DE1421615C - Verfahren und Vorrichtung zur Ermitt lung des Entladezustands einer Akkumulatorenbatterie - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur den Gruppen von n₂ Steuerzellen zueinander parallel Ermittlung des Entiadezustands einer Akkumula- geschaltet sind (F i g. 1 bis 6) und daß man dann die torenbatterie, bei welchem den Stammzellen der Bat- vorhandene Differenz der Entladespannungen zwiterie mindestens eine durch Messung der Spannung sehen diesen beiden Gruppen mißt,
zur Anzeige des Ladezustandes dienende, in Reihe 5 Die zum Einsatz gelangende Batterie weist im Vergeschaltete Steuerzelle zugeordnet wird, deren Kapa- gleich mit einer Batterie der klassischen Bauart die zität kleiner als die der Stammzellen ist. Besonderheit auf, daß sie aus einer bestimmten An-

Es ist bereits bekannt, zur Beurteilung des Lade- zahl normaler Zellen, d. h. Stammzellen aufgebaut ist, zustande einer Akkumulatorenbatterie und insbeson- zu der zwei zusätzliche Gruppen von Steuerzellen dere im Falle von Batterien mit sehr kleinen gesinter- io hinzugefügt werden, von denen eine während des ten Platten aus Nickel-Kadmium ihre Klemmenspan- normalen Betriebs der Batterie benutzt und deshalb nung zu messen und diese Spannung mit derjenigen Betriebs-Steuerzelle genannt wird und die andere die Spannung zu vergleichen, die die Batterie liefert, Rolle von Reservezellen spielt und deshalb Reservewenn sie maximal geladen ist. Die Änderungen der Steuerzelle genannt wird.

Spannung an den Klemmen zu messen, wird aber 15 Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden nach

dann bedeutungslos, wenn die Batterie vollständig Abgabe des Warnsignals die Reserve-Steuerzellen

entladen ist, so daß eine auf diese Weise gewonnene wirksam, woraus ein leichter Spannungsanstieg resul-

Anzeige oder Warnung nur sehr schwer verwertbar tiert. Die Batterie ist auf Grund der Einschaltung der

ist. . Reserve-Steuerzellen in der Lage, im Bedarfsfall noch

Im Falle von Bleiakkumulatoren kann man die ao weitere Energie zu liefern. Zu erwähnen ist ferner,

Kontrolle der Entladung beispielsweise durch Mes- daß es beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht

sung der Dichte des Elektrolyten durchführen, dieses nötig ist, eine Sonderfertigung aktiven Materials vor-

Verfahren ist aber nicht sehr bequem und auch nicht zunehmen, das sich von dem gewöhnlicher Akkumu-

in jedem Falle durchführbar, insbesondere dann, wenn latorenbatterien unterscheidet. Es genügt, eine

die Batterie schwer zugänglich ist; außerdem läßt die 35 Klemme und einen Signalgeber bzw. eine Umschalt-

Genauigkeit dieses Meßverfahrens zu wünschen übrig. vorrichtung hinzuzufügen, die sehr einfach ausgeführt

Es ist weiterhin bekannt, einer Akkumulatoren- sein kann, wenn man nicht auf eine selbsttätige Regebatterie, deren Spannung an den Klemmen bemer- lung Wert legt. Es ändert sich jedoch nichts im Abkenswert konstant bleibt, um dann plötzlich abzu- lauf der Fabrikation der Batterien selbst, und es befallen, eine Steuerzelle, deren Kapazität z.B. 75% 30 darf auch keines neuen Ausgangsmaterials bei der beträgt, in Reihe mit den Stammzellen zu schalten, Akkumulatorenherstellung, das Risiken und Kompliden Spannungsabfall dieser Steuerzelle zu messen kationen mit sich bringen würde. * und daraus auf den Ladezustand zu schließen. Bei Erfindungsgemäß kann als zusätzliche Steuerzelle diesem Verfahren zur Ermittlung des Batterielade- eine einzige Steuerzelle benutzt werden, die man.in zustandes wird zwar die Annäherung an das Ende 35 zwei Teil-Steuerzellen unterteilt, beispielsweise die des Entladevorganges angezeigt, jedoch auf Kosten letzte Stammzelle der Batterie,
der Spannung der Batterie, die in dem Augenblick, in In zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung des Erfindern sie das Warnsignal liefert, einen Leistungsverlust dungsgedankens gibt man der Größe χ in bekannter erleidet. Daraus resultiert, daß das Warnsignal zu Weise einen Wert, der einem vorbestimmten Grad spät abgegeben wird, wenn eine weitere Energie- 4° der Entladung entspricht, den man zu ermitteln abgabe von der Batterie benötigt wird. wünscht. Will man also beispielsweise feststellen, daß

Zusammenfassend ist also festzustellen, daß der die Batterie auf 80% entladen ist, dann gibt man der

Ladezustand einer Batterie bei Anwendung der bisher Größe χ den Wert 0,2.

üblichen Methoden und bei Benutzung der bisher üb- In ähnlicher Weise können für den Fall, daß man

liehen Hilfsmittel nur sehr ungenau ermittelt werden 45 mehrere aufeinanderfolgende Entladungszustände

kann. In vielen Fällen ist es jedoch notwendig zu prüfen will, mehrere Paare von Teilsteuerzellen ver-

wissen, zu welchem Zeitpunkt die Batterie ein be- wendet werden.

stimmtes Ausmaß der Entladung erreicht hat; dies gilt Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur

insbesondere für Kampffahrzeuge, für Elektrokarren Durchführung des Ermittlungsverfahrens. Diese ist

in Fabriken usw. . 50 im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß an eine

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die be- Reihenschaltung von Stammzellen der Kapazität C an kannten Verfahren unter Beseitigung der genannten der Klemme zwei parallele Steuerzellen oder zwei Nachteile so weiter auszugestalten, daß der Verbrau- parallele Gruppen von Steuerzellen der Kapazität eher auf einfache Weise, jedoch mit Sicherheit be- (1 — x)C und xC angeschlossen sind und zwischen reits in dem Augenblick gewarnt wird, in dem der 55 den freien Klemmen der Steuerzellen ein Steuer-Akkumulator einen Zustand vorbestimmter Ent- Stromkreis angeschlossen ist.

