Die Erfindung wird im Folgenden am Beispiel von wiederauflad- baren Batterien weiter beschrieben, wozu insbesondere die in Automobilen gängigen Bleiakkumulatoren, aber auch die bekann- ten NiCd-Elemente gehören, ohne dass die Erfindung auf diese beiden Typen von Batterien eingeschränkt wäre.

Die Leistungsfähigkeit einer Batterie der genannten Art ist, bei einer gegebenen Nennkapazität, hauptsächlich von ihrem Ladezustand, von der Art und der Anzahl der vorausgegangenen Ladezyklen und stark von ihrer Betriebstemperatur abhängig.

Bei Flurförderungsfahrzeugen, also beispielsweise bei Gabel- staplern, sowie bei Segelyachten ist die Nachladung der Bat- terie in möglichst kurzen Ladephasen und mit maximalem Lade- strom gefordert. Um die Lebensdauer der Batterie nicht zu verkleinern, darf dabei die sogenannte Gasspannung nicht überschritten werden. Die optimale Ladung kann nur unter Be- rücksichtigung der aktuellen Batterietemperatur durchgeführt werden. Wird die entladene Batterie beispielsweise in kaltem Zustand durch zu grosse Ströme in zu kurzer Zeit wiederauf- geladen, verkleinert sich neben ihrer Lebensdauer auch ihre Energiespeicherkapazität. Wird die Batterie nach einem län- geren Unterbruch wieder in Betrieb genommen, ist in der Regel weder ihr Ladezustand noch ihre noch vorhandene Gesamtkapa- zität bekannt. Dies ist ein Nachteil, da in Unkenntnis dieser Daten eine allenfalls nicht mehr genügend leistungsfähige Batterie nicht oder zu spät ausgetauscht wird.

Sowohl bei der Ladung als auch der Entladung der Batterie sind neben der Temperatur auch die fliessenden Ströme, die vorhandene Klemmenspannung, die momentane elektrische Leis-

tung sowie die insgesamt noch verfügbare Energie von Inter- esse : Bei der Entladung sind beispielsweise ein zu grosser Strom, eine unerwartet grosse Leistung, eine aussergewöhnlich tiefe Klemmenspannung oder eine erhöhte Temperatur Hinweise auf einen Kurzschluss. Bei der Ladung kann von einer erhöhten Temperatur auf eine schädliche Ueberladung geschlossen werden.

Die Bestimmung dieser als Beispiele angegebenen physikali- schen Grosse, welche die Batterie betreffen, sowie deren Darstellung auf einer oder auf mehreren Anzeigeeinheiten stellen an und für sich keine prinzipiellen Probleme dar. Es ist dazu allerdings ein grosser Aufwand nötig, da für jede der interessierenden Grosse wie beispielsweise Temperatur, fliessender Strom oder Klemmenspannung ein eigener Sensor benötigt wird. Jeder dieser Sensoren muss dabei in der Regel über eine eigene Stromversorgung verfügen. In herkömmlichen, analogen Messsystemen benötigt jeder Sensorausgang eine eige- ne Uebertragungsleitung zur Anzeigeeinheit. Die Umwandlung der Sensorsignale in eine rechnerkonforme Form, beispiels- weise in eine digitale Darstellung, die Verarbeitung dieser Daten in einem Rechner sowie die Uebermittlung der mit Hilfe des Rechners bestimmten physikalischen Grossen an eine oder an mehrere Anzeigeeinheiten ist mit weiterem Aufwand verbun- den, muss doch auch dazu in der Regel zwischen Batterie und Anzeigeeinheit je eine mindestens zweiadrige Datenleitung von oft beträchtlicher Länge installiert werden.

Die Aufgabe, die mit der vorliegenden Erfindung gelöst wird, besteht darin, für elektrische Gleichspannungssysteme eine in einfachster Weise installierbare Vorrichtung zu schaffen, mit welcher eine Vielzahl von physikalischen Grosse, welche die Batterie betreffen, bestimmt und auf einer oder mehreren Anzeigeeinheiten zur Darstellung gebracht sowie zur Optimie- rung der Batterienutzung bei Ladung und Entladung verwendet werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist wiedergegeben in Patentanspruch 1 hinsichtlich der erfinderischen Gesamtidee und in den wei- teren Patentansprüchen 2 bis 15 hinsichtlich vorteilhafter

Ausführungsformen. Sie wird in den Figuren 1 bis 5 weiter erläutert.

