DE2012614A1 - Verfahren zur Feststellung des Endladezustandes eines elektrischen, einem Ladevorgang unterworfenen Akkumulators, Vorrichtung für das Durchführen dieses Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Feststellung des Endladezustandes eines elektrischen, einem Ladevorgang unterworfenen Akkumulators, Vorrichtung für das Durchführen dieses Verfahrens

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Description

Leclanche S.A. ,CH HOO Yverdon (Kanton Waadt, Schweiz) 48, Avenue de Grandson
Verfahren zur Feststellung des Endladezustandes' eines elektrischen, einem Ladevorgang unterworfenen Akkumulators, Vorrichtung für das Durchführen dieses Verfahrens
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung des Endladezustandes (d.i. der Zustand des Endes der Ladung) einer elektrischen Sammlerbatterie bei ihrer Aufladung, deren äquivalentes Schaltbild folgende in Reihe geschaltete Größen aufweist: eine der elektromotorischen Kraft der Batterie entsprechende Spannungsquelle, einen ersten Widerstand, dem eine Kapazität parallelgeschaltet i3t und der dem durch chemische Vorgänge hervorgerufenen inneren Widerstand der Batterie entspricht, und einen Widerstand, dem praktisch keine Kapazität parallelgeschaltet ist und der dem inneren Eigenwiderstand der stromführenden Teile entspricht $ die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die dazu dient, das Ansprechen des Ladeströmkreises eines Batterieladegerätes zu bestimmen.
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Eine in regelmäßigen Seitabstanden vorgenommene, einwandfreie Nachladung von Sammlerbatterien (Akkumulatoren) trägt dazu bei, diesen eine lange Lebensdauer zu verschaffen; die einwandfreie Nachladung hängt jedoch von zwei unerläßlichen Forderungen ab: einerseits muß sie so vollständig wie möglich sein, und andererseits darf sie nicht dazu führen, daß dem Akkumulator eine allzuhohe elektrische Energie zugeführt wird, da die überschüssige Energie, doho die Energie, die einem Strom entspricht, der durch den Akkumulator im Sinn seiner Nachladung hindurchgeht, wenn dieser Akkumulator bereits vollständig nachgeladen ist, zum "Kochen" des Akkumulators und damit zur Hervorrufung einer Gasentwicklung führt, die, besonders bei Akkumulatoren der dichten und der halbdichten Ausführung, den Akkumulator beschädigen, ja sogar ganz verderben kann.
Wenn ein Akkumulator mittels eines beliebigen Ladegeräts geladen wird, so fällt sein End lade zustand mit gewis-sen Erscheinungen chemischer Natur zusammen, die eine Vergrößerung eines auf chemischen Yorgängen beruhenden Widerstandes hervorrufen, der mit der Quelle der elektromotorischen Kraft des Akkumulators in Reihe geschaltet ist.Bei Bleiakkumulatoren, zum Beispiel den Akkumulatoren des klassischen Typs, die für Elektromobile bestimmt sind, ist dieser Widerstand ziemlich hoch .und eine Vergrößerung desselben leicht feststellbar.Die3 trifft nicht für Akkumulatoren der dichten oder halbdichten Ausführung zu, bei denen der durch diesen auf chemischen Vorgängen beruhenden Widerstand hervorgerufene Spannungsabfall von derselben Größenordnung, ja noch kleiner als die die gogenelektromotorische Kraft des Akkumulators beeinflussende Toleranz (Pertigungötoleranzen, Alterungstoleranzen usw.) ist, so daß sioh die Feststellung des Endladezustandea eine3 solchen Akkumulators, wenn man die Gesamtspannung direkt an den Klemmen des Akkumulators mißt, als sehr schwierig, wenn nicht unmöglich und jedenfalls sehr unbestimmt erweist, besonders wenn man die sukzessive Nachladung einer großen Zahl von Akkumulatoren dea gleichen Typs vornehmen will, ohne bei jedem einzel-
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nen Akkumulator eine Einstellung vornehmen zu müssen, die d.a'—r zu dient, die Vorrichtung zur Feststellung des Endladezustandes den besonderen' kennzeichnenden Eigenschaften der gegenelektrOmotorischen Kraft des Akkumulators anzupassen, den man laden will. . -.
Die Schwierigkeit der Peststellung des Endladezustandes eines, einem- La&evorgäng unterworfenen Akkumulators wird noch durch die Tatsache kompliziert, daß ein .Akkumulator ein äquivalentes Schaltsehema besitzt., in dem eine Spannungsquelle (oder eine elektromotorische Kraft) mit einem von chemischen Vorgängen herrührenden inneren Widerstand, der gerade, der besagte Widerstand ist, der sich am Ende der Ladung ändert, dem jedoch eine große Kapazität parallelgeschaltet ist, mit der er einen RC-Kreis mit einer großen Zeitkonstante bildet, und einem praktisch von einer parallelgeschalteten Kapazität freien Yiiderständ in Eeihe geschaltet ist, der dem Eigenwiderstand der den Strom im Akkumulator führenden Elemente entsprichti
Spannungsänderung an den Klemmen des Akkumulators, die sofort in dem Augenblick auftritt, wo der diesen Akkumulator ladende Strom unterbrochen wird, kann also keine Angabe von Wert über den Ladezustand des Akkumulators liefern, denn diese Änderung hängt von dem den leitenden Teilen eigenen Ohmschen Widerstand ab (der sich praktisch nicht mit dem Ladezustand des Akkumulators ändert) und nicht von dem obenerwähnten, von chemischen | Vorgängen herrührenden Widerstand (der vom Ladezustand des Akkumulators abhängt) o
Man hat vorgeschlagen, um das Problem der Nachladung der ' Elemente dichter Akkumulatoren zu lösen, diese mit einer dritten Meßelektrodeauszurüsten, die allein dazu dient, den Endladezustand zu bestimmen, wenn man dieses Elenß'nt lädt. Obwohl dies eine elegante Lösung darstellt, hat sie. doch-den großen Nachteil, eine Sonderkonstruktion des Akkumulators nötigzu machen und niöhir auf Akkumulatoren des üblichen Typs angewandt werden zu können, die nur zwei Elektroden besitzen. .