ladung erreicht hat, um zu verhindern, daß die völlige In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegen-

Entladung in einem kritischen Moment eintritt, wenn Standes sind die Gruppen von Steuerzellen in einem

es keine Möglichkeit einer Wicderaufladung gibt. einzigen Zellengcfäß untergebracht und ihre Platten,

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich im 60 beispielsweise die negativen Platten, sind an eine einwesentlichen dadurch aus, daß man von den η Zellen zige Klemme angeschlossen, während ihre positiven der Batterie, welche /i, Stammzcllen mit einer Kapa- Platten zwei Klemmen bilden. Als günstig hat es sich zität C und 2n, Steuerzellen (2/!., = η — /J,) umfaßt, dabei erwiesen, wenn die beiden Gruppen von Steuerdie 2 «., Steucrzcllen in zwei Gruppen von n., Steuer- zellen an einem positiven Ende der Stammzellen der zellen mit der Kapazität (1 - x)C bzw. xC aufteilt 65 Batterie angeordnet sind und die negativen Klemmen (worin χ cine beliebige Zahl ist, die größer als 0 und der Steuerzellen an die positive Klemme der Stammkleiner als 1 ist), daß man diese beiden Gruppen mit zellen der Batterie angeschlossen sind.
n. Stammzcllen in Reihe schaltet derart, daß die bei- Während des normalen Gebrauchs der Batterie

vollzieht sich die Entladung zunächst in den Betriebs-Steuerzellen, die in Reihe mit den Stammzellen geschaltet sind, so daß im Verlauf der Entladung eine Differenzspannung zwischen den freien Klemmen der Reserve-Steuerzellen und den Betriebs-Steuerzellen in Erscheinung tritt, die sich anfänglich während der Entladung wenig ändert, aber ganz erheblich zunimmt, wenn das Ende der Entladung der Betriebs-Steuerzellen erreicht ist.

Diese Spannungsdifferenz kann zur Anzeige des Endes der Entladung benutzt werden. Durch Zwischenschaltung eines Relais können die Verbindungen der Batterie auch so geändert werden, daß man die Entladung der Reserve-Steuerzellen beobachten kann.

Das neue Verfahren eignet sich insbesondere auch für solche Batterien, bei denen mindestens eine Steuerzelle verwendet wird und die Batterie selbst als Pufferbatterie mit abwechselnden Teilladungen und Teilentla'dungen arbeitet.

Während des Ladevorgangs wird man im allgemeinen-zuerst die Reserve-Steuerzellen aufladen, die in Reihe mit den Stammzellen der Batterie liegen, und dann erst die Betriebs-Steuerzellen, die natürlich ihrerseits auch in Reihe mit den übrigen Stammzellen der Batterie liegen, während man bei der Entladung, wie bereits erwähnt, zuerst die Betriebs-Steuerzellen und dann die Reserve-Steuerzellen entlädt.

Gemäß einem besonderen Erfindungsgedanken schaltet man während der Ladezeiten die Betriebs-Steuerzellen parallel zu den Reserve-Steuerzellen, sobald letztere vollständig oder annähernd vollständig aufgeladen sind.

Um von der Ladung der Reserve-Steuerzellen auf die Ladung der Betriebs-Steuerzellen überzugehen, kann man erfindungsgemäß das Signal verwenden, welches von der Spannungsdifferenz herrührt, die zwischen den freien Klemmen der beiden Steuerzellengruppen im Verlauf der Ladung der Reserve-Steuerzellen auftritt.

Während der Entladeperioden schaltet man zuerst die Betriebs-Steuerzellen allein in Reihe mit den Stammzellen der Batterie und dann nach der Entladung parallel zu ihr die Reserve-Steuerzellen.

Auch hierzu kann man für den Übergang von der Entladung der Betriebs-Steuerzellen auf die Entladung der Reserve-Steuerzellen das obenerwähnte, von der Differenzspannung gelieferte Signal benutzen.

Das neue Verfahren ermöglicht es also, mit Vorrang die Reserve-Steuerzellen aufzuladen und mit Vorrang die normalen Betriebs-Steuerzellen zu entladen, so daß diese Reserve-Steuerzellen die Rolle von Sicherheitszellen spielen können.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Umschalter für die Ladung und Entladung benutzt. Dieser Umschalter hat die Aufgabe, während der Ladeperioden den Nutzstromkreis an die freie Klemme der Reserve-Steuerzellen zu legen und während der Entladeperioden diesen Stromkreis an die freie Klemme der Betriebs-Steuerzellen zu legen, während der Umschalter an ein Meßgerät zur Feststellung der Differenzspannung zwischen den freien Klemmen der Zellen angeschlossen ist und die Reserve-Steuerzellen parallel zu den Betriebs-Steuerzellen schaltet, sobald die genannte Spannungsdifferenz einen bestimmten Wert erreicht hat.

