DE2012614B2

DE2012614B2 - Verfahren zur Feststellung des Endes der Volladung eines Akkumulators und Vorrichtung zur Durchführung de^ Verfahrens

Info

Publication number: DE2012614B2
Application number: DE2012614A
Authority: DE
Inventors: Kurt Yverdon Schnegg (Schweiz)
Original assignee: Leclanche SA
Current assignee: Leclanche SA
Priority date: 1969-03-28
Filing date: 1970-03-10
Publication date: 1974-06-12
Also published as: AT308915B; NL167284B; DE2012614A1; SE354158B; NL7004063A; US3621359A; FR2038985A5; BE747502A; JPS5119131B1; NL167284C; GB1267339A; CH508297A; DE2012614C3

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung des Endes der Volladung eines Akkumulators, dessen Ersatzschaltung durch eine Reihenschaltung aus einer der EMK des Akkumulators entsprechenden widerstandsfreien Spannungsquelle E, einem durch die chemischen Umsetzungen bedingten inneren Widerstand A₁ mit Parallelkondensator C₁ und einem durch die Stromleiter gegebene» inneren Widerstand R₂ dargestellt ist und betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Eine in regelmäßigen Zeitabständen 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 allzu hohe elektrische Energie zugeführt wird, da die überschüssige Energie, d.h. 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 das Ende seiner Volladung mit gewissen Erscheinungen chemischer Natur zusammen, die eine Vergrößerung eines auf chemischen Vorgängen beruhenden Widerstandes hervorrufen, der mit der Quelle der elektromotorischen Kraft, (EMK), des Akkumulators in Reihe geschaltet ist. Bei Bleiakkumulatoren, z.B. den Akkumulatoren des klassischen Typs, die für Elektromobile

«stimmt sind, ist dieser Widerstand ziemlich hoch ind eine Vergrößerung desselben leicht feststellbar. )ies trifft nicht für Akkumulatoren der dichten oder laibdichten Ausführung zu, bei denen der durch dieien auf chemischen Vorgängen beruhenden Wideritand hervorgerufene Spannungsabfall von derselben arößeriordnung, ka noch kleiner als die die gegeneektromotorische Kraft des Akkumulators beeinflussende Toleranz (Fertigungstoleranzen, Alterungstoleranzen usw.) ist, so daß sich die Feststellung des Endes der Volladung eines solchen Akkumulators, wenn man die Gesamtspannung direkt an den Klemmen des Akkumulator mißt, als sehr schwierig, wenn nicht unmöglich ur.d jedenfalls sehr unbestimmt erweist, besonders wenn man die sukzessive Nachladung einer großen Zahl von Akkumulatoren des gleichen Typs vornehmen will, ohne bei jedem einzelnen Akkumulator eine Einstellung vornehmen zu müssen, die dazu dient, die Vorrichtung zur Feststellung des Endes der Volladung den besonderen kennzeichnenden Eigenschaften der gegenelektromotorischen Kraft des Akkumulators anzupassen, den man laden will.

Die Schwierigkeit der Feststellung des Endes der Volladung eines einem Ladevorgang unterworfenen Akkumulators wird noch durch die Tatsache kompliziert, daß ein Akkumulator eine Ersatzschaltung hat, in der 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 paral'el geschaltet ist, mit der er einen RC-Kreis mit einer großen Zeitkonstante bildet, und einem praktisch von einer parallelgeschalteten Kapazität freien Widerstand in Reihe geschaltet ist, der dem Eigenwiderstand der den Strom im Akkumulator führenden Elemente entspricht. Die 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).

Man hat vorgeschlagen, um das Problem der Nachladung der Elemente dichter Akkumulatoren zu lösen, diese mit einer driiten Meßelektrode auszurüsten, die allein dazu dient, das Ende der Volladung zu bestimmen, wenn man dieses Element lädt. Obwohl dies fine elegante Lösung darstellt, hat sie doch den großen Machteil, eine Sonderkonstruktion des Akkumulators nötig zu machen und nicht auf Akkumulatoren des üblichen Typs angewandt werden zu können, die nur zwei Elektroden besitzen.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung des Endes der Volladung eines einem Ladevorgang unterworfenen elektrischen Akkumulators üblichen Typs zu schaffen, die von den erwähnten Nachteilen frei sind.

