CH638318A5

CH638318A5 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des energieinhalts einer elektrochemischen zelle.

Info

Publication number: CH638318A5
Application number: CH431379A
Authority: CH
Inventors: Robert B Gosser; John M Zomp
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1979-05-08
Publication date: 1983-09-15
Also published as: GB2020828A; GB2020828B; US4181885A; CA1104653A; JPS54147431A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung des Energieinhalts einer elektrochemischen Zelle von der Art, die bei ihrer Entladung eine im wesentlichen konstante Spannung abgibt. 20 Bisher ist es zur Bestimmung der Ladung bzw. des Energieinhaltes von elektrochemischen Primärelementen wie beispielsweise Zink-Silberoxidzellen für elektronische Uhren üblich, den Abfall der Klemmenspannung einer während eines bestimmten Zeitraumes unter Belastung geprüften Zelle zu 25 messen. Es kommt jedoch häufig vor, dass so geprüfte Zellen nicht ihre vorgesehene Betriebslebensdauer erreichen.

Untersuchungen haben ergeben, dass fabrikfrische Zellen mit 100% Ladung bzw. Energiekapazität oft einen versteckten oder offensichtlichen Fehler aufweisen, der dazu führt, dass bei Prüfbelastung nicht die vorgesehene Klemmenspannung vorhanden ist.

Ferner haben sich Zink-Silberoxidzellen, nachdem man ihnen absichtlich 100% ihrer Nominal-Energiekapazität entnommen hatte, nach einer Ruhezeit wieder soweit erholt, dass

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sie die übliche Prüfung in Form einer Messung des Klemmenspannungsabfalls unter Belastung ohne Beanstandung durchlaufen konnten.

Zellen mit 50% oder weniger Restladung weisen einen ho-„„ hen Innen widerstand auf, welcher bei der üblichen Messme-

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thode des Klemmenspannungsabfalls unter Belastung dominiert, so dass es bisher nicht möglich war, unter Zellen mit 50% Restkapazität und solchen Zellen mit weniger als 10% Restkapazität zu unterscheiden.

45 Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit denen sich insbesondere bei Zink-Silberoxidzellen die jeweils in der Zelle vorhandene Ladung bzw. Energie zuverlässig, einfach, schnell und direkt messen lässt.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist bezüglich des Verfahrens im Patentanspruch 1, und bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens im Patentanspruch 7 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind durch die jeweils nachgeordneten ab-55 hängigen Ansprüche gekennzeichnet.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfin-dungsgemässen Verfahrens wird jede auf ihre Energiekapazität geprüfte Zink-Silberoxidzelle an ihren Klemmen zuerst für einen Zeitraum von mehreren Sekunden mit einem Kurz-60 schlusspfad von zumindest annähernd O-Impedanz belastet, um die vielleicht in einem Ruhezustand befindliche Zelle zu aktivieren. Danach wird der Zelle ein mehrere Sekunden, beispielsweise vier Sekunden langer Ruhezeitraum gewährt, und danach diese Zelle noch einmal kurzzeitig beispielsweise eine 65 halbe Sekunde lang mit einem Kurzschlusspfad von zumindest annähernd O-Impedanz belastet. Der dabei auftretende Kurzschlussstrom wird abgetastet und während des Belastungszeitraums integriert, um eine Information zu gewinnen,

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welche für die in der geprüften Zelle vorhandene restliche Ladung repräsentativ ist.

Diese Information wird auf einer Skala zur Anzeige gebracht. welche die Batterie-Restladung in Prozent angibt.

Dem Kurzschlusspfad, mit dem die zu prüfende Zelle belastet wird, ist ein Strom/Spannungswandler zugeordnet, der einen Operationsverstärker, einen Rückkoppelungswider-stand und eine Transistorschaltung zur Anpassung des Zellen-Ausgangsstroms an die Betriebsparameter des Operationsverstärkers enthält. Mittels einer einen weiteren Operationsverstärker und einen Speicherkondensator enthaltenden torgesteuerten Integrierschaltung wird der Spannungsausgang des Wandlers in einen Stromfluss verwandelt, welcher in dem Kondensator speicherbar ist und den durch die geprüfte Zelle fliessenden Strom während des gewählten Zeitraumes repräsentiert. Die dem während des gewählten Zeitraumes durch die Zelle fliessenden Strom entsprechende erreichte Ladung des Kondensators wird in eine Messschaltung übertragen, wo auf der in Prozent unterteilten Skala eines Messinstrumentes die vorhandene Batteriekapazität ablesbar ist.

