DE2051366B2

DE2051366B2 - Verfahren und schaltungsanordnung zur ladungsueberwachung einer akkumulatorenbatterie

Info

Publication number: DE2051366B2
Application number: DE19702051366
Authority: DE
Inventors: Manfred 4300 Essen Strauß
Original assignee: Präzisa Manfred Strauß, 4300 Essen
Priority date: 1970-10-20
Filing date: 1970-10-20
Publication date: 1972-11-23
Also published as: DE2051366A1

Description

Herabschalten der Ladespannung erfolgen kann oder dieses Herabschalten zu früh, wenn der Akkumulator noch nicht wieder voll aufgeladen ist, erfolgt.

Ein weiterer Nachteil ist, insbesondere bei einem dezentralisierten System, die begrenzte Lebensdauer der Akkumulatoren, die zudem noch relativ große Streuungen innerhalb jeder Charge aufweisen, so daß ein turnusmäßiger Austausch, auch im Hinblick auf den hohen Preis, kaum in Frage kommt. Eine turnusmäßige Überprüfung durch simulierten Netzausfall ist wegen dadurch bedingter Betriebsstörungen nicht immer erwünscht. Ein Ausfall eines Akkumulators innerhalb dieser Prüfzeiten wird nicht bemerkt.

Bei dem im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Verfahrens, das bekannt ist durch die deutsche Offenlegungsschrift 2012 614, wird mit konstantem Nachladestrom gearbeitet, welcher in regelmäßigen Abständen kurzzeitig zur Messung der l.eerlauf-Ladespannung unterbrochen wird. Die Größe eines von jeder parallelgeschalteten Kapazität freien Widerstandes im Ersatzschaltbild der Akkumulatorenbatterie wird zur Feststellung des Ladezustandes herangezogen und ergibt sich aus der Differenz zwischen Last-Leerlauf-Ladespannung.

Es sind ferner Ladeverfahren bekannt, die mit Hilfe von elektromechanischen Anordnungen mit periodischer Unterbrechung des Nennladestromes arbeiten, wie die deutsche Auslegeschrift 1214 309 zeigt. Auch findet dabei nach einer Entladung durch Netzausfall ein voller Dauerladevorgang statt.

Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung nach der britischen Patentschrift 703 424 bekannt, welche durch periodisches Schließen des Ladestromkreises bzw. Überbrücken eines Teiles des ladestrombegrenzenden Vorwiderstandes einen periodischen Ladestrom bzw. eine periodische Ladestromerhöhung bewirkt, wobei ein spannungsempfindliches Relais mit einer Spule über der Akkumulatorenbatterie mit Hilfe seiner Kontaktanordnung so lange für Dauerladung sorgt, bis ein vorher festgelegter Spannungswert an der Akkumulatorenbatterie erreicht wird.

Weiterhin v.ird in der USA.-Patentschrift 3 217 225 eine ladeeinrichtung beschrieben, die mit Hilfe einer Konstantstrom-Ladeeinrichtung innerhalb eines durch einen Zeitgeber festgelegten Zeitbereiches eine bestimmte Ladungsmenge in die Akkumulatorenbatterie lädt und mit Hilfe eines spannungsempfindlichen Relais und zweier Anzeigelampen eine bedingte Aussage über den Zustand bzw. Ladezustand der Akkumulatorenbatterie macht.

Alle diese Verfahren bzw. Anordnungen haben jedoch erhebliche Nachteile, welche die Lösung der vorliegenden Problematik nicht gestatten. So wird in dem Verfahren nach der deutschen Auslegeschrift 1 214 309 nach dem für wartungsfreie Bleiakkumulatoren ungeeigneten KonstaüUstromprinzip geladen. Weiterhin ist hierbei nachteilig, daß eine vollständige Dauerladung erfolgt, auch wenn der Netzausfall nur zu einer Teilentladung geführt hat. Ferner wird eine durchschnittliche Selbstentladung zur Festlegung des Tastverhältnisses zugrunde gelegt, woraus ersichtlich wird, daß exemplarbezogen entweder eine laufende Überladung oder eine nicht ausreichende Ladung bei Abweichung von der durchschnittlichen Selbstentladung erfolgt. Auch eine Anordnung nach der britischen Patentschrift 703 424 arbeitet mit einer Konslantstrom-Ladeeinrichtung. Hierbei wird die Spule eines spannungsempfindlichen Relais über die Akkumulatorenbatterie geschaltet, welche bei Ansprechen ein Ladeschlußkriterium für den Ladevorgang darstellt.