Der Umschalter umfaßt im wesentlichen einen Elektromagneten, dessen Erregerwicklung in Reihe mit dem Nutzstromkreis liegt und dazu dient, zwei Kontakte zu betätigen, die in zwei getrennten Stromzweigen liegen, die einerseits den Ladestromkreis an die freien Klemmen der Reserve-Steuerzellen anschließen und andererseits an die Betriebs-Steuerzel-Ien, derart, daß bei Schließung des einen Kontaktes gleichzeitig der andere Kontakt geöffnet wird.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. Es zeigt
ίο F i g. 1 eine Schaltung, die zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung dient,

Fig. 2 die Schaltanordnung einer Batterie mit einer Signallampe,

F i g. 3 die Batterie nach F i g. 2, jedoch mit einem Signalgeber mit Relais,

F i g. 4 eine Schaltanordnung mit Anzeige- und Sperrvorrichtung,

F i g. 5 eine Schaltanordnung für die Batterie, bei der außer dem Signalgeber noch eine Sperreinrichtung und ein Relais vorgesehen sind,

Fig. 6 eine Schaltanordnung für eine Batterie mit Signalgeber und. mit Verstärker,

F i g. 7 die graphische Darstellung der Entladekurve der Steuerzelle mit der Kapazität (1 — x)C in vergleichender Darstellung mit der Steuerzelle mit der Kapazität xC und mit den Betriebsbereichen der verschiedenen Vorrichtungen für die Anzeige,

F i g. 8 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,

Fig. 9 eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung nach F i g. 8,

Fig. 10 die Ladekurve einer Batterie mit Stcuerzelle und mit der Vorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 11 die Darstellung einer Entladekurve einer Batterie nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist das Prinzip des Aufbaus einer Batterie dargestellt, wie sie zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung dient, bei dem eine Anzeige der Annäherung an das Ende der Entladung erfolgt. Diese Anordnung besteht aus einer Aneinanderreihung von Zellen verschiedener Kapazitäten, die im Falle einer Batterie aus /1 Zellen besteht. Die Batterie besitzt (n — 2) Stammzellen mit der Kapazität C, die in Reihe geschaltet sind und das Bezugszeichen 1 tragen. Die (n — l)teZelle2, die Betriebs-Steuerzelle, hat eine Kapazität von (1 — x)C, und die «te Zelle 3, die Reserve-Steuerzelle, eine Kapazität.xC, wobei .r das Ausmaß der Entladung charakterisiert, welches man zur Anzeige zu bringen wünscht. Mit der Bezugsziffer 4 ist die freie Klemme der (n — 2)ten ersten Stammzelle 1 bezeichnet, und mit der Bezugsziffer 5 die den Stamm- und Steuerzellen 1, 2 und 3 gemeinsame Klemme, während mit 6 und 7 die freien Klemmen der Steuerzellen 2 bzw. 3 bezeichnet sind.

Die Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen sind so vorgenommen, daß man die Batterie entweder mit den Stammzellen und einer der Steuerzellen 2 oder 3 oder mit beiden Steuerzcücn zusammen benutzen kann. So kann man z. B. die Batterie zwischen den Klemmen 4 und 6 anschließen, d. h. die /ι — 2 Stammzcllen und die Betricbs-Steuerzelle 2 benutzen, während die Reserve-Steuerzelle 3 in Re*erve bleibt.

Man kann auf ähnliche Weise die Verbindungen so vornehmen, daß die Steuerzellen 2 und 3 gleich-

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zeitig benutzt werden und parallel geschaltet Leuchtstärke der Lampe erfordert bei dieser Schal-

bleibcn. tung eine Spannungsdifferenz von 1 Volt.

Die praktische Verwirklichung dieser Schaltung Man kann aber auch, anstatt die Signallampe unkann auf verschiedene Weise vorgenommen werden; mittelbar in den Steuerkreis 8 zu legen, diese in einen so kann man beispielsweise eine Batterie verwenden, 5 Hilfsstromkreis 10 legen, der durch ein Relais 11 gezu der man eine zusätzliche besondere Gruppe hinzu- Öffnet und geschlossen wird, welches seinerseits in fügt, die aus zwei Anordnungen besteht, die beispiels- dem Stromkreis 8 liegt (s. F i g. 3). In diesem Stromweise Zellen in eigenen Gefäßen haben und von denen kreis 10 liegt auch eine Stromquelle 17, die von der die eine Anordnung an eines der Enden der Batterie Akkumulatorenbatterie unabhängig ist. Der Speiseangefügt ist, also beispielsweise am positiven Ende, io strom für die Lampe kann aber natürlich auch der und deren negative Klemme an die positive Klemme Batterie entnommen werden. Als Ansprechspannung der Batterie angeschlossen ist. Es sei beispielsweise einer solchen Schaltanordnung genügt eine Spanangenommen, daß man nach diesem Grundsatz eine nungsdifferenz zwischen den Klemmen 6 und 7 von Batterie aufgebaut hat, die aus neun Slammzellen mit 0,3 Volt.

der Nennkapa/ität von 75 Amperestunden besteht, 15 Diese beiden soeben geschilderten Lösungen haben denen man zwei zusätzliche Anordnungen beigefügt den Nachteil, daß zwischen den beiden Zellen 2 hat,-die einerseits aus einer Reservc-Steuerzellen- und 3 andauernd ein Strom fließt. Zur Vermeidung anordnung mit 52 Amperestunden besteht und an- dieses Nachteils kann man, wie dies Fig. 4 zeigt, in dereiseits aus einer Betriebs-Steuerzellenanordnung den Steuerstromkreis 8 ein Sperrglied, beispielsweise int 23 Amperestunden. Bei einer anderen Ausfüh- 20 eine Germaniumdiode 12 od. dgl. legen, die den rungsfoim des Erlindungsgegenstandes sind die Strom nur in einer Richtung und oberhalb ihres An-Steuerzellen mit den Stammzellen in einem einzigen sprechwertes durchläßt. Bei dieser Anordnung ist die Zellengefäß untergebracht und ihre Platten, beispiels- Spannungsdifferenz zwischen den unabhängigen weise die negativen Platten, sind an eine einzige Klemmen der Steuerzellen 2 und 3, die erforderlich Klemme angeschlossen, während die positiven Platten 25 ist, um den Signalgeber zu betätigen, um den Spanzwei Klemmen bilden. Es ist selbstverständlich, daß nungsabfall größer, welcher dem Schwellwert des die Anordnung auch in umgekehrter Reihenfolge ge- Sperrgliedes entspricht und bei einer üblichen Diode troffen werden kann. größenordnungsmäßig etwa 0.5 Volt beträgt. Ein