Ferner enthält die erläuterte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eine Halbleiterschaltung zur Steuerung und zeitlichen Abstimmung der verschiedenen ablaufenden Ereignisse, beispielsweise zur Kontrolle des Kurzschlussbetriebs der geprüften Zelle, zur Aktivierung und zur anschliessenden Messung des Kurzschlussstromes während des festgelegten Zeitraumes bei der Messung der Zellen-Energiekapazität. Die Vorrichtung ist darauf eingerichtet, Zellen mit unterschiedlicher Speicherkapazität aufnehmen zu können.

Nachstehend wird ein bevorzugtes Ausführungs- und Anwendungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer Vorrichtung zur Bestimmung des Energie- Inhalts elektrochemischer Elemente,

Fig. 2 und 3 eine typische Ausführungsform einer beispielsweise als Batterie für elektronische Uhren verwendeten Zink-Silberoxidzelle in Seitenansicht und Draufsicht,

Fig. 4 das Ersatz-Entladeschaltbild eines typischen elektrochemischen Elementes,

Fig. 5 ein Kurzschlussstromdiagramm eines eine bestimmte Zeit belasteten Zink-Silberoxidelementes,

Fig. 6 ein Impulsdiagramm zu dem Schaltbild von Fig. 1,

und

Fig. 7 eine Frontansicht einer die Schaltung von Fig. 1 enthaltenden Vorrichtung.

Elektrochemische Elemente bzw. Zellen des in Fig. 2 und 3 dargestellten Zink-Silberoxidtyps lassen sich durch das in Fig. 4 dargestellte Ersatz-Entladeschaltbild charakterisieren. Wenn sich die in der Zelle gespeicherte elektrische Energie erschöpft, nimmt zwischen den Klemmen TC1, TC2 der Zelle ihr Innen widerstand R1 und R2 zu, während ihre innere Kapazität C abnimmt. Erdindungsgemäss wird bei einer zu prüfenden Zelle die Veränderung ihrer inneren Widerstands- und Kapazitätswerte festgestellt und daraus die Restladung bzw. der noch vorhandene Energieinhalt der Zelle ermittelt. Diese Information gewinnt man durch Messung der Auswirkung dieser internen Charakteristikänderungen der Batterie auf einen Strom, wie er beispielsweise fliesst, wenn man einen Kurzschlussstrompfad durch einen Widerstand legt, dessen Wert annähernd 0 ist. Damit man die bei unterschiedlichen Lade- bzw. Kapazitätszuständen einer Zelle ermittelten Stromwerte vergleichen kann, erfolgt die Messung der Kurzschlussströme über gleich lange Zeiträume nach Einschaltung. Unter dem Einfluss der inneren Kapazität der Zelle ändert sich der Strom beispielsweise innerhalb der ersten halben

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Sekunde nach Einschaltung schnell und geht dann in einen gewissen Beharrungszustand über. Zwar könnte man auch durch Messung des Stromes in einem bestimmten Zeitraum nach erfolgter Vorstabilisierung brauchbare Informationen s über den Ladezustand der Zelle erhalten, vorzugsweise wird jedoch der sofort nach Einschaltung durch die zu prüfende Zelle fliessende Gesamtstrom gemessen und daraus ihr Ladezustand ermittelt. Die Vorteile liegen auf der Hand: die Dauer des Strommesszeitraums lässt sich einfacher festlegen, und die 10 erforderliche Messzeit ist sehr kurz. Kurze Prüfzeiten sind besonders wertvoll, wenn man den Energieinhalt oder Ladezustand bei der Serienfertigung elektrischer Zellen prüfen will. Das Diagramm von Fig. 5 zeigt Kurzschlussstromkurven von drei Zink-Silberoxidzellen des gleichen Typs, von denen die 15 eine 100%, die zweite 60% und die dritte nur noch 30% ihrer vollen Ladung hat. Der Kurzschlussstrom wird zum Zeitpunkt t5 angelegt und eine halbe Sekunde lang bis zum Zeitpunkt t6 gemessen.

