen. Dabei wird die Erfindung nachfolgend am Beispiel eines üblichen Bleiakkumulators näher erläutert.To determine the state of charge according to the invention, measurement of the physical quantities battery voltage U, battery temperature T and battery current I is used. For this purpose, a battery 1 is assumed according to FIG. 1, which to a consumer 2 and / or at least one charger 3 , for. B. a generator in the form of a photovoltaic (PV) module, a diesel generator or the like. Is connected. Such circuit arrangements are used in a known manner, for. B. the purpose of supplying the electrical energy generated by solar energy to the consumer 2 or storing excess energy in the battery 1 by means of a PV module. The battery voltage U is measured according to FIG. 1 between the poles 4 a, 4 b of the battery 1 with a first voltmeter 5 . The battery temperature T is measured with a temperature sensor 6 , which is preferably located in the acid bath of the battery 1 or a cell thereof. The battery current I can e.g. B. measured with a second voltmeter 7 voltage drop across a shunt resistor 9 in the consumer circuit. The invention is explained in more detail below using the example of a conventional lead accumulator.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands der Batterie 1 ergibt sich in seiner allgemeinsten Form aus dem Ablaufdiagramm nach Fig. 2. Als Meßgrößen dienen der Batteriestrom I und die Batteriespannung U der Anordnung gemäß Fig. 1. Die Meßgrößen I und U werden jeweils in ein zustandsunabhängig arbeitendes Modul eingele sen und in diesem vorzugsweise durch Analog/Digital-Wandler in quasikontinuierliche Größen verwandelt. Alternativ wäre aber auch eine kontinuierliche analoge Verarbeitung oder eine schrittweise, z. B. in Abständen von einigen Minuten erfolgende Ermittlung der Meßgrößen I und U möglich. Das Modul 10 integriert den Batteriestrom I in einem Integrator 11 zeitlich auf, um daraus eine momentane, zur Zeit t der Batterie entnomme nen Ladung zu bestimmen, die in ein Modul 12 gegeben und nachfolgend als die "gemes sene" entnommene Ladung Q_B bezeichnet wird. Die Integrationszeit t im Integrator 11 wird dabei bei der jeweils letzten Volladung der Batterie 1 gestartet. Bei der Integration wird ein kleiner Fehler bei der Messung des Batteriestroms I durch die ständige Auf summierung in einen nicht mehr vernachlässigbaren Fehler der gemessenen entnommenen Ladung Q_B übertragen.The most general form of the method according to the invention for determining the state of charge of the battery 1 results from the flow diagram according to FIG. 2. The battery current I and the battery voltage U of the arrangement according to FIG. 1 serve as measured variables . The measured variables I and U are each in a status-independent working module and preferably converted into quasi-continuous sizes by analog / digital converters. Alternatively, however, would also be a continuous analog processing or a step by step, for. B. at intervals of a few minutes, the measurement variables I and U can be determined. The module 10 integrates the battery current I in an integrator 11 in order to determine from it a current charge which is removed at the time t of the battery, which is added to a module 12 and is hereinafter referred to as the "measured" withdrawn charge Q _B . The integration time t in the integrator 11 is started with the last full charge of the battery 1 . During the integration, a small error in the measurement of the battery current I is transferred by the constant summation into an error of the measured charge Q _B that is no longer negligible.

Erfindungsgemäß wird die entnommene Ladung daher nicht nur aus dem zeitlichen Verlauf des Batteriestroms I, sondern auch in einem Modul 13 unter vorgewählten Bedingungen mit Hilfe der Ruhespannung U_R der Batterie 1 ermittelt. Diese Ladung wird nachfolgend als die "aus der Ruhespannung U_R ermittelte" entnommene Ladung Q_R bezeichnet. Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß bei den meisten wieder aufladbaren Batterien ein eindeutiger, meistens linearer Zusammenhang zwischen der entnommenen Ladung und der im stromlosen Zustand gemessenen Ruhespannung U_R besteht. Diese charakteristische Korrelation kann durch eine erste Kennlinie 14 (Fig. 2) dargestellt werden, in der die entnommene Ladung Q_R längs der Ordinate und die Ruhespannung U_R längs der Abzisse abgetragen ist und die zwei ausgezeichnete Punkte aufweist, nämlich diejenige maximale Ruhespannung (beim Bleiakkumulator z. B. 2,1 V), die sich nach dem Aufladen der Batterie auf die Nennkapazität, d. h. bei Q_R = 0 ergibt, und diejenige minimale Ruhespannung (beim Bleiakkumulator z. B. 1,96 V), die sich nach der Entnahme der Nennkapazität, d. h. bei Entladeschluß ergibt (Q_R = C_N = 100%). Die Kennlinie 14 kann mit hinreichender Genauigkeit bereits aus diesen beiden Wertepaaren berechnet oder, falls erforderlich, auch aus einer Vielzahl von gemessenen Wertepaaren oder aus einer Korrelation zwischen der Säuredichte und der Ruhespannung U_R genauer ermittelt werden.According to the invention, the charge removed is therefore determined not only from the time profile of the battery current I, but also in a module 13 under preselected conditions with the aid of the rest voltage U _{R of} the battery 1 . This charge is referred to below as the "charge Q _R " determined from the rest voltage U _R. Use is made of the fact that in most rechargeable batteries there is a clear, mostly linear relationship between the charge removed and the no-load voltage U _R measured in the de-energized state. This characteristic correlation can be represented by a first characteristic curve 14 ( FIG. 2), in which the removed charge Q _{R is} plotted along the ordinate and the rest voltage U _R along the abscissa and which has two excellent points, namely that maximum rest voltage (at Lead accumulator, e.g. 2.1 V), which results after the battery has been charged to the nominal capacity, ie at Q _R = 0, and the minimum no-load voltage (e.g. 1.96 V for the lead accumulator), which follows the withdrawal of the nominal capacity, ie at the end of discharge (Q _R = C _N = 100%). The characteristic curve 14 can already be calculated with sufficient accuracy from these two pairs of values or, if necessary, can also be determined more precisely from a large number of measured pairs of values or from a correlation between the acid density and the rest voltage U _R.

Ein Problem bei dieser Methode der Bestimmung der entnommenen Ladung Q_R besteht darin, daß die Ruhespannung U_R ermittelt werden muß, was aufgrund der elektrochemi schen, in der Batterie ablaufenden Vorgänge meßtechnisch nur selten möglich ist, da hierfür im allgemeinen nur die häufig von der Ruhespannung abweichende Batteriespan nung zur Verfügung steht. Die Erfindung bedient sich hierzu eines Kunstgriffs. Es wurde festgestellt, daß zumindest bei kleinen Batterieströmen I ein ausreichend defmierter Zusammenhang zwischen dem Batteriestrom und der Ruhespannung beispielsweise dann hergestellt werden kann, wenn a) seit der letzten Aufladung der Batterie z. B. 10% der Nennkapazität C_N entnommen wurden, b) nur in Entladerichtung fließende und aus reichend kleine Batterieströme I berücksichtigt werden (vorzugsweise I < I₅₀, d. h. kleiner als ein Strom, der die Batterie in 50 h bis zur Entladeschluß-Spannung entlädt) und c) nur solche Werte der Batteriespannung U verwendet werden, die sich nach einer Wartezeit von z. B. 30 min bis 2 h ab Erreichen des Stroms nach b) ergeben. Unter diesen vor gewählten Bedingungen läßt sich für die jeweilige Batterie eine zweite, im wesentlichen exponentiell ansteigende Kennlinie 15 bestimmen, in der längs der Abzisse der Strom I und längs der Ordinate eine Spannung ΔU abgetragen ist, die angibt, um wieviel die Ruhespannung U_R bei einem gegebenen Batteriestrom I größer als die gemessene Batterie spannung U ist. Außer den genannten vorgewählten Bedingungen mögen auch andere Bedingungen zur Bestimmung der Ruhespannung U_R geeignet sein, doch haben sich die genannten Bedingungen a) bis c) als vorteilhaft und für die Erfindung ausreichend brauchbar erwiesen.A problem with this method of determining the removed charge Q _R is that the rest voltage U _R must be determined, which is only rarely possible due to the electrochemical processes occurring in the battery, since this is generally only the case of the Open-circuit voltage deviating battery voltage is available. The invention uses a trick for this. It has been found that, at least for small battery currents I, a sufficiently defined relationship between the battery current and the open circuit voltage can be established, for example, if a) z. B. 10% of the nominal capacity C _{N were} taken, b) only flowing in the discharge direction and from sufficiently small battery currents I are taken into account (preferably I <I ₅₀ , ie less than a current that discharges the battery in 50 h to the end of discharge voltage ) and c) only those values of the battery voltage U are used that change after a waiting time of z. B. 30 min to 2 h from reaching the current according to b). Under these pre-selected conditions, a second, essentially exponentially increasing characteristic curve 15 can be determined for the respective battery, in which the current I is plotted along the abscissa and a voltage ΔU is plotted along the ordinate, which indicates how much the quiescent voltage U _R is a given battery current I is greater than the measured battery voltage U. In addition to the preselected conditions mentioned, other conditions may also be suitable for determining the no-load voltage U _R , but conditions a) to c) have proven to be advantageous and sufficiently useful for the invention.