Während des normalen Entladevorgangs der Bat- deutliches Aufleuchten der Lampe erfordert also bei

terie wird nur diejenige Zellengruppe, welche teilweise 30 dieser Schaltordnung eine Spannungsdifferenz zwi-

in Verbindung mit den Slammzellen 1 arbeitet, ent- sehen den Klemmen 6 und 7 von etwa 1.5 Volt,

laden. Es sei angenommen, daß man in Verbindung Selbstverständlich kann man ein solches Sperrglied

mit einer vollständig aufgeladenen Batterie arbeitet in Verbindung mit einer Relaissteucrung verwenden^

und die Betriebs-Sleuerzelle 2 mit der Kapazität wie sie in Fig. 5 gezeigt ist. Die Diode 12 liegt in

(1 ·■- x)C benutzt: dann ergibt sich, daß die Span- 35 diesem Fall in Reihe mit dem Relais 11, welches den

nung an den Klemmen dieser Zelle 2 fällt. Vergleicht Hilfsstromkreis 10 öffnet und schließt. In diesem

man nun diese Spannung mit der Spannung an den Falle ist die erforderliche Spannungsdifferenz zwi-

Klcmmen der Zelle 3, die zu diesem Zeitpunkt in dem sehen den beiden Klemmen der Zellen 2 und 3 etwa

offenen Stromkreis liegt und vollständig geladen ist. 0,8 Volt.

dann wendet man ein sehr einfaches Mittel für die 40 Dabei ist zu beachten, daß die Anzeige unter Zwi-Wicderherslellung eines bestimmten Zustandes der schenschaltung eines Relais es ermöglicht, eine viel Entladung an und hat doch die Möglichkeit, durch freiere Signalisierung zu erzielen, als man sie mit Hilfe Ersatz oder llinzufügung der Rescrve-Steucrzelle 3 der direkten Anzeige erreicht, bei der die Spannungs-ZU der Betriebs-Steuerzelle 2 die Entladung der Bat- differenz allmählich zunimmt, so daß auch die Leuchtteiie fortzusetzen, weil die Reservc-Steuerzclle 3 es 45 stärke der Lampe nur allmählich zunimmt,
zuläßt, die Entladung fortzusetzen, nachdem die Be- Bei den bisher beschriebenen Anzeigevorrichtungen triebs-Steuerzelle 2 entladen worden ist. Die voll- und insbesondere bei denjenigen, welche ein Sperrständige Entladung der Betricbs-Steuerzelle 2 dient glied enthalten, muß das Signal einen verhältnismäßig lediglich dazu, den kritischen Entladczustand zu be- hohen Wert erreichen, um überhaupt nutzbringend stimmen. Die Differenz der positiven Spannung der 50 verwendet werden zu können, d. h. also in diesen ge-Steuerzellen 2 und 3 ist im übrigen gleich der Diffe- schilderten Fällen insofern, als die Lampe eine ausrenz der Spannungen zwischen den beiden Steuer- reichende Leuchtstärke erhalten muß.
zellen 2 und 3, weil ihre negativen Klemmen sich ja Es versteht sich von selbst, daß eine derartige Einselbst ihrerseits auf dem gleichen Potential befinden. richtung dann von Nachteil ist, wenn die Entladung Daraus geht hervor, daß die variable Größe, über die 55 der Steuerzelle, die gerade in Betrieb ist. nicht zu man verfügt, um einen bestimmten Entladezustand zu lange fortgesetzt werden darf, weil eine zu weit charakterisieren, die Spannungsdifferenz ist, die zwi- gehende Entladung vermieden werden muß.
sehen den freien Klemmen der Stcucrzellcn 2 und 3 Man kann in diesem Fall also den Ansprechwert vorhanden ist. für die Anzeige dadurch herabsetzen, daß man einen

Die Feststellung bzw. die Messune dieser Snan- 60 Verstärker einbaut, der den Strom in den Steuernungsdifferenz kann auf verschiedene Weise crfoliien. Stromkreis verstärkt.

So kann man beispielsweise, wie dies in der Schalt- F i g. 6 zeigt eine solche Steuervorrichtung mit anordnung nach F i <i. 2 geschehen ist. die unabhängi- einem Verstärker 13. Der Steuerstromkreis enthält gen Klemmen der Stcuerzellen 2 und 3 durch Zwi- einen Widerstand 14, während der Stromkreis 15 an schensehalUmg eines Sleuerstromkrcises 8 miteinan- 65 die Klemme 4 der Batterie gelegt ist. In dieser Vorder verbinden, in dem eine Signallampe 9 licL't. die richtung kann eine direkte Anzcinevorrichtun«! 9 aufleuchtet, sobald die Spannungsdifferenz /wischen oder eine Signal- oder Steuervorrichtung unter Zwidiesen beiden Klemmen genügend hoch isl. Eine volle schcnschaltung eines Relais 16 eingebaut sein. Bei

diesen beiden Vorrichtungen erhält man eine wirksame Anzeige, sobald die Spannungsdifferenz den Wert von 200 Millivolt erreicht. Man kann gegegebenenfalls auch eine Anzeigevorrichtung unter Zwischenschaltung eines Relais verwenden.

In F i g. 7 ist die Entladekurve für die Betriebs-Steuerzelle mit der Kapazität (1 — c)C in bezug auf die Steuerzelle mit der Kapazität at C wiedergegeben, in die für die Zwecke des Vergleichs die verschiedenen Arbeitsbereiche der obenerwähnten Anzeigevorrichtungen eingetragen sind. Es handelt sich um eine Batterie aus η — 2 Zellen mit einer Kapazität von 75 Amperestunden und mit einer Teilzellenanordnung 2 von 60 Arnperestunden sowie einer Teilzellenanordnung 3 mit 15 Amperestunden. Die Entladungen übernimmt einzig und allein die Zellenanordnung 2, während die Anordnung 3 nur einen sehr schwachen Zirkulationsstrom aufrechterhält. Die Erzeugung der Spannungen entspricht einer Entladestromstärke von 20 Ampere.