Eine der Schaltung von Fig. 1 entsprechende Prüfvorrich-20 tung wurde aus auf dem Markt leicht erhältlichen elektrischen Bauteilen aufgebaut und gemäss Fig. 7 in ein Gehäuse eingebaut. Fig. 1 enthält alle wesentliche Angaben über die Schaltungselemente, wie Spannungs-, Widerstands- und Kapazitätswerte sowie Katalognummern der Transistoren und integrierten Schaltkreise. Falls die Schaltung von Fig. 1 unter schwankenden Temperaturzuständen betrieben wird, kann man eine an sich bekannte Temperaturkompensation zufügen.

Nachdem eine zu prüfende Zelle zwischen Federkontakte TC1 und TC2 auf der Frontseite des Prüfgerätes von Fig. 7 eingesetzt ist, setzt man mittels einer Drucktaste S2 eine Programmsteuerschaltung PCC in Betrieb. Sie veranlasst durch Schliessen eines Relaiskontaktes K;C das Anlegen eines 35 Kurzschlussstrompfades an die Klemmen der zu prüfenden Zelle, der einen Widerstandswert von annähernd 0 aufweist und über eine Strom/Spannungswandlerschaltung CTVCC führt, welche im wesentlichen einen Operationsverstärker OA1, einen 1 £2 -Rückkoppelwiderstand und Transistoren 40 Ql, Q2 zur Stromregulierung enthält. Üblicherweise nehmen längere Zeit gelagerte Zellen wie Zink-Silberoxidzellen einen sogenannten Ruhezustand ein. Zur Aktivierung solcher Zellen benutzt man einen Kurzschlussstrom von bestimmter Dauer. Die Dauer des Kurzschlussstroms in der Grössenord-45 nung von zwei bis vier Sekunden wird man je nach Grösse und/oder Betriebsdaten der einzelnen Zelle wählen. Die Kurzschlussstrombelastung der zu prüfenden Zelle wird durch Öffnen des Relaiskontaktes K,C beendet, und dieser Relaiskontakt bleibt anschliessend beispielsweise mehrere Se-50 künden offen, damit sich die offene Klemmenspannung der zu prüfenden Zelle erholen kann. Nach dieser Erholzeit schliesst der Relaiskontakt KjC erneut für die Dauer einer halben Sekunde und belastet die zu prüfende Zelle mit einem durch die Strom/Spannungswandlerschaltung CTVCC flies-55 senden Kurzschlussstrom, und dabei tritt eine diesem Strom proportionale Spannung an einem Wählschalterkontakt SSI A auf, welcher während dieser kurzzeitigen Strombelastung der Zelle über einen durch einen Operationsverstärker OA2 betätigten Halbleiterschalter TB einen entsprechenden 60 Strom in einen Speicherkondensator SC in einer torgesteuerten integrierten Schaltung GIC fliessen lässt. Letztere enthält ferner mit dem Wählschalterkontakt SSI A wählbar verbindbare Wiederstände Rl, R2, R3, R4, die jeweils mit dem Halbleiterschalter TB in Serie geschaltet sind und einen der zu prü-65 fenden Zelle angemessenen Stromfluss bewirken. Im Verlauf des eine halbe Sekunde lang durch die zu prüfende Zelle fliessenden Kurzschlussstromes wird der Speicherkondensator SC auf eine entsprechende Spannung aufgeladen, die an einem

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Instrument Ml in einer Messschaltung MC ablesbar ist. Es hat sich gezeigt, dass die am Instrument Ml angezeigte Spannung des Speicherkondensators SC ein Repräsentativwert ist für den nach vorrausgegangener Zellenbelastung innerhalb einer sorgfältig begrenzten halben Sekunde durch die zu prüfende Zelle fliessenden Kurzschlussstrom. Es hat sich in wiederholten Serienversuchen gezeigt, dass dieser Messwert eine genaue Angabe über die noch in der geprüften Zelle vorhandene Restenergie enthält, wobei auf der Anzeigeskala die in der zu prüfenden Zelle vorhandene Restenergie in Prozenten angegeben wird. Bei dem in Fig. 1 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bleibt der Anzeigewert auf dem Instrument M1 so lange stehen, bis man den Speicherkondensator SC in der Integrierschaltung GIC durch Schlies-sen eines Halbleiterschalters Ta zur Vorbereitung der nächsten Messung kurzschliesst.