Es zeigen Fig. 1 den Grundriss einer erfindungsgemässen Batterie- messklemme, Fig. 2 einen Einblick in das Innere einer Batteriemess- klemme mit einem Spannungssensor, Fig. 3 einen Einblick in das Innere der Batteriemessklemme mit einem Stromsensor und einem Temperatursensor, Fig. 4 das Blockschaltbild eines Ampèrestunden-Zählers, Fig. 5 die schematische Darstellung einer Beschaltung der erfindungsgemässen Batteriemessklemme.

In Fig. 1 ist der Grundriss einer erfindungsgemässen Batte- riemessklemme 1 dargestellt. Sie weist auf ihrer einen Seite eine bekannte Befestigungsmanschette 2 aus Metall auf, mit welcher die Batteriemessklemme 1 mit einem der beiden An- schluss-Pole einer Batterie, entweder mit dem positiven An- schluss-Pol 9 oder dem nicht eingezeichneten negativen An- schluss-Pol 47, fest verbunden werden kann. Die Befesti- gungsmanschette 2 enthält dazu beispielsweise zwei halbkreis- förmige Bügel 5,6 mit je einem Loch 7,8. Die Befestigungs- manschette 2 wird über einen der Anschluss-Pole 9,47 ge- schoben und mit einer durch die Löcher 7,8 führenden Schrau- be 3 gegen eine Mutter 4 angezogen, wodurch sich eine sowohl elektrisch als auch thermisch gut leitende, feste Verbindung zwischen diesem Anschluss-Pol 9,47 und der Batteriemessklem- me 1 ergibt.

In der in dieser Fig. 1 gezeichneten ersten Variante geht die Befestigungsmanschette 2 über in eine Verdickung des glei- chen, elektrisch leitenden Materialstücks, welche im Innern einen Hohlraum 27 enthält. Nach diesem Hohlraum 27 verjüngt sich die Befestigungsmanschette 2 wieder und geht dort in ein Batteriekabel 11 über, mit welchem sie in bekannter Weise fest und elektrisch leitend verbunden ist. In den Hohlraum 27 führt ein isoliertes Batteriekabel 12 hinein, welches mit dem

anderen Anschluss-Pol, hier also mit dem negativen, der Bat- terie verbunden ist. Aus dem Hohlraum 27 führt eine isolierte Datenleitung 13 heraus.

In einer zweiten Variante ist die Befestigungsmanschette 2 mit einer Seite eines Gehäuses 10 fest verbunden und ragt teilweise in dieses hinein. Auf einer anderen Seite des Ge- häuses 10 führen drei elektrische Leitungen weg, welche mit dem Gehäuse 10 fest verbunden sind, nämlich ein Batteriekabel 11, ein Batteriekabel 12, welches mit dem andern, hier also dem negativen, Anschluss-Pol der Batterie verbunden ist, so- wie eine Datenleitung 13.

Der Einfachheit halber wird in der weiteren Beschreibung von dieser zweiten Variante ausgegangen, wobei aber die erste Va- riante immer mitgemeint ist.

In den Fig. 2 und 3 ist der Hohlraum 27, respektive das Ge- häuse 10, ohne Deckfläche dargestellt, so dass der Blick auf das Innere frei wird. Dieses ist im Betrieb abgeschlossen und damit vor agressiven Flüssigkeiten und Gasen geschützt. Ein verstärkter Schutz kann weiter dadurch realisiert werden, dass das Gehäuse 10 respektive der Hohlraum 27 zusammen mit den in ihm vorhandenen Bestandteilen mit einem isolierenden und aushärtenden Stoff, beispielsweise mit einem Kunstharz, ausgegossen ist. Das Innere enthält mindestens einen Sensor sowie Signalverarbeitungsmittel, worauf anhand der folgenden beiden Figuren weiter eingegangen wird.