Das der Erf'ndung gemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in vorzugsweise regelmäßigen Zeitabständen der Ladestrom in einer mindestens der Zeitkonstanten aus innerem Widerstand A₁ und Parallelkondensator C₁ entsprechenden Dauer unterbrochen wird und daß am Widerstand R_x die Änderung der Klemmenspannung AV des Akkumulators zwischen Beginn und Ende der Ladestromunterbrechung gemessen und einem Vergleichsgerät zugeführt wird,

5. und daß diesem Vergleichsgerät eine weitere Meßgröße zugeführt wird, die dem Ladestrom unmittelbar vor der Unterbrechung entspricht, das Vergleichsgerät die beiden Meßgrößen vergleicht und ein Signal bildet, das dem jeweiligen Ladezustand des AWramulators entspricht.

Durch Anwenden von Vergleichsspannungen lasten sich der jeweilige Ladezustand und somit auch das Ende der Volladung eines Akkumulators genau feststellen und steuern, wobei bei Erreichen des Endes

»5 der Volladung das von dem Vergleichsgerät gebildete Signal den Ladestrom ausschaltet oder eine Rückmeldevorrichtung betätigt wird.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die dazu dient, das Ansprechen des Ladestrom-

ao kreises eines elektrischen Batterieladegerätes zu bestimmen, wird dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes besitzt: Einen G^er und ein Schaltschütz, einen Spannungsmeßkreis, ek. Vergleichsgerät und ein Ausschaltschütz, wobei zweckmäßig der Spanas nungsmeßkreis aus einem Differentiations-Integrationsstromkreis mit zwei Eingängen besteht, in dessen erstem ein Haltekondensator für die Spannung des Akkumulators liegt und an dem zweiten Eingang des Differentiations-Integrattonsstromkreises während der Dauei der Ladestromunterbrechung das Potential des Akkumulators liegt und der Ausgang des Differentiations-Integrationsstromkreises an das Vergleichsgeräi angeschlossen ist, das vorteilhaft eine Kippvorrichtung mit steuerbarem Schv,cilwert auf-

■15 weist, der seinerseits in Abhängigkeit vom Ladestrom im Ausschaltmoment elektronisch regelbar sein kann. Das Zeichnungsblatt veranschaulicht eine als Beispiel angenommene Durchführungsart des der Erfindung entsprechenden Verfahrens un! eine in ein Ladegerät eingebaute Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 stellt die Ersatzschaltung eines Akkumulators dar;

F i g. 2 ist ein Diagramm, das die Spannung an den

♦5 Akkumulatorklemmen als Funktion der Zeit darstellt, wenn man während eines gewissen Zeitraums den Ladestrom des Akkumulators ausschaltet;

F i g. 3 ist ein Diagramm, das in vergrößertem Maßstab einem Teil des Diagramms der Fi g. 2 entspricht und auch eine einen integrierten Wert darstellende Fläche erkennen läßt;

Fig. 4 ist pin Diagramm, das die Entwicklung des integrierten Wertes der F i g. 3 in Abhängigkeit vom Ladezustand des Akkumulators erkennen läßt, und Fig. 5 ist ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die, wenn das Ende der Volladung erreicht ist, den Ladevorgang unterbricht.
Fig. 1 zeigt die Ersatzschaltung eines Akkumula tors, die schaltbildmäßig durch eine Reihenschal tun] aus einer der EMK des Akkumulators entsprechende! widerstandsfreien Spannungsquelle E (innerer Wi derstanü = Null), einem durch die chemischen Um Setzungen bedingten inneren Widerstand R₁ mit Par allelkondensator C₁ und einem durch die Stromleite gegebenen inneren Widerstand R₂ dargestellt ist, de dem Ohmschen Widerstand der den Strom im Akkt mulator leitenden Elemente entspricht.