Bei der USA.-Patentschrift 3 217 225 ist während des Ladeablaufes bei konstantem Strom ebenfalls die Spule eines spannungsempfindlichen Relais über den Akkumulator geschaltet. Während des Ladeverlaufes wird nach Ablauf einer durch die Zeitrelaiseinstellung vorgegebenen Minimalzeit die Ladung beendet, falls das Ladespannungskriterium für das Ladungsende erreicht ist. Ist dieses Kriterium noch nicht erreicht, wird spätestens nach Ablauf der Maximalzeit die Ladung beendet, auch wenn das Ladespannungskriterium noch nicht erreicht sein sollte. Dieser Ablauf wird über zwei Anzeigelampen sichtbar gemacht. Nur in dem Fall, daß das Ladespannungskriterium bei Maximalzeit-Abschaltung noch nicht erreicht ist. wird dieser Zustand durch Nichtansprechen einer Lampe bleibend registriert.

Diese Anordnung hat noch den Nachteil, daß damit bei der Akkumulatorenbatterie nach Beendigung der Ladezeit keine Ladungserhaltung erfolgt. Weiterhin ist nach Ladungsende keine fortdauernde Überwachung des vollen Lade- bzw. des Zustandes der Akkumulatorenbatterie mehr vorhanden. Im Verfahren nach der deutschen Offenlegungsschrift 2 012 614 wird ein von jeder Kapazität im Ersatzschaltbild der Akkumulatorenbatterie freier Widerstand zugrunde gelegt, welcher zum Ladungsende hin ansteigt. Dieser Innenwiderstandsanteil wird letztlich zur Beendigung des Starkladevorganges benutzt. Dieser Widerstand ist in der gewünschten Charakteristik nur bei einigen Akkumulatorentypen vorhanden und weist auch dort große Exemplarstreuungen auf und ist zeitlich veränderlich. Bei zunehmendem Alter der Akkumulatorenbatterie steigt er an. Weiterhin eignet sich dieses Verfahren nur für Akkumulatoren, die mit Konstantstrom aufladbar sind. Eine optische Anzeige sowie eine Erhaltungsladung sind hierbei nicht vorhanden.

Bei den dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren und Anordnungen wird mit einer spannungsempfindlichen Einrichtung (Relais) gearbeitet, die bei Erreichen eines Spannungskriteriums an der Akkumulatorenbatterie die weitgehende Ladung feststellen soll. Dies hat jedoch zur Voraussetzung, daß die abgefragte Spannung der Akkumulatorenbatterie nicht gleichzeitig die konstant geregelte Größe der Ladespannung sein darf. Bei den nur durch das Konstantspannungsverfahren ladbaren Typen, wie wartungsfreie Bleiakkumulatoren, scheidet dieses Verfahren aus.

Aber auch bei den wartungsfreien NiCd-Akkumulatoren, bei denen prinzipiell ein Spannungsanstieg während der Konstantstromladung erfolgt, bereitet es prinzipiell Schwierigkeiten, da hier ein sonst typischer größerer Spannungsanstieg gegen Ladungsende fehlt. Da allein temperaturbedingte Schwankungen der Spannungen der Akkumulatorenbatterie größer sein können als z. B. der Spannungsunterschied zwischen einer zu 25% und einer zu 100°/o geladenen Akkumulatorenbatterie dieser Art, wäre eine Lösung nur mit großem Aufwand möglich, zumal die Unterschiede nur im Promille- bis Prozentbereich liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Vorteil der relativ hohen Lebensdauer der gelagerten

Akkumulatorenbatterie mit dem Vorteil der jederzeit zur Verfügung stehenden vollen Ladung der gepufferten Akkumulatorenbatterie zu verbinden und gleichzeitig eine Überwachung und Anzeige sowohl des Ladezustandes als auch des Zustandes der Akkumulatorenbatterie zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jeweils im Abstand von einigen Sekunden beim kurzzeitigen Anlegen einer stabilisierten Spannung der dabei fließende Ladestrom gemessen wird und das dieses sich wiederholende Abfragen beim Überschreiten eines für die geladene Akkumulatorenbatterie typischen Wertes des Ladestromes so lange aussetzt, bis der Nachladebedarf selbsttätig durch das Anlegen einer stationären konstanten Spannung aufgeholt worden ist und außerdem mit Hilfe einer Lichtquelle der pulsierende Prüfstrom als Blinklicht und der stationäre Nachladestrom als Dauerlicht angezeigt werden. Dieser bei der Abfrage typische WeU des Ladestromes kann unkritisch im Steilabfallbereich des Akkus festgelegt werden.