Die Fig. 2 zeigt, im Innern der Batteriemessklemme 1, einen ersten Sensor 14 zur Messung der Batteriespannung. Er ist sowohl mit dem Batteriekabel 12 als auch mit einem in das Gehäuse 10 eintretenden Teil 24 der Befestigungsmanschette 2, welches sich auf dem elektrisch positiven Potential der Batterie befindet, über leitenden Verbindungen 17,18 elek- trisch verbunden. Dieser Sensor 14 misst die Klemmenspannung U der Batterie, wofür verschiedene Verfahren allgemein be- kannt sind. Er ist über eine elektrische Verbindungsleitung 15 mit einer Signalverarbeitungseinheit 16 verbunden, welche ebenfalls im Innern des Gehäuses 10 vorhanden ist. Diese enthält einen elektrischen Ausgang, welcher mit der aus dem Gehäuse 10 herausführenden Datenleitung 13 verbunden ist. Die

Versorgung der Signalverarbeitungseinheit 16 mit elektrischer Energie erfolgt ebenfalls direkt über weitere Verbindungen 19,20 zu den beiden Batteriekabeln 11,12.

Die Fig. 3 zeigt, im Innern der Batteriemessklemme 1, einen zweiten Sensor 21, mit welchem der aus der Batterie flies- sende Strom I gemessen wird, sowie einen dritten Sensor 40, mit welchem die Temperatur der Batterie gemessen wird. Der zweite Sensor 21 ist mit dem in das Gehäuse 10 eintretenden Teil 24 der Befestigungsmanschette 2 über eine leitende Ver- bindung 22 verbunden. Der Teil 24 ist seinerseits über einen niederohmigen Shunt-Widerstand 25 mit elektrischem Wider- standwert R* mit dem Batteriekabel 11 verbunden, welches aus dem Gehäuse 10 wegführt. Ueber eine weitere elektrische Ver- bindung 23 ist der Sensor 21 auch mit dem wegführenden Batte- riekabel 11 verbunden. Fliesst ein Strom I durch das Batte- riekabel 11, baut sich über dem Shunt-Widerstand 25 eine dazu proportionale Spannung U* = R* I auf. Diese Spannung U* wird vom Sensor 21 gemessen und ergibt ein Signal, welches zu dem von der Batterie wegfliessenden elektrischen Strom I propor- tional ist. Dieses Signal wird mit den auch hier vorhandenen und bereits bei der Beschreibung von Fig. 2 erwähnten Mitteln ebenfalls einer Signalverarbeitungseinheit 16 zugeleitet, dort verarbeitet und in einer zur Uebergabe an eine Anzeige- einheit geeigneten Form an die Datenleitung 13 übergeben.

Diese Art der Strommessung ist unvermeidbarerweise mit einem gewissen Verlust an Leistung verbunden. In drei Varianten wird bei der Bestimmung des Stroms I daher auf einen Shunt- Widerstand 25 verzichtet und stattdessen eine verlustlose Strommessung durchgeführt. Dazu wird das Magnetfeld gemessen, welches an einem gegebenen Ort in der Nähe des positiven Bat- teriekabels proportional zu dem darin fliessenden Strom ist.

Sensoren für diese Art der Strommessung sind allgemein be- kannt, beispielsweise aus dem Sonderheft Nr. 246 von "Elektronik" (Sensoren II, p. 69 f., Henri Hencke : Hallef- fekt-und Permalloy-Stromsensoren). In einer ersten Variante wird zur Strommessung ein Permalloy-Stromsensor eingesetzt.

In einer zweiten Variante wird eine direkte Messung der Hall- Spannung in einem Hall-Sensor durchgeführt. In einer dritten

Variante wird die im Sensor erzeugte Hall-Spannung auf Null kompensiert, wodurch eine erhöhte Genauigkeit der Strommes- sung erreicht wird. Entsprechende Sensoren für diese drei Varianten werden industriell gefertigt und und stehen dem Entwickler in verschiedenen Ausführungen, wahlweise mit Ana- log-oder Digital-Ausgang, zur Verfügung.