Der Widerstand R₂ ändert sich praktisch nicht mit dem Ladezustand des Akkumulators; er wird hauptsächlich durch die Eigenschaften der Scheidewände sowie durch die Kontakte der Elemente, dergleichen durch die Eigenschaften des Elektrolyten und im großen ganzen durch den Aufbau des Akkumulators bestimmt. Dieser Widerstand A₂ sinkt im allgemeinen etwas mit der Zunahme der Temperatur.

Der innere Widerstand R₁ und die ihm parallelliegende Kapazität C₁ 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 die Zunahme des Widerstandes R₁ kann daher das Ende der Akkumulatorladung bestimmt werden, vorausgesetzt, daß man diese Änderung bestimmen kann.

Die Fig. 2 stellt die Spannung an den Klemmen des Akkumulators in Abhängigkeit von der .Zeit dar, wie sie sich gestaltet, wenn 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 Ohmschen Spannungsabfalles am Widerstand R, entspricht. Dann fällt während der Stromunterbrechung (des Zeitraums T) die Spannung allmählich weiter auf eine Art und Weise ab, die im Ersatzschaltbild der Entladung des Parallelkondensators C₁ über den Widerstand R₁ entspricht. Der Spannungsverlauf ist dann exponentiell, die Spannung U strebt mit einer durch R_xC^ bestimmten Zeitkonstante einem Wert entgegen, der der vollständigen Entladung des Kondensators C₁ entspricht. Nach Ablauf des Zeitraumes T wird der Ladestrom wieder eingeschaltet, und es erfolgt eine durch den Spannungsabfall in R₂ verursachte plötzliche Spannungszunahme, gefolgt von einer durch Aufladung der Kapazität C₁ verursachten allmählichen exponentiellen Spannungszunahme bis zu einem Wert, der dem Produkt aus Ladestrom und innerem Widerstand R₁ entspricht.

Der oben beschriebene Vorgang besteht darin, daß man den Ladestrom periodisch während eines Zeitraumes T unterbricht, der lang genug ist, sich die Kapazität C₁ fast vollständig über den Widerstand R₁ entladen zu lassen (wenn der Zeitraum T z. B. dreimal so groß wie das Produkt R₁C₁ ist, wird die Restladung der Kapazität C₁ am Ende dieses Zeitraumes nicht mehr als etwa S % der Anfangsladung dieser Kapazität zu Beginn des Zeitraums T sein) und jedesmal eine von R₁ abhängige elektrische Größe, die sich im Laufe dieses Unterbrechurfgszeitraumes Γ gebildet hat, mit einem Bezugs- (oder Schwell-)wert vergleicht, der so groß ist, daß diese elektrische Größe ihm gleich ist, wenn R₁ am Ende des Ladevorganges den ihm entsprechenden Wert angenommen hat.

Die Durchführungsart des eben beschriebenen Verfahrens setzt voraus, daß die Ladung mit Gleichstrom vorgenommen wird, nicht daß dies eine Notwendigkeit wäre, sondern weil dies die Vorrichtung vereinfacht, die diesen Vorgang durchzuführen gestattet and die weiter unten beschrieben werden soll.

Die Fi g. 3 veranschaulicht mehr ins Detail gehend die Art, auf die man bei jeder Unterbrechung des Ladestromes vorgeht. Diese Abbildung läßt in vergrößertem Maßstab erkennen, wie sich die Spannung U im Verlauf der Stromunterbrectrang T verhält. Die Größe, die man als Kriterium benutzen will, um zu erfahren, ob sich der Akkumulator schon am Ende seines Volladungszustandes befindet, wird eine vom Wert /Rι abhängige Größe sein. Es ist darauf aufmerksam zu machen, daß der Wert /R₁ nicht unmittel-

s bar 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 /R₂ diese Spannung U nicht mehr beeinflußt, sich den so gemessenen

ίο 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 Γ hin die Differenz Δ V zwischen dem Wert, den die Spannung U unmittelbar nach Unterbrechung des Stromes besessen hat (einem Wert, den man sich auf eine geeignete

»0 Art und Weise merkt), und der Spannung U zu integrieren, die sich im Verlauf des Zeitraums T bildet. Je nachdem sich der Akkumulator im Ladezustand oder am Ende der Volladung befindet, ist der Wert R₁ verschieden groß. Wenn der Zeitraum T minde-