Das Ziel aei* vorliegenden ErfIMung ist, ein Verfahren und
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eine Vorrichtung zur Feststellung des Endladezustandes eines einem Ladevorgang unterworfenen elektrischen Akkumulators zu schaffen, die von den erwähnten Nachteilen frei sind.
Das der Erfindung gemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man in regelmäßigen Zeitabständen den Ladestrom unterbricht, nachdem man ein Schwellenvergleichsorgan in einen Zu-.stand versetzt hat, der einem Schwellenparameter entspricht,welcher von dem Wert abhängt, den der Ladestrom gerade noch besessen hat, bevor er unterbrochen wurde, wobei diese Stromunterbrechung jedesmal einen Zeitraum hindurch aufrechterhalten wird, der mindestens der Größenordnung der Zeitkonstante entspricht, die durch den obenerwähnten ersten Widerstand und die ihm parallelgeschaltete Kapazität bestimmt wird, daß man während dieser Stromunterbrechung den Akkumulator an ein Spannungsprüfelement anschließt, das so angeordnet ist, daß es eine elektrische Größe liefert, die von der während der Stromunterbrechung aufgetretenen Spannungsverringerung des Akkumulators abhängt, und dann diese elektrische Größe an das Schwellenvergleichsorgan anlegt und das letztere ein Signal liefern läßt, das anzeigt, ob die besagte elektrische Größe einen bestimmten Wert erreicht oder nicht erreioht hat, der in dem genannten Vergleichsorgan durch den Schwellenparameter bestimmt wird, gemäß dem das Vergleichsorgan in den besagten Zustand versetzt worden ist·
Die der Erfindung entsprechende Vorrichtung zur Durchfürung dieses Verfahrens, die dazu dient, das Ansprechen des Ladestromkreises eines elektrischen Batterieladegerätes zu bestimmen, wird dadurch gekennzeichnet, daß sie Folgendes besitzt! Mittel für ein in regelmäßigen Zeitabständen stattfindendes Unterbrechen des Ladestromes, ein ßohwellenvergleichsorgan, das so angeordnet ist, daß der dadurch bestimmte Schwellenwert während jeder periodisch wiederkehrenden Unterbrechung dee Ladestromes einem Parameter entspricht, der durch denjenigen Wert bestimmt wird, den der Ladestrom gerade nooh im Augenbliok vor seiner Unterbrechung gehabt hat, ein Spannungsprüfelement, das so eingestellt ist, daß es dtm Schwellenvergleichaorgan bei jeder periodisch wiederkehrenden Stromunterbreohung eine elektri-
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sehe Größe liefert, die von der während dieser Stromunterbrechung aufgetretenen Spannungsverringerung des Akkumulators abhängt, und in Abhängigkeit uon dem genannten Schwellenvergleichsorgan arbeitende Mittel, die so eingestellt sind, daß sie, sobald das Schwellenvergleiohsorgan bei einer solchen Stromunterbrechung ein Signal geliefert hat, das anzeigt, daß■ die genannte elektrische Größe einen dem in dem Tergleichsorgan festlieg&n&en Schwellenwert entsprechenden Wert erreicht, den Ladestrom endgültig abschalten.
Das beiliegende Zeiohnungsblatt veranschaulicht eine als Beispiel angenommene Durchführungsart des der Erfindung entsprechenden Verfahrens und eine in ein Ladegerät eingebaute " Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 stellt das äquivalente Schaltbild eines Akkumulators dar,
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Spannung an den Akkumulatorklemmen als Funktion der Zeit darstellt, wenn 1nan während eines gewissen Zeitraums den Ladestrom des Akkumulators ausschaltet,
Fig. 3 ist ein Diagramm, das in vergrößertem Maßstab einem Teil des Diagramms der Fig. 2 entaprioht und auoh eine einen integrierten Wert darstellende Fläche erkennen läßt,
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Entwicklung des integrierten Wertes der Fig. 3 in Abhängigkeit vom Ladezustand des Akku- i mulators erkennen läßt, und ^
Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die die Ladung eines Akkumulators derart ablaufen läßt» daß sie, wenn sie entdeckt, daß der letztere ■einen Endzustand erreicht hat, den Ladevorgang unterbricht.
Aus Fig·" t läßt sich erkennen, daß man einen Akkumulla tor eohaltbildmäßig durch eine reine Spannungsqüö lie E(innerer Widerstand von S s= Null) ersetzen kann, die mit einem durch ohemiaohe Vorgänge verursachten Widerstand H^j dem wieder eine Kapazität C1 parallelgeeohaltet ist, und mit einem Widerstand R^ in Beine geaohaltet ist, der dem ohmsohen Widerstand der den Strom im Akkumulator leitenden Elemente entsprioht.
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Der Widerstand R2 ändert sioh praktisch nicht mit dem Ladezustand des Akkumulators; er wird hauptsächlich durch die Eigenschaften der Scheidewände sowie durch die Kontakte der Elemente, desgleichen durch die Eigenschaften des Elektrolyten und im großen ganzen durch den Aufbau des Akkumulators bestimmt. Dieser Widerstand R2 sinkt im allgemeinen etwas mit der Zunahme der Temperatur.