Die einzelnen Bereiche Z₁, Z₂, Z₃, Z₄ und Z₅ charakterisieren folgende Einrichtungen: Z₁ direkte Anzeige durch eine Lampe ohne Sperrglied, Z₂ Anzeige oder Steuerung mit Hilfe eines Relais ohne Sperrglied, Z₃ direkte Anzeige durch eine Lampe mit Sperrglied, Z₄ Anzeige oder Relaissteuerung mit Sperrglied, Z₅ Anzeigevorrichtung mit Verstärker.

Aus der Kurve ersieht man deutlich, daß die Vorrichtung mit Verstärker in einem Bereich liegt, der dicht bei dem Knie der Kurve liegt und infolgedessen eine besonders genaue Anzeige des Endes der Entladung ermöglicht.

Bei der Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes nach F i g. 8 besteht die Batterie aus /1 — 2 Stammzellen mit der Kapazität C, die in Reihe geschaltet sind und die Bezugsziffer 1 tragen. An diese /i — 2 Zellen ist eine Steuerzellenanordnung angeschlossen, die aus zwei Steuerzellen besteht, von denen die Steuerzelle 3 die Reserve-Steuerzelle ist und die Kapazität λ: C besitzt und die Steuerzelle 2 die normale Betriebs-Steuerzelle ist, welche eine Kapazität (1 — x)C besitzt, wobei χ wieder den Zustand der Entladung bezeichnet, den man festzustellen wünscht. Man wählt z. B. für χ den Wert 0,2, so daß eine Anzeige erfolgt, wenn die Batterie'auf 80 %> entladen ist. Die Reserve-Steuerzelle enthält somit 20% der gesamten Kapazität. Diese Akkumulatorenbatterie kann beispielsweise neun Stammzellen mit einer Nennkapazität von 75 Amperestunden enthalten, zu denen eine Steuerzellenanordnung mit einer Reserve-Steuerzelle und mit einer Betriebs-Steuerzelle hinzugefügt ist, die alle in ein und demselben Gehäuse untergebracht sind. In dieser Figur ist die freie Klemme der Rescrve-Steuerzelle wieder mit 7 bezeichnet, die freie Klemme der Betriebs-Steuerzelle mit 6; beide Zellen sind vorzugsweise an ein und dieselbe negative Elektrode angeschlossen.

Der Ladestrom kommt an einer Klemme 18 an, an weiche ein F.lektromagnet 19 angeschlossen ist, tier das selektive Organ für den Zustand der Ladung bzw. der Entladung darstellt und dessen andere Klemme 20 einerseits unter Zwischenschaltung eines Kontaktes 21 über einen Vcrzwcigungspimkt 22 an die Klemme 4 gelegt ist und andererseits unter Zwischenschaltung eines Kontaktes 23 über eine Klemme 24 an die Klemme 5. lim Anker 25 befindet sieh in dem magnetischen leid des Hlektromagnetcn 19 und kann mit einer der Klemmen 26« oder 26/' Kontakt herstellen, wobei er mit den Wicklungen 27 bzw. 28 zum Anziehen der Kontakte 21 bzw. 23 in Verbindung steht. Dieser Anker öffnet je nach seiner Stellung einen dieser Kontakte und schließt dabei gleichzeitig den anderen.

Ein Relais 29 dient dazu, die Reserve-Steuerzellen und die normale Betriebszelle parallel zu schalten. Dieses Relais 29 enthält eine Haupterregerwicklung 30, die an dem Kollektor eines Transistors 31 liegt, dessen Emitter und dessen Basis an der Klemme 4 bzw. an der Klemme 5 liegt. Die Wicklung 30 liegt im übrigen an Masse bzw. Erde, und zwar einerseits unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 32, andererseits unter Zwischenschaltung eines Widerstandes

33 über die Klemme 26 b und den Schwinganker 25. Diese Widerstände 32 und 33 haben die Aufgabe, den Strom in der Wicklung 30 zu regeln. Das Relais 29 besitzt seinerseits ebenfalls einen Anker 34, der mit einer Klemme 35 Kontakt schließen kann und dadurch den Erregerstromkreis der Wicklung 36 des Schalters 37 schließt. Das Relais 29 besitzt außerdem eine sekundäre .Erregerwicklung 38, die einerseits unter Zwischenschaltung eines Kontakts des Schalters 37 an die Klemme 22 angeschlossen ist und andererseits an die Klemme 24. Die Aufgabe dieser Wicklung besteht darin, den Kontakt zwischen dem Anker

34 und der Klemme 35 herzustellen, wenn der Kontakt des Schalters 37 geschlossen ist.

Eine Signallampe 39 ist einerseits an den Nutzstromkreis und andererseits unter Zwischenschaltung der Klemme 35 und des Ankers 34 an Masse angeschlossen.

Die Wirkung dieser Vorrichtung zur Ausführung des neuen Verfahrens nach der Erfindung ist folgende.

Beim Ladevorgang kommt der Ladestrom an der Klemme 18 an, erregt den Elektromagneten 19 in einem solchen Sinne, daß der Anker 25 von der Stellung 26b in die Stellung 26a übergeht, so daß die beiden Spulen 27 und 28 erregt werden. Der Kontakt 21 wird geschlossen, während der Kontakt 23 geöffnet wird. Die Reservezelle 2 wird nunmehr als einzige über den Kontakt 21 nach dem Stromlauf 2, 4, 22, 21, 20, 19, 18 und positive Klemme geladen.

Ist die Reserve-Steuerzelle aufgeladen, dann wird die Ungleichheit der Spannungen zwischen 4 und 5 mit Hilfe des Transistors 31 verstärkt, der durch die Wicklung 30 einen Strom fließen läßt, dessen Wert durch den Widerstand 32 festgelegt ist. Der Anker 34 schließt einen Kontakt mit der Klemme 35, wodurch die Spule 36 ihre F.rregung erhält und ihrerseits den Kontakt 37 schließt. Andererseits leuchtet die Lampe 39 auf. weil ihr Speisekreis geschlossen ist und geschlossen bleibt. Zu diesem Zeitpunkt hält die Wicklung 30 nicht mehr den Anker 34 in Kontakt mit der Klemme 35, sondern die Wicklung 38. Diese Wicklung dient dazu, die Steucrzellcn 2 und 3 während der /weiten Phase der 1 adeperiode parallel zu schalten, in dereir Verlauf die Reserve-Steuerzelle in Pulferschaltung gehalten wird, während die Betriebs-Steuerzelle auf normale Weise aufgeladen wird.