»5 stens gleich dem dem größten Wert R₁ (also am Ende de? Ladung) entsprechenden Produkt RiC₁ ist, wird das Integral des Wertes Δ V dt fast proportional zu dem Wert R₁ sich ändern; wäre der Zeitraum T kürzer, so würde diese An derung 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 R₁ 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 inte|»rierenden Zeitraum T auf sehr bequeme Weise den Grad des gegenseitigen Entsprechens variieren lassen kann, das zwischen dem vorher bestimmten Wert R₁, den man entdecken will, und dem Schwellwert besteht, der das Schaltorgan, das die Aufgabe hat, zu untersuchen, ob der effektive Wert von R₁ diesen vorher bestimmten Wert erreicht, in den entsprechenden Zustand versetzt. Da es, um die Auffindungsgenauigkeit beizubehalten, notwendig ist, den genannten vorherbestimmten Wert von R₁ in Abhängigkeit von der Temperatur passend zu machen (und da es, wenn man nicht mit Gleichstrom arbeitet,

So auch notwendig wäre, dem Faktor I Rechnung zu tragen), ist es sehr nützlich, einen Parameter zu haben, der gestattet, deei genannten Grad gegenseitigen Entsprechens variieren zu lassen, was darauf hinausläuft, sich den Schwellwert des Organs ändern zu lassen.

das dazu dient, endgültig die Entdeckung des Ladungsendes zu verursachen.

Die Fig. 4 läßt in Abhängigkeit vom Ladungsgrad Q des Akkunnilators den Wert erkennen, der das Integral von Λ V dt bei konstanter Stromunterbre chungsdauer T annimmt. Man sieht, daß der Wer dieses Integrals Ibis etwa 90% der Ladung praktiscl konstant bleibt und daß er dann sehr schnell zunimmt um bereits dann, wenn der Ladungsgrad 100% er reicht, den doppelten Wert anzunehmen uod sich zi verdrei-, ja zu vervierfachen, sobald man 100% nu wenig überschreitet Man kann auch bemerken, dal bei Ladungsgraden ranter 25% das Integral von A\ dt einen ganz wenig über demjenigen liegenden Wer

annimmt, den es zwischen 20% und 90% Ladungsgrad besitzt. Das ist aber nicht bedenklich, denn die erste Prüfung durch Stromunterbrechting, 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 Laidungsgraden einen Akkumulator als geladen ansehen zu müssen, während er in Wirklichkeit entladen ist. Wenn es vorkäme, daß man aus Versehen einen bereitsauf 100% aufgeladenen Akkumulator laden will, so würde er, bevor noch der erste Versuch seinen VoIlladungszustand offenbarte, eine Überlastung von etwa 10% erfahren; da in diesem Augenblick 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 bis 130% Ladung vorkommt, würde dieser Akkumulator auf keinen Fall durch eine solche leichte Überlastung unbrauchbar gemacht werden.

Wenn man den Ladestrom auf einen solchen Wert einstellt, daß ein Akkumulator in zwei bis drei Stunden geladen wird, ungefähr alle fünf Minuten für eine Dauer von etwa einer Minute (diese Dauer T bleibt immer die gleiche, wenn davon abgesehen wird, daß man sie absichtlich sich einigermaßen ändern lassen kann, um die Wirkungen der Temperaturerhöhung zu berücksichtigen) den Ladestrom ausschaltet und bei jeder Stromunterbrechung mit elektronischen Vorrichtungen das Integral von Δ V dt aufnimmt, das einem Schwellvergleichsstromkreis zugeführt wird, der in einen Zustand versetzt worden ist, in dem der Integralwert seinen Schwellwert erreicht, wenn er einer Ladung von etwa 100% entspricht, so kann man eine gleichförmige und dem Akkumulator stets angemessene Ladung erzielen.

Wenn man mit veränderlichem und nicht mit Gleichstrom arbeiten würde, so wäre eine Anpassung an den Strom notwendig, und man könnte z.B. mit Hilfe eines leicht vorzustellenden elektronischen Stromkreises den Zeitraum T um so langer machen, je mehr der Strom sinkt, so daß das Integral stets den Schwellwert des VergleiGhstromkreises für den vorherbestimmten, einer 100%igen Ladung entsprechenden Wert von R₁ erreicht.