Das Eintreten der vorgewählten Bedingungen wird vorzugsweise mit Hilfe eines eingangs seitig im Modul 13 vorgesehenen Filterkreises 16 überprüft, der z. B. als logischer Operator ausgebildet ist und beim Eintritt der vorgewählten Bedingungen rechentechnische Vorgänge im Modul 13 in Gang setzt, insbesondere an seinem Ausgang die gemessenen Batteriespannungen und -ströme abgibt. Dabei kann das Eintreten der Bedingung a) z. B. dadurch ermittelt werden, daß ein dem Integrator 11 ähnlicher Integrator zur Ermittlung einer Größe ∫ Idt verwendet wird, der bei jedem Vorzeichenwechsel des Batteriestroms auf Null zurückgesetzt wird, wobei über eine Überprüfung des Vorzeichens des Batterie stroms I sichergestellt werden kann, daß sich die Batterie 1 im Entladezustand befindet. Wird dann ein Wert ∫ Idt erreicht, der größer als 0,1 C_N ist, ist die Bedingung a) erfüllt. Der Eintritt der Bedinungen b) und c) kann dagegen mittels einer einfachen Strom- und Zeitmessung festgestellt werden.The occurrence of the preselected conditions is preferably checked with the aid of a filter circuit 16 provided on the input side in the module 13 . B. is designed as a logical operator and starts computer processes in module 13 when the preselected conditions occur, in particular outputs the measured battery voltages and currents at its output. The occurrence of condition a) z. B. can be determined by using an integrator 11 which is similar to integrator for determining a quantity ∫ Idt, which is reset to zero each time the sign of the battery current changes, with a check of the sign of the battery current I can ensure that the Battery 1 is discharged. If a value ∫ Idt is then reached which is greater than 0.1 C _N , the condition a) is fulfilled. The occurrence of conditions b) and c), however, can be determined by means of a simple current and time measurement.

Ist festgestellt worden, daß die vorgewählten Bedinungen vorliegen, wird mit Hilfe des gemessenen Batteriestroms I oder eines über einige Minuten ermittelten Mittelwerts davon zunächst die zugehörige Differenzspannung ΔU bestimmt. Diese wird in einer Addierstufe 17 zur Batteriespannung U oder zu einem über einige Minuten ermittelten Mittelwert davon addiert. An einem Ausgang 18 der Addierstufe 17 wird die Ruhespannung U_R abgenommen. Mit dieser Ruhespannung U_R wird dann aus der ersten, z. B. in einem elektrischen Chip gespeicherten Kennlinie 14 die entnommene Ladung Q_R errechnet, die ebenfalls dem Modul 12 zugeführt wird.If it has been determined that the preselected conditions are present, the associated differential voltage .DELTA.U is first determined with the aid of the measured battery current I or an average value determined over a few minutes. This is added in an adder stage 17 to the battery voltage U or to an average thereof determined over a few minutes. The quiescent voltage U _{R is} taken at an output 18 of the adder stage 17 . With this open circuit voltage U _R is then from the first, for. B. stored in an electrical chip characteristic 14 calculates the removed charge Q _R , which is also supplied to the module 12 .

Die Ladung Q_R wird im Modul 12 zur Korrektur der Ladung Q_B bzw. zur Ermittlung einer "korrigierten" entnommenen Ladung Q_U verwendet. Hierbei wird davon ausgegan gen, daß die aus der Ruhespannung U_R ermittelte Ladung Q_R zwar vergleichsweise genau der tatsächlich entnommenen Ladung entspricht, aber wegen der vorgewählten Bedingun gen nur vergleichsweise selten berechnet werden kann, weil der Batteriestrom I in Entladerichtung meistens größer als I₅₀ ist. Bei der anhand der Fig. 1 beschriebenen Schaltungsanordnung treten die vorgewählten Bedingungen z. B. in den Nachtstunden ein, in denen das z. B. aus einem PV-Modul bestehende Ladegerät 3 inaktiv ist und normaler weise nur geringe Mengen an Energie verbraucht werden, z. B. um bei einem Inselbetrieb in einem Krankenhaus eine Nachtbeleuchtung aufrecht zu erhalten. Ändert sich während der Nachtstunden die Ladung Q_R nur wenig, kann durch schaltungstechnische Maßnahmen auch vorgesehen werden, den jeweils letzten Wert Q_R während des Vorliegens der vorgewählten Bedingungen in den Modul einzugeben.The charge Q _R is used in the module 12 to correct the charge Q _B or to determine a "corrected" removed charge Q _U. Here, it gen ausgegan that the charge Q _R determined from the rest voltage U _R corresponds Although comparatively accurately the actual charge drawn but because of the preselected Bedingun gene can rarely be calculated only relatively, because the battery current I in the unloading usually greater than I ₅₀ is. In the circuit arrangement described with reference to FIG. 1, the preselected conditions occur, for. B. in the night hours in which the z. B. consisting of a PV module charger 3 is inactive and normally only small amounts of energy are used, for. B. to maintain night lighting in an island operation in a hospital. If the charge Q _{R changes} only slightly during the night, circuitry measures can also be used to enter the last value Q _R in the module during the preselected conditions.