Am linde des I.adevorgangcs kann es von Bedeutung sein, zwei Arten des Betriebes vorzusehen. Zu diesem Zweck erhält die Wicklung 38 besondere Abmessungen.

1. Wünscht man die Steuer/eilen 2 und 3 in PufTerschalttin» ?\\ halten, muß die Wicklung so dinien-

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sioniert werden, daß der Anker 34 an der Klemme 35 anliegen bleibt, selbst wenn die Restströme sehr schwach sind (zwischen C/50 oder C/20).

Es sei an dieser Stelle ausdrücklich bemerkt, daß man die Anzahl der Amperewindungen der Wicklung nicht über das erforderliche Maß erhöhen sollte, weil während der Ruheperioden Gefahr besteht, daß die Rcserve-Steuerzelle 3 in die Betriebs-Steuerzelle 2 über den Schalter 37 entladen wird, der in der Schließstellung verbleibt und außerdem auch über die Wicklung 38 selbst entladen wird.

2. Man kann sich auch mit einer sehr viel schwächeren Dimensionierung der Wicklung 38 begnügen, so daß bei kleineren Restströmen der Anker 34 nicht " mehr stündig an der Klemme 35 kleben bleibt.

„Sobald die Huuptwicklung 38 nicht mehr erregt ist, erfolgt die ölfiumg des Kontaktes 37. Die Restströme führen also die Ladung der Reserve-Steuerzelle fort, und der Unterschied der Spannung gegenüber der normalen Betriebs-Steuerzelle vergrößert sich, so daß der Transistor 31 von neuem in Tätigkeit tritt, die Wicklung 30 erneut gespeist wird und damit der Kontakt 37, so daß die Ladung der Betriebs-Steuerzelle wiederhergestellt wird.

Man erhält auf diese Weise mehrere solcher Arbeitszyklen, die eine Art von Hin- und Herbewegung um eine mittlere Gleichgcwichtsstellung darstellen.

Wird der Ladestrom über ein ausreichend langes Zeitintervall Null, dann fallen die Anker 25 und 34 in die Stellung zurück, in der die Kontakte 21 und 37 olfen sind und in welcher der Kontakt 23 geschlossen ist. Die Signallampe 39 erlischt. Auf diese Weise wird jeder Ausgleich zwischen den Zellen 2 und 3 unmöglich gemacht.

Beim Entladevorgang befinden sich die Anker 25 und 34 sowie die Kontakte 21, 37 und 23 in der in Fig. 4 wiedergegebenen Stellung. Der Strom kommt an der Klemme 6 der normalen Betriebs-Steuerzeüe an, Hießt über den Kontakt 23, durchfließt die Wicklung des Elektromagneten 19 und gelangt zu der Klemme 18 an den Nutzstromkreis.

Erreicht nun die DifTcrcnzspannung zwischen den Klemmen 6 und 7 einen bestimmten Wert, dann gibt der Transistor 31 dem Durchgang des Stromes den Weg frei, der folgenden Verlauf nimmt: Wicklung 30, Widerstand 32 und von da zurück nach Erde; die Rückleitung kann auch über den Stromkreis 31, 30, 33, 25 und 26 Λ erfolgen. Da nun die Wicklung 30 erregt ist, kommt der Anker 34 zum Anliegen an den Kontakt oder die Klemme 35 und sichert so die Schließung des Kontaktes 37. Die Signallampe 39 leuchtet auf und zeigt dadurch an, daß nunmehr die Reserve-Steuerzeile den Nutzstromkreis speist. Der Strom Hießt dann von der Klemme 4 über die Kontakte 21 und 23 in den Nutzstromkreis.

Der Obergang von dem Vorgang der Ladung zu dem Vorgang der Entladung geschieht auf folgende Weise: Ist das Ende des Ladevorgangs erreicht, dann halten nur noch die Rcstströine die Anker 25 und 34 in Kontakt mit den Klemmen 26« bzw. 35. Geht man nun sehr rasch zu einer Entladung über, dann ergibt sich, dall einerseits das Vorhandensein von Restströmen und andererseits die Trägheit der mechanischen Teile eine gewisse Verzögerung der Wirkung des Umschalters 19 und des Relais 29 zur Folge hallen. Der Strom lliellt in die Wicklung 38 und mit (lic Ki'n kliiliriiiii' des Ankers 34 in die Ruhestellung hervor, d. h. in diejenige Stellung, in welcher keine Kontaktgebung erfolgt, so daß die Öffnung des Kontaktes 37 herbeigeführt wird. Ein Strom, der aus dem Umschalter kommt, durchfließt die Wicklung des Umschalters 19, so daß der Anker 25 mit der Klemme 26 b Kontakt macht und der Kontakt 21 geöffnet wird, während der Kontakt 23 geschlossen wird und die Entladung in vorschriftmäßiger Weise über die normale Betriebszelle erfolgt.

Bei der soeben beschriebenen Ausführungsform dient die gleiche Signallampe 39 entweder zur Anzeige der erfolgten Parallelschaltung der Zellen 2 und 3 bei der Ladung oder zur Anzeige des Anfangs der Inbetriebnahme der Teilzelle bei der Entladung. In bestimmten Fällen kann es von Vorteil sein, zwei Signallampen, beispielsweise mit verschiedenen Farben, zur Unterscheidung dieser beiden Betriebsfälle zu verwenden.

