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Überwachungseinrichtung für elektrische Akkumulatoren Die Erfindung
betrifft eine Überwachungseinrichtung für elektrische Akkumulatoren, bei welcher
der Ladezustand des Akkumulators mit Hilfe eines Amperestundenzählers angezeigt
wird, der auch dazu verwendet werden kann, den Ladevorgang zu steuern.
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Es ist bereits ein Verfahren zur Ladung elektrischer Akkumulatoren
bekannt, bei welchem die in dem Akkumulator gespeicherte Energie durch einen Amperestundenzähler
gemessen wird. Bei Akkumulatoren, beispielsweise bei Bleiakkumulatoren, nimmt die
Kapazität mit der Zahl der erfolgten Aufladungen und Entladungen (Ladezyklen) ab,
mit Ausnahme eines geringen Anstieges zu Beginn der in Gebrauchnahme des Akkumulators.
Ein Amperestundenzähler für die Anzeige des Ladezustandes eines Akkumulators zeigt
also nach einer gewissen Gebrauchsdauer des Akkumulators den Ladezustand nicht mehr
zutreffend an. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungseinrichtung
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei der die von der Anzahl der Ladezyklen
abhängige Änderung der Akkumulatorkapazität im wesentlichen ohne Einfluß bleibt.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind,
mit deren Hilfe die Zählgeschwindigkeit des Amperestundenzählers in Abhängigkeit
von der Anzahl der Ladezyklen des Akkumulators veränderbar ist. Vorzugsweise ist
parallel zum Strommeßwiderstand des Amperestundenzählers ein vergleichsweise hochohmiges
Potentiometer geschaltet, dessen veränderbarer Abgriff mit dem Zähler elektrisch
verbunden ist. Bei Ausbildung des Strommeßwiderstandes mit einem Abgriff und bei
Verwendung des gesamten Meßwid erstand es für den Entladestrom und eines Teilwiderstandes
für den Ladestrom kann beiden Teilwiderständen je ein vergleichsweise hochohmiges
Potentiometer parallel geschaltet und die beiden veränderbaren Abgriffe mit dem
Zähler elektrisch verbunden sein. Die Verstellung jedes Potentiometers kann mittels
eines vom Amperestundenzähler angetriebenen Ladezyklenzählers erfolgen. Zur Fernanzeige
des Amperestundenzählers kann ein von einer vomAmperestundenzähler verstellbaren
Spannungsquelle gespeiste elektrisches Meßinstrument vorgesehen sein, dessen Anzeigeelement
(Zeiger) in seiner Bewegung begrenzt ist und von dem Amperestundenzähler über eine
Rutschkupplung angetrieben wird. In dem Getriebe zwischen Amperestundenzähler und
Ladezyklenzähler kann ein Freilauf vorgesehen sein. Vorzugsweise ist das Getriebe
zwischen Amperestundenzähler und
Ladezyklenzähler so ausgebildet, daß der Ladezyklenzähler
bei Ladung des Akkumulators um einen einstellbaren Teilbetrag der Nennkapazität
um eine Einheit weiterbewegt wird. Schließlich sind vorteilhafterweise die einzelnen
Elemente der Zähleinrichtung in einem Gehäuse zusammengefaßt, welches an dem Akkumulatorenbehälter
befestigt ist und Anschlußklemmen für die Akkumulatorenbatterie, das Ladegerät und
den Verbraucher aufweist.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der
erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung, F i g. 2 eine weitere schematische Darstellung
der Überwachungseinrichtung, bei welcher die Potentiometerabgriffe durch einen Ladezyklenzähler
bewegt werden, F i g. 3 eine schematische Darstellung einer Fern-Anzeigevorrichtung,
F i g. 4 das Gehäuse für die tJberwachungseinrich-- tung, Fig. 5 eine Akkumulatorenbatterie,
an deren Behalter das Gehäuse für die Überwachungseinrichtung angebracht ist, Fig.