Die erfindungsgemäße Korrektur der Werte Q_B mit den Werten Q_R erfolgt gemäß Fig. 2 dadurch, daß in einer ersten Subtrahierstufe 19 die Differenz zwischen Q_B und Q_R gebildet und die erhaltene Differenz dann in einen elektronischen Speicher 20 eingelesen wird. Diese Eingabe erfolgt nur solange, wie die vorgewählten Bedingungen vorliegen und Q_R-Werte aktuell ermittelt werden. Mit anderen Worten bleibt die in den Speicher 20 eingegebene Differenz (Q_B-Q_R) solange erhalten, bis aus der ersten Kennlinie 14 ein neuer Wert für Q_R berechnet und dem Modul 12 zugeführt wird. Außerdem wird in einer zweiten Subtrahierstufe 21 die Differenz aus Q_B und dem im Speicher 21 befindlichen Wert gebildet und an einem Ausgang 22 des Moduls 12 als korrigierte entnommene Ladung Q_U abgegeben. Das bedeutet, daß Q_U immer dann auf den Wert Q_R gesetzt wird, wenn am entsprechenden Eingang des Moduls 12 ein neuer Wert für Q_R erscheint, z. B. einmal pro Nacht, wohingegen in den übrigen Zeiten permanent der zuletzt in den Speicher 20 eingegebene Wert von Q_B subtrahiert wird. Dadurch wird der in der Ladung Q_B enthaltene Meßfehler praktisch auf einen Fehler begrenzt, der sich zwischen zwei Berechnungen für die Ladung Q_R, d. h. z. B. innerhalb von 24 h ergeben kann. Während der dazwischen liegenden Zeitspannen nehmen dagegen sowohl die Ladung Q_B als auch der Fehler entsprechend dem Integral ∫ Idt zu, wobei zu beachten ist, daß die korrigierte entnommene Ladung Q_U trotz der von Zeit zu Zeit erfolgenden Korrektur im Ausfüh rungsbeispiel eine quasikontinuierlich oder kontinuierlich erscheinende Größe ist. Alterna tiv könnte mit der Ladung Q_R natürlich auch eine andere als die beschriebene Korrektur vorgenommen werden.The correction of the values Q _B with the values Q _R according to the invention takes place according to FIG. 2 in that the difference between Q _B and Q _{R is} formed in a first subtraction stage 19 and the difference obtained is then read into an electronic memory 20 . This entry is only made as long as the preselected conditions exist and Q _R values are currently being determined. In other words, the difference (Q _B -Q _R ) entered in the memory 20 remains until a new value for Q _{R is} calculated from the first characteristic curve 14 and supplied to the module 12 . In addition, the difference between Q _B and the value in the memory 21 is formed in a second subtraction stage 21 and is output at an output 22 of the module 12 as a corrected removed charge Q _U. This means that Q _{U is} always set to the value Q _R when a new value for Q _R appears at the corresponding input of module 12 , e.g. B. once a night, whereas in the remaining times the value last entered in the memory 20 from Q _{B is} subtracted permanently. As a result, the measurement error contained in the charge Q _B is practically limited to an error that can arise between two calculations for the charge Q _R , ie, for example, within 24 hours. During the intervening periods, on the other hand, both the charge Q _B and the error increase according to the integral ∫ Idt, it being noted that the corrected removed charge Q _U, despite the correction from time to time in the exemplary embodiment, is quasi-continuous or continuous appearing size is. Alternatively, the charge Q _{R could of} course also be used to make a correction other than the one described.

Die korrigierte entnommene Ladung Q_U wird einem z. B. numerisch arbeitenden Modul 23 zugeführt und in diesem mit dem bekannten Wert für die Nennkapazität C_N zur Ermittlung eines Ladezustands gemäß der Formel
The corrected removed charge Q _U is a z. B. supplied numerically working module 23 and in this with the known value for the nominal capacity C _N to determine a state of charge according to the formula

benutzt.used.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können nicht zu einer Ladungsänderung führende Strombeiträge, die sich u. a. aus einer Gasung ergeben, vom Batteriestrom I abgezogen werden. Hierzu wird in dem Modul 10 aus der Batteriespan nung U und der ebenfalls zugeführten Batterietemperatur T, für die vorzugsweise die Temperatur des Säurebades der Batterie 1 genommen wird, mit Hilfe eines numerischen Operators 24 ein Gasungsstrom I_G ermittelt und in einer Subtrahierstufe 25 vom Batterie strom I abgezogen. Dieser Gasungsstrom I_G wird im numerischen Operator 24 mittels einer theoretisch ermittelten, spannungs- und temperaturabhängigen, exponentiellen Formel (vgl. Fig. 2, Operator 24) unter Festlegung von Konstanten U₀, T₀, K₁, K₂ und eines Vorfaktors I_Go, dem sogenannten normierten Gasungsstrom, errechnet. Ein dadurch erhaltener Differenzstrom I_D beschreibt die elektrochemischen Ladungsumwandlungs prozesse besser als der gemessene Batteriestrom I. Bei dieser bevorzugten Ausführungs form der Erfindung wird der Integrator 11 durch einen Integrator 26 (Fig. 2) ersetzt, der die zeitliche Integration des Differenzstrom I_D durchführt und daraus die dem Modul 12 zugeführte, gemessene entnommene Ladung Q_B bestimmt. Im Unterschied zur zuerst beschriebenen Variante wird daher zur Bestimmung der Ladung Q_B der Batteriestrom I durch den Differenzstrom I_D ersetzt.In a preferred embodiment of the present invention, current contributions which do not lead to a charge change and which result, inter alia, from gassing can be subtracted from the battery current I. For this purpose, a gassing current I _{G is} determined in the module 10 from the battery voltage U and the likewise supplied battery temperature T, for which the temperature of the acid bath of the battery 1 is preferably taken, using a numerical operator 24 and current in a subtracting stage 25 from the battery I subtracted. This gassing current I _G is determined in the numerical operator 24 using a theoretically determined, voltage and temperature-dependent, exponential formula (cf. FIG. 2, operator 24 ), specifying constants U ₀ , T ₀ , K ₁ , K ₂ and a pre-factor I. _Go , the so-called standardized gassing flow. A differential current I _D thus obtained describes the electrochemical charge conversion processes better than the measured battery current I. In this preferred embodiment of the invention, the integrator 11 is replaced by an integrator 26 ( FIG. 2), which carries out the time integration of the differential current I _D and the measured, removed charge Q _B supplied to the module 12 is determined therefrom. In contrast to the variant described first, the battery current I is therefore replaced by the differential current I _D in order to determine the charge Q _B.

In einem zweiten, in Fig. 3 anhand eines Ablaufdiagramms dargestellten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung werden mit Hilfe eines weiteren Moduls 30 weitere Größen zur Korrektur des Batteriestroms I und anderer Größen ermittelt bzw. zur Anpassung einer Schaltungsanordnung, die zur Durchführung des Ablaufdiagramms nach Fig. 2 geeignet ist, an sich möglicherweise verändernde Batteriebedingungen verwendet. Im Modul 30 wird dazu der Volladezustand der Batterie ausgenutzt. Ein solcher Voll ladezustand tritt allerdings insbesondere bei Batterien mit photovoltaischen Ladegeräten 3 unter Umständen nur selten auf. Typische Zeiträume zwischen zwei Volladezuständen betragen hier von zwei bis drei Wochen bis zu zwei bis drei Monaten. Somit können an eine Volladung geknüpfte Korrekturen die in den Zwischenzeiten zwischen zwei Volladun gen anfallenden Fehler bei der Bestimmung der momentanen entnommenen Ladung nur bedingt korrigieren.In a second exemplary embodiment of the present invention, illustrated in FIG. 3 with the aid of a flowchart, with the aid of a further module 30 further variables are determined for correcting the battery current I and other variables or for adapting a circuit arrangement which is necessary for carrying out the flowchart according to FIG. 2 is suitable for changing battery conditions. In module 30 , the fully charged state of the battery is used. Such a fully charged state, however, occurs only rarely, particularly in batteries with photovoltaic chargers 3 . Typical periods between two full charge states here range from two to three weeks to two to three months. Corrections linked to a full charge can only partially correct the errors occurring in the meantime between two full charges when determining the current charge removed.