Nachstehend wird die Programmsteuerschaltung PCC erläutert. Nach Einlegen einer neuen elektrochemischen Zelle oder Batterie vom Zink-Silberoxidtyp zwischen die Klemmen TC1, TC2 drückt man wiederum kurz die Drucktaste S2, und der dabei an einem Anschluss 1 eines Flip-Flop FF auftretende Impuls führt zum Rücksetzen eines Anschlusses 15 eines Dekadenzählers DC, der daraufhin an seinem Anschluss 14 eine Folge von Taktimpulsen mit einer Frequenz von einem positiven Impuls pro Sekunde (oder pro 2 Sekunden je nach Grösse der zu prüfenden Batterie und Stellung eines Wählschalterkontaktes SS1B) von einem durchlaufenden Multivibrator FRM aufnimmt. Die höhere Impulsfrequenz wählt man zur Prüfung kleinerer Batterien, beispielsweise Typ 392,393 und die niedrigere Frequenz zur Prüfung grösserer Batterien, beispielsweise Typ 357,386. Der Dekadenzähler DC beginnt abwärts zu zählen, die ersten beiden positiven Impulse an Ausgangsanschlüssen 2 und 4 gehen zu Anschlüssen 8,9 eines NOR-Gatters NG, welches einen Transistor Q3 für die Dauer von zwei positiven Impulsen durchsteuert. Auf diese Weise wird eine Relaiswicklung Kl W kurzzeitig aktiviert und dadurch der eingangs erwähnte Relaiskontakt KiC kurzzeitig geschlossen, um gemäss Fig. 6 die zu prüfende Zelle im Zeitraum zwischen t] und t2 mit dem Anfangs-Kurz-schlussstrom zu belasten. Dieser Anfangs-Kurzschlussstrom kann beispielsweise bei kleineren Zellen zwei, bei grösseren Zellen vier Sekunden dauern. Wie Fig. 6 zeigt, liefert der Multivibrator FRM Rechteckimpulse, deren an Anschluss 14 auftretende Frontflanken den Dekadenzähler DC zur Impulsabgabe ansteuern. Diese Impulse gehen ausser zum Nor-Gatter NG an Anschlüsse 2,3 eines ODER-Gatters OG, welcher das Schliessen des Halbleiterschalters TA zur Entladung des Speicherkondensators SC und damit zur Rückstellung des Anzeigeinstrumentes vor Beginn eines neuen Prüfvorgangs veranlasst. Unmittelbar nach Durchlauf der ersten beiden Impulse vom Dekadenzähler DC sperrt das NOR-Gatter NG die Stormzufuhr zur Relaiswicklung Kl W, und der Relaiskontakt KiC öffnet, der Kurzschlussstrom durch die geprüfte 5 Zelle wird augenblicklich unterbrochen.

Der Schalter TA bleibt während der sich anschliessenden dritten und vierten Impulse des Dekadenzählers, welche zu den Anschlüssen 4 und 5 des ODER-Gatters OG gelangen, noch geschlossen. Unmittelbar nach Beendigung des vierten 10 Impulses öffnet das ODER-Gatter OG den Halbleiterschalter Ta wieder. Bei dem in Fig. I dargestellten Ausführungsbeispiel wird der fünfte Impuls des Dekadenzählers nicht benutzt. Der sechste Impuls geht zum Anschluss 9 des ODER-Gatters OG und veranlasst auf diesem Wege das Schliessen 15 des Halbleiterschalters TB, um den Wählschalterkontakt SSI A in vorstehend beschriebener Weise mit dem Speicherkondensator SC zu verbinden. Dieser Zustand bleibt auch während des nachfolgenden siebenten Impulses vom Dekadenzähler DC bestehen, der Schalter TB bleibt also für zwei 20 aufeinander folgende Impulse geschlossen, siehe Fig. 6. Der am Anschluss 10 des ODER-Gatters OG auftretende siebente Impuls geht ferner zum Triggeranschluss 8 eines ansteuerbaren monostabilen Multivibrators RMM, welcher den Transistor Q3 für eine Impulsdauer von einer halben Sekunde an-25 steuert und auf diese Weise den Relaiskontakt KjC für die Dauer einer halben Sekunde schliesst, wie eingangs beschrieben, um in dieser Zeit durch die zu prüfende Zelle einen Kurzschlussstrom fliessen, dabei den Speicherkondensator SC aufladen und am Instrument M. einen Messwert erscheinen zu

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lassen, welcher die Restkapazität der Zelle in Prozent angibt. Nach Ablauf dieser halben Sekunde wird die Relaiswicklung Kl W wieder stromlos, und der Relaiskontakt K,C unterbricht sofort den Kurzschlussstrom.