6 die Antriebsvorrichtung für die Potentiometer der Überwachungseinrichtung, Fig.7
ein Schaltbild eines beispielsweise verwendbaren Amperestundenzählers in Verbindung
mit einem Ladegerät.
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Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Schaltung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung.
Der
Strommeßwiderstand 10 für den Amperestundenzähler 11 besteht
aus den beiden Teilwiderständen 10a und 10b. Die beiden Teilwiderstände 10 a und
lOa+lOb 10 b sind so gewählt, daß das Verhältnis 10 gleich dem Maximal zu erwartenden
Ladefaktor (bei Bleiakkumulatoren etwa 1,20) beträgt. Der Strommeßwiderstand 10
weist drei Klemmen 12, 13 und 14 auf, von denen die Klemme 12 mit einem Pol der
Akkumulatorenbatterie, die Klemme 13 mit einem Pol des Ladegerätes und die Klemme
14 mit einem Pol des Verbrauchers verbunden ist. Parallel zu den Teilwiderständen
10a und 10b des Strommeßwiderstandes 10 sind die vergleichsweise hochohmigen Hilfswiderstände
15 und 16 geschaltet, die als Potentiometer mit verschiebbaren Abgriffkontakten
17 und 18 ausgebildet sind. Diese Abgriffkontakte 17 und 18 sind mit dem Amperestundenzähler
11 elektrisch verbunden. Es ist auf diese Weise möglich, die dem Amperestundenzähler
11 zugeführte Spannung gegenüber der am Strommeßwiderstand auftretenden Spannung
zu verändern und damit gleichzeitig die Zählgeschwindigkeit des Amperestundenzählers
11 zu beeinflussen. Da mit steigender Ladezyklenzahl, welche durch den Ladezyklenzähler
19 festgestellt. wird, die Kapazität des Akkumulators geringer wird, der Akkumulator
also schon bei geringerer Amperestundenzahl geladen und bei einer geringeren Amperestundenzahl
entladen ist, muß die Empfindlichkeit des Amperestundenzählers 11 mit steigender
Ladezyklenzahl vergrößert werden, was durch Vergrößerung der Widerstandsteiie 20
und 21 erfolgen kann.
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Die Verstellung der Kontakte 17 und 18 bzw. die Veränderung der Widerstandsteile
20 und 21 kann beispielsweise nach Maßgabe der an dem Ladezyklenzähler 19 abgelesenen
Ladezyklenzahl von Hand erfolgen. Dabei kann beispielsweise den Abgriffkontakten
17 und 18 je eine Skala zugeordnet sein, so daß die Abgriffe 17 und 18 auf die entsprechende
Anzeige des Ladezyklenzählers eingestellt werden können.
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Fig. 2 zeigt die Schaltung der Fig. 1, bei welcher jedoch die Verstellung
der Abgriffe 17 und 18 durch den Ladezyklenzähler 19 selbsttätig erfolgt. Die Getriebe
oder die Wellen zur Verstellung der Potentiometer 15 und 16 sind bei 22 angedeutet.
Im übrigen entspricht die Schaltung derjenigen nach F i g. 1.
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Die Schaltung zur Steuerung eines Spannungsmeßgerätes für eine Fernanzeige
zeigt die Fig. 3.
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Mit 30 ist hier die Akkumulatorenbatterie bezeichnet, die von einem
Spannungsteiler überbrückt ist, der aus dem Widerstand 31 und der Zenerdiode 32
besteht. Parallel zu der Zenerdiode 32 ist ein Potentiometer 33 geschaltet. Die
Zenerdiode dient hier als Spannungskonstanthalter. Ihre Ausgangsspannung kann mit
Hilfe des Potentiometers 33 verändert werden. 34 ist das Zeigerinstrument, mit dem
in Reihe der veränderbare Widerstand 35 geschaltet ist, welcher einen Abgleich des
Zeigerinstrumentes 34 ermöglicht. Die Verstellung des Abgriffes 33 a des Potentiometers
33 erfolgt durch den Amperestundenzähler 11 der Fig. 1 und 2. Bei Ladung des Akkumulators
30 wird der Abgriff 33a nach rechts und bei Entladung nach links derart bewegt,
daß die an dem Potentiometer abgegriffene Spannung proportional dem Ladezustand
der Batterie ist und somit das Zeigerinstrument 34 diesen Ladezustand zeigt.