Der Widerstand R1 und die ihm parallel liegende Kapazität O1 wird durch die Art der chemischen Reaktion bestimmt. Gegen Ende der ladung nimmt der Widerstand R1 einen Wert an, der ein Vielfaches desjenigen ist, den er beim laden besessen hat. Durch Ήβ Zunahme des Widerstandes R1 kann daher das Ende der Akkumulatorladung bestimmt werden, vorausgesetzt, daß man diese Änderung bestimmen kann.
Die Pig· 2 stellt die Spannung an den Klemmen des Akkumulators in Abhängigkeit von dar Zeit dar, wie sie sich gestaltet, nenn man beim laden eines Akkumulators mit Gleichstrom den Ladestrom des Akkumulators während eines Zeitraumes T unterbricht. Wie man sieht, fällt die Spannung U bei der Stromunterbrechung sofort ab, wobei dieses sofortige Abfallen dem Verschwinden des ohmsohen Spannungsabfalles am Widerstand R2 entspricht. Dann fällt während der Stromunterbrechung (des Zeitraums T) die Spannung allmählich weiter auf eine Art und Weise ab, die im äquivalenten Schaltbild der Entladung der Kapazität C1 über den Widerstand R1 entspricht. Der Spannungsverlauf ist dann exponentiell, die Spannung ü strebt mit einer durch R1G1 bestimmten Zeitkonstante einem Werte entgegen, der der vollständigen Entladung des Kondensators C1 entspricht. Nach Ablauf des Zeitraumes T wird der Ladestrom wiedereingeschaltet, und es erfolgt eine durch den Spannungsabfall in R2 verursachte plötzliche Spannungszunähme, gefolgt von einer durch Aufladung der Kapazität C1 verursachten allmählichen exponentiellen Spannungszunahme bis zu einem Wert, der dem Produkt aus Ladestrom und Widerstand R1 entspricht.
Der obenbeschriebene Vorgang besteht darin, daß man den La-
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destrom periodisch während eines Zeitraumes T unterbricht, der lang genug ist, sich die Kapazität G1 fast vollständig über den Widerstand R1 entladen zu lassen(wenn der Zeitraum T z.B. dreimal so groß wie das Produkt H..C- ist, wird die Restladung, der Kapazität C1 am Ende dieses Zeitraumes nicht mehr als ca. 5$ der Anfangsladung dieser Kapazität zu Beginn des Zeitraums T 3ein) und jedesmal eine von R1 abhängige elektrische,Größe, die sich im Laufe dieses UnterbrechungsZeitraumes T gebildet hat, mit einem Bezugs-(oder Schwellen-)wert vergleicht, der so groß ist, daß diese elektrische Größe ihm gleich ist, wenn R. am Ende des Ladevorganges den ihm entsprechenden Wert angenommen -g hat.
Die Durchfuhrungsart des eben beschriebenen Verfahrens setzt
voraus f daß die Ladung mit Gleichstrom vorgenommen wird, - nicht daß dies eine Hotwendigkeit wäre, sondern weil dies die Vorrichtung vereinfacht, die diesen Vorgang durchzuführen gestattet und die weiter unten beschrieben werden soll»
Die Fig· 3 veranschaulicht mehr ins Detail gehend die Art, auf die man bei jeder Unterbrechung des Ladestromes, vorgeht.Diese Abbildung läßt in vergrößertem Maßstabe erkennen, wie sich die Spannung U im Verlauf der Stromunterbrechung T verhält. Die Größe, die man als Kriterium benutzen will, um zu erfahren, ob sich der Akkumulator schon in seinem Endladezustand befindet, wird eine vom Werte IR1 abhängige Größe sein. Es ist darauf | aufmerksam zu Bachen, daß der Wert IR1 nicht unmittelbar zugänglich und jedenfalls nie direkt meßbar ist. Man könnte natürlich die Spannung U unmittelbar nach der Stromausschaltung, d.h. in dem Augenblick messen, wo der Spannungsabfall IRp diese Spannung U nicht mehr beeinflußt, sich den so gemessenen Wert merken, dann die Spannung U am Ende des Zeitraumes T messen und durch elektronische oder sonstige Mittel den Unterschied zwischen der am Ende des Zeitraums T gemessenen Spannung U und dem zu Beginn im Gedächtnis, behaltenen Wert bestimmen, in dem vorliegenden Sonderfall wird jedoch vorgezogen, über den ganzen Zeitraum T hin die Differenz ΔV zwischen dem Wert, den die
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Spannung U unmittelbar nach Unterbrechung des Stromes besessen hat(einem Wert, den man sioh auf eine geeignete^ Art und Weise merkt), und der Spannung IJ zu integrieren, die sich im Verlauf des Zeitraums T bildet. Je nachdem sich der Akkumulator im Ladezustand oder am ladungsende befindet, ist der Wert E. verschieden groß. Wenn der Zeitraum T mindestens gleich dem dem größten Wert R1(also am Ende der ladung) entsprechenden Produkt E1C1 ist, wird das Integral des Wertes Δν dt fast proportional zu dem Werte E1 sich ändern; wäre der Zeitraum T kürzer, so würde diese Änderung nicht mehr proportional sein, aber sie würde trotzdem immer im selben Sinne erfolgen, was, wenn es auch die Meßgenauigkeit ein klein wenig verringert, trotz alledem ermöglichen würde, den Wert von B1 über dieses Integral zu erfahren.