Der am Anschluss 9 des Dekadenzählers DC auftretende

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achte Impuls geht zum Anschluss 6 von Flip-Flop FF, sodass dieses einen Anschluss 15 des Dekadenzählers DC im Rück-setzzustand hält und das Verlöschen einer Leuchtdiode LED bewirkt, welche zuvor über Anschluss 4 von Flip-Flop FF 40 und einen Transistor Q4 zum Aufleuchten gebracht worden war.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Variationen der Schaltung von Fig. 1 möglich.

Beispielsweise könnte man eine dem durch die zu prü-„c fende Zelle bei einem Widerstandswert von annähernd Null

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fliessenden Kurzschlussstrom proportionale Spannung auch mittels eines Hall-Generators erzeugen, beispielsweise als Ersatz für die Strom/Spannungswandlerschaltung CTVCC in Fig. 1.

C

2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung des Energieinhaltes einer elektrochemischen Zelle von der Art, die bei ihrer Entladung eine im wesentlichen konstante Spannung abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass - die Zelle bei der Prüfung während eines festgelegten Zeitraumes einem Kurz-schluss mit niedriger Impedanz unterworfen, - ein über die Zeit integrierter Wert von einem durch den Kurzschluss niedriger Impedanz fliessenden Strom gewonnen und - dieser integrierte Wert des Stromes zur Angabe der in der geprüften Zelle vorhandenen verfügbaren Ladung bzw. Energie benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Anfangsschritt an die Anschlüsse der Zelle ein Akti-vier-Kurzschlussstrompfad angelegt wird, um vor der Gewinnung und Ausnutzung des integrierten Stromwertes einen Zustand einer Batterieaktivierung herzustellen.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der festgelegte Zeitraum weniger als eine Sekunde dauert.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierschritt mehrere Sekunden dauert und mehrere Sekunden vor dem Belasten der Zelle mit dem zur Gewinnung des integrierten Stromwertes führenden Kurzschluss beendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle zur Aktivierung und Informationsgewinnung während eines ersten festgelegten Zeitraumes an ihren Klemmen mit einem Kurzschluss mit im wesentlichen Null-Impedanz belastet wird, während eines festgelegten nachfolgenden Zeitraumes in einem offenen Schaltungsbetrieb entlastet und während eines zweiten festgelegten Zeitraumes einem zweiten Kurzschluss unterworfen wird; und dass während des zweiten festgelegten Zeitraumes ein über die Zeit integrierter Wert des dabei durch den Kurzschlussstrompfad fliessenden Stromes abgeleitet und als Repräsentativwert für die Menge der in der geprüften Zelle verfügbaren Ladung bzw. Energie benutzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktivierschritt während eines Zeitraumes durchgeführt wird, der im wesentlichen die gleiche Länge wie der Zeitraum zur Gewinnung des integrierten Stromwertes hat.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

- einen Kurzschlussstrompfad (CTVCC) mit zumindest annähernd Null-Impedanz für die Zelle,

- Einrichtungen (K^..; MC) zum Verbinden der Zelle mit dem Kurzschlussstrompfad und zur Gewinnung eines über die Zeit integrierten Wertes eines durch die Zelle fliessenden Kurzschlussstromes,

- eine vom über die Zeit integrierten Kurzschlussstrom abhängig gesteuerte Informationsermittlungseinrichtung (GIC) zur Betätigung einer die verfügbare Zellenenergie anzeigenden Einrichtung (MC), und

- eine die Wirkdauer des Kurzschlussstrompfades und der Informationsableiteinrichtung bestimmende Programmsteuereinrichtung (PCC).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmsteuereinrichtung den Kurzschlussstrompfad und die Informationsermittlungseinrichtung während eines Aktivierzeitraumes in bzw. ausser Betrieb, während eines Ruhezeitraumes beide ausser Betrieb, und während eines Prüfzeitraumes zur Bestimmung der verfügbaren Ladung beide in Betrieb setzt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktivierzeitraum und der Ruhezeitraum weniger als 5 Sekunden, und der Energie-Prüfzeitraum weniger als 1 Sekunde dauern.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmsteuereinrichtung Elemente zur Ände-

5 rang der Betriebs- und Ruhezeiträume enthält, um eine Anpassung an Zellen verschiedener Dimensionen zu ermöglichen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Programmsteuereinrichtung während des Ener-

10gieprüfzeitraumes den Kurzschlussstrompfad und die Infor-mationsermittlungseinrichtung für die Dauer einer halben Sekunde in Betrieb setzt.

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