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Da nach den Vorschriften der Akkumulatorenhersteller eine vollständige
Entladung der Akkumulatoren nicht zulässig ist, sondern eine Wiederaufladung schon
bei Absinken der Nennkapazität der Akkumulatorenbatterie auf etwa 20B/o erfolgen
soll, können Mittel vorgesehen sein, welche das Erreichen dieser unteren Kapazitätsgrenze
anzeigen. Beispielsweise kann an dem Anzeigeinstrument 34 ein Kontakt vorgesehen
sein, der bei 20°/o der Nennkapazität betätigt wird. In gleicher Weise kann natürlich
bei Volladung der Batterie ein Kontakt betätigt werden, welcher beispielsweise ein
akustisches Signal auslöst, welches die Volladung der Akkumulatorenbatterie anzeigt.
Die Betätigung des Kontaktes kann auch beispielsweise durch den verschiebbaren Abgriff
33 a des Potentiometers 33 erfolgen. Der Amperestundenzähler kann bekanntlich auch
zur Steuerung des Ladevorganges der Batterie verwendet werden.
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Um zu verhindern, daß bei vollgeladener Batterie der Amperestundenzähler
eine weitere Vergrößerung der Ladekapazität anzeigt, kann zur Begrenzung der Bewegung
des Anzeigeelementes (Ziffernscheibe, Zeiger od. dgl.) ein Anschlag vorgesehen sein,
und es kann das Anzeigeelement über eine Rutschkupplung angetrieben werden, die
bei Erreichen des Endausschlages anfängt durchzurutschen.
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Der Ladezyklenzähler 19 (Fig. 1 und 2) treibt vorzugsweise einen
Drehdekadenzähler an, der nur in einer Richtung weiterbewegt werden kann, was beispielsweise
durch einen Freilauf bewirkt werden kann. Das Getriebe zwischen Amperestundenzähler
und Ladezyklenzähler wird beispielsweise so ausgelegt, daß einer Volladung der Akkumulatorenbatterie
die Ladezyklenzahl 1 zugeordnet wird. Werden nur Teilaufladungen vorgenommen, so
wird das Ladezyklenzählwerk immer erst dann um eine Ziffer weiterbewegt, wenn die
Summe der Teilladung einer Volladung entspricht. Es ist jedoch auch möglich, das
Getriebe so auszulegen, daß bei jeder Teilladung von beispielsweise mehr als 40apo
der Nennkapazität der Akkumulatorenbatterie das Ladezyklenzählwerk um eine Einheit
weiterbewegt wird.
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In F i g. 4 und 5 ist eine besonders zweckmäßige Ausführung der Üb
erwachungs einrichtung dargestellt.
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Die einzelnen Elemente der Zähleinrichtung sind in einem langgestreckten
Gehäuse 40 zusammengefaßt, das an dem die Akkumulatorenbatterie 30 enthaltenden
Behälter 41 befestigt werden kann (Fig.5). In das Gehäuse 40 sind das Amperestundenzählwerk
42, das Ladezyklenzählwerk 43 und die zugehörigen Widerstände 10, 15, 16, 32, 31,
33, 35 usw. eingebaut, die durch Stellschrauben 44, 45 und 46 verändert werden können.
Die Stellschraube 44 dient zur Einstellung des Widerstandes 35 (Fig. 3), welcher
einen Abgleich des Fernanzeigeinstrumentes 34 ermöglicht. Die Stellschraube 45 dient
zur Verstellung des Potentiometers 15 bzw. des Abgriffes 17 und die Stellschraube
46 zur Veränderung des Potentiometers 16 bzw. des Abgriffes 18. Auf dem Gehäuse
sind Anschlußklemmen 47, 48, 49 und 50 vorgesehen, von denen die Klemme 48 mit dem
Pluspol des Verbrauchers, die Klemme 49 mit dem Pluspol des Ladegerätes und die
Klemme 50 mit Pluspol der Batterie verbunden wird. Die Klemme 47 wird mit dem gemeinsamen
negativen Pol von Batterie, Ladegerät und Verbraucher verbunden. Die tSberwachungseinrichtung
kann, wie in Fig. 5 gezeigt, mit dem die
Batterie enthaltenden Behälter
41 verbunden werden, so daß er auch bei Ausbau der Batterie stets mit ihr in Verbindung
steht.