Der große Vorteil des Verfahrens "durch Integrieren" gegenüber dem Verfahren "durch einfache Differenzbildung" besteht darin, daß man auf dem Umweg über den zu integrierenden Zeitraum T auf sehr bequeme Weise den Grad des gegenseitigen Entsprechens variieren lassen kann, das zwischen dem vorherbestimmten Wert E1, den man entdecken will, und dem Schwellenwert besteht, der das Sohaltorgan, das die Aufgabe hat, zu untersuchen, ob der effektive Wert von E1 diesen vorherbestimmten Wert erreieht, in den eint sprechend en Zustand versetzt. Da es, um die Auffindungsgenauigkeit beizubehalten, notwendig ist, den genannten vorherbestimmten Wert von E1 in Abhängigkeit von der Temperatur passend zu machen (und da es, wenn man nioht mit Gleichstrom arbeitet, auoh notwendig wäre,dem Faktor I Eeohnung zu tragen), ist es sehr nützlich, einen Parameter zu haben, der gestattet den genannten Grad gegenseitigen Entspreohens variieren zu lassen, was darauf hinausläuft, sioh den Schwellenwert des Organs ändern zu lassen, dae dazu dient,endgültig die Entdeckung des Ladungsendes zu verursaohen.
Die Pig. 4 läßt in Abhängigkeit vom Ladungsgrad Q des Akkumulators den Wert erkennen, den das Integral von ,Av dt bei konstanter Stromunterbrechungsdauer T annimmt. Man sieht, daß der Wert dieses Integrals bie oa. 90 # der Ladung praktieoh
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konstant bleibt und daß er dann sehr schnell zunimmt, um bereits dann, wenn der Ladungsgrad 100^ erreicht, den doppelten Wert anzunehmen und sich zu verdrei-, ja zu vervierfachen,sobaIs man 10OjS nur wenig tiberschreitet. Man kann auch bemerken, daß bei Ladungsgraden unter 25$ das Integral von Δ.V dt einen ganz wenig über demjenigen liegenden Wert annimmt, den es zwischen 20 und .90$ Ladungsgrad besitzt.Das ist aber nicht bedenklich, denn die erste Prüfung durch Stromunterbrechung, die man nach Versetzung eines Akkumulators in den Ladezustand vornimmt, kann erst dann erfolgen, wenn man diesem Akkumulator mindestens etwa 10$ seiner Ladung zugeführt hat; in diesem Moment ist der Wert des Integrals bereits ausgesprochen kleiner als der Wert, | den dieses bei 100$ Ladung annimmt; man läuft also nicht,Gefahr,, wegen dieses leichten Zunehmens des Integralwertes bei sehr geringen Ladungagraden einen Akkumulator als geladen ansehen zu müssen, während er in Wirklichkeit entladen ist. Wenn es vorkäme, daß man aus Versehen einen bereits auf 100$ aufgeladenen Akkumulator laden will, so würde er, bevor noch der erste Versuoh seinen Endladezustand offenbarte, eine Überlastung von ca» 10$ erfahren; da in diesem Augenbllok der Akkumulator noch nicht durch einen Ladevorgang erwärmt worden wäre, und in Anbetracht dessen, daß eine Beschädigung des Akkumulators im Falle einer Überlastung desselben hauptsächlich thermische Ursachen haben muß und keinesfalls unterhalb von 110 | bia 130$ Ladung vorkommt, würde dieser Akkumulator auf keinen Pail durch eine solche Ieiohte Überlastung unbrauchbar gemacht werden.
Wenn man den Ladestrom aufweinen solchen Wert einstellt, daß ein Akkumulator in zwei bis drei Stunden geladen wird, ungefähr aller fünf Minuten für eine Dauer von ca. eimer Minute (diese Dauer T bleibt immer die gleiche, wenn davon abgesehen wird, daß man sie absichtlich sioh einigermaßen ändirn lassen kann, um die Wirkungen der Temperaturerhöhungi zu berüoksiohtigen) den Ladestrom auaeohaltet und bei -jeder Stromunterbreohung mit elektronischen Vorrichtungen das Integral von AVdt aufnimmt, das einem SohweHenvergleiuhBstromkreis zugeführt wird,
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der in einen Zustand versetzt worden ist, in dem der Intergralwert seinen Schwellenwert erreicht, wenn er einer ladung von ca.100^ entspricht, so kann man eine gleichförmige und dem Akkumulator stets angemessene ladung erzielen0
Wenn man mit veränderlichem und nicht mit Gleichstrom arbeiten würde, so wäre eine Anpassung an den Strom notwendig, und man könnte ζ,B0 mit Hilfe eines leicht vorzustellenden elektronischen Stromkreises den Zeitraum T umso länger machen, je mehr der Strom sinkt, so daß das Integral stets den Schwellenwert des Vergleichsstromkreises für den vorherbestimmten, einer 100-prozentigen Ladung entsprechenden Wert von R^ erreicht.