Man kann auch die Änderungen von R₁ ids Funktion der Temperatur zu berücksichtigen haben; man kann hierzu die Dauer T in Abhängigkeit von der Temperatur variieren lassen, indem man z. B. einen Widerstand NTC in den Verzögerungsstromkreis einführt, mit dessen Hilfe man den Zeitraum T bestimmt. Man könnte auch diesen Zeitraum Tsich imiuer selbst gleich bleiben lassen und die Integrationskonstante der Integriervorrichtung ändern, die man zum Berechnen des Integralwertes |/\V dt benutzt.

In Fi g. 5 ist das Schaltbild der Vorrichtung dargestellt, mittels deren man das im Vorstehenden beschriebenen Verfahren durchführt. In dieser Abbildung ist eine Akkumulatorzelle 1 zu sehen, die mit Gleichstrom geladen wird und mit einem Gleichstromgenerator 2 verbunden ist, der z. B. ein Gleichstrom-Batterieladegerät des herkömmlichen Typs sein könnte. Der Kontakt 3a eines Schaltschützes 3 schaltet den Ladestrom im Akkumulator 1 ein oder unterbricht ihn. Dieses Schaltschütz 3 wird durch einen Geber 4 betätigt, der das Schaltschütz 3 während des überwiegenden Teils des Ladevorganges seinen Anker anziehen und ihn während eines der Zeit T gleichen Zeitraumes in regelmäßigem Zeitabstand (z. B. alle fünf Minuten) wieder fallen läßt (wobei die Unterbrechungsdauer T abhängig von dem. was im Vorstehenden gesagt worden ist, bestimmt wird; sie wird z. B. eine Minute betragen).

Mittels eines zweiten Kontakts 3b des Gleichstromschaltschützes 3 wird ein Meßrelais 5 parallel zum Akkumulator derart mit Strom gespeist, daß das

>5 Meßrelais 5 jedesmal, wenn ein Ladestrom durch den Akkumulator hindurchgeht, seinen Anker anzieht und jedesmal, wenn kein Ladestrom durch ihn hindurchgeht, seinen Anker wieder fallen läßt. Wenn das Meßrelais 5 anzieht, stellt ein von ihm betätigter Um-

^ao schaltkontakt 5a eine direkte Verbindung zwischen einem Haltekondensator 6 und dem Akkumu'ator 1 her. so daß die am Haitekondensator 6 herrschende Klemmenspannung genau die gleiche wie die Spannung an den Klemmen des Akkumulators 1 ist. Fällt das Meßrelais S wieder ab. so wird diese Spannungsermittlungsverbindung unterbrochen, und der Haltekondensator 6 behält die Spannung, die er noch kurz vor dem Augenblick des Überganges des Kontakts Sa aus seiner Arbeits- in seine Ruhestellung gehabt hat (in der Abbildung ist er in seiner Ruhestellung wiedergegeben). Indessen wird infolge der Verzögerung des Abfallens des MeßrelaJs 5 (einer Verzögerung, die nicht erst hergestellt zu werden braucht, da gegebenenfalls die jedem Relais eigene Verzögerung ausreichend groß ist), der Haltekondensator 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 Haltekondensator 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 R₂ auftretende Spannungsabfall IR₂ nicht mehr vorhanden ist.

Aus der F i g. 5 ist andererseits zu ersehen, daß ein Kontakt Sb des Meßrelais 5 den Integrierkondensator 7 eines Differentiations-Integrationsstromkreises 8 kurzschließt, wenn das Meßrelais 5 anzieht; sobald der Anker dieses Relais zurückfällt, ist die Verbindung, die diesen Kondensator 7 kurzgeschlossen hat, unterbrochen. Bs ist auch zu sehen, daß dei Umschaltkontakt 5a, der, als das MeBrelais 5 seiner Anker noch angezogen hatte, die Spannung des Akkumulators 1 an den Haltekondensator 6 gelegt hat