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Beispielsweise kann von dem Amperestundenzähler eine den Ladevorgang
des Akkumulators steuernde Vorrichtung angetrieben werden, z. B. ein Potentiometer,
welches einen im Wechselstromkreis der Ladevorrichtung liegenden Transduktor oder
sonstigen Wechselstromwiderstand beeinflußt. Als Beispiel zeigt die weiter unten
beschriebene Fig. ei eine mögliche Ausführung eines elektronischen Amperestundenzählers
in Verbindung mit einem Ladegerät. Als Amperestundenzähler können aber unter anderen
auch Motorzähler verwendet werden.
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F i g. 6 zeigt schematisch eine praktische Ausführungsform für den
Antrieb der in'der Schaltung nach F i g. 2 gezeigten Potentiometer 15 und 16 sowie
des Ladezyklenzählers 19 durch den Amperestundenzähler 11. Mit M ist der Meßmotor
des Amperestundenzählers (Fig. 2) bezeichnet. Er treibt mit seiner Ausgangswelle
60, die über das Getriebe 61 mit einer Welle 64 verbunden ist, die Anzeigetrommel
65 des Amperestundenzählers: Der Meßwert des Amperestundenzählers kann beispielsweise
an einer nicht dargestellten festen Marke auf der Anzeigetrommel 65 abgelesen werden.
Die Rutschkupplung 63 ist so ausgebildet, daß sie bei Überschreitung eines bestimmten
Antriebs drehmomentes durchrutscht, und zwar in beiden Drehrichtungen. Dies kann
dadurch bewirkt werden, daß an der Anzeigetrommel 65 ein nicht dargestellter Stift
vorgesehen ist, der sich in den Endlagen der Anzeigetrommel gegen einen ebenfalls
nicht dargestellten Anschlag legt. Die Anzeigetrommel bleibt dann -stehen, während
der MeßmotorM weiterlaufen kann. Mit der Anzeigetrommel 65 ist das Potentiometer
33 starr oder über ein nicht dargestelltes Getriebe gekuppelt.
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Mit dem der Rutschkupplung 63 abgewandten Ende der Welle 64 wird
über einen Freilauf 66 der Ladezyklenzähler 67 angetrieben. Der Freilauf 66 bewirkt,
daß der Ladezyklenzähler 67 trotz wechselnder Drehrichtung der Anzeigetrommel 65
nur in einer Drehrichtung bewegt wird.
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Von dem Ladezyklenzähler 67 werden über die Welle 68 die in Fig.2
gezeigten Potentiometer 15 und 16 angetrieben, die in dem Gehäuse 69 untergebracht
sind. Die Potentiometer 15 und 16 bzw. deren Abgriffe 17 und 18 werden mit steigender
Ladezyklenzahl derart verstellt, daß die Anzeigeempfindlichkeit des Amperestundenzählers
nach und nach erhöht wird. Es wird (so mit steigender Ladezyklenzahl eineVolladung
bzw. Entladung des Akkumulators entsprechend der abnehmenden Akkumul atorkap azität
angezeigt.
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In F i g. 7 ist mit 70 das Ladegerät bezeichnet, das einen Transformator
71, eine Ladedrosselspule 72 mit mehreren Anzapfungen und eine Gleichrichtereinrichtung
73 enthält.
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Die Primärwicklung 86 des Transformators 71 ist über einen Schalter
87 an die Netzklemmen 88 angeschlossen. In Reihe mit der Sekundärwicklung 89 sind
die Ladedrosselspule72 und die Gleichrichterbrücke 73 geschaltet.