Man kann auch die Änderungen von R^ als Funktion der Temperatur zu berücksichtigen haben; man kann hierzu die Dauer T in Abhängigkeit von der Temperatur variieren lassen, indem man ZoB* einen Widerstand NTO in den Verzögerungsstromkreis einführt, mit dessen Hilfe man den Zeitraum T bestimmt» Man könnte auch diesen Zeitraum T sich immer selbst gleich bleiben lassen und die Integrationskonstante der Integriervorrichtung ändern, die man zum Berechnen des Integralwertes J& Vdt benutzt*
Es ist jetzt an der Zeit, sich mit der in Pig.5 dargestellten "Vorrichtung zu beschäftigen, mittels deren man das im Vorstehenden beschriebene Verfahren in Betrieb setzt. In dieser Abbildung ist eine Akkumulatorzelle 1 zu sehen, die mit Gleichstrom geladen wird und mit einem Gleichstromgenerator 2 verbunden ist, der ζ,B0 ein Gleichstrom-Batterieladegerät des herkömmlichen Typs sein könnte* Der Kontakt 3a eines Relais 3 schaltet den Ladestrom im Akkumulator 1 ein oder unterbricht ihn. Dieses Relais 3 wird durch einen Programmierstromkreis 4 betätigt, der das Relais 3 während des überwiegenden Teils des Ladevorganges ssinen Anker anziehen und ihn während eines der Zeit T gleichen Zeitraumes in regelmäßigem Zeitabstand (z.B, aller fünf Minuten) wieder fallen läßt ( wobei die Unterbreohungadauer T abhängig von dem, was im Vorstehenden gesagt worden ist, bestimmt wirdf sie.wird z.B. eine Minute betragen). Mittels eines zweiten Kontakts 3b des GHeiohstromrelais 3 wird ein Relais 5 parallel zum Akkumulator derart mit Strom gespeiet,
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daß dieses Beiais 5 jedesmal, wenn ein Ladestrom durch den Akkumulator hindurchgeht P seinen Anker anzieht und jedesmal, wenn kein Ladestrom durch ihn hindurchgeht, seinen Anker wieder fallen läßt« Wenn dieses Beiais 5 anzieht, stellt ein von ihm betätigter Umschaltkontakt 5a eine direkte Verbindung zwischen einem Kondensator.6 und dem Akkumulator 1 her, so daß die am Kondensator 6 herrschende Klemmenspannung genau die gleiche wie die Spannung an den Klemmen des Akkumulators 1 ist. Fällt das Beiais 5 wieder ab, so wird diese Spannungsermittlungsverbindung unterbrochen, und der Kondensator 6 behält die Spannung, die er noch kurz vor dem Augenblick des Überganges des Kontakts 5a aus seiner Arbeits- in seine Buhestellung gehabt hat (in der Abbildung ist er in seiner Buhestellung wiedergegeben). Indessen wird infolge der Verzögerung des Abfallens des Belais. 5(einer Verzögerung, die nicht erst hergestellt zu werden braucht, da gegebenenfalls die jedem Beiais eigene Verzögerung ausreichend groß ist),der Kondensator 6 während eines sehr kurzen Augenblicks, der nach der Unterbrechung des Ladestroms im Akkumulator 1 auf diese folgt, immer noch parallel zu dieSem Akkumulator liegen. Daher entspricht die im Kondensator 6 aufgespeicherte Spannung der Spannung,- ;die dann an den Klemmen des Akkumulators liegt, wenn der Strom nicht mehr durch den Akkumulator hindurchgeht, d.h. wenn der am Widerstand B2 auftretende Spannungsabfall nicht mehr vorhanden ist·
Aus der Fig. 5 ist andererseits zu ersehen, daß ein Kontakt 5b des Beiais 5 den Integrierkondensator 7 eines Integrationsstromkreises 8 kurzschließt, wenn das Beiais 5 anzieht; sobald der Anker dieses Beiais zurückfällt, ist die Verbindung, die diesen Kondensator 7 kurzgeschlossen hat, unterbrochen. Es ist auch zu sehen, daß der Umschaltkontakt 5a, der j als das Beiais 5 seinen Anker noch angezogen hatte, die Spannung des Akkumulators 1 an den Kondensator 6 gelegt hat, die Spannung des Akkumulators 1, wenn das Beiais 5 wieder zurückgefallen ist,mittels eines Widerstandes 9 an den Eingang eines Verfahrens-Dif-. ferentiilvftrstärkers TO legt, der gleichfalls dem Integrationsstromkreis 8 angehört. Der Kondensator 6 wieder ist fortgesetzt
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an einen zweiten Eingang dieses Verfahrensverstärkers 10 angeschlossen, so daß, wenn das Relais 5 abgefallen ist, einer der -Eingänge dieses Verfahrensverstärkers 10 duroh die Spannung des Akkumulators gespeist wird, während der andere duroh die im Kondensator 6 aufgespeicherte Spannung gespeist wird. Da von diesem Augenblick an der Integrierkondensator 7, der den Ausgang des Verfahrenaverstärkers 10 an denjenigen seiner Eingänge anschließt, an dem auch der Widerstand 9 liegt, nioht mehr kurzgeschlossen ist, so erhält man am Ausgang dieses Verf ahrens-Differentialverstärkers 10, einem Ausgang, der auch denjenigen des Integrationsstromkreises 8 darstellt, eine Spannung, die dem Integral der Differenz der an den beiden Eingängen des Terfahrensverstärkers 10 liegenden Spannungen proportional ist; dies wird durch die besondere Wirkungsweise eines sich über einen Kondensator schließenden Verfahrens-DifferentiaIverstärkers erreicht, - eine wohlbekannte Wirkungsweise, auf die hier weiter einzugehen nicht nötig ist.Die Ausgangsspannung des Integrationsatromkreises 8 wird einer Schwellen-Kippvorrichtung zugeleitet, die im Bilde mit 11 bezeichnet ist und an die man auch die Spannung des Akkumulators 1, und zwar als Bezugsspannung, anlegt, wodurch an den beiden Einführungen dieser Schwellen-Kippvorrichtung 11 die