Im Modul 30 wird zunächst mittels eines Filterkreises 31 anhand der Meßwerte für den Batteriestrom I und die Batteriespannung U überprüft, wann ein Volladezustand erreicht ist. Dies gilt je nach Art des verwendeten Ladegeräts 3 (Fig. 1) z. B. dann, wenn eine vorgegebene Batterie-(Lade-)Spannung (z. B. 2,23 V) überschritten und ein vorgewählter Batterie-Lade-Strom (z. B. 3 A bei einer Nennkapazität von 100 Ah) unterschritten ist und diese Bedinungen eine vorgewählte Zeitlang von z. B. 5 h erhalten bleiben. Wird der Voll ladezustand auf diese Weise erkannt, wird angenommen, daß die Batterie zu 100% aufgeladen ist. Daher wird an einem Ausgang des Filterkreises 31 ein Wert ausgegeben, der dem Ladezustand "voll" und im Ausfühnmgsbeispiel Q = 0 entspricht, da im vollgeladenen Zustand die entnommene Ladung definitionsgemäß Null ist. Denselben Wert müßte jetzt Q_B aufweisen. Trifft dies nicht zu, ergibt sich in einer Subtrahierstufe 32 eine Differenzladung Q_Diff, die als Maß für die Güte der gemessenen Ladung Q_B beurteilt und dazu benutzt wird, den Meßfehler für den Batteriestrom I abzuschätzen. Ist beispielsweise Q_Diff = 10 Ah und beträgt die Zeitspanne seit der letzten Volladung 50 h, dann kann daraus ein Meßfehler für I von 0,2 A abgeleitet werden. Dieser Meßfehler wird in einer Dividierstufe 33 errechnet und einem zweckmäßig als Schieberegister ausgebildeten elektronischen Speicher 34 zugeführt, in dem beispielsweise die letzten fünf für U_Diff/t ermittelten Werte gespeichert werden. Aus diesen Werten wird in einem numerischen Operator 35 ein Mittelwert für die im Speicher 34 vorhandenen Werte Q_Diff/t berechnet, und dieser Mittelwert wird an einem Ausgang des Operators 35 als Kompensationsstrom I_K ausgegeben, der für den Zeitabschnitt bis zur nächsten Volladung unverändert bleibt.In module 30 , a filter circuit 31 is used to first check on the basis of the measured values for battery current I and battery voltage U when a fully charged state has been reached. This applies depending on the type of charger 3 ( Fig. 1) z. B. when a specified battery (charging) voltage (e.g. 2.23 V) is exceeded and a preselected battery charging current (e.g. 3 A with a nominal capacity of 100 Ah) is undershot and these conditions for a preselected time of e.g. B. 5 h remain. If the fully charged state is recognized in this way, it is assumed that the battery is 100% charged. Therefore, a value is output at an output of the filter circuit 31 , which corresponds to the state of charge "full" and Q = 0 in the exemplary embodiment, since the charge removed is by definition zero in the fully charged state. Q _{B should} now have the same value. If this is not the case, a differential charge Q _Diff results in a subtraction stage 32 , which is assessed as a measure of the quality of the measured charge Q _B and is used to estimate the measurement error for the battery current I. For example, if Q _Diff = 10 Ah and the time span since the last full charge is 50 h, then a measurement error for I of 0.2 A can be derived. This measurement error is calculated in a dividing stage 33 and supplied to an electronic memory 34 which is expediently designed as a shift register and in which, for example, the last five values determined for U _Diff / t are stored. A mean value for the values Q _Diff / t present in the memory 34 is calculated from these values in a numerical operator 35 , and this mean value is output at an output of the operator 35 as a compensation current I _K , which remains unchanged for the period until the next full charge .

Das Modul 10 enthält bei diesem Beispiel zweckmäßig anstelle des Integrators 26 (Fig. 2) einen Integrator 36, wobei zwischen dessen Eingang 15 und die Subtrahierstufe 25 nach Fig. 2 eine weitere Subtrahierstufe 37 geschaltet ist, durch die dem Integrator 36 die Differenz I_H aus dem Strom I_D und dem Strom I_K zugeführt wird. In diesem Fall wird die gemessene entnommene Ladung Q_B daher aus dem Integral ∫ I_Hdt erhalten, wobei I_H = I - I_G - I_K ist. Alternativ könnte Q_B natürlich auch ohne Anwendung von I_G aus einer Differenz von I und I_K ermittelt werden, wobei für I_K anstelle eines Mittelwerts auch der nach irgendeiner Volladung in der Dividierstufe 33 ermittelte Wert verwendet werden könnte. Außerdem wird bei allen genannten Ausführungsformen vorzugsweise ein mit dem Filterkreis 31 synchronisierter Impulsgeber 38 dazu verwendet, immer dann einen Rücksetzimpuls für den Integrator 36 zu erzeugen, der den Wert des Integrators 36 auf Null setzt, wenn eine Volladung erkannt wurde.In this example, the module 10 expediently contains an integrator 36 instead of the integrator 26 ( FIG. 2), a further subtracting stage 37 being connected between its input 15 and the subtracting stage 25 according to FIG. 2, by means of which the integrator 36 has the difference I _H is supplied from the current I _D and the current I _K. In this case, the measured charge Q _{B is} therefore obtained from the integral ∫ I _H dt, where I _H = I - I _G - I _K. Alternatively, of course, Q _B could also be determined without using I _G from a difference between I and I _K , it also being possible to use the value determined after any full charge in the divider 33 for I _K instead of an average. In addition, in all of the above-mentioned embodiments, a pulse generator 38 synchronized with the filter circuit 31 is preferably used to generate a reset pulse for the integrator 36 which sets the value of the integrator 36 to zero when a full charge has been detected.

Mit Hilfe des Operators 35 wird aus den im Speicher 34 vorhandenen Werten vorzugs weise außerdem eine Standardabweichung I_S für die Werte Q_Diff/t errechnet, die ein Maß für die Schwankung des Kompensationsstroms I_K ist. Die Standardabweichung I_S wird im Modul 10 mittels eines weiteren Integrators 39 nach der Zeit integriert, dessen Ausgang somit eine Kenngröße S_B liefert, die ein Maß für die Ungenauigkeit des Meßwerts für die entnommene Ladung Q_B ist. Es kann nämlich davon ausgegangen werden, daß der Fehler für die gemessene entnommene Ladung Q_B um so größer ist, je stärker die Werte Q_Diff/t schwanken und um so größer daher die im Operator 35 ermittelten Werte für die Stan dardabweichung I_S sind. Ideal wäre I_S = S_B = 0, d. h. Q_Diff/t = 0. Die Kenngröße S_B wird gemäß Fig. 3 einerseits den Modulen 12 und 23, andererseits einem weiteren Modul 41 zugeführt, wobei zu beachten ist, daß bei jeder Volladung ein neuer Wert für I_S erscheint und der Integrator 39 durch den Impulsgenerator 38 bei jeder Volladung auf Null zurückgesetzt wird.With the help of the operator 35 , a standard deviation I _S for the values Q _Diff / t is also preferably calculated from the values present in the memory 34 , which is a measure of the fluctuation of the compensation current I _K. The standard deviation I _S is integrated in the module 10 by means of a further integrator 39 , the output of which thus supplies a parameter S _B which is a measure of the inaccuracy of the measured value for the charge Q _B removed. It can be assumed that the error for the measured charge Q _B is greater, the more the values Q _Diff / t fluctuate and the larger the values for the standard deviation I _S determined in the operator 35 are. The ideal would be I _S = S _B = 0, ie Q _Diff / t = 0. The characteristic variable S _B is supplied to modules 12 and 23 on the one hand, as shown in FIG. 3, and to another module 41 on the other hand. It should be noted that with every full charge a new value for I _S appears and the integrator 39 is reset to zero by the pulse generator 38 with each full charge.