In dieser Ausführungsform enthält der innere Teil 24 der Be- festigungsmanschette 2 den erwähnten Temperatursensor 40, welcher in innigem thermischen Kontakt mit der Befestigungs- manschette 2 steht. Da diese selber ebenfalls in gutem ther- mischen Kontakt mit dem Anschluss-Pol 9 der Batterie steht, weist sie im Wesentlichen auch die gleiche Temperatur wie die Batterie selber auf. Für die Messung der Temperatur sind ver- schiedene Methoden allgemein bekannt, beispielsweise PTC- oder NTC-Widerstände, PT-Messwiderstände, Thermoelemente, SI- Sensoren oder spezielle temperaturabhängig Schwingquarze mit stark temperaturabhängiger Frequenz. Ueber eine Verbindungs- leitung 41 steht auch der Sensor 40 mit einem weiteren Ein- gang der Signalverarbeitungseinheit 16 in elektrischer Ver- bindung.

Die Stromversorgung des Stromsensors 21 und des Temperatur- sensors 40 geschieht in analoger Weise wie beim ersten Sensor 14 durch Verbindungen 17,18 resp. 19,20, welche hier aber, der Uebersichtlichkeit halber, nicht mehr speziell mit Num- mern bezeichnet wurden.

Es ist ohne weiteres möglich, sinnvoll und ebenfalls erfin- dungsgemäss, eine beliebige Auswahl aus den vorgestellten Sensoren zu treffen und diese im Gehäuse 10 unterzubringen.

Die Signalverarbeitungseinheit 16 weist dann eine entspre- chende Anzahl von Eingängen und eine entsprechend grössere Kapazität auf. Ebenfalls erfindungsgemäss ist es, dass die Signalverarbeitungseinheit 16 einen analogen oder digitalen Multiplikator zur Berechnung des Produkts zweier Messwerte aufweist. Dadurch kann beispielsweise bereits in der Signal- verarbeitungseinheit 16 die Momentan-Leistung P der Batterie als Produkt von Strom I und Klemmenspannung U berechnet, das Resultat auf die Datenleitung 13 gelegt werden und einer An- zeige zugeführt werden. Ebenfalls erfindungsgemäss ist es

aber auch, die beiden Werte für Strom I und Klemmenspannung U zunächst weiterzuleiten, beispielsweise zu einer Anzeigeta- fel, und in der Nähe dieser Anzeigetafel auch die Hardware für die Multiplikation dieser beiden Werte zu plazieren.

In zwei weiteren Varianten der erfindungsgemässen Batterie- messklemme 1 enthält diese Mittel zur Bestimmung der Ladungs- menge in der Batterie. Die Vorrichtung arbeitet dabei als so- genannter Amperestunden-Zähler, und zwar sowohl bei der La- dung als auch, mit umgekehrtem Vorzeichen, bei der Entladung der Batterie.

In der ersten dieser Varianten ist im Gehäuse 10 zusätzlich zu einem Stromsensor ein Zeitmesser vorhanden. Entsprechende Elemente sind allgemein bekannt. Sie enthalten in der Regel einen Schwingquarz zur Generierung einer Zeiteinheit, welche durch elektronische Frequenzteilung in grössere Zeiteinheiten umgewandelt wird. Wegen des kleinen Volumens solcher Elemente ist es problemlos möglich, diese ebenfalls in das Gehäuse 10 der Batteriemessklemme 1 einzubauen. Ist in der Signalverarbeitungseinheit 16 allenfalls bereits ein Zeitmes- ser vorhanden, beispielsweise die Systemuhr eines Micro- Processors, kann direkt dieser Zeitmesser verwendet werden.

Ein dem fliessenden Strom I proportionales Signal wird mit Hilfe des Zeitmessers numerisch über die Zeit integriert. Die Signalverarbeitungseinheit 16 kann dazu zusätzlich einen Micro-Prozessor enthalten, der den fliessenden Strom I nume- risch über die Zeit integriert. Das Resultat, die in der Bat- terie noch vorhandene Ladung, wird dann in der bereits oben beschriebenen Weise der Datenleitung 13 übergeben.