gesamte Zeitdauer T hinduroh eine Spannungsdifferenz vorhanden ist, die der Spannung am Integrierkondensator 7 gleich ist. Die Kippvorrichtung 11 ist eine bistabile Kippvorrichtung der Ausführung mit SohwellenweEt, die aioh im Ruhezustand befindet, solange die Spannung ihrer Eingänge nicht einen bestimmten gewissen Schwellenwert erreicht hat, und die unvermittelt in ihren Arbeitszustand übergeht, wenn die an ihren Eingängen liegende Spannung diesen bestimmten Schwellenwert erreicht hat. Wenn im Verlauf dee ladestromunterbrechungsZeitraums T die duroh das Integral ÄVdt dargestellte Spannung den Schwellenwert nioht erreichen kann, der die Kippvorrichtung 11 in den vorgesehenen Zustand versetzt, so verbleibt diese Kippvorrichtung in ihrem Ruhezustand· Wenn, da dies erfolgt, wenn der Akkumulator vollständig geladen ist, der duroh dieses Integral dargtetellte Wert den die Kippvorrichtung
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11 in den vorgesehenen Zustand versetzenden Schwellenwert erreicht, geht die letztere in ihren Arbeitszustand über und liefert dann einem Relaia 12, dessen einer Ruhekontakt I2a in dem das Relais 5 speisenden Stromkreis liegt, eine Speisespannung. Sowie die Sohwellen-Kippvorrichtung.11 in ihren Arbeitszustand übergegangen ist, zieht das Relais 12 an, und der Kontakt 12a unterbricht endgültig den das Relais 3 speisenden Stromkreis. Dieses Relais vermag also nicht mehr anzuziehen, und der Ladestrom schaltet sich, nicht wieder in den Stromkreis des Akkumulators 1 ein, da das Relais 5 auch nicht wiedererregt wird. Der Integrationsvorgang setzt sich daher bis zur Sättigung des Verfahrens-Differentialverstärkers 10 fort, und die Schwellen- g Kippvorrichtung 11 verbleibt ununterbrochen in ihrem Arbeitszustand, in dem sie das Relais 12 in angezogener Lage erhält «,Der Ladevorgang wird also enidgültig beendet; ein Hilfskontakt, mit dem das Relais 12 ausgestattet sein kann, der jedoch in Mg. 5 nicht wiedergegeben ist, könnte sehr gut in diesem Augenblick ein optisches oder akustisches Signal einschalten, das anzeigt, daß der Akkumulator seinen Endladezustand erreioht hat.
Wenn der Akkumulator 1 geladen ist, so kann man ihn abschalten und ihQj durch einen anderen aufzuladenden Akkumulator ersetzen; um die Vorrichtung 6 in Gang zu setzen, genügt'es, z.B. vermittels eines (in Pig. 5 nicht gezeichneten) Hilfakontaktes, die Schwellen-Kippvorrichtung 11 wieder in ihren Ruhezustand zurückgehen zu lassen, was das Abfallen des Relais 12 I und das aufeinanderfolgende Anziehen der Relais 3 und 5 in Abhängigkeit vom Takt des ProgrammierStromkreises 4 zur Folge haben wird·
Man hat in den vorstehenden Ausführungen gesehen, daß es' zuweilen infolge der Temperaturänderungen nötig war, den vorherbestimmten Wert,, den der Widerstand R1 erreichen muß, variieren zu lassen, damit man die Ladung als beendet ansehen konnte. Man könnte zwar diese Änderungen in Abhängigkeit von der Temperatur vollziehen> indem man den Sohwellwert der Kippvorrichtung 11 mittels einestemperaturempfindliohen Elementes, Z.B· eines NTÖ-WtderStandes, auf die geeignete Größe brächte.
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Ea ist jedoch leichter, diesen Schwellenwert konstantzuhalten (gegebenenfalls im .Eahmen der Vorrichtungsregelurig einstellbar) und den Grad des Entspreohens zwischen der Spannung, die an diese Kippvorrichtung 11 anzulegen ist, damit diese von ihrer Ruhe- in ihre Arbeitsstellung übergeht, und dem Wert des Widerstandes R. variieren zu lassen, für den diese Spannung an die Kippvorrichtung 11 anzulegen ist.Dies kann auf zweierlei Art geschehen: erstens indem man den Integrationsfaktor, d.h. die Spannungszunähme des Verfahrensverstärkers 10, variieren läßt, und zweitens indem man die Integrationsdauer, d.h. den Zeitraum T, während dessen der Ladestrom des Akkumulators 1 abgeschaltet ist, variieren läßt» Im ersten Fall wird man mittels eines tem-" peraturempfindliehen Elements auf den Verstärker 10 einwirken müssen, während man im zweiten Pail auf den Programmierstromkreis 4 wird wirken müssen, um die Dauer der Unterbrechungszeiträume des Ladestromes der Temperatur anzupassen, die man zum Beispiel mit einem NTC-Widerstand messen wird.
Es stehen also tatsächlich drei regulierbare Paktoren zur Verfügung, die die Schwelle des Kippens der Kippvorrichtung 11 darstellen, die Integrationskonstante, die Öpannungszunähme des Verfahrenaveratärkers 10 und die durch den Programm!erstromkreis 4 bestimmte Integrationsdauer. Wenn man statt mit konstantbleibendem Strom mit veränderlichem Strom laden muß, wird es sich empfehlen, den einen dieser Faktoren dem Ladestrom ent-If sprechen zu lassen, der gerade noch vor der Sitromunterbrechung von der Dauer T im Akkumulator geflossen ist.Man kann in diesem Falle z.B. den Schwellwerk der Kippvorrichtung 11 in Abhängigkeit von diesem Strom einstellen (eine Merkvorrichtung, z.B. mit einem Kondensator, der den Ladestromkreis des Akkumulators mit der Kippvorrichtung 11 verbindet, wird diese Anpassung mit Leichtigkeit bewerkstelligen) und den einen oder anderen Faktor oder beide andere Faktoren dazu benutzen, die Temperaturkompensationen zu vollziehen.