Im Modul 30 kann schließlich auch eine Anpassung des normierten Gasungsstroms I_Go an die tatsächlichen Verhältnisse vorgenommen werden. Hierzu wird z. B. davon ausgegan gen, daß am Schluß der für die Erkennung des Volladezustands gewählten Wartezeit von z. B. 5 h nur noch ein Restladestrom fließt, der voll für die Gasung verantwortlich ist. Für diesen Fall ist daher der Batteriestrom I gleich dem Gasungsstrom I_G, so daß aus I, der dabei gemessenen Batteriespannung U und der Batterietemperatur T mittels der in Fig. 2 im Operator 24 angegebenen Formel für I_G der normierte Gasungsstrom I_Go berechnet werden kann, was z. B. in Fig. 3 in einem numerischen, an den Filterkreis 31 ange schlossenen Operator 42 erfolgt. Der auf diese Weise erhaltenen Wert für I_Go wird über eine elektrische Leitung 43 dem Modul 24 zugeführt, um in diesem den bei der letzten Volladung ermittelten Wert von I_Go zu ersetzen. Dabei kann in die Leitung 43 nach ein elektronischer Baustein 44 in Form eines Tiefpaßfilters oder dgl. geschaltet sein, der zu große Schwankungen oder Absolutwerte von I_Go vermeidet bzw. begrenzt, die aufgrund der besonders kleinen Ströme im Volladezustand und der daraus resultierenden großen Meßfehler auftreten können.Finally, in module 30 , the standardized gassing current I _{Go can be} adapted to the actual conditions. For this, z. B. assumed that at the end of the waiting time selected for the detection of the full charge of z. B. 5 h only a residual charge current flows, which is fully responsible for the gassing. In this case, the battery current I is therefore equal to the gassing current I _G , so that the standardized gassing current I _Go can be calculated from I, the battery voltage U measured here and the battery temperature T by means of the formula for I _G given in operator 24 in FIG. 2 what z. B. in Fig. 3 in a numerical, to the filter circuit 31 connected operator 42 is carried out. The value for I _Go obtained in this way is fed via an electrical line 43 to the module 24 in order to replace the value of I _Go determined in the last full charge. In this case, an electronic module 44 in the form of a low-pass filter or the like can be connected in line 43 , which avoids or limits excessive fluctuations or absolute values of I _Go that occur due to the particularly small currents in the fully charged state and the resulting large measurement errors can.

Im übrigen kann vorgesehen sein, einen Volladezustand bereits dann anzunehmen, wenn die Batterie z. B. erst auf 95% oder irgendeinen anderen Wert aufgeladen ist, da eine 100%ige Volladung je nach der Schaltungsanordnung, in der die Batterie 1 (Fig. 1) angewendet wird, unter Umständen nie oder zu selten erreicht wird. Je nach Fall sind dann im Filterkreis 31 andere Bedingungen für das Erkennen eines Volladezustands festzulegen bzw. an seinem Ausgang Ladungswerte anzugeben, die dem noch nicht voll aufgeladenen Zustand der Batterie Rechnung tragen und daher z. B. einem Wert Q_B = 0,05 C_N oder dgl. entsprechen. In addition, it can be provided to assume a fully charged state when the battery, for. B. is only charged to 95% or any other value, since a 100% full charge, depending on the circuit arrangement in which the battery 1 ( FIG. 1) is used, may never or too rarely be achieved. Depending on the case, other conditions for the detection of a fully charged state are then to be specified in the filter circuit 31 or charge values are to be specified at its output which take into account the not yet fully charged state of the battery and therefore, for. B. correspond to a value Q _B = 0.05 C _N or the like.

Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung ist vorgesehen, auch die erste Kennlinie 14 von Zeit zu Zeit an die u. U. veränderten Verhältnisse der Batterie anzupassen. Hierzu dient das Modul 41, das je einen Eingang aufweist, dem die vom Modul 10 abgegebenen Q_B-Werte und die vom Modul 13 abgegebenen U_R-Werte zugeführt werden, und der einen dritten Eingang zur Aufnahme der S_B-Werte aufweist. Dabei ist die Anordnung vorzugs weise so getroffen, daß das Modul 41 mittels eines Filterkreises 45 nur dann aktiviert wird, wenn die Kenngröße S_B kleiner als ein vorgewählter Wert, z. B. kleiner als 10% der gemessenen entnommenen Ladung Q_B ist. Für diesen Fall wird angenommen, daß die Meßwerte für die gemessene entnommene Ladung Q_B den Ladezustand vergleichsweise gut beschreiben. Anstelle der Kenngröße S_B kann auch irgendeine andere Kenngröße zur Beschreibung der Ungenauigkeit der gemessenen Ladung Q_B verwendet werden.According to a further variant of the invention it is provided that the first characteristic curve 14 from time to time to the u. U. to adapt to changing battery conditions. This is done by module 41 , which has one input each, to which the Q _B values given by module 10 and the U _R values given by module 13 are fed, and which has a third input for receiving the S _B values. The arrangement is preferably made so that the module 41 is activated by means of a filter circuit 45 only when the parameter S _{B is} less than a preselected value, for. B. is less than 10% of the measured charge Q _B removed. In this case, it is assumed that the measured values for the measured charge Q _B measured describe the state of charge comparatively well. Instead of the parameter S _B , any other parameter can also be used to describe the inaccuracy of the measured charge Q _B.

Das Modul 41 enthält einen Speicher/Schieberegister-Baustein 46, der z. B. jeweils sechs Wertepaare Q_B/U_R aufnehmen kann. Dabei muß einerseits die Kenngröße S_B die gestellte Bedingung (z. B. < 10%) erfüllen, andererseits müssen die oben erläuterten, für die Ermittlung von U_R maßgeblichen Bedinungen erfüllt sein. Wird mit dem obigen Beispiel angenommen, daß einmal pro Nacht ein Wert für U_R ermittelt wird, kann daher jede Nacht auch ein Wertepaar aus diesem U_R und dem zugehörigen, gemessenen Q_B gebildet und in den Baustein 46 eingegeben werden. Dabei wird der Baustein 46 außerdem so aufgebaut, daß beim Eingeben eines neuen Wertepaars Q_B/U_R das jeweils älteste Werte paar aus dem Schieberegister entfernt wird. Allerdings bleibt das Modul 41 im beschriebe nen Ausführungsbeispiel nur so viele Nächte nach einer Volladung aktiv, wie z. B. S_B < 0,1 Q_B ist.The module 41 contains a memory / shift register module 46 which , for. B. can each hold six pairs of values Q _B / U _R. On the one hand, the parameter S _B must meet the given condition (e.g. <10%), on the other hand the conditions explained above, which are decisive for the determination of U _R, must be fulfilled. If it is assumed with the above example that a value for U _{R is} determined once per night, a pair of values can therefore also be formed each night from this U _R and the associated measured Q _B and entered into module 46 . The module 46 is also constructed so that when a new value pair Q _B / U _{R is entered,} the oldest pair of values is removed from the shift register. However, in the exemplary embodiment described, the module 41 remains active only as many nights after a full charge as, for. B. S _B <0.1 Q _B.

Vor dem Eintreffen des ersten Wertepaars Q_B/U_R sind im Baustein 46 beispielsweise nur diejenigen zur Festlegung der ersten Kennlinie 14 maßgeblichen Wertepaare gespeichert, die sich bei Volladung auf die Nennkapazität C_N bzw. nach Entnahme der vollen Nenn kapazität ergeben, d. h. die die maximale bzw. minimale Ruhespannung enthalten. Aus diesen Wertepaaren wird eine Gerade berechnet. Werde neue Wertepaare Q_B/U_R in den Baustein 46 übernommen, wird diese Gerade in einer Berechnungseinheit 47 anhand der insgesamt in Baustein 46 befindlichen Wertepaare neu berechnet, bis schließlich eine nur aus Wertepaaren Q_B/U_R gebildete, d. h. nach Art einer Regressionsgeraden ermittelte Gerade vorliegt. Aus dieser Geraden werden in der Berechnungseinheit 47 z. B. die Steigung der Geraden und das Wertepaar für die Ruhespannung und die zugehörige Ladung bei Entladeschluß berechnet, um mit diesen die Kennlinie 14 ständig nachzufüh ren. Das hat dann zur Folge, daß die Werte für die aus der Ruhespannung U_R abgeleitete entnommene Ladung Q_R letztlich einer Kennlinie 14 entnommen werden, die mit Hilfe der gemessenen Ladungen Q_B unter der Voraussetzung ermittelt wurde, daß diese Werte eine hohe Genauigkeit besitzen. Eine derartige Nachführung der Kennlinie 14 ist allerdings nur vergleichsweise selten, d. h. zu Zeitpunkten möglich, zu denen die vorgewählten Bedin gungen (Filterkreis 16) vorliegen. Zwischen diesen Zeitpunkten bleibt die erste Kennlinie 14 unverändert. In Zeiten mit vielen, in kurzen Abständen erfolgenden Volladungen ist dagegen davon auszugehen, daß die Kennlinie 14 vergleichsweise genau den tatsächlichen Verhältnissen entspricht.Before the arrival of the first pair of values Q _B / U _R , for example, only those pairs of values that are decisive for determining the first characteristic curve 14 are stored in the module 46 , which result in full charge to the nominal capacity C _N or after removal of the full nominal capacity, ie, those maximum or minimum open circuit voltage included. A straight line is calculated from these value pairs. If new value pairs Q _B / U _{R are adopted} in module 46 , this straight line is recalculated in a calculation unit 47 on the basis of the total value pairs contained in module 46 until finally one is formed only from value pairs Q _B / U _R , ie in the manner of a regression line determined straight line exists. From this straight line in the calculation unit 47 z. B. calculates the slope of the straight line and the pair of values for the no-load voltage and the associated charge at the end of discharge in order to continuously follow the characteristic curve 14 with them. This then has the consequence that the values for the charge Q derived from the no-load voltage U _R _{R can} ultimately be taken from a characteristic curve 14 which was determined with the aid of the measured charges Q _B on the assumption that these values have a high degree of accuracy. Such a tracking of the characteristic curve 14 is, however, only comparatively rare, ie possible at times at which the preselected conditions (filter circuit 16 ) are present. The first characteristic curve 14 remains unchanged between these times. In contrast, at times with many full loads occurring at short intervals, it can be assumed that the characteristic curve 14 corresponds comparatively exactly to the actual conditions.