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Mit 74 ist ein Amperestundenzähler bezeichnet, der unter Verwendung
von Transistoren aufgebaut ist. Es können selbstverständlich auch Amperestundenzähler
mit anderem Aufbau verwendet werden. Die Wirkungsweise des gezeigten Ampere-
stundenzählers
74 ist folgende: ein durch den Widerstand 75 fließender Strom erzeugt an diesem
einen Spannungsabfall, welcher den Transistoren 76 und 77 zur Steuerung zugeführt
wird.. Mittels des aus dem Widerstand 78 und der Diode 79 bestehenden Spannungsteilers
erhalten die Basis-Emitter-Strecken der Transistoren 76 und 77 eine konstante Vorspannung,
welche unabhängig von Belastungsänderungen ist. In den Emitterkreisen derTransistoren76
und 77 liegen außerdem die Emitterwiderstände 80 und- 81, welche als Potentiometer
ausgebildet sind. Die an der Diode 79 auftretende Spannung liegt höher als der Eingangsspannungsschwellwert
der Transistoren 76 und 77, und es kann der Aussteuerungsgrad dieser Transistoren
durch die in den Emitterkreisen befindlichen Widerstände 80 und 81 verändert werden,
da die Transistoren allein durch die I(onstantspannung nicht voll ausgesteuert werden.
Die Aussteuerung der Transistoren 76 und 77 erfolgt vielmehr in der Weise, daß der
am Widerstand 75 durch den diesen durchfließenden Strom bedingten Spannungsabfall
sich zu der an der Diode 79 und den Emitterwiderständen 80 und 81 liegenden Spannungen
addiert bzw. subtrahiert. In den Ausgangskreisen der Transistoren 76 und 77 sind
die Zählermotoren 82 und 83 oder andere ein Strom-Zeit-Integral bildende Einrichtungen
vorgesehen, welche durch die Kollektorströme der Transistoren 76 und 77 betätigt
werden.
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Die beiden Zählermotoren 82 und 83 bzw. die anderen Integrationseinrichtungen
arbeiten auf das Differenzzählwerk 84, welches die Differenz der Anzeigen der Zählwerksmotore
82 und 83 bildet. Die Anzeige des Differenzzählwerkes 84 ist ein Maß für die Strommenge,
die den Zähler 74 durchfiossen hat und damit auch ein Maß für die von dem Akkumulator85
gespeicherte Ladungsmenge. Die Schaltung ist so ausgebildet, daß bei einer Stromflußrichtung
vom Ladegerät 70 zum Akkumulator 85 das Differenzzählerwerk aufwärts zählt, während
es bei umgekehrter Stromrichtung zurückgestellt wird.
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Während der Ladung des Akkumulators 85 wird also der Differenzzähler
84 durch die Zählwerksmotoren 82 und 83 betätigt. Dieser Differenzzähler 84 kann.
nun so ausgebildet sein, daß er bei einer bestimmten Anzeige, beispielsweise einer
solchen, welche 80 o des Volladezustandes des Akkumulators entspricht, eine Umschaltung
des Anschlusses an der Ladedrossel 72 derart bewirkt, daß der Ladestrom verringert
wird. Der Differenzzähler 84 kann auch bei verschiedenen Anzeigewerten Umschaltungen
vornehmen, so daß der Ladestrom des Akkumulators 85 stufenweise herabgesetzt wird.
Es ist auch möglich, von dem Differenzzähler 84 beispielsweise ein Potentiometer
antreiben zu lassen, für welches eine Vormagnetisierungswicklung eines Transduktors
gespeist wird, der beispielsweise an Stelle der Ladedrosselspule72 vorgesehen ist.
Auf diese Weise kann eine stetige minderung des Ladestromes erreicht werden.
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Schließlich kann auch durch das Differenzzählwerk 84 der Schalter
87 betätigt und damit die Einrichtung bei einem bestimmten Ladezustand des Akkumulators
85 vom Netz getrennt werden.