-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungseinrichtung
zur Überwachung
des Elektrolytfüllstandes
von Akkumulatoren mit einem flüssigen Elektrolyten
mit einer Druckgasquelle und einem damit verbundenen, in den Elektrolyten
eintauchenden Röhrchen.
-
Aus
der
DE 32 33 403 A1 ist
bereits eine Vorrichtung zur Überprüfung des
Elektrolytfüllstandes
in einer Akkumulatorenbatterie bekannt. Dabei wird Gebrauch gemacht
von der physikalischen Grundlage, dass dem Gasausblasdruck an einer
Stelle innerhalb einer Flüssigkeit
der hydrostatische Druck der darüber
befindlichen Flüssigkeitssäule entspricht.
Die dazu vorgesehene Vorrichtung ist Teil einer Elektrolytumwälzung, wobei
von einem Kompressor Druckgas über
in den Elektrolyten eintauchende Röhrchen ausgeblasen wird. Über ein
Dreiwegeventil lässt
sich der Gasstrom in eine Nebenleitung umleiten, in der ein Druck-Reduzierventil
und ein Strömungsdetektor eingesetzt
sind. Der reduzierte Gasdruck ist so eingestellt, dass bei ausreichender
Elektrolytfüllhöhe kein
Gas aus den in den Elektrolyten eintauchenden Röhrchen ausströmt. Erst
wenn der Elek trolyt in einer Zelle so weit abgesunken ist, dass
der hydrostatische Druck kleiner ist als der Gasgegendruck, signalisiert der
Strömungsdetektor,
dass Gas strömt
und somit ein Elektrolytmangel vorhanden ist.
-
Diese
Vorrichtung ist vergleichsweise aufwendig und erfordert eine genaue
Anpassung und Justierung an die geometrischen Gegebenheiten des Akkumulators.
Außerdem
wird nur signalisiert, ob ein vorgegebener, eingestellter Füllstand
unterschritten wird.
-
Die
DE 192 26 487 A1 zeigt
und beschreibt eine Füllstandsmessvorrichtung,
bei der mittels einer Pumpe Gas in ein flüssiges Medium über eine
in das flüssige
Medium eintauchende Leitung gepumpt werden kann. Dabei wird mit
einem Drucksensor der Druck in der Leitung bei Austritt von Blasen
gemessen und mittels einer Auswerteeinrichtung aus den gemessenen
Druckwerten der Füllstand
berechnet. Dabei können
jedoch systematische Messfehler auftreten, beispielsweise durch
die Viskosität
des flüssigen
Mediums.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Füllstandsüberwachung
zu schaffen, womit auf einfache Weise und unabhängig von den geometrischen
Gegebenheiten des zu überwachenden
Akkumulators der Elektrolyt-Füllstand überwacht
und die Elektrolytfüllhöhe gemessen
werden kann.
-
Die
erfindungsgemäße Lösung dieser
Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 1.
-
Eine
solche Elektrolytumwälzeinrichtung weist
bereits einen Großteil
der auch für
die Füllstandsmessung
erforderlichen Einrichtungen auf, so dass mit nur minimalem Zusatzaufwand
eine Einrichtung realisiert ist, mit der sowohl eine Elektrolytumwälzung als
auch eine Füllstandsmessung
durchführbar sind.
Es besteht somit auch die Möglichkeit,
vorhandene Vorrichtung zur Elektrolytumwälzung mit geringem Aufwand
nachzurüsten
und damit auch Füllstandsmessungen
durchzuführen.
Zudem ist die Überwachungseinrichtung
für den
Elektrolyse-Füllstand
praktisch unverändert
nutzbar, um die Gasungsspannung eines Akkumulators, die bei Akkumulatoren
bei etwa 2,4 V pro Zelle liegt, sicher und temperaturunabhängig zu
erfassen. Der Drucksensor für
die Füllstandsmessung
ist in der Regel so empfindlich, dass auch die durch die Gasung
hervorgerufenen Druckschwankungen erfasst werden können. Ein
solcher Drucksensor kann z. B. eine Auflösung von besser als 0,5 mbar
aufweisen.
-
Damit
ist eine Einrichtung mit im Vergleich zu den gegebenen, vielfältigen Messmöglichkeiten
minimalem Aufwand geschaffen, die einen effektiven, überwachten
Betrieb eines Akkumulators ermöglicht.
-
Zusätzliche
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend
ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der
Zeichnungen noch näher
erläutert.
-
Es
zeigt etwas schematisiert:
-
1 eine Überwachungseinrichtung
mit einer dieser zugeordneten Akkumulatorzelle,
-
2 ein
Messdiagramm mit einem Sensorsignal, wobei das Sensorsignal über der
Zeit aufgetragen ist und
-
3 ein
Diagramm über
einen Messablauf in einem Messzyklus mit mehreren Messungen.
-
Eine
in 1 schematisch dargestellte Überwachungseinrichtung 1 dient
zur Überwachung des
Elektrolyt-Füllstands
eines Akkumulators 2, der im Ausführungsbeispiel durch eine Zelle 3 gebildet
ist und einen flüssigen
Elektrolyten 4 enthält.