Ein besonderer Vorteil der beschriebenen Regressionsanalyse für die Kennlinie 14 besteht darin, daß durch sie Alterungseffekte der Batterie 1 berücksichtigt werden können. Bei einem Bleiakkumulator beispielsweise hat die Bildung von Bleisulfatkristallen eine irreversible Reduzierung der für elektrische Umsätze zur Verfügung stehenden Ionen und eine Reduzierung der Kapazität zur Folge. Die zugehörige erste Kennlinie 14 verläuft dann weniger steil. In der Berechnungseinheit 47 kann aus der veränderten Steigung und dem für den Entladeschluß berechneten Wertepaar Q_B/U_R die neue, aufgrund der Alterung maximal noch erreichbare Kapazität errechnet werden. Erfindungsgemäß wird diese veränderte Nennkapazität ständig berechnet und an einem Ausgang der Berechnungseinheit 47 als aktuelle Nennkapazität C_a ausgegeben. Vorzugsweise wird die Kapazität C_a dem Modul 23 zugeführt und in diesem anstelle der ursprünglich vorhandenen Nennkapazität C_N zur Berechnung des Ladezustands verwendet. In der Berechnungseinheit 47 wird schließlich auch eine Standardabweichung für diejenigen Werte der gemessenen entnom menen Ladungen Q_B ermittelt, die zur Berechnung der Regressionsgeraden verwendet werden. Diese Standardabweichung wird in Form einer Kenngröße S_R, die ein Maß für die Ungenauigkeit der Ladungen Q_B in der Regressionsgeraden ist, dem Modul 12 zugeführt und in diesem zur Korrektur der Kenngröße S_B verwendet. Analog zur Korrektur der gemessenen Ladung Q_B handelt es sich bei der Kenngröße S_R um eine quasikonstante oder in kurzen Zeitabständen erhaltene Größe. Dagegen wird die Kenngröße S_R immer nur dann ausgegeben, wenn einerseits auch ein neuer Wert für Q_R ausgegeben wird, d. h. z. B. einmal pro Nacht, und wenn andererseits die gewählten Bedingungen für die Kenngröße S_B erfüllt sind.A particular advantage of the regression analysis described for the characteristic curve 14 is that aging effects of the battery 1 can be taken into account. In the case of a lead accumulator, for example, the formation of lead sulfate crystals results in an irreversible reduction in the ions available for electrical conversions and a reduction in the capacity. The associated first characteristic curve 14 then runs less steeply. In the calculation unit 47 , the new capacity that can still be achieved due to aging can be calculated from the changed gradient and the pair of values Q _B / U _R calculated for the end of discharge. According to the invention, this changed nominal capacity is continuously calculated and output at an output of the calculation unit 47 as the current nominal capacity C _a . The capacitance C _a is preferably fed to the module 23 and used in the latter instead of the originally existing nominal capacitance C _N to calculate the state of charge. In the calculation unit 47 , a standard deviation is finally determined for those values of the measured charges Q _B that are used to calculate the regression line. This standard deviation is supplied to the module 12 in the form of a parameter S _R , which is a measure of the inaccuracy of the charges Q _B in the regression line, and is used in the module 12 to correct the parameter S _B. Analogous to the correction of the measured charge Q _B , the parameter S _R is a quasi-constant variable or one obtained at short time intervals. In contrast, the parameter S _R is only ever output if, on the one hand, a new value for Q _{R is also} output, that is to say, once per night, and on the other hand, if the selected conditions for the parameter S _{B are} met.

Die Korrektur im Modul 12 erfolgt dadurch, daß in einer ersten Subtrahierstufe 48 die Differenz aus S_B und S_R gebildet und diese Differenz in einen elektronischen Speicher 47 eingelesen wird, während in einer zweiten Subtrahierstufe 50 die Differenz aus S_B und dem gespeicherten, wie Q_R z. B. nur einmal pro Nacht veränderten Wert von S_R gebildet wird. Die zuletzt genannte Differenz wird an einem Ausgang 51 des Moduls 12 als korrigierte Kenngröße S_U ausgegeben und dem Modul 23 zugeführt. Immer wenn Q_B mit einem neuen Wert von Q_R verglichen wird, passiert dasselbe mit S_B und S_R. Daher läßt sich die korrigierte Kenngröße S_U wie die korrigierte Ladung Q_U als eine sägezahnartige Kurve beschreiben, die beim Erscheinen eines neuen Wertes für Q_R auf die Größe von S_R zurückgesetzt wird und bis zur Bildung des nächsten Wertes von Q_R mit der Zeit ansteigt. Zu berücksichtigen ist dabei jedoch, daß sich der Wert von S_R nur ändern kann, solange S_B den gestellten Bedingungen genügt. Sind diese Bedingungen bei einem Vergleich von Q_B mit Q_R nicht erfüllt, wird weiterhin der zuletzt erhaltene S_R-Wert verwendet.The correction in module 12 takes place in that the difference between S _B and S _{R is} formed in a first subtracting stage 48 and this difference is read into an electronic memory 47 , while in a second subtracting stage 50 the difference between S _B and the stored as Q _R z. B. changed value of S _{R is} formed only once per night. The last-mentioned difference is output at an output 51 of the module 12 as a corrected parameter S _U and fed to the module 23 . Whenever Q _{B is} compared to a new value of Q _R , the same thing happens with S _B and S _R. Therefore, the corrected parameter S _U, like the corrected charge Q _{U, can be described} as a sawtooth-like curve which is reset to the size of S _R when a new value for Q _R appears and over time until the next value of Q _{R is formed} increases. It should be noted, however, that the value of S _R can only change as long as S _B meets the conditions. If these conditions are not met when comparing Q _B with Q _R , the most recently obtained S _R value will continue to be used.

Die Berechnung des Ladezustands L im Modul 23 erfolgt in Abhängigkeit davon, welche der Größen Q_B, Q_U, S_B, S_U, C_N und C_a im Einzelfall verwendet werden. Im einfachsten Fall wird, wie oben erläutert, L aus C_N und Q_U berechnet (Fig. 2). Dabei kann alternativ anstatt C_N der Wert C_a verwendet werden (Fig. 3), so daß dann
The charge state L in the module 23 is calculated depending on which of the quantities Q _B , Q _U , S _B , S _U , C _N and C _{a are used} in the individual case. In the simplest case, as explained above, L is calculated from C _N and Q _U ( FIG. 2). Alternatively, the value C _a can be used instead of C _N ( FIG. 3), so that then

gilt.applies.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit besteht darin, den Ladezustand nach der Formel
Another possibility according to the invention is the state of charge according to the formula

zu berechnen, wobei
to calculate where

gilt.applies.

