DE69933553T2

DE69933553T2 - Elektronischer batterietester

Info

Publication number: DE69933553T2
Application number: DE69933553T
Authority: DE
Inventors: I. Kevin Batavia BERTNESS
Original assignee: Midtronics Inc
Current assignee: Midtronics Inc
Priority date: 1998-04-27
Filing date: 1999-04-12
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2019-04-13
Also published as: JP2003502792A; EP1075655A4; DE69933553D1; EP1075655A1; AU3553499A; HK1024058A1; US6172505B1; CN1236894A; CN1142445C; WO1999056121A1; EP1075655B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft den Test oder die Prüfung von Speicherbatterien. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung elektronische Batterie-Testvorrichtungen, welche zum Testen der Speicherbatterien verwendet werden.
Speicherbatterien wie beispielsweise Bleiakkumulatoren von der Art, wie sie in der Kraftfahrzeug- oder Energiebereitstellungsindustrie verwendet werden, gibt es seit vielen Jahren. Das Verständnis der natürlichen Beschaffenheit derartiger Speicherbatterien, der Betriebsweise derartiger Speicherbatterien und der Vorgehensweise, wie man derartige Batterien ganau prüft oder testet, ist jedoch eine fortwährende Herausforderung und hat sich als ziemlich schwierig erwiesen. Speicherbatterien bestehen aus einer Vielzahl von individuellen Speicherzellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Für gewöhnlich weist jede Zelle ein Spannungspotential von ungefähr 2,1 Volt auf. Durch Schalten der Zellen in Reihe werden die Spannungen der einzelnen Zellen auf kumulative Art und Weise addiert. Beispielsweise werden in einer typischen Fahrzeug-Speicherbatterie sechs Speicherzellen zur Bereitstellung einer Gesamtspannung verwendet, wenn die Batterie mit 12,6 Volt voll geladen ist.
Es gibt eine Verlaufsgeschichte von Versuchen, um den Zustand von Speicherbatterien genau zu testen oder zu prüfen. Ein einfacher Test besteht darin, die Spannung der Batterie zu messen. Falls die Spannung unter einem gewissen Schwellenwert liegt, wird die Batterie als schlecht oder unbrauchbar bestimmt. Dieser Test ist jedoch unpraktisch, da er es erforderich macht, dass die Batterie vor Durchführung des Tests aufgeladen wird. Falls die Batterie entladen ist, ist die Spannung niedrig und eine gute Batterie kann fälschlicherweise als schlecht oder unbrauchbar getestet werden. Des Weiteren gibt ein derartiger Test keinen Hinweis dafür, wieviel Energie in der Batterie gespeichert ist. Ein weiteres Verfahren zum Testen einer Batterie wird als Belastungsprobe bezeichnet. In einer Belastungsprobe wird die Batterie unter Verwendung eines bekannten Verbrauchers oder einer bekannten Belastung entladen. Während sich die Batterie entlädt wird die Spannung an der Batterie überwacht und zur Bestimmung des Zustands der Batterie verwendet. Dieses Verfahren erfordert, dass die Batterie ausreichend geladen ist, damit sie Strom an den Verbraucher liefern kann.
Kürzlich wurde von Dr. Keith S. Champlin und der Firma Midtronics, Inc. in Burr Ridge, Illinois für ein Verfahren zum Testen von Speicherbatterien der Weg gebahnt, indem die Leitfähigkeit der Batterien gemessen wurde. Aspekte dieses Verfahrens sind in einer Reihe von US-Patenten beschrieben, wie bespielsweise US-Patent 3,873,911, erteilt am 25. März 1975 an Champlin mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTING DEVICE, Elektronische Batterie-Testvorrichtung": US-Patent 3,909,708, erteilt am 30. September 1975 an Champlin mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTING DEVICE, Elektronische Batterie-Testvorrichtung; US-Patent 4,816,768, erteilt am 28. März 1989 an Champlin mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTING DEVICE, Elektronische Batterie- Testvorrichtung"; US-Patent 4,825,170, erteilt am 25. April 1989 an Champlin mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTING DEVICE WITH AUTOMATIC VOLTAGE SCALING, Elektronische Batterie-Testvorrichtung mit automatischer Spannungsskalierung"; US-Patent 4,881,038, erteilt am 14. November 1989 an Champlin mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTING. DEVICE WITH AUTOMATIC VOLTAGE SCALING TO DETERMINE DYNAMIC CONDUCTANCE, Elektronische Batterie-Testvorrichtung mit automatischer Spannungsskalierung zur Bestimmung der dynamischen Leitfähigkeit; US-Patent 4,912,416, erteilt am 27. März 1990 an Champlin mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTING DEVICE WITH STATE-OF-CHARGE COMPENSATION, Elektronische Batterie-Testvorrichtung mit Ladungszustands-Kompensation; US-Patent 5,140,269, erteilt am 18. August 1992 an Champlin mit dem Titel "ELECTRONIC TESTER FOR ASSESSING BATTERY/CELL CAPACITY, Elektronische Testvorrichtung zur Bewertung der Batterie-/Zellenkapazität"; US-Patent 5,343,380, erteilt am 30. August 1994 mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR SUPPRESSING TIME VARYING SIGNALS IN BATTERIES UNDERGOING CHARGING OR DISCHARGING, Verfahren und Vorrichtung zur Unterdrückung in der Zeit variierender Signale in Batterien, welche einer Ladung oder Entladung unterzogen werden"; US-Patent 5,572,136, erteilt am 5. November 1996 mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTER WITH AUTOMATIC COMPENSATION FOR LOW STATE-OF CHARGE, Elektronische Batterie-Testvorrichtung mit automatischer Kompensation eines niedrigen Ladezustands"; US-Patent 5,574,355, erteilt am 12. November 1996. mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR DETECTION AND CONTROL OF THERMAL RUNAWAY IN A BATTERY UNDER CHARGE, Verfahren und Vorrichtung, zur Erfassung und Steuerung eines ausgerissenen Wärmemesswerts in einer aufgeladenen Batterie"; US-Patent 5,585,728, erteilt am 17. Dezember 1996 mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTER WITH AUTOMATIC COMPENSATION FOR LOWSTATE-OF-CHARGE, Elektronische Batterie-Testvorrichtung mit automatischer Kompensation für einen niedrigen Ladungszustand"; US-Patent 5,592,093, erteilt am 7. Januar 1997 mit dem Titel "ELEC-TRONIC BATTERY TESTING DEVICE LOOSE TERMINAL CONNECTION DETECTION VIA A COMPARISON CIRCUIT, Lose Anschlussverbindungserfassung bei einer elektronischen Batterie-Testvorrichtung über einen Vergleichsschaltkreis"; US-Patent 5,598,098, erteilt am 28. Januar 1997 mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTER WITH VERY HIGH NOISE IMMUNITY, Elektronische Batterie-Testvorrichtung mit einer sehr hohen Rauschimmunität"; US-Patent 5,757,192, erteilt am 26. Mai 1998 mit dem Titel "METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING A BAD CELL IN A STORAGE BATTERY, Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung einer unbrauchbaren Zelle in einer Speicherbatterie"; US-Patent 5,821,756, erteilt am 13. Oktober 1998 mit dem Titel "ELECTRONIC BATTERY TESTER WITH TAILORED COMPENSATION FOR LOW STATE-OF-CHARGE, Elektronische Batterie-Testvorrichtung mit zugeschnittener Kompensation bei einem niedrigen Ladungszustand"; und US-Patent 5,831,435, erteilt am 3. November 1998 mit dem Titel "BATTERY TESTER FOR JIS STANDARD, Batterie-Testvorrichtung für JIS-Standard".
Zusätzlich beschreibt die WO 98/04910 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung von Zuständen einer Speicherbatterie mit Testschaltkreisen, welche an eine Batterie unter Verwendung einer Kelvin-Verbindung gekoppelt sind.
ZUSAMEMNFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung weist eine Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Speicherbatterie sowie ein Verfahren zur Reduzierung eines induktiv gekoppelten Stroms in einer Kelvin-Sonde einer elektronischen Batterie-Testvorrichtung gemäß den anliegenden Ansprüchen auf. Ein Aspekt der Erfindung weist einen Induktionsaufhebungs-Schaltkreis zur Verwendung in einer Kelvin-Sonde einer elektronischen Batterie-Testvorrichtung auf. Der Induktionsaufhebungs-Schaltkreis reduziert die induktive Kopplung zwischen Leitungen der Kelvin-Sonde.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Kurzbeschreibung der Erfindung anhand der Zeichnungen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockdiagramm, welches eine Batterie-Testvorrichtung gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Schemadiagramm, welches einen Induktionsaufhebungsschaltkreis zur Verwendung mit Kelvin-Sonden gemäß der Erfindung zeigt;
3 ein vereinfachtes Schemadiagramm eines gleichspannungsgekoppelten Wechselstromverstärkers von 1;
4A ein vereinfachtes Schemadiagramm einer Stufe eines kritisch gedämpften Filters aus 1;
4B eine graphische Darstellung von Amplitude im Verhältnis zur Frequenz, welche die Signalantwort des Filters von 4A zeigt;
5 ein vereinfachtes Schemadiagramm eines einstellbaren Verstärkers von 1;
6 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Gleichstromumrichters;
7 ein vereinfachtes elektrisches Schemadiagramm eines Abschalt-Schaltkreises; und
8 ein vereinfachtes Schemadiagramm, welches einen Kalibrierschaltkreis gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es besteht ein fortlaufender Bedarf an einem verbesserten Testverfahren für Speicherbatterien. Die vorliegende Erfindung weist eine Batterie-Testvorrichtung auf, in welcher Strom entweder in die Batterie injiziert wird oder Strom von der Batterie entnommen wird (d.h. eine Stromsenke). Der Strom wird bei einer gewünschten Wechselstromfrequenz abwechselnd ein- und abgeschaltet. Die Erfindung stellt eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zur Verwendung einer großen Widerstandslast bereit, wobei die Vorteile Folgende einschließen:

– Unempfindlichkeit gegenüber Abweichungen des Kontaktwiderstandes.
– Hohe Normgerechtigkeit - die Fähigkeit, Batterien mit 1 bis 6 Zellen mit einem einzigen Schaltkreis zu testen, ohne dass die Möglichkeit besteht, dass der Schaltkreis beschädigt wird.
– Festgelegte und/oder vorhersehbare Stromkopplungsauswirkungen in den Messleitungsdrähten, welche zur Kopplung an die Batterie verwendet werden.
– Unter Vorgabe der Funktion G (Leitfähigkeit) = I/E, ergibt sich aus einem im Wesentlichen konstanten Strom eine im Wesentlichen konstante Stromstärke I. Daher muss lediglich der Wert von E gemessen werden und eine einfache Inversion führt zu einer Größe, die direkt proportional zu G ist.
– verringerte Anforderungen an ein elektrisches Durch- oder Verschmelzen der Vorrichtung.

1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Batterie-Testvorrichtung 10, welche eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Speicherbatterie 12 gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Batterie-Testvorrichtung 10 koppelt an die Pole 14A und 14B der Batterie 12, indem sie eine Vierpunkt-Kelvin-Verbindung verwendet, welche mit Kabeln 16A, 16B, 18A und 18B durch ein Induktions-Aufhebungskabel 20 sowie einen Selbstkalibrierungs-Schaltkreis 21 gebildet wird. Es ist eine geschaltete Stromquelle 22 bereitgestellt, welche einen Schalter 22A und eine Stromquelle 22B aufweist, und welche mit den Kabeln 18A und 18B in Reihe geschaltet ist. In einer Ausführungsform arbeitet der Schalter 22A bei einer Frequenz zwischen ungefähr 5 Hz und ungefähr 500 Hz. Die Kabel 16A und 16B sind mit einem gleichspannungsgekoppelten Wechselstromverstärker 24 hoher Impedanz in Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung verbunden. Der gleichstromgekoppelte Wechselstrom-Verstärker 24 liefert ein verstärktes Ausgangssignal 26 an ein kritisch gedämpftes Filter 28 in einem Vergleichsbeispiel, welches ein gefiltertes Ausgangssignal 30 an einen automatischen Bereichsverstärker 32 bereitstellt. Ein Ausgangssignal 34 aus dem automatischen Bereichsverstärker 32 wird an einen A/D-Wandler 36 geliefert, welcher wiederum ein Ausgangssignal 38 an einen Mikroprozessor 40 liefert. Der Mikroprozessor ist mit einem Display-Ausgang 42 und einem Eingang 44 eines Tastenfelds, einer Tastatur oder anderweitiger Verwendung gekoppelt. Optional können andere Arten von Eingängen und Ausgängen, welche als Eingabe/Ausgabe I/O 46 veranschaulicht sind, mit dem Mikroprozessor 40 gekoppelt sein. Beispielsweise kann der Mikroprozessor 40 an einen externen Drucker, eine Datenkommunikationsvorrichtung wie beispielsweise ein Modem, oder eine externe Speichervorrichtung koppeln. Die I/O 46 kann unter Verwendung einer physikalischen Verkabelung oder durch nicht physikalische Verbindungen wie beispielsweise einer Infrarot-, Ultraschall- oder Funkfrequenz gekoppelt sein. Die Batterie-Testvorrichtung 10 wird mit Hilfe des Gleichstromumrichters 48 in einem Vergleichsbeispiel betrieben.
2 ist ein vereinfachtes Schemadiagramm eines Induktions-Aufhebungskabels 20, welches eine Batterie 12 an eine Stromquelle 22 und einen gleichspannungsgekoppelten Wechselstromver stärker 24 durch eine Kelvin-Verbindung koppelt. Ein Problem bei Batterie-Testvorrichtungen des Standes der Technik ist die wechselseitige Induktanz aufgrund der Kelvin-Verbindungen, die zur Kopplung an die Batterie verwendet werden. Dies hat zu der induktiven Kopplung des Stroms in den Messleitungen aufgrund ihrer unmittelbaren Nähe geführt. Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch eine Transformator-Kopplungsanordnung bereitgestellt, welche die unerwünschte Kreuzkopplung wirksam "auf Null bringt", wie es in 2 dargestellt ist. Dies ermöglicht die Verwendung der vorliegenden Erfindung bei einer Vielzahl untereinander austauschbarer Kabel, sogar auf Batterien mit einer hohen Kapazität. Der Transformator 50 ist mit Wicklungen 52 und 54 mit Kelvin-Leitungen 16B bzw. 18B in Reihe geschaltet. Die Wicklungen 52 und 54 sind in entgegengesetzter Richtung auf einen Eisenkern 56 gewickelt.
Während des Betriebs ist der Strom in den Leitungen 18B und 18A von der Stromquelle 22 induktiv mit den Drähten 16B und 16A gekoppelt. In Batterie-Testvorrichtungen des Standes der Technik kann dies eine Quelle für Messfehler bedeuten. Der Transformator 50 verursacht jedoch einen entgegengesetzten Aufhebungsstrom, welcher mit den Drähten 16B und 16A gekoppelt werden soll. Die Kopplung zwischen 52 und 54 kann gesteuert werden, indem die Position des Kerns 56 angepasst oder eingestellt wird. Eine derartige "Einstellung" kann während der Herstellung erfolgen. Des Weiteren können die Kabel 16A, 16B, 18A und 188 lösbar mit der Batterie-Testvorrichtung 10 derart gekoppelt werden, dass bei Beschädigung der Kabel oder dann, wenn anderweitig gewünscht wird, dass die Kabel ausgetauscht werden, ein neues Kabelpaar angebracht werden kann. Das neue Kabelpaar weist seinen eigenen Transformator 50 auf und wird "angepasst", indem der Kern 56 während der Herstellung so eingestellt wird, dass der Rauschstrom wirksam ausradiert oder beseitigt wird. Es versteht sich, dass in weniger kritischen Anwendungen ein fest angeordneter Transformator verwendet werden kann und dass die Transformatorkopplung keine Anpassung erforderlich macht. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung des Induktanz-Aufhebungskabels 20 relativ große Längen des Kabels, ohne dass es unter einer übermäßigen induktiven Kopplung zwischen den Kabeln leidet. Beispielsweise kann die Batterie-Testschaltkreisanordnung eine gewisse Distanz von der Batterie weg angeordnet sein, beispielsweise dann, wenn sie von einem Maschinenbediener an einem Teststand gehalten wird oder wenn dieser in einem Fahrzeug sitzt, während ein Batterietest durchgeführt wird. Lange oder kurze Kabel oder andere Verkabelungskonfigurationen können leicht ausgetauscht werden, indem ein Kabelpaar einfach von der Testvorrichtung 10 getrennt wird und ein gewünschtes Paar neu angeschlossen wird. Da das Kabel zuvor für eine geeignete Aufhebung angepasst worden ist, muss der Operator keine weiteren Einstellungen im Feld vornehmen. Der in 2 gezeigte Transformator ist lediglich eine Implementierung oder Realisierung dieser Idee und andere Verfahren zur Einführung eines Aufhebungs- oder Löschsignals, wie beispielsweise durch aktive Vorrichtungen oder andere Kopplungsverfahren, werden als innerhalb des Schutzumfang der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
3 ist ein vereinfachtes Diagramm eines gleichspannungsgekoppelten Wechselstromverstärkers 24 in einem Vergleichsbeispiel. Der gleichspannungsgekoppelte Wechselstromverstärker 24 weist einen Differenzverstärker 60 sowie einen Differenzverstärker 62 auf. In den gezeigten Ausführungsformen ist der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers 60 mit dem in 1 gezeigten Kabel 16A durch einen Widerstand 64 verbunden, und der invertierende Eingang des Verstärkers 60 koppelt an das Kabel 16B über eine Wicklung 52, wie es in 2 gezeigt ist, und weiter durch einen Widerstand 66. Der Ausgang des Verstärkers 60 ist mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 60 durch einen Widerstand 68 verbunden, um eine negative Rückkopplung bereitzustellen. Des Weiteren ist der Ausgang des Verstärkers 60 mit dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 60 durch einen Integrator 70 und Widerstände 72 und 74 gekoppelt. Der Integrator 70 wird durch den Differenzverstärker 62 gebildet, welcher von seinem Ausgang zu seinem invertierenden Eingang durch den Kondensator 76 eine negative Rückkopplung aufweist.
Der nicht-invertierende Eingang des Differenzverstärkers 62 ist mit elektrischer Masse 78 gekoppelt. Vorzugsweise weist der mit gleichspannungsgekoppelte Wechselstromverstärker 24 einen Verstärkungsfaktor Eins auf.
Beim Stand der Technik wurden wechselspannungsgekoppelte Verstärker in Batterie-Testvorrichtungen verwendet. Derartige Verstärker induzieren jedoch sowohl Gleichtaktfehler als auch eine Variabilität der Impedanz aufgrund von Veränderungen beispielsweise in Kondensatoren, welche zur Kopplung an das Messsignal verwendet werden. Darüber hinaus müssen die Kopplungskondensatoren relativ groß sein, um eine Verzerrung des Eingangsmesssignals zu vermeiden. Derartige Kondensatoren haben die negative Auswirkung, dass sie die Setzzeit, die zum Erhalt einer genauen Messung erforderlich ist, reduzieren. Andererseits wurde eine Wechselstromkopplung bei Batterie-Testvorrichtungen des Standes der Technik verwendet, um eine Vervielfachung der Wechselstromspannung der Batterie durch den entsprechend hohen Verstärkungsfaktor des Verstärkers zu vermeiden. Die Verwendung eines gleichspannungsgekoppelten Wechselstromverstärkers löst diese Probleme und erfordert keine großen Kopplungskondensatoren.
Insbesondere empfängt der gleichspannungsgekoppelte Wechselstromverstärker 24 ein Gleichstrom-Fehlersignal 80, welches das Gleichstromsignal darstellt, das am Ausgang des Verstärkers 60 vorliegt. Das Gleichstrom-Fehlersignal 80 wird mit Hilfe des Integrators 70 erzeugt, der eine vom Kondensator 76 bestimmte Zeitkonstante aufweist, die für die besondere Anwendung basierend auf der Betriebsfrequenz des in der geschalteten Stromquelle 22 verwendeten Schalters 22A ausgewählt wird. Somit ist das Ausgangssignal 26 des gleichspannungsgekoppelten Wechselstromverstärkers 24 ein reines Wechselstromsignal, das ansprechend auf eine Anwendung der geschalteten Stromquelle 22 erzeugt wird. Die in 3 gezeigte Implementierung ist lediglich ein Beispiel, das einen gleichspannungsgekoppelten Verstärker zeigt. Die vorliegende Erfindung weist jedoch jedes beliebige Kopplungsverfahren zur Verwendung bei der Messung eines Wechsel stromsignals von einer im Test befindlichen Batterie auf, welche keinen großen wechselspannungsgekoppelten Kondensator erforderlich macht, um die Gleichspannung von der Batterie zu blockieren.
4A ist ein vereinfachtes Diagramm einer Filterstufe 100 zweiter Ordnung des in 1 gezeigten kritisch gedämpften Filters 28. 4B ist ein Schaubild einer Amplitude im Verhältnis zur Frequenz, welches die Eigenschaften des Filters 28 gemäß der Erfindung zeigt. Vorzugsweise weist das Filter 28 vier derartige Stufen 100 auf. Die Stufe 100 schließt einen Differenzverstärker 110 ein, welcher eine negative Rückkopplung durch einen Widerstand 102 und einen Kondensator 104 aufweist. Ein Eingangssignal wird durch den Widerstand 106 und den Kondensator 108 empfangen und mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 110 gekoppelt. Der nicht-invertierende Eingang des Verstärkers 110 ist durch einen Widerstand 112 mit elektrischer Masse 78 gekoppelt.
Das Filter 100 bildet ein Bandpassfilter zweiter Ordnung und wird als einzige Stufe des in 1 gezeigten kritisch gedämpften Filters 28 verwendet. Das kritisch gedämpfte Filter 28 weist insgesamt vier solche Stufen auf, die in Reihe geschaltet sind.
Das kritisch gedämpfte Filter 28 stellt ein kritisch gedämpftes Bandpassfilter gemäß Darstellung in 4B bereit. 4B veranschaulicht zudem ein überdämpftes und ein unterdämpftes Filter. Vorzugsweise weist das Filter 28 eine elektrische Ladungsmenge Q gleich 1 sowie eine Bandpass-Mittenfrequen (f₀) auf, die so konfiguriert ist, dass sie dieselbe Frequenz wie die des in 1 gezeigten Schalters 22A aufweist. Falls das Filter überdämpft ist, ist die Ansprechzeit des Systems langsam. Falls das System unterdämpft ist, "ertönt" das Signal. Dies lässt im Wesentlichen nur Komponenten in dem Ansprechsignal an der Batterie 12 zu, welche dieselbe Frequenz wie die Stromquelle 22 aufweisen, um an den automatischen Bereichsverstärker 30 weitergeleitet zu werden. Es versteht sich, dass zusätzliche Filterstufen über die bevorzugten acht Stufen hinaus verwendet werden können, wobei dies jedoch zu erhöhten Herstellungskosten führt. Der Verstärker 28 weist bevorzugt einen Gesamtverstärkungsfaktor von 16 auf. In einem Vergleichsbeispiel kann jede beliebige Art von Filter implementiert werden. Das gezeigte spezielle analoge Filter ist lediglich eine bevorzugte Ausführungsform. Des Weiteren kann ein Filter auch digital implementiert werden.
Bei 5 handelt es sich um ein vereinfachtes Diagramm eines automatischen Bereichsverstärkers 32 (mit programmierbarem Verstärkungsfaktor oder auswählbarem Verstärkungsfaktor). In 5 handelt es sich bei dem Verstärker 32 und um einen Zweistufen-Verstärker mit einer ersten Stufe 140, welche auswählbare Verstärkungsfaktoren von 1, 2, 4 und 8 aufweist, sowie mit einer zweiten Stufe 142, welche auswählbare Verstärkungsfaktoren von 1, 10, 100 und 1000 aufweist. Der Verstärker 140 ist mit dem Ausgang 30 aus dem kritisch gedämpften Filter 28 über einen Kopplungskondensator 144 gekoppelt. Der Verstärker 140 weist einen Verstärker 146 mit auswählbarem Verstärkungsfaktor sowie einen Widerstand 148 auf. Der Verstärker 146 empfängt Eingangssignale A₀ und A₁, welche die vom Verstärker 146 bereitgestellte Verstärkung steuern. Die Verstärkerstufe 142 weist einen Verstärker 150 auf, dessen Eingang durch den Kopplungskondensator 154 mit dem Widerstand 152 und dem Ausgang des Verstärkers 146 gekoppelt ist. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 150 wird mit Hilfe der Steuereingangssignale A₂ und A₃ gesteuert. Die Verstärker 146 und 150 sind durch die Steuereingangssignale A₀ bis A₃ mit dem Mikroprozessor 40 gekoppelt. Der Mikroprozessor 40 steuert den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 32 durch selektive Veränderung der Eingangssignale A₀ bis A₃ gemäß der nachfolgenden Tabelle:
TABELLE 1 während des Betriebs stellt der Verstärker 32 einen programmierbaren Verstärkungsfaktor zwischen 1 und 8000 bereit. Unter der Steuerung des Mikroprozessors 40 kann der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 32 derart angepasst werden, dass die Batterie-Testvorrichtung 10 in der Lage ist, Batterien mit einer großen Bandbreite von Widerständen oder Leitfähigkeit (d.h. zwischen 10 mhos und 10000 mhos) zu testen. Der Mikroprozessor 40 erhöht den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 32 durch Steuerung der Eingangssignale A₀ bis A₃, bis ein maximales Signal durch den Analog/Digital-Wandler 36 empfangen wird. Diese Anpassung erfolgt automatisch und erfordert keine Mitwirkung oder keinen Eingriff durch einen Operator. Dies verbessert die einfache Handhabung der Vorrichtung 10 und verringert die Wahrscheinlichkeit einer falschen Messung aufgrund eines Bedienerfehlers. Der in 5 gezeigte Verstärker 32 mit anpassbarem oder veränderbarem Verstärkungsfaktor ist lediglich ein Beispiel für einen einstellbaren Verstärker und die vorliegende Erfindung schließt jede beliebige Verstärkerkonfiguration ein. Des Weiteren kann der Verstärker überall in dem Signalpfad angeordnet werden und muss nicht zwischen einem kritisch gedämpften Filter wie beispielsweise dem Filter 28 und einem Analog/Digital-Wandler 36 angeordnet werden.
6 ist ein vereinfachtes Schemadiagramm einer Gleichstromumrichter-Schaltkreisanordnung 48. Die Schaltkreisanordnung 48 weist einen Gleichstromumrichter 170 von der Art eines Schaltwandlers ein, welcher positive und negative Eingänge, positive und negative Ausgänge sowie einen Synchronisierungseingang einschließt. 6 zeigt zudem Spannungen V_CC, V'_CC, +V_SS und –V_SS. V_CC wird für gewöhnlich entweder durch eine interne Spannungsquelle wie z.B. eine interne Batterie bereitgestellt, oder sie wird von der sich im Test befindlichen Batterie 12 abgeleitet oder abgezweigt, falls die Batterie 12 ausreichend groß ist. V_CC ist über den Widerstand 172 mit dem positiven Eingang des Wandlers 170 und mit V'_CC gekoppelt. Der Kondensator 174 koppelt V_CC mit Masse 78 und der Kondensator 176 koppelt V'_CC mit Masse 78. Die Kombination des Widerstands 172 und des Kondensators 174 sowie die Kombination des Widerstands 172 und des Kondensators 176 stellen Filter für Signalrauschen bei V_CC und V'_CC bereit. In einem Beispiel der Erfindung wird V_CC zum Betreiben einer Schaltkreisanordnung mit sehr geringem Rauschen wie beispielsweise der Verstärker 24, das Filter 28, der Verstärker 32 usw. verwendet. V'_CC jedoch wird zum Betreiben einer Schaltkreisanordnung verwendet, welche Rauschen erzeugen kann und ist selbst weniger anfällig für Rauschen, wie beispielsweise der Mikroprozessor 40 sowie eine andere digitale und logische Schaltkreisanordnung. Des Weiteren werden die Spannungen +V_SS und –V_SS zum Betreiben gewisser analoger Bauelemente verwendet, welche mehrere Versorgungsspannungen wie beispielsweise plus und minus 15 Volt erforderlich machen. Die Induktoren 178 und 180 blockieren oder sperren Rauschsignale des Wandlers 170 von Versorgungsspannungen +V_SS und –V_SS. In einem Beispiel handelt es sich bei dem Wandler 170 um einen Schaltwandler mit einer Frequenz von ungefähr 400 KHz und der Mikroprozessor 40 arbeitet bei ungefähr 4 MHz. Die in 6 bereitgestellte Rauschsignal- isolierung verringert Rauschen in kritischen Bauelementen der Batterie-Testvorrichtung 10 und verbessert auf diese Weise die Messgenauigkeit.
Der Wandler 170 weist zudem ein Energie-Reduzierungsverfahren auf, bei dem das Synchronisationssignal (SYNCIN) durch den Mikroprozessor 40 bereitgestellt wird. In manchen Fällen ist für den Betrieb keine analoge Test-Schaltkreisanordnung erforderlich. Während dieser Zeitperioden kann der Mikroprozessor 40 das Signal SYNCIN an den Wandler 170 derart steuern, dass der Wandler 170 abgeschaltet wird und die Versorgungsspannungen +V_SS und V'_SS nicht erzeugt werden. Dies sorgt für verringerte Energieanforderungen.
Die vorliegende Erfindung schließt eine verbesserte interne (Stromversorgungs-)Batterie-Lebensdauer ein. Die Erfindung kann zum Testen von Batterien mit einer 1,75 Volt niedrigen Leerlaufspannung durch Verwendung einer internen Batterie eingesetzt werden. (Falls die Batterie 12 groß genug ist, kann die Vorrichtung 10 durch die Batterie 12 betrieben werden). Jedoch kann anstatt der Benötigung eines teuren wiederaufladbaren Batteriepakets auch eine einfache austauschbare Batterie wie beispielsweise eine 9V Einwegbatterie verwendet werden. Dies ist auch möglich, obwohl eine derartige Batterie eine Energiequelle mit relativ niedriger Kapazität bereitstellt, da die vorliegende Erfindung eine Reihe von Schaltkreisen aufweist, welche geringere Energie benötigen, um auf diese Weise die Lebensdauer der Batterie zu verbessern. Diese Schaltkreise weisen einen bipolaren analogen Stromabschaltschaltkreis 200 auf (7), einen Hochgeschwindigkeits-Top-Down-Autobereichsschaltkreis zur Minimierung der Testzeit, sowie einen automatischen Energiereduzierungs-Versorgungsschaltkreis 48 (wurde vorstehend beschrieben) auf.
In einem Beispiel erstreckt sich der Verstärker 32 automatisch über einen Bereich von 1 bis 8000. Wenn in Betrieb, dann verbraucht der Verstärker 32 das 10-fache der internen Batterieenergie im Vergleich zu dem Fall, wenn der Verstärker nicht eingeschaltet ist. Daher ist es von Vorteil, die Einschaltzeit des Verstärkers zu begrenzen. Die Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Zellenanzahl aufgrund einer Summierung des Reihenwiderstandes ab. Als Ergebnis erfordern geringere Leitfähigkeitsmessungen einen geringeren Verstärkungsfaktor als höhere Leitfähigkeitsmessungen.
Für gewöhnlich ist die Zellenanzahl der Batterie 12 dem Mikroprozessor 40 bekannt, da diese von einem Operator eingegeben worden ist. Der Mikroprozessor 40 kann dann den für die Messung erforderlichen anfänglichen Verstärkungsfaktor des Verstärkers 32 steuern. Aus dem anfänglichen Verstärkungsfaktor kann der Mikroprozessor den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 32 entweder höher oder niedriger einstellen, um den angemessenen Verstärkungsfaktor für eine spezielle Batteriekonfiguration zu erhalten. Dies verringert den für den Erhalt einer Messung erforderlichen Zeitaufwand erheblich und verringert auf diese Weise den Energieverbrauch. Der anfängliche Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufe 32 ergibt sich folgendermaßen:

ANZAHL DER ZELLEN ANFÄNGLICHER VERSTÄRKUNGSFAKTOR

1 8000

2 4000

3 4000

4 2000

5 1000

6 800
Der Abschaltschaltkreis 200 ist in 7 gezeigt und kann zur Abschaltung der gesamten Energie an die analoge Schaltkreisanordnung in Vorrichtung 10 verwendet werden. Der Schaltkreis 200 schließt eine interne Batterie 202, Transistoren 204 und 206, eine Diode 208 und Vorspannungswiderstände 210, 212, 214 und 216 ein. Wenn die Vorrichtung 10 mit der Batterie 12 gekoppelt ist, schaltet sich der Transistor 204 ein, wodurch wiederum der Transistor 206 aktiviert wird, so dass eine Spannung V_DD von der internen Batterie 202 an einem Ausgang des Schaltkreises 200 bereitgestellt wird. V_DD wird dann zum Betreiben von analogen Bauelementen in der Vorrichtung 10 verwendet. Nach Entfernen der Batterie 12 jedoch schaltet sich der Transistor 206 ab, wodurch die Versorgungsspannung V_DD beendet wird. Des Weiteren kann der Mikroprozessor 40 während des Betriebs die Versorgungsspannung V_DD selektiv beenden, indem er über eine Diode 208 ein Signal zur Abschaltung des Transistors 206 bereitstellt. Somit schließt ein Aspekt der vorliegenden Erfindung die Trennung oder Unterbrechung derjenigen Bauelemente ein, die von der internen Energieversorgung, welche von der internen Batterie 202 der Vorrichtung 10 erzeugt wird, nicht eingesetzt werden. Bei den unterschiedlichen Verfahren zur Implementierung dieses Aspekts der Erfindung handelt es sich lediglich um eine bevorzugte Ausführungsform. Fachleute in der Technik werden erkennen, dass auch andere Verfahren eingesetzt werden können, um die Energielieferung an unterschiedliche Bauelemente zu unterbrechen oder unterschiedliche Bauelemente auf andere Art und Weise abzuschalten.
Ein Selbstkalibrierungsmerkmal verwendet eine Kalibrierungs-Schaltkreisanordnung 21, welche in einem vereinfachten elektrischen Schemadiagramm in 8 gezeigt ist. Die Schaltkreisanordnung 21 schließt einen Leitfähigkeitsstandard 240 eines Manganin-Nebenschlussschaltkreises oder Shunt ein. Der Shunt 240 kann hinsichtlich einem Standard, der auf das nationale Standardisierungsinstitut der USA (NIST) zurückführbar ist, kalibriert werden. Die Schalter 240, 242 und 244 sind mit dem Mikroprozessor 40 gekoppelt und sind so ausgelegt, dass sie den Nebenschlussschaltkreis oder Shunt 240 mit einem Verstärker 24 selektiv in Reihe schalten. Die Mikroprozessoren können dann die Leitfähigkeit der Nebenschlussschaltkreise oder Shunts 240 unter Vewendung des Verstärkers 24, des Filters 28, des Verstärkers 32 und des Analog/Digital-Wandlers 36 messen und die gemessene Ablesung mit dem in einem Speicher 40A im Mikroprozessor 40 gespeicherten kalibrierten Standard vergleichen. Die Differenz zwischen dem gemessenen Wert und dem kalibrierten Wert kann zur Einführung eines Korrekturfaktors und anschließender Messungen verwendet werden, um auf diese Weise die Kalibrierung der Testvorrichtung 10 zu bewahren. Die Kalibrierung kann automatisch erfolgen, wenn die Testvorrichtung 10 anfänglich mit der Batterie 12 gekoppelt wird oder sie kann durch einen Benutzer über die Tastatur 44 eingeleitet werden.
In noch einem weiteren Beispiel enthält der Speicher 48 des Mikroprozessors 40 verschiedene vordefinierte Bezugsstandards. Der geeignete Bezugsstandard für eine spezielle Batterie 12 wird von einem Operator durch eine Eingabe 44 ausgewählt. Des Weiteren kann ein Operator den im Speicher 40A gespeicherten Standard zurückholen oder aufrufen und durch eine Anzeige 42 betrachten. Falls der Standard verändert worden ist oder anderweitig gewünscht wird, dass ein Standard verändert wird, kann der Operator die Stardards oder Normen unter Vewendung der Eingabevorrichtung 44 ändern. Der im Speicher 40A gespeicherte Standard kann zudem ausgedruckt werden, beispielsweise, indem ein Ein-/Ausgabe-Port 46 verwendet wird.
Eine automatische Temperaturkompensation ist ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung. Ein in 1 gezeigter Temperatursensor 250 kann eine Temperatureingabe in den Mikroprozessor 40 bereitstellen. Beispielsweise kann der Sensor 250 ein Thermoelement, einen Thermistor oder einen Infrarot-Temperatursensor aufweisen, welche auf die Batterie 12 gerichtet sind. Ein Analog/Digital-Wandler (nicht gezeigt) liefert eine digitale Darstellung der Temperatur 250 an den Mikroprozessor 40. Basierend auf der gemessenen Temperatur kann der Mikroprozessor 40 die Testergebnisse basierend auf im Speicher 40A gespeicherten Informationen modifizieren, um auf diese Weise Temperaturabweichungen zu kompensieren.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für Fachleute in der Technik offensichtlich, dass Änderungen hinsichtlich Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der Erfindung gemäß Definition in den Ansprüchen abzuweichen. Die in 1 veranschaulichten verschiedenen Funktionsblöcke können unter Verwendung jedes beliebigen geeigneten Verfahrens imple mentiert werden und sind nicht auf die hier offenbarten Verfahren beschränkt. Des Weiteren können die verschiedenen Aspekte der Erfindung in jeder speziellen Reihenfolge implementiert werden und sind nicht auf die in 1 gezeigte Reihenfolge beschränkt. Die Funktionsblöcke können sowohl in einer analogen als auch in einer digitalen Schaltkreisanordnung oder deren Hybridschaltung implementiert werden. Des Weiteren kann die Stromquelle 22B unter Verwendung des Schalters 22A selektiv geschaltet werden. Die Erfindung weist zudem die Anwendung einer Spannung sowie die Messung der daraus resultierenden Stromantwort auf. Die Erfindung kann bei einer auf Leitfähigkeit, Admittanz, Impedanz oder Widerstand basierenden Batterie-Testvorrichtung eingesetzt werden. Darüber hinaus können einige Aspekte der Erfindung bei einer beliebigen Art von Batterie-Testvorrichtung einschließlich Belastungs-Testvorrichtungen, einfache Spannungs-Testvorrichtungen, Testvorrichtungen, welche erforderlich machen, dass die Batterie einer Reihe von Aufbereitungsschritten unterzogen wird, usw. verwendet werden.

Claims

Vorrichtung zur Überwachung des Zustands einer Speicherbatterie (12), welche Folgendes aufweist: eine Batterie-Testschaltkreisanordnung, welche so ausgelegt ist, dass sie über eine erste Kelvin-Verbindung und eine zweite Kelvin-Verbindung mit der Speicherbatterie (12) gekoppelt ist; erste und zweite elektrische Leitungen (16A, 18A), die mit einem ersten Anschluss der Batterie-Testschaltkreisanordnung verbunden sind und so ausgelegt sind, dass sie die erste Kelvin-Verbindung mit der Batterie bereitstellen; dritte und vierte elektrische Leitungen (16B, 18B), die mit einem zweiten Anschluss der Batterie-Testschaltkreisanordnung verbunden sind und so ausgelegt sind, dass sie die zweite Kelvin-Verbindung mit der Batterie (12) bereitstellen; und gekennzeichnet durch eine Induktionsaufhebungs-Schaltkreisanordnung (20), welche mit der ersten elektrischen Leitung (16A) sowie der zweiten elektrischen Leitung (18A) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsaufhebungs-Schaltkreisanordnung (20) einen Gegenstrom in der zweiten elektrischen Leitung (18A) als Funktion eines Stroms in der ersten elektrischen Leitung (16A) bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom in der ersten elektrischen Leitung (16A) einen eingespeisten Strom aufweist und die zweite elektrische Leitung (18A) eine Spannungs-Messverbindung zu der Batterie-Testschaltkreisanordnung bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste elektrische Leitung (16A) ein elektrisches Signal führt, das eine Frequenz zwischen ungefähr 5 Hz und ungefähr 500 Hz hat.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsaufhebung einen Transformator (50) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Wicklung des Transformators (50) mit der ersten elektrischen Leitung (16A) in Reihe geschaltet ist, und dass eine zweite Wicklung des Transformators (50) mit der zweiten elektrischen Leitung (18A) in Reihe geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Wicklung mit entgegengesetzten Polaritäten konfiguriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhebungs-Schaltkreisanordnung (20) eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Gegenstroms in der zweiten elektrischen Leitung (18A) als Funktion eines Stroms in der ersten elektrischen Leitung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Messstrom in der ersten elektrischen Leitung (16A) im Wesentlichen in der dritten elektrischen Leitung (16B) als ein zweiter Messstrom geführt wird und dass der Induktionsaufhebungs-Schaltkreis (20) den zweiten Messstrom an die zweite elektrische Leitung (18A) koppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste elektrische Leitung (16A) benachbart zu der zweiten elektrischen Leitung (18A) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite, dritte und vierte elektrische Leitung (16A, 18A, 16B, 18B) lösbar mit der Batterie-Testschaltkreisanordnung gekoppelt sind und dass die Induktionsaufhebungs-Schaltkreisanordnung (20) in einem Gehäuse untergebracht ist, welches die erste, zweite, dritte und vierte elektrische Leitung (16A, 18A, 16B, 18B) stützt, wobei die Induktionsaufhebungs-Schaltkreisanordnung (20) während der Herstellung für eine bestimmte Leitungskonfiguration angepasst werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, zweite, dritte und vierte elektrische Leitung (16A, 18A, 16B, 18B) eine ausreichende Länge aufweist, wobei die Batterie-Testschaltkreisanordnung innerhalb des Fahrzeugs angeordnet werden kann und die elektrischen Leitungen eine Batterie erreichen, die in einem Motorfach des Fahrzeugs angeordnet ist.
Verfahren zur Reduzierung eines induktiv gekoppelten Stroms in einer Kelvin-Sonde eines elektronischen Batterietesters, wobei das Verfahren den folgenden Schritt aufweist: Kopplung an einen Messstrom, welcher auf einer ersten elektrischen Leitung (16A) der Kelvin-Sonde geführt wird; wobei das Verfahren weiter gekennzeichnet ist durch: Einspeisen eines Gegenstroms in eine zweite elektrische Leitung (18A) der Kelvin-Sonde ansprechend auf den Messstrom, wobei der Gegenstrom in entgegengesetzte Richtung zu einem induktiv gekoppelten Strom in der zweiten elektrischen Leitung (18A) fließt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Kopplung den Schritt der Leitung des Messstroms durch eine erste Wicklung eines Transformators (50) aufweist, und dass der Schritt der Einspeisung den Schritt der Schaltung einer zweiten Wicklung des Transformators (50) in Reihe mit der zweiten elektrischen Leitung (18A) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, welches den Schritt der Anpassung der Antwort des Gegenstroms auf den Messstrom zur wesentlichen Aufhebung des induktiv gekoppelten Stroms aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Anpassung den Schritt der Anpassung der Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung des Transformators (50) aufweist.