Bei der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung, die in F i g. 9 dargestellt ist, besitzt der Elektromagnet 19 einen zweiten Anker 40, der mit dem Nutzstromkreis verbunden ist und dazu dient, mit einem def Kontakte 41« und 41 b in Berührung zu kommen, die mit den Lampen 42 bzw. 43 in Verbindung stehen. Diese Lampen sind ihrerseits unter Zwischenschaltung der Klemme 35 und des Ankers 34 mit Masse verbunden. Die Lampe 42 leuchtet am Ende des Ladevorgangs der Reserve-Steuerzelle auf und zeigt auf diese Weise auch die Parallelschaltung der normalen Betriebs-Steuerzelle an; bei der Entladung leuchtet die Lampe 43 in dem Augenblick auf. in welchem die Reserve-Steuerzelle in Betrieb kommt.

Die praktische Ausführung dieser Anordnung kann so erfolgen, daß man die beiden Teile der Steuerzelle in ein und demselben Zellengefäß einsetzt, das auch die normalen Balteriezellen enthält, wie dies oben bereits erwähnt worden ist. Die Anordnung kann aber auch so getroffen werden, daß man die Reserve-Steuerzellen und die normalen Betriebs-Steuerzellen in zwei getrennten Zellengefäßen unterbringt.

In Fig. 10 der Zeichnung sind Beispiele von Ladekurven wiedergegeben. Sie beziehen sich auf einen Ladevorgang mit 20 Ampere einer Batterie mit 75 Amperestunden aus zehn vollständig entladenen Zellen. Die Kurve /1 bezieht sich auf die Ladung der Reserve-Steuerzelle, die Kurve B auf die Ladung der normalen Betriebs-Steuerzelle und die Kurve C auf die Gesamtladung der Batterie. Die Kurvenäste P und Γ' der Kurven A und B, die praktisch parallel zur Ordinatenachse verlaufen, auf der die Spannungen aufgetragen sind, kennzeichnen den Betriebspunkt der Vorrichtung, in welchem die Reserve-Steuerzelle und die normale Betriebs-Steuerzelle parallel geschaltet werden. Es sei hier ausdrücklich bemerkt, daß die Kurve für die gesamten Spannungen C in diesem Augenblick einen kleinen Abfall zeigen, der etwa 0,2 Volt beträgt, um dann wieder anzusteigen und die ursprüngliche Kurve zu erreichen. Fig. 11 zeigt ein Beispiel für die Form der Entladekurven.

Diese Kurven beziehen sich auf einen Entladevorgang bei 20 Ampere einer Batterie mit 75 Amperestunden Kapazität aus zehn Zellen, wobei die Ladung mit einer Spil/enstroinstärke von 300 Ampere für die Dauer von 5 Sekunden und nach erfolgter Parallelschaltung der ReseiAc-Sleuei zelle zu der normalen IJeliiebs-.Steiierzi'üe erfolme, d. I). unmittelbar

nach dem Zeitpunkt, in welchem die Reserve-Steuerzelle anfängt, sich zu entladen. Die Kurve A bezieht sich auf die Entladung der Reserve-Steuerzelle, die Kurve B auf die Entladung der normalen Betriebs-Steuerzelle, während die Kurve C die Entladung der Batterie darstellt.

Wie man aus dieser Figur ersieht, nimmt die Kurve A am Anfang einen geradlinigen Verlauf, zeigt also eine konstante Spannung an, weil sich die Reserve-Steuerzelle nicht entlädt, während sich die Betriebs-Steuerzelle 2 in normaler Weise entlädt. Nähert sich ihre Entladung dem Ende (1,K)VoIt), dann tritt die Vorrichtung zur Parallelschaltung der Stcuerzellen in Funktion; dies bewirkt, daß die Spannung der Reserve-Steuerzelle 3 auf 1,25 Volt absinkt und in diesem Punkt der Kurve die Spannungskurve für die Betriebs-Steuerzelle 2 für den normalen Betrieb erreicht; dies hat zur Folge, daß die Gesamtspannungganz leicht ansteigt, weil jetzt die Reserve-Steuerzelle zu der Batterie dazukommt. Will man in diesem ,Moment die Batterie zum Starten benutzen (hierbei ist z. B. eine Entladestromstärke von Ampere erforderlich), dann ergeben sich entsprechende Entladungen der Batterie einerseits und der beiden Steuerzellen andererseits.

Claims (23)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung des Entladungszustands einer Akkumulatorenbatterie, bei welehern den Stammzellen der Batterie mindestens eine durch Messung der Spannung zur Anzeige des Ladezustandes dienende, in Reihe geschaltete Steuerzelle zugeordnet wird, deren Kapazität kleiner als die der Stammzellen ist, dadurch gekennzeichnet, daß man von den η Zellen der Batterie, weiche /I₁ Stammzellen (1) mit einer Kapazität C und 2 /!., Steuerzellen (2 n., — η — /I₁) umfaßt, die 2 n.-, Steuerzellen in zwei Gruppen von n., Steuerzellen (2, 3) mit der Kapazität (1 — x)C bzw. xC aufteilt (worin .v eine beliebige Zahl ist, die größer als 0 und kleiner als 1 ist), daß man diese beiden Gruppen mit den H₁ Stammzellen in Reihe schaltet, derart, daß die beiden Gruppen von /1., Steuerzellen zueinander parallel geschaltet sind (Fig. 1 bis 6) und daß man dann die vorhandene Differenz der Entladespannungen zwischen diesen beiden Gruppen mißt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Prüfung mehrerer aufeinanderfolgender Entladungszustände .v, C, x.,C . .. x,,C n Paare von Steuerzellen (2, 3) einsetzt, die eine Kapazität von (1 — .V₁)C, (1 — X₁)C ... (1 — .v„)C bzw. .V₁C, x,C . . . .v„C aufweisen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß /1., gleich I gemacht wird, so daß die einzelnen Gruppen jeweils nur aus einer einzigen Steuerzelle (2, 3) bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Grüße ν in bekannter Weise einen Wert erhält, der einem vorbestimmten, zu ermittelnden F.ntladc/ustaiid entspricht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, .dall man tue vorhandene I)UTeRMi/ der r-nlladcspannmmcii zwischen den beiden Gruppen dadurch ermittelt, daß man zwischen den Gruppen der Steuerzellen (2, 3) einen ständigen Stromtluß erzeugt, dessen Stärke gemessen wird (Fig. 2 und 3).