Hierdurch wird ein mit den Kenngrößen S_B und S_U gewichteter Mittelwert aus der gemessenen entnommenen Ladung Q_B und der korrigierten entnommenen Ladung Q_U verwendet. Dadurch wird zur Bildung von Q_BU überwiegend immer derjenige der beiden Werte von Q_B bzw. Q_U verwendet, der vermutlich der genauere ist. Ist z. B. S_B kurz vor einer Volladung wegen eines großen Zeitabstands zur vorherigen Volladung sehr groß, geht überwiegend die korrigierte Ladung Q_U in die Rechnung ein, da für diesen Fall die gemessene entnommene Ladung Q_B sehr ungenau ist. Umgekehrt ist vermutlich kurz nach einer Volladung Q_B sehr genau, solange S_B ausreichend klein ist, so daß in diesem Fall wegen der kleinen Kenngröße S_B die gemessene entnommene Ladung Q_B stärker in die Rechnung eingeht. Im Idealfall Q_B = Q_U schließlich wäre Q_BU = Q_B = Q_U. Durch die Mittelwertbildung mit Q_BU soll somit erreicht werden, daß vorwiegend der zur irgend einem Zeitpunkt glaubwürdigere der beiden Werte von Q_B und Q_U die Berechnung von L bestimmt. Daher wird in Fällen, in denen die Batterie in kurzen Zeitabständen voll aufgeladen wird, überwiegend Q_B, dagegen bei großen Abständen zwischen zwei Volla dungen überwiegend Q_U in die Berechnung von L eingehen.As a result, an average value, weighted with the parameters S _B and S _U, from the measured charge Q _B and the corrected charge Q _U removed is used. As a result, the one of the two values of Q _B or Q _U that is presumably the more precise is predominantly used to form Q _BU . Is z. B. S _B shortly before a full charge because of a large time interval from the previous full charge, the corrected charge Q _U is mainly included in the calculation, since in this case the measured charge Q _{B is} very imprecise. Conversely, shortly after a full charge Q _B is presumably very precise, as long as S _{B is} sufficiently small, so that in this case the measured charge Q _B taken into account is more due to the small parameter S _B. Finally, ideally Q _B = Q _U would be Q _BU = Q _B = Q _U. By averaging with Q _{BU, the} aim is to predominantly determine which of the two values of Q _B and Q _U, which is more credible at some point in time, determines the calculation of L. Therefore, in cases where the battery is fully charged at short intervals, mainly Q _{B will be used} in the calculation of L, but in the case of large distances between two charges, mainly Q _{U will be included} .

Dennoch werden durch dieses Mittelungsverfahren vorzugsweise immer beide Größen als gegenseitiges Korrektiv berücksichtigt. Das zeigt ihre Auswirkungen für die Bestimmung des Ladezustands besonders in mittleren Bereichen, wenn beide Größen etwa gleich gut zur Bestimmung des Ladezustands geeignet sind.However, this averaging method preferably always uses both variables as mutual corrective considered. This shows their impact on the determination the state of charge, especially in medium areas, when both sizes are about equally good are suitable for determining the state of charge.

Schließlich wird vorzugsweise mit einem weiteren Modul 52 berücksichtigt, daß bei großen Entladeströmen, die z. B. größer als der 10-stündige Entladestrom I₁₀ sind, aufgrund der begrenzten Diffusionsgeschwindigkeit in der Batterie weniger Ladung entnommen werden kann, als der Nennkapazität C_N bzw. C_a entspricht. Um eine unge wünschte Tiefentladung zu vermeiden, wird der Modul 52 daher mit einem Filterkreis 53 versehen, der überprüft, ob der Entladestrom gleich oder größer als der 10-stündige Entladestrom ist. Trifft dies zu, wird in einem dem Filterkreis 53 nachgeschalteten numerischen Operator 54 ein Mittelwert I_m des Batteriestroms I über z. B. 10 bis 15 min berechnet, und mit diesem Mittelwert I_m wird aus einer dritten Kennlinie 55 ein zwischen 0 und 1 liegender Korrekturfaktor K_D bestimmt, der dem Modul 16 zugeführt und in diesem mit C_n bzw. C_a multipliziert wird. Die reduzierte Kapazität gibt dann die beim aktuellen hohen Batteriestrom I_m reduzierte entnehmbare Kapazität, L dagegen den unter diesen Bedingungen errechneten Ladezustand an. Zusätzlich zum Batteriestrom I kann bei Bedarf auch die Temperatur T zur Ermittlung des Korrekturfaktors K_D benutzt werden.Finally, it is preferably taken into account with a further module 52 , that with large discharge currents, the z. B. are greater than the 10-hour discharge current I ₁₀ , due to the limited rate of diffusion in the battery less charge can be removed than the nominal capacity C _N or C _a corresponds. In order to avoid an undesired deep discharge, the module 52 is therefore provided with a filter circuit 53 , which checks whether the discharge current is equal to or greater than the 10-hour discharge current. If so, in a filter circuit 53 downstream numeric operator 54, a mean value I _m of the battery current I on z. B. calculated from 10 to 15 min, and with this mean value I _m a third characteristic 55 is used to determine a correction factor K _D lying between 0 and 1, which is fed to the module 16 and multiplied therein by C _n or C _a . The reduced capacity then indicates the removable capacity which is reduced at the current high battery current I _m , L on the other hand the charge state calculated under these conditions. In addition to the battery current I, the temperature T can also be used to determine the correction factor K _D if required.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Zahlreiche Elemente und Verfahrensschritte können auch anders als in der beschriebenen Weise ausgeführt werden. Insbesondere kann die Erfindung zur Bestimmung des Ladezustands von anderen Batterien als Bleiakkumulatoren verwendet werden. Die zur Ladezustands berechnung benutzten Module können einzelne Digital-Logik-Bausteine enthalten oder aber als Mikroprozessoren ausgebildet sein, die die beschriebenen Funktionen nach einem fest eingegebenen Programm realisieren. Entsprechendes gilt für die Kennlinien 14, 47 und 55, die durch Mikroprozessoren berechnet und aktualisiert und nach Art von Tabellen in geeigneten Speichern abgelegt sein können. Weiter ist es möglich, andere als von den Filterkreisen 16, 55 und 53 zu erkennende Bedingungen festzulegen, die auch von Batterie zu Batterie unterschiedlich sein können. Außerdem könnten die Kenngrößen S_B, S_R und/oder S_U auch als Schaltgrößen in dem Sinne verwendet werden, daß sie den Modul 23 dazu veranlassen, den Ladezustand in Abhängigkeit davon, ob sie einen vorgewählten Schwellwert über- oder unterschreiten, nur aus einer vorgewählten der beiden Ladungen Q_B oder Q_U zu bestimmen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described. Numerous elements and process steps can also be carried out differently than in the manner described. In particular, the invention can be used to determine the state of charge of batteries other than lead acid batteries. The modules used to calculate the state of charge can contain individual digital logic modules or can be designed as microprocessors that implement the functions described according to a fixed program. The same applies to the characteristic curves 14 , 47 and 55 , which can be calculated and updated by microprocessors and stored in suitable memories in the manner of tables. It is also possible to define conditions other than those to be recognized by the filter circuits 16 , 55 and 53 , which can also differ from battery to battery. In addition, the parameters S _B , S _R and / or S _{U could} also be used as switching variables in the sense that they cause the module 23 to charge the state of charge from only one, depending on whether they exceed or fall below a preselected threshold value to preselect the two charges Q _B or Q _U.