Durch das sehr kleine Tastverhältnis von beispielsweise 40 sek Pause und 1 sek Abfrage ergibt sich ein »Erhaltungsladezustand«, der dem eines 200 Tage gelagerten Akkumulators ähnelt, der im Gegensatz dazu anschließend 5 Tage lang gepuffert wird, nur daß durch die Wiederholzeit von 40 sek die geringe Teilselbstentladung sofort wieder, bereits durch den Abfragepuls, aufgehoben wird. Hierbei wird deutlich, daß ein über der Akkumulatorenbatterie liegender Verbraucher und seine Steuerung so geschaltet werden muß. daß keine bzw. nur geringe Entiadeströme über die Schaltungszweige fließen, da dies sonst eine Zyklenbeanspruchung für die Akkumulatorenbatterie und damit ein Verschleißmerkmal bedeuten würde. Andererseits sind bei wartungsfreien Akkumulatoren zur Entwicklung der Kapazität von 75 auf 105 *,Ό etwa 50 Lade-Entladezyklen erforderlich, die bei Notleuchten im Dauerladebetrieb nicht auftreten, so daß man durch eine dosierte Teilentladung während der Abfragepause diese Entwicklung gezielt gewährleisten kann. Hierin ist folglich ein weiterer Vorteil des Verfahrens begründet.

Es ist erwähnenswert, daß auch die Speisung der Anzeieestufen 2 bzw. 1 des spannungsempfindlichen Schwellwertschalters 8 und des Multivibrators 9 aus dem Ladegerät 3 erfolgt.

Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Figur zeigt eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens. Der Abfragepuls wird dadurch erzeugt, daß im Ladekreis des Akkumulators die Kollektor-Emitter-Strecke eines Schalttransistors (Schaltstufe 6) und ein weiteres vom Ladestrom durchflossenes Bauteil 4 angeordnet ist, welches über einen spannungsempfindlichen Schwellwertschalter und dem astabilen Multivibrator 9 die Schaltstufe

ansteuert

Durch dieses Verfahren wird eine Überwachung auch für dezentralisierte Akkusysteme möglich.

Dies geschieht in einem Falle dadurch, daß der Schaltzustand der Schaltstufe 6 durch eine nachgeschaltete Anzeigestufe 2 (Transistor mit Glühlampe) die Ladestromflußzeiten durch eben diese Lichtquelle angezeigt werden und damit folgende Aussagen über den Ladezustand der Akkumulatorenbatterie gemacht werden.

1. Dauerlicht:

Die Akkumulatorenbatterie ist zu weniger als 80 ⁰Zo aufgeladen.

2. Alle 40 sek Blinken von einer Pulsdauer von mehr als 1 sek:

Die Akkumulatorenbatterie ist zu 80 °/o aufgeladen und befindet sich im Steilabfallbereich des Ladestromes.

3. Alle 40 sek Blinken mit 1 sek Pulsdauer:

Die Akkumulatorenbatterie ist voll aufgeladen (Normalfall).

Weiterhin werden für den Fall, daß 30 Stunden vorher kein Netzausfall war, folgende Aussagen über den Zustand der Akkumulatorenbatterie gemacht.

1. Dauerlicht:

Ein Akkumulator hat Plattenschluß (Kurzschluß), mindestens eine Zelle ist defekt.

2. Alle 40 sek Blinken mit einer Pulsdauer von mehr als 1 sek:

Erhöhte Selbstentladung, Akkumulatorenbatterie steht vor dem Totalausfall. _a5 3. Alle 40 sek Blinken mit 1 sek Pulsdauer:

Akkumulatorenbatterie ist in Ordnung (Normalfall).

Weiterhin ist eine Kontrolle des Gerätes selbst möglich, da ein Ausbleiben von Lichtsignalen den Netzspannungsanschluß und das Gerät selbst überwacht.

Wird an Stelle der Anzeigestufe 2 eine Lichtquelle 1, z. B. in Form einer Glühlampe, dem vom