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man den Stromfluß so lange verhindert, bis die Stärke des Stromes einen vorbestimmten Wert erreicht hat (F i g. 4).

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von dem Strom gelieferte Signal verstärkt wird, um den Schwellwert für das Ansprechen der Vorrichtung heraufzusetzen (F i g. 6).

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Reihenschaltung von Stammzellen (1) der Kapazität C an der Klemme (5) zwei parallele Steuerzellen (2, 3) oder zwei parallele Gruppen von Steuerzellen der Kapazität (1 — .v)C und χ C angeschlossen sind und zwischen den freien Klemmen der Steuerzellen ein Steuerstromkreis (8) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Steuerzellen (2, 3) in einem einzigen Zellengefäß untergebracht sind und daß ihre Platten, beispielsweise die negativen Platten, an eine einzige Klemme (5) angeschlossen sind, während ihre positiven Platten zwei Klemmen (6, 7) bilden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gruppen von Steuerzellen (2, 3) an dem positiven Ende der Stammzellen (1) der Batterie angeordnet sind und die negativen Klemmen der Steuerzellen an die positive Klemme der Stammzellen der Batterie angeschlossen sind.

11. Vorrichtung nach einem der Anspruches bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstromkreis einen Signalgeber (9) aufweist, der ein Signal gibt, sobald die DilTerenz der Spannungen zwischen den freien Klemmen (6, 7) der beiden Gruppen von Steuerzellen (2, 3) einen vorbestimmten Wert erreicht hat.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (9) eine Signallampe ist, die unmittelbar in den Kontrolloder Steuerstromkreis (8) eingeschaltet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (9) in einem Hilfsstromkreis (10) liegt, der durch ein Relais (11) in dem Steuerstromkreis (8) betätigt wird.

14. Vorrichtung nach Anspruchs bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Steuerstromkreis (8) ein Sperrglied (12) liegt, welches dazu dient, den Durchgang des Stromes in diesem Stromkreis zu sperren, wenn die DilTerenz der Spannungen /wischen den freien Klemmen (6, 7) der Gruppen von Steuer/eilen (2, 3) einen vorbestimmten Wert unterschreitet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrglied (12) eine Diode, beispielsweise eine Germaniumdiode ist.

Id. Vorrichtung nach einem der Ansprüche S bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstromkreis (8) einen Verstärker (!3) enthält, der den Signalgeber (9) speist.

17. Vorrichtung nach einem der Anspruches bis !I). bei der die Hatterie voi/uusweise als

PufFerbattcric arbeitet, gekennzeichnet durch einen Umschalter (19) für Ladung oder Entladung, der auf die Stromrichtung während der Ladung anspricht, und wobei der Nutzstromkreis an die freie Klemme (7) der Reserve-Steuerzelle (3) angeschlossen ist, solange die Batterie entladen wird und der Nutzstromkreis an der freien Klemme (6) der Betricbs-Steuerzelle (2) liegt, wobei ein als selektives Organ dienendes Relais (29) an ein Gerät (31) angeschlossen ist, das zur Feststellung der SpannungsdilTerenz zwischen den freien Klemmen (6. 7) der Steuerzellen dient und das Relais gleichzeitig dazu dient, die Reserve-Steucrzellen (3) und die Betriebs-Steuerzelle (2) parallel zu schalten, sobald die Spannungsdiflerenz einen bestimmten Wert erreicht hat.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (19) einen Elektromagneten besitzt, dessen Erregerwicklung in Reihe mit dem Nutzstromkreis liegt und dazu ■ dient, zwei Kontakte (26 a, 266) zu betätigen, die in zwei getrennten Stromzweigen liegen, die einerseits den Nutzstromkreis an die freien Klemmen der Reserve-Steuerzellen (3) anschließen und andererseits an die Betriebs-Steuerzellen (2), derart, as daß bei Schließung des einen Kontaktes gleichzeitig der andere Kontakt geöffnet wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 und 18, ■dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (29) einen Elektromagneten besitzt, dessen Erregerwicklung (30) im Stromkreis eines Transistors (31) oder eines dementsprechenden elektrischen Bauteils liegt, das an die Klemmen der Reserve-Steuerzellen (3) und der Betriebs-Steuerzellen (2) angeschlossen ist, derart, daß die Wicklung von einem Strom durchflossen wird, sobald die Spannungsdifferenz zwischen den Klemmen der betreffenden Steuerzellen einen bestimmten Wert erreicht, um die Schließung eines Kontaktes zu bewirken.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet des Relais eine zweite Erregerwicklung (38) aufweist, die einerseits an der freien Klemme (7) der Reserve-Steuerzelle (3) unter Zwischenschaltung eines Kontaktes (37) liegt und andererseits an der freien Klemme (6) der Betriebs-Steuerzelle (2), und daß das Relais dazu dient, die Steuerzellen parallel zu schalten.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter und die Basis des Transistors (31) an die freie Klemme (7) der Reserve-Steuerzelle (3) bzw. an die freie Klemme (6) der Betriebs-Steuerzelle (2) angeschlossen sind, während die Erregerwicklung (30) für den Elektromagneten des Relais (29) im Kollektorkreis des Transistors (31) liegt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 21, gekennzeichnet durch einen Signalgeber (39), der durch das Relais (29) für die Parallelschaltung in ,den Steuerkreis gelegt wird und dazu dient, die erfolgte Entladung der Reserve-Steuerzellen (3) bzw. die Beendigung des Ladevorganges der Reserve-Steuerzellen anzuzeigen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerstromkreis einen Signalgeber (43) enthält, der dazu dient, die "Entladung anzuzeigen, und einen weiteren Signalgeber (42), um den Beginn der Ladung anzuzeigen.

Hiemi 2 Blatt Zeichnungen