In den Elektrolyten 4 taucht ein Röhrchen 6, das über eine Zuleitung 8 mit
einer Druckgasquelle 5, beispielsweise einer als Membranpumpe
ausgebildeten Dosierpumpe verbunden ist. Weiterhin ist ein Drucksensor 7 zur
Messung des Gasdrucks in dem Röhrchen 6 vorgesehen,
der mit einer Schlauchleitung 11 an die Zuleitung 8 bzw.
das Röhrchen 6 über ein
T-Stück 12 angeschlossen
ist. Der Drucksensor 7 bzw. dessen Zuleitung 11 kann
auch anders angeordnet bzw. an anderer Stelle mit dem Röhrchen 6 verbunden
sein, um den darin herrschenden Druck zu messen.
-
Die
Druckgasquelle 5 ist steuerbar und es ist dazu eine Auswerte-
und Steuerelektronik 9 vorgesehen, die über einen Leistungsregler 10 mit
der Druckgasquelle 5 verbunden ist. Die Auswerte- und Steuerelektronik 9 ist
weiterhin auch mit dem Drucksensor 7 zur Verarbeitung der
gemessenen Druckwerte verbunden.
-
Zur Überprüfung des
Füllstandes
wird mit Hilfe der Druckgasquelle 5 ein Gasdruck in dem Röhrchen 6 aufgebaut,
der soweit gesteigert wird, bis er schließlich dem hydrostatischen Druck
an der Ausblasstelle 13 des Röhrchens 6 entspricht.
Dieser Messpunkt beziehungsweise ein geringfügig darüber liegender Gasdruck wird
erkannt, weil Gasblasen aus dem Röhrchen austreten und sich dadurch
Druckschwankungen einstellen, die von dem Drucksensor 7 erfasst
werden. Der gemessene hydrostatische Druck entspricht einem bestimmten
Elektrolyt-Füllstand.
Zur Steigerung der Messgenauigkeit kann der Gasdruck zunächst gesteigert
werden, bis Gas aus der Ausblasstelle 13 austritt, wobei
zu diesem Zeitpunkt der Ausblasgasdruck gemessen wird. Anschließend wird
der Gasdruck abgesenkt, bis der Gasaustritt aufhört und es wird auch zu diesem
Zeitpunkt der Gasdruck gemessen. Die beiden, nahe an dem tatsächlichen,
hydrostatischen Druck liegenden Messdrücke werden miteinander verglichen
und der vorbeschriebene Vorgang wiederholt, wenn die Differenz der
beiden Messungen einen bestimmten Wert überschreitet. Liegen die Druckwerte
nahe beieinander, so wird vorzugsweise der Mittelwert als Messwert
für die
Füllhöhe verwertet.
Insbesondere wird dieser Messwert dann mit vorgebbaren Gasdruck-Referenzwerten
verglichen und ausgewertet. Bedarfsweise kann der jeweilige Betriebszustand,
d. h. der jeweilige Elektrolytfüllstand
signalisiert beziehungsweise angezeigt werden. Dabei können die Gasdruck-Messwerte
unter Berücksichtigung
des aktuellen Luftdrucks in Elektrolyt-Füllhöhen umgerechnet werden und
mit Sollwerten der Elektrolyt-Füllhöhen verglichen
werden. Falls ein Füllstands-Sollwert über- oder
unterschritten wird, kann dies auch verwendet werden, um einen Ladevorgang
der Batterie zu sperren oder einen laufenden Ladevorgang zu unterbrechen.
-
2 zeigt
ein Signal des Drucksensors 7 in Form einer elektrischen
Spannung gemessen in μV, wobei
zunächst über einen
Zeitabstand t1 eine Drucksteigerung in dem
Röhrchen 6 erfolgt
bis schließlich an
der Ausblasstelle 13 Gas austritt. Dies wird durch einen
kurzen Druckabfall 15 signalisiert. In 2 ist dies
etwas idealisiert dargestellt, da beim Überschreiten des dem hydrostatischen
Druck entsprechenden Luftdrucks im Röhrchen Gasblasen austreten
und dies zu entsprechenden Druckschwankungen führt.
-
Bei
einem Akkumulator mit mehreren Zellen und in jede dieser Zellen
ragenden Röhrchen 6,
die alle miteinander verbunden und an eine gemeinsame Druckgasquelle 5 angeschlossen
sind, können
unterschiedliche Elektrolytfüllstände in Zellen
erkannt werden, indem in die gemeinsame Gaszuleitung Gas einge blasen
wird und der Gasdruck nach dem ersten Austreten von Gas in einer
Zelle mit dem geringsten Füllstand
weiter gesteigert wird, bis Gas aus einer weiteren Ausblasstelle
austritt. Damit wird der nächsthöhere Elektrolytfüllstand
angezeigt. Dementsprechend zeigt das Diagramm gemäß 2 drei unterschiedliche
Füllstände an,
wobei jedem kurzen Druckabfall 15, 15a, 15b der
Druckkurve ein Elektrolytfüllstand
zugeordnet ist. Somit kann mit diesem Verfahren insbesondere bei
entsprechender Filterung der Signale des Drucksensors der unterschiedliche
Elektrolytfüllstand
der Zellen in einem Akkumulator gemessen werden.