Die hier beschriebene Vorrichtung kann ganz gut, wie dies beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist, direkt in das Akkumulatorladegerät eingebaut sein} sie könnte auoh als getrennte ' Vorriohtung konstruiert und an ein bestehendes Ladegerät ange·-
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baut sein, wobei sie dann zwischen den Ausgang des Ladestroms aus dem Ladegerät unäl den Akkumulator geschaltet werden, würde. Man könnte z. B. ein Ladegerät (das die Holle des Schaltelements 2 spielen würde) von großer Kapazität vorsehen, das zahlreiche Akkumulatoren gleichzeitig mittels ebensovieler, der beschriebenen (mit Ausnahme von 2) ähnlicher Vorrichtungen, als Akkumulatoren zu laden sind, laden würde.
Es ist auch möglich - und das ist besonders in dem Falle angebracht, wo die Vorrichtung in einem Ladegerät untergebracht ist - , verschiedene Umschaltmögliohkeiten vorzusehen, die verschiedenen Typen von Akkumulatorenzellen und verschieden großen Zahlen von in Beine geschalteten Zellen in einem Akkumulator entsprechen, und diese Umschaltungen könnten auch die Größe des Ladestromes in. Abhängigkeit von der Kapazität der zu ladenden Akkumulatorzellen beeinflussen.
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Claims (14)

  1. - 16 PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zur Feststellung dee Endladezusta ndes eines einem Ladevorgang unterworfenen elektrischen Akkumulators, dessen äquivalentes Schaltbild eine der elektromotorischen Kraft des Akkumulators entsprechende Spannungsquelle, einen ersten Widerstand, dem eine Kapazität parallelgeschaltet ist und der dem auf chemische Vorgänge zurUckzuführenden inneren Widerstand des Akkumulators entspricht, und einen praktisch von jeder parallelgesohalteten Kapazität freien Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man in regelmäßigen Zeitabständen den Ladestrom abschaltet, nachdem man ein Schwellenvergleiohsorgan in einen Zustand versetzt hat, der einem Schwellenparameter entspricht, welcher von dem Werte abhängt, den-dieser Strom gerade noch kurz vor seiner Unterbrechung besaß, wobei diese Stromabschaltung Jedesmal während eines Zeitraumes aufrechterhalten wird, der wenigstens der Größenordnung der durch den genannten ersten Widerstand und die ihm parallel geschaltete,. Kapazität bestimmten Zeitkonstante entspricht, man schließt während dieser Stromaussohaltung den Akkumulator an ein Spannungsprüforgan an, das so angeordnet ist, daß es eine elektrische Größe liefern kann, die von der während der Stromabschaltung aufgetretenen Spannungsverringerung des Akkumulators abhängt, man legt die genannte elektrische Größe an das SohwellenvergleichBorgan an und läßt von Letzteren ein Signal liefern, des anzeigt, ob die elektrische Größe einen Wert erreioht oder nicht, der in diesem VergleichBorgan durch den genannten Sohwellenparameter bestimmt wird, dem entsprechend es in dm genannten Zustand versetzt worden ist.
  2. 2) Verfahren naoh Patentanspruch 1 zur Feststellung des Endladezuetandes eines mit gleichbleibendem Strom geladenen Akkumulators, dadurch gekennzeichnet, daß man das Schwellenvergleiohsorgan in einen Zustand versetzt, der einem Parameter entspricht, welcher während der gesamten Bauer eines vollständigen Ladungavorganges konstant bleibt und der dem genannten gleichbleibenden Strom entspricht.
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  3. 3) Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet» daß man das Spannungsprüforgan so einstellt und arbeiten läßt, daß man es den Wert der Akkumulatorspannung unmittelbar mach Beginn der genannten Stromabschaltung aufzeichnen läßt, es dann die Größe der Akkumulatorspannung kurz vor dem Ende der genannten Stromabschaltung ablesen läßt und es dann die elektrische Größe in Übereinstimmung mit dem Unterschied dieser beiden Spannungswerte liefern läßto , ■
  4. 4) Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Spannungsprüforgan derart einstellt und arbeiten läßt, daß man es die Höhe der Akkumulatorspannung unmittelbar nach Beginn'der Stromabschaltung aufzeichnen läßt, es unausgesetzt während des ganzen Zeitraumes der Stromabsehaltung
    . den Wert der Akkumulatorspannung ablesen läßt und im gesamten Verlauf dieses Zeitraumes, dem man immer die gleiche Dauer gibt, den Unterschied zwischen diesen beiden Spannungsweriren als Funktion der Zeit integrieren läßt,wenigstens im Falle von bei konstanter Temperatur ablaufenden Vorgängen, und es die besagte elektrische Größe in. Übereinstimmung mit dem Integral der Augenblickswerte dieses Unterschiedes liefern läßt.