Die im Modul 13 durchgeführte Ermittlung der Ruhespannung U_R wird aufgrund der in den Filterkreis 16 eingegebenen Kriterien immer dann gemacht, wenn die vorgewählten Bedingungen von einem Entladevorgang her erreicht werden. Erfindungsgemäß könnte die Ruhespannung aber auch während eines Aufladevorgangs der Batterie ermittelt werden, in welchem Fall die genannten Bedingungen für den Batteriestrom und die Wartezeiten entsprechend geändert werden müßten. Außerdem müßte anstatt der in Fig. 2 und 3 dargestellten Kennlinie 15 eine entsprechend geänderte Kennlinie vorgegeben werden, weil die Ruhespannung in diesem Fall kleiner als die jeweilige Batteriespannung wäre. Weiterhin ist klar, daß als charakteristische Größe für den Ladezustand auch die jeweils noch in der Batterie vorhandene Ladung anstelle der jeweils bereits entnommenen Ladung verwendet werden könnte, in welchem Fall die verschiedenen Größen entsprechend umgerechnet werden müßten.The determination of the open-circuit voltage U _R carried out in the module 13 is always carried out on the basis of the criteria entered in the filter circuit 16 when the preselected conditions are achieved by an unloading process. According to the invention, the quiescent voltage could also be determined during a charging process of the battery, in which case the conditions mentioned for the battery current and the waiting times would have to be changed accordingly. In addition, instead of the characteristic curve 15 shown in FIGS. 2 and 3, a correspondingly modified characteristic curve would have to be specified, because in this case the rest voltage would be less than the respective battery voltage. It is also clear that the characteristic quantity for the state of charge could also be the charge that is still present in the battery instead of the charge that has already been removed, in which case the different quantities would have to be converted accordingly.

Schließlich versteht sich, daß die verschiedenen Merkmale auch in anderen als den dargestellten und beschriebenen Kombinationen angewendet werden können. Insbesondere könnte die anhand der Fig. 3 beschriebene Verfahrensweise auch ausschließlich zur Ermittlung der bei einer Batterie aufgrund von Alterungseffekten maximal noch verfüg baren Kapazität C_a benutzt werden. Da das Modul 41 die erste Kennlinie 14 beim normalen Betrieb der Batterie aus Wertepaaren von U_R und Q_B selbst erstellt, könnte es zur Abschätzung von C_a auch dann verwendet werden, wenn die ursprüngliche oder momentan noch vorhandene Kapazität unbekannt ist. Eine solche Vorgehensweise kann z. B. bei der Durchführung von Batteriewechseln bei einem Kraftfahrzeug zweckmäßig sein.Finally, it goes without saying that the various features can also be used in combinations other than those shown and described. In particular, the procedure described with reference to FIG. 3 could also be used exclusively to determine the maximum available capacity C _a in a battery due to aging effects. Since the module 41 itself creates the first characteristic curve 14 during normal operation of the battery from pairs of values of U _R and Q _B , it could also be used to estimate C _a if the original or currently still existing capacity is unknown. Such an approach can e.g. B. be useful when performing battery changes in a motor vehicle.

Claims

1. Method for determining the state of charge of a battery ( 1 ) connected to at least one consumer ( 2 ) and / or at least one charger ( 3 ) by measuring the battery current (I) and determining a measured charge (Q _B ) of the battery ( 1 ) from the time profile of this current (I), characterized in that no-load voltages (U _R ) are determined from battery voltages (U) and currents (I) measured under preselected conditions, from a first characteristic curve ( 14 ) relating to these rest voltages ( U _R ) associated charge values (Q _R ) are taken, this characteristic curve ( 14 ) indicating a characteristic for the battery ( 1 ) correlation between its state of charge and its rest voltage (U _R ), and from the measured charge (Q _B ) below Taking these charge values (Q _R ) into account, a corrected removed charge (Q _U ) is determined.

2. The method according to claim 1, characterized in that the quiescent voltage (U _R ) is determined taking into account a second characteristic curve ( 15 ) which, under the preselected conditions, indicates by how much the battery voltage (U) at any battery current (I) of the Quiescent voltage (U _R ) deviates.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the first characteristic curve is calculated via a correlation between acid density and rest voltage (U _R ).

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the measured charge removed (Q _B ) is determined taking into account gassing losses (I _G ).

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the measured charge (Q _B ) is corrected by a compensation current (I _K ), the inaccuracies in measuring the battery current (I) and / or in the determination of the gassing losses (I _G ) taken into account.

6. The method according to claim 5, characterized in that the battery ( 1 ) fully charged from time to time, a differential charge (Q _Diff ) from the current charge (Q _B ) and an expected charge for the full charge is formed when reaching full charge the compensation current (I _K ) is calculated from the quotient of this differential charge (Q _Diff ) and the time (t) elapsed since the last full charge.

7. The method according to claim 6, characterized in that for the calculation of the compensation current (I _K ) instead of the quotient, an average of at least two quotients obtained after full charge cycles is used.

8. The method according to claim 7, characterized in that a standard deviation (I _S ) of the mean of the at least two quotients is formed and from this a parameter (S _B ) for the inaccuracy of the current charge (Q _B ) is determined.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the first characteristic curve ( 14 ) is adapted to changing conditions in that from the measured charge (Q _B ) and an associated measured no-load voltage (U _R ) value pairs are formed and the characteristic curve ( 14 ) is repeatedly recalculated from these value pairs.

10. The method according to claim 9, characterized in that only measured removed charges (Q _B ) are used to calculate the first characteristic ( 14 ), the inaccuracy of which is less than a preselected value.

11. The method according to claim 10, characterized in that a parameter (S _R ), which corresponds to a standard deviation of the charges (Q _B ) used to calculate the characteristic ( 14 ), is determined and to form a corrected parameter (S _U ) from the Parameter (S _B ) is used.

12. The method according to claim 11, characterized in that from the measured charge removed (Q _B ) and the corrected charge removed (Q _U ) an average charge (Q _BU ) is determined, the parameter (S _B ) as a weighting factor for the corrected removed charge (Q _U ) and the corrected parameter (S _U ) as a weighting factor for the measured removed charge (Q _B ) is used from the state of charge as the average charge (Q _BU ) is determined.

13. The method according to claim 12, characterized in that the state of charge is calculated from the quotient of the difference between the nominal capacity (C _N ) and the mean charge (Q _BU ) and the nominal capacity (C _N ).

14. The method according to claim 13, characterized in that the nominal capacitance (C _a ) is calculated from the adapted first characteristic ( 14 ).

15. The method according to claim 14, characterized in that the nominal capacity (C _N , C _a ) is corrected at high discharge currents with a value (K _D ) which takes into account the diffusion speed of the battery limited at high discharge currents.

16. The method according to any one of claims 1 to 15, characterized in that instead of the removed charges, the charges still present in the battery ( 1 ) are used to determine the state of charge.

17. Method for determining the capacity (C) of a battery ( 1 ) connected to at least one consumer ( 2 ) and / or at least one charger ( 3 ) using a characteristic curve ( 14 ) which is a correlation characteristic of the battery ( 1 ) between their state of charge and their open-circuit voltage (U _R ), characterized in that the characteristic curve ( 14 ) is adjusted to changing conditions when preselected conditions are present, that from the measured charge (Q _B ) and the determined open-circuit voltage (U _R ) of the battery ( 1 ) pairs of values are formed and the characteristic curve ( 14 ) is repeatedly recalculated from these pairs of values.

18. The method according to claim 16, characterized in that only measured removed charges (Q _B ) are used to calculate the characteristic ( 14 ), the inaccuracy of which is less than a preselected value.

19. Device for determining the state of charge and / or for determining the capacity of a battery ( 1 ), characterized in that it is set up to carry out the method according to one or more of claims 1 to 18.