-
Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
dass der Gasdruck gesteigert wird, bis keine wesentliche Drucksteigerung
mehr auftritt (3) und dass dann ein Mittelwert 16 der
auftretenden Druckschwankungen als Maß für den höchsten Füllstand einer Zelle eines Zellverbandes
gebildet wird. Dies ist in 3 in dem
Messabschnitt C dargestellt. Bei einem zu hohen Füllstand
erfolgt eine Fehlermeldung und der Akkumulator darf nicht geladen
werden beziehungsweise nur mit geringstem Ladestrom.
-
3 zeigt
ein Diagramm eines Sensorsignals in μV während eines Messzyklus. Dabei
wird, ausgehend von dem statischen Druck 17 der Umgebung,
zunächst
der Druck gesteigert, bis schließlich ein erster Gasaustritt
bei der Ausblasstelle 13 erfolgt. Anschließend wird
der Druck abgesenkt, danach wieder aufgebaut, bis Gas austritt und
wieder abgesenkt, wie dies in dem Messabschnitt A gezeigt ist.
-
In
dem Messabschnitt B ist ein schrittweises, genaues Annähern der
gemessenen Druckwerte an den tatsächlich herrschenden, hydrostatischen
Druck 18, welcher der Füllhöhe entspricht,
dargestellt. Auch hierbei wird mehrfach der Druck aufgebaut, bis
Gas bei der Ausblasstelle 13 austritt und es erfolgt ein
anschließendes
Absenken des Drucks. Dies wird mehrfach wiederholt, wobei im Bereich
des zu ermittelnden Ist-Drucks die Druckänderungsgeschwindigkeit beim
Erhöhen
des Drucks und beim Absenken des Drucks reduziert wird, so dass
letztendlich die gemessenen Druckwerte beim Erhöhen des Drucks und beim Absenken
des Drucks nahe beieinander liegen und den tatsächlichen hydrostatischen Druck 18 als
Mittelwert repräsentieren.
Dies ist in dem Messabschnitts B im Vergleich zu dem Messbereich
A deutlich erkennbar, wobei am Ende des Messabschnitts B nur noch
geringste Messdruckschwankungen erkennbar sind.
-
An
den Messbereich B schließt
sich noch, wie bereits vorerwähnt,
ein Messabschnitt C an, in dem durch weitere Erhöhung des Messdrucks der höchste Füllstand
eines Zellenverbandes ermittelt wird, indem der Mittelwert 16 der
auftretenden Druckschwankungen als Maß für den höchsten Füllstand einer Zelle eines Zellverbandes
gebildet wird.
-
Die
in 1 gezeigte Überwachungseinrichtung 1 kann
außer
zur Überwachung
des Elektrolyt-Füllstands
auch zur Elektrolytumwälzung
verwendet werden. In dieser Betriebsart wird mit Hilfe der Druckgasquelle
Luft in die Akkumulatorzelle(n) geblasen, wodurch die Elektrolytkonzentration
und auch die Elektrolyttemperatur in den einzelnen Akkumulatorzellen
gleichmäßig verteilt
wird.
-
Zur
Messung des Füllstands
wird die Elektrolytumwälzung
unterbrochen, so dass mit gleicher Anordnung unter Zuhilfenahme
des Drucksensors 7 die Füllstandsmessung durchführbar ist.
Anschließend kann
mit der Elektrolytumwälzung
fortgefahren werden.
-
Die Überwachungseinrichtung
eignet sich von der Grundausstattung auch zur Erfassung der Gasungsspannung,
wobei diese indirekt durch Erkennung der bei der Gasungsspannung
auftretenden Gasblasen arbeitet. Die durch diese Gasblasen erzeugten Druckschwankungen
können
entweder von dem recht empfindlichen, vorhandenen Drucksensor 7 zur
Füllstandsmessung
erfasst werden oder aber es besteht auch die Möglichkeit, als empfindlichen Drucksensor
einen Geräuschsensor,
vorzugsweise ein Mikrofon einzusetzen, welches zusätzlich zu
dem Drucksensor 7 vorgesehen ist. In Kombination kann somit
mit geringem Aufwand eine Dreifachfunktion realisiert werden, nämliche eine
Elektrolytumwälzung,
eine Elektrolytfüllstandsmessung
sowie eine Gasungsspannungserfassung.
-
In 1 ist
noch ein Anschluss 14 für
ein automatisches Wasserbefüllsystem
erkennbar. Falls dies vorgesehen ist, kann der Sensor zur Erkennung der
Gasungsspannung auch bei diesem Anschluss 14 angeordnet
sein. Dabei besteht die Möglichkeit, dass
direkt bei diesem Anschluss 14 ein Sensor zur Erkennung
der Gasungsspannung, beispielsweise ein Mikrofon angeordnet ist
oder aber dass eine Verbindung zwischen diesem Anschluss 14 und
dem Drucksensor 7, wie strichliniert angedeutet, vorgesehen
ist.