  5. 5) · Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man, um die von der Temperatur abhängigen Änderungen des ersten Widerstandes und der ihm parallelgesohalteten Kapazität zu berücksichtigen, den Integrationsfaktor des Spannungsprüf- ä organs in Abhängigkeit von der Temperatur variieren läßto
  6. 6) Verfahren nach Patentanspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß man, um die von der Temperatur abhängigen Änderungen des ersten Widerstandes und der ihm parallelgesohalteten Kapazität zu berücksichtigen, die Dauer de;r Stromabschaltung, während deren die Integrierung des Unterschiedes zwlsohen den beiden genannten Spannungswerten stattfindet, in Abhängigkeit von der Temperatur variieren läßt. ~
  7. 7) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dazu dienend, die Wirkungswelse des ladestromkreises eines Ladegeräts für elektrische Akkumulatoren zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß sie das Folgende besitzt) Mit-
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    tel (3>4) zur immer wiederkehrenden Unterbrechung des Ladestromes, ein Sohwellenvergleichsorgan (11), das so eingestellt ist, daß der dadurch festgelegte Schwellenwert während jeder immerwiederkehrenden Abschaltung des LqdestroBts einem Parameter entspricht, der durch denjenigen Wert bestimmt wird, den der Ladestrom kurz vor seiner Unterbrechung besaß, ein Spannungsprüforgan (6,8), das so eingestellt ist, daß es dem Schwellenvergleichsorgan bei jeder periodisch erfolgenden Stromunterbrechung eine elektrische Größe liefert, die von der während dieser Stromunterbrechung stattgehabten Akkumulatorspannungsverringeruiig abhängt, und Mittel (12), die in Abhängigkeit vom SP Schwellenvergleichsorgan arbeiten und so eingestellt sind, daß sie, sobald das Sohwellenvergleichsorgan bei einer Stromabschaltung ein Signal geliefert hat, das anzeigt, daß die besagte elektrische Größe einen Wert erreicht, der dem in dem Vergleiohsorgan festgelegten Schwellenwert entspricht, den Ladestrom endgültig abschaltet.
  8. 8) Vorrichtung nach Patentanspruch 7ι dazu dienend, die Wirkungsweise des Ladestromkreises eines Akkumulatoren mit gleichbleibendem Strom aufladenden Ladegeräts zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwellenvergleichsorgan so eingestellt ist, daß sich in ihm ein Schwellenwert bildet, der während der gesamten Dauer einer vollständigen Ladung konstant bleibt und
    fe der dem gleichbleibenden Strom entspricht.
  9. 9) Vorrichtung nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungsprüforgan einen Differential-Integrationsstromkreis mit zwei Eingängen und einen Spannungsmerkkondensator aufweist, der mit einem dieser Eingänge verbunden und so eingestellt ist, daß seine Spannung derjenigen des Akkumulators unmittelbar bei Beginn eines jeden Absohaltzeitraumes des Ladestromes gleich wird, dann quasikonstant auf dem so gewonnenen Wert verbleibt, ohne während des gesamten Restes dieses Zeitraumes der Weiterentwicklung der Akkumulatorspannung zu folgen, während der zweite Eingang des DifferentialintegrationsBtromkreises so geschaltet ist, daß er während des
    • gesamten Zeitraumes der Abschaltung des Ladestromes eine derjenigen des Akkumulators gleiohe Spannung aufweist, und der
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    Ausgang dieses Differentialintegrationsstromkreises so gesohaltet ist, daß er das Ausgangssignal hinausgehen läßt, das der Ausgang dem Schwellenvergleichsorgan zuführt, welches derart eingestellt ist, daß es dieses Ausgangssignal als ein die besagte elektrische Größe darstellendes Signal behandelt*
  10. 10) Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch"gekennzeichnet, daß der Differentialintegrationsstromkreis so angeordnet ist, daß sich sein Integrations- oder Verstärkungsfaktor derart in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, daß er die Änderungen der Parameter des dem Akkumulator äquivalenten Schaltbildes in Abhängigkeit von der Temperatur kompensiert· g
  11. 11) Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeich- >■ net, daß die Mittel zur periodischen Unterbrechung des Ladestromes einen ProgrammierStromkreis aufweisen, der die Dauer und die Periodizität der Stromabschaltungen bestimmt, wobei dieser Programmierstromkreis so eingestellt ist, daß er die Dauer der Stromabschaltungen derart in Abhängigkeit von der Temperatur variieren läßt, daß er die Änderungen der Parameter des dem Akkumulator äquivatenten Schaltbildes abhängig von der Temperatur kompensiert. . -
  12. 1E) Vorrichtung nach Patentanspruch 7 oder 8, daduroh gekennzeichnet, daß das Schwellenvergleiohsorgan eine Kippvorrichtung mit regelbarem Schwellenwert aufweist, die so eingestellt ist, daß sie kippt, wenn die besagte elektrische Größe U diesen Schwellenwert erreicht, und daß sie die Betätigung der genannten Vorrichtungen zum endgültigen Abschalten des Stromes veranlaßt, wenn sich die Vorrichtung in ihrem auf dieses Kippen folgenden Zustand befindet. V
  13. 13) ■ '■> Vorrichtung nach Patentanspruch 12, daduroh gekennzeichnet, daß der Schwellenwert der Kippvorrichtung elektronisch regelbar ist und Mittel aufweist, die diesen Schwellenwert in Abhängigkeit vom letzten Wert, den der Ladestrom beim Zirkulieren besaß, selbsttätig regeln.
  14. 14) Vorrichtung nach Patentanspruch 8 und 12, daduroh gekenn- · zeichnet, daß der Schwellenwert der Kippvorrichtung unter Ver-
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    wendung von Mitteln von Hand regelbar ist, die eine Einstellung des genannten Schwellenwertes in Übereinstimmung mit dem besagten konstanten Ladestrom für die gesamte Dauer eines vollständigen Ladevorganges ermöglichen.
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