ss die Spannung des Akkumulators 1, wenn das MeBrelais 5 wieder zurückgefallen ist, mittels eines Wider Standes 9 an den Eingang eines Verfahrens-Differen tialverstärkers 10 legt, der gleichfalls dem Diffe rentiations-Integrationsstrotnkreis 8 angehört. Dei Haltekondensator 6 ist seinerseits fortgesetzt an einer zweiten Eingang dieses Verfahrensverstärkers 10 angeschlossen, so daß, wenn das MeBrelais 5 abgefaliet ist, einer der Eingänge dieses Verfahrensverstärker 10 durch die Spannung des Akkumulators gespeis

wird, während der andere durch die im Haltekonden sator 6 aufgespeicherte Spannung gespeist wird. D; von diesem Augenblick an der Integrierkofidensa tor 7, der den Ausgang des Verfahrensverstärkers 1

an denjenigen seiner Eingänge anschließt, an dem auch der Widerstand 9 liegt, nicht mehr kurzgeschlossen ist, so erhält man am Ausgang dieses Verfahrens-Differentialverstärkers 10, einem Ausgang, der auch denjenigen des Differentiations-Integrationsstromkreises 8 darstellt, eine Spannung, die dem Integral der Differenz der an den beiden Eingängen des Verfahrensverstärkers 10 liegenden Spannungen proportional ist; dies wird durch die besondere Wirkungsweise eines sich über einen Kondensator schließenden Verfahrens-Differentialverstärkers erreicht, eine wohlbekannte Wirkungsweise, auf die hier weiter einzugehen nicht nötig ist. Die Ausgangsspannung des Differentiations-Integrationsstromkreises 8 wird einem Vergleichsgerät 11 zugeleitet, das eine Kippvorrichtung mit steuerbarem Schwellwert aufweist und an das man auch die Spannung des Akkumulators 1, und zwar als Bezugsspannung anlegt, wodurch an den beiden Einführungen dieses Vergleichsgerätes 11 die gesamte Zeitdauer T hindurch eine Spannungsdifferenz vorhanden ist, die der Spannung am Integrierkondensator 7 gleich ist. Das Vergleichsgerät 11 ist eine bistabile Kippvorrichtung der Ausführung mit Schwellwerk die sich im Ruhezustand befindet, solange die Spannung ihrer Eingänge nicht einen bestimmten gewissen Schwellwert erreicht hat, und die unvermittelt in ihren Arbeitszustand übergeht, wenn die an ihren Eingängen liegende Spannung diesen bestimmten Schwellwert erreicht hat. Wenn im Verlauf des Ladestromunterbrechungszeitraums T die durch das Integral AV dt dargestellte Spannung den Schwellwert nicht erreichen kann, der die Kippvorrichtung in den vorgesehenen Zustand versetzt, so verbleibt diese Kippvorrichtung in ihrem Ruhezustand. Wenn, da dies erfolgt, wenn der Akkumulator vollständig geladen ist, der durch dieses Integral dargestellte Wert den die Kippvorrichtung 11 in den vorgesehenen Zustand versetzenden Schwellwert erreicht, geht die letztere in ihren Arbeitszustand über und liefert dann einem Ausschaltschütz 12, dessen einer Ruhekontakt 12a in dem das Schaltschütz 3 speisenden Stromkreis liegt, eine Speisespannung. Sowie die Schwell-Kippvorrichtung 11 in ihren Arbeitszustand übergegangen ist, zieht das Ausschaltschütz 12 an, und der Kontakt 12a unterbricht endgültig den das Schaltschütz 3 speisenden Stromkreis. Dieses Schütz vermag also nicht mehr anzuziehen, und der Ladestrom schaltet sich nicht wieder in den Stromkreis des Akkumulators 1 ein, da das Meßrelais 5 auch nicht wieder erregt wird. Der Differentiations-Integrationsvorgang setzt sich daher bis zur Sättigung des Verfahrens-Differentialverstärkers 10 fort, und die Schwell-Kippvorrichtung 11 verbleibt ununterbrochen in ihrem Arbeitszustand, in dem sie das Ausschaltschütz 12 in angezogener Lage erhält. Der Ladevorgang wird also endgültig beendet; ein Hilfskontakt, mit dem das Ausschaltschütz 12 ausgestattet sein kann, der jedoch in Fig. 5 nicht dargestellt ist, könnte sehr gut in diesem Augenblick ein optisches oder akustisches Signal einschalten, das anzeigt, daß der Akkumulator seine Volladung erreicht hat.