Die Integration des Stroms über die Zeit kann natürlich auch mit Mitteln geschehen, welche sich ausserhalb des Gehäuses 10 befinden, worauf hier aber nicht weiter eingegangen werden soll.

Die zweite Variante zur Ermittlung der Ladungsmenge wird an- hand von Fig. 4 weiter erläutert. Hier wird zunächst, mit ei- ner der bekannten Messmethoden, eine dem fliessenden Strom I proportionale Spannung U* bestimmt. Diese Spannung U* wird dem Eingang 46 eines innerhalb des Gehäuses 10 vorhandenen Voltage-to-Frequency-Converters (V/F-Converter) 32 zugeführt.

Sein Output ist ein Rechteck-Signal mit einer dem Strom I proportionalen Frequenz f. Die Anzahl der Perioden wird in einem bekannten Vorwärts-Rückwärts-Zähler (Binary-Coded-Deci- mal-Zähler, BCD-Zähler) oder Binärzähler 33 mit beispiels- weise 4 Stellen gezählt. Der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 33 weist einen Vorzeicheneingang 43 auf. An diesem Eingang wird, gemäss bekanntem Stand der Technik, dem Zähler die Stromrichtung, ob also Ladung oder Entladung vorliegt, mitge- teilt. Dadurch zählt der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 33 während der Ladephase aufwärts und während der Entladephase abwärts.

Der Ausgang des Vorwärts-Rückwärts-Zählers 33 ist mit dem Eingang eines Multiplexers, beispielsweise eines Bus-Trans- ceivers 34, verbunden. Nach beispielsweise 10'000 Perioden wird ein Uebertragssignal aktiv, welches an den Bus-Trans- ceiver 34 übergeben wird, der dieses Bit über die Daten- leitung 31 an einen weiteren Bus-Transceiver 35 in der An- zeigeeinheit 28,29 übergibt. Der Ausgang dieses Bus-Trans- ceivers 35 ist mit den Eingängen eines weiteren Vorwärts- Rückwärts-Zählers 36 verbunden. Ein weiters Datenbit, welches seriell über die gleiche Datenleitung 31 übertragen wird, legt auch bei diesem Vorwärts-Rückwärts-Zähler 36 über seinen Vorzeicheneingang 45 fest, ob der Vorwärts-Rückwärts-Zähler 36 aufwärts oder abwärts zählt. Die Werte der 10er, 100er- und 1000er-Stelle werden einem 7-Segment-Decoder 37 zugeleitet, der sie, beispielsweise auf einer 3-stelligen LCD-Anzeige 38, sichtbar macht. Selbstverständlich kann auch jede andere Codierung oder Anzeige-Technologie verwendet wer- den. Mit Hilfe eines in der Nähe der Anzeige vorhandenen Re- set-Schalters 39 kann manuell, beispielsweise über einen Druckschalter, ein Reset-Signal 44 eingegeben werden. Dies ermöglicht es dem Benützer, nach Bedarf jederzeit eine neue Integrationsphase zu starten.

Die Ampèrestundenzahl, welche auf diese Weise berechnet und angezeigt wird, ist ein wichtiges Mass für den Ladezustand der Batterie, vergleichbar etwa der Anzeige eines Benzin- standsanzeigers bei einem benzinbetriebenen Personenkraft- wagen.

Es wäre ein wesentlich höherer Installationsaufwand nötig, wenn für jeden einzelnen Wert einer Vielzahl von physikali- schen Grossen eine eigene Datenleitung 13 zu einer oder mehr als einer separaten Anzeigeinheit 28,29 geführt werden müsste. Die erfindungsgemässe Vereinfachung besteht sowohl darin, Sensoren 14,21,40 und eine Verarbeitungseinheit 16 in der Batteriemessklemme 1 selber zu konzentrieren, als auch darin, die gemessenen Werte über eine einzige, zweiadrige Datenleitung 13 seriell zu übermitteln. Die Datenleitung kann dabei auch einadrig sein, wenn ein Masse-Anschluss überall verfügbar ist, wie dies beispielsweise bei einer Automobil- Karosserie der Fall ist. Die serielle Uebermittlung bedingt ein geeignetes und miniaturisiertes Multiplexer-und Bus- System mit Bus-Transceivern 34 und 35. Solche Systeme gehören, in verschiedensten Varianten, zum bekannten Stand der Technik, beispielsweise nach CH 1997 2671/97.