Wenn der Akkumulator 1 geladen ist, so kann man ihn abschalten und ihn durch einen anderen aufzuladenden Akkumulator ersetzen; um die Vorrichtung in Gang zu setzen, genügt es, z. B. vermittels eines (in Fig. S nicht gezeichneten) Hilfskontaktes, die Schwell-Kippvorrichtung 11 wieder hi ihren Ruhezustand zurückgehen zu lassen, was das Abfallen des Ausschaltsdiützes 12 und das aufeinanderfolgende Anziehen des Schaltschützes 3 und des Meßrelais 5 in Abhängigkeit vom Takt des Programmierstromkreisgebers 4 zur Folge haben wird.

Aus den vorherigen Ausführungen geht hervor, daß es zuweilen infolge der Temperaturänderungen nötig war, den vorherbestimmten Wert, den der Widerstand R, 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 Schwellwert der Kippvorrichtung 11 mittels eines temperaturempfindlichen Elementes, z. B. eines NTC-Widerstandes, auf die geeignete Größe bringt. Es ist jedoch leichter, diesen Schwellwert konstant zu halten (gegebenenfalls im Rahmen der Vorrichtungsregelung einstellbar) und den Grad des Entsprechens zwischen der Spannung, die an diese Kippvorrichtung 11 anzulegen ist, damit diese von ihrer Ruhe- in ihre Arbeitsstellung über-

»o geht, und dem Wert des Widerstandes Ä, 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 Spannungszunahme des Verfahrensverstär-

»5 kers 10, variieren läßt, und zweitens, indem man die Integrationsdauer, d.h. den Zeitraum T, währenddessen der Ladestrom des Akkumulators 1 abgeschaltet ist, variieren läßt. Im ersten Fall wird man mittels eines temperaturempfindlichen Elements auf den Verstärker 10 einwirken müssen, während man im zweiten Fall auf den Programmierstromkreisgeber 4 wird wirken müssen, um die Dauer der Unterbrechungszeiträume des Ladestromes der Temperatur anzupassen, die man z. B. mit einem NTC-Widerstand messen wird.

Es stehen also tatsächlich drei regulierbare Faktoren zur Verfügung, die den Schwellwert der Kippvorrichtung 11 darstellen, die Integrationskonstante, die Spannungszunahme des Verfahrensverstärkers 10 und die durch den Programmierstromkreisgeber 4 bestimmte Integrationsdauer. Wenn man statt mit konstant bleibendem Strom mit veränderlichem Strom laden muß, wird es sich empfehlen, den einen dieser Faktoren dem Ladestrom entsprechen zu lassen, der

♦5 gerade noch vor der Stromunterbrechung von der Dauer T im Akkumulator geflossen ist. Man kann in diesem Falle z. B. den Schwellwert der Kippvorrichtung 11 in Abhängigkeit von diesem Strom einstellen (eine Merkvorrichtung, τ. Β. mit einem Kondensator, der den Ladestromkreis des Akkumulators mit dei Kippvorrichtung 11 verbindet, wird diese Anpassung mit Leichtigkeit bewerkstelligen) und den einen odei anderen Faktor oder beide andere Faktoren dazu benutzen, die Temperaturkompensationen zu volbrie-

hen.

Die hier beschriebene Vorrichtung kann sehr gut wie dies beispielsweise in Fi g. 5 dargestellt ist, direkt in das Akkumulatorladegerät eingebaut sein; sie könnte auch als getrennte Vorrichtung konstruier

und an ein vorhandenes Ladegerät angebaut sein, wobei sie dann zwischen den Ausgang des Ladestrom! aus dem Ladegerät und den Akkumulator geschalte werden würde. Man könnte z.B. ein Ladegerät <ai Stelle des Gerätes 2) von großer Kapazität vorsehen

das zahlreiche Akkumulatoren gleichzeitig mittel: ebenso vieler, der beschriebenen (mit Ausnahme de; Gerätes 2) ähnlicher Vorrich^ingen, als Akkutmifa toren zu laden sind, laden wüi

Es ist auch möglich - und das ist besonders in dem Falle angebracht, wo die Vorrichtung in einem Ladegerät untergebracht ist -, verschiedene Umschaltmöglichkeiten vorzusehen, die verschiedenen Typen von Akkumulatorenzellen und einer verschieden großen Anzahl von in Reihe 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Feststellung des Endes der Volladung eines Akkumulators, dessen Ersatzschaltung durch eine Reihenschaltung aus einer der EMK des Akkumulators entsprechenden widerstandsfreien Spannungsquelle E, einem durch die chemischen Umsetzungen bedingten inneren Widerstand R₁ mit Parallelkondensator C_x und einem durch die Stromleiter gegebenen inneren Widerstand A₂ dargestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß in vorzugsweise regelmäßigen Zeitabständen der Ladestrom in einer mindestens der Zeitkonstanten aus innerem Widerstand A₁ und Parallelkondensator C₁ entsprechenden Dauer unterbrochen wird und daß am Widerstand R₁ die Änderung der Klemmenspannung Δ V des Akkumulators zwischen Beginn und Ende der Ladestromunterbrechung gemessen und einem Vergleichsgerät _vil) zugeführt wird, und daß diesem Vergleichsgerät eine weitere Meßgröße zugeführt wird, die dem Ladestrom unmittelbar vor der Unterbrechung enstpricht, das Vergleichsgerät (11) die beiden Meßgrößen vergleicht und ein Signal bildet, das dem jeweiligen Ladezustand des Akkumulators entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der temperaturbedingten Änderungen des inneren Widerstandes A₁ und seines Parallelkondensators C₁ während der Ladung die Daupr der Ladestromunterbrechurg in Abhängigkeit von der Temperatur geändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Klemmenspannung Λ V des Akkumulators über die Dauer (T) der Unterbrechung integriert und der Wert des Integrals als Meßgröße für die Veränderung der Klemmenspannung benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation der temperaturbedingten Änderungen des inneren Widerstandes R] und seines Parallelkondensators C₁ ein Integrationsfaktor in Abhängigkeit von der Temperatur geändert wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ladung mit konstantem Ladestrom dem Vergleichsgerät eine entsprechende Einstellung vorgegeben wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen des Endes der Volladung das von dem Vergleichsgerät (1.1) gebildete Signal den Ladestrom ausschaltet oder eine Rückmeldcvorrichtung betätigt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, gekennzeichnet durch Geber (4) und Schaltschütz (3), Spannungsmeßkreis (6, 8), Vergleichsgerät (11) und Ausschaltschütz (12).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsmeßkreis aus einem Differentiations-Integrationsstromkreis (8) mit zwei Eingängen besteht, in dessen erstem ein Haltekondensator (6) für die Spannung des Akkumulators (1) liegt, und daß an dem zweiten Eingang des Differentiations-Integrationsstromkreises (8) während der Dauer der Ladestromunter-

brechung das Potential des Akkumulators liegt und der Ausgang des Piiferentiations-integrationsstromkreises (8) an das Vergleichsgerät (IX) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleichsgerät (11) eine Kippvorrichtung mit steuerbarem Schwellwert aufweist.

JO. Vorrichtung nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert der Kippvorrichtung (11) in Abhängigkeit vom Ladestrom im Ausschaltmoment elektronisch regelbar ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Geber (4) gesteuerte Schaltschütz (3) außer dem Ladestrom ein Meßrelais (5) einschaltet und den Haltekondensator (6) an die Klemmen des Akkumulators (1) anschließt und über die Hin'ercin-inderschaltung des Schaltschützes (3) und des Meßrelais (5) bei Unterbrechung des Ladestromkreises am Haltekondensator (6) nur die um den stromleiterbedingten Spannungsabfall IR₂ verminderte Klemmenspannung U am Kondensator (6) anliegt.