In Fig. 5 ist ein erfindungsgemässes elektrisches Gleichspan- nungssystem in schematischer Weise dargestellt. Dabei könnte es sich beispielsweise um das elektrische Gleichspannungssys- tem eines Luft-, Land-oder Wasser-Fahrzeugs handeln. Der positive Anschluss-Pol 9 einer Batterie 42 ist über die Be- festigungsmanschette 2 mit der Batteriemessklemme 1 verbun- den. Die Batteriemessklemme 1 ist über das Batteriekabel 12 auch mit dem negativen Anschluss-Pol der Batterie verbunden.

Das Batteriekabel 11 führt aus dem Gehäuse 10 der Batterie- messklemme 1 heraus und ist, allenfalls unterbrochen durch nicht eingezeichnete Schalter, mit dem Widerstand 26 verbun- den, welcher den gesamten Widerstand aller eingeschalteten Energieverbraucher repräsentiert. Aus dem Gehäuse 10 führt weiter die Datenleitung 13, welche mit einer oder mehr als einer Anzeigeeinheit 28,29 verbunden ist. Eine Energiequelle 30, beispielsweise ein Ladegerät, ein Alternator, ein Solar- panel, ein Windgenerator oder dergleichen ist ebenfalls mit beiden Batteriekabeln 11,12 verbunden. Die Energiequelle 30 ist durch eine weitere Datenleitung 31 mit der Datenleitung 13 verbunden. Sie enthält weiter nicht eingezeichnete Mittel zur Verarbeitung der Batteriedaten und zur entsprechenden Steuerung des Ladestroms. Das Gehäuse 10 der Batteriemess-

klemme 1 enthält mindestens einen Sensor 14,21,40, bei- spielsweise für den Strom I, für die Klemmenspannung U oder für die Temperatur. Die Signalverarbeitungseinheit 16 enthält einen Multiplexer, beispielsweise einen Bus-Transceiver 34, sowie typischerweise zusätzlich einen Integrator sowie einen Multiplikator. Der Bus-Transceiver 34 enthält eine Vielzahl von Eingängen und ermöglicht es, über eine einzige zwei- drahtige Datenleitung 13 respektive 31 eine Vielzahl ver- schiedener Daten seriell hintereinander gezielt an definierte Destinationen, beispielsweise an Anzeigeelemente 28,29, und über die Datenleitung 31 auch an die Energiequelle 30, weiterzuleiten. Mit Hilfe dieser an die Energiequelle 30 weitergeleiteten Daten kann der Ladestrom, angepasst an die Zustandsdaten der Batterie, gezielt optimiert werden, wodurch die Gesamtlebensdauer der Batterie wesentlich vergrössert werden kann.

In einer Variante steht das gesamte System über die Datenlei- tung 13 mit einem übergeordneten Rechner 48 in Verbindung, der verschiedenste weitere Aufgaben erfüllt. Vom Gleichspan- nungssystem werden einerseits Daten an den Rechner 48 über- mittelt, welcher diese beispielsweise erfasst, protokolliert und archiviert. Andererseits werden vom Rechner 48 Steuerda- ten an das Gleichspannungssystem übermittelt, mit welchen beispielsweise Fernsteuerungsaufgaben erfüllt, Sollwerte vorgegeben, neue Integrationsphasen des Ampèrestunden-Zählers gestartet oder eine Kommunikation mit anderen externen Sys- temen oder Netzwerken durchgeführt wird. Die Verbindung kann dabei für eine einseitige Uebermittlung, das heisst eine Ue- bermittlung nur in der einen oder nur in der anderen Rich- tung, oder aber für eine wechselseitige Uebermittlung in bei- den Richtungen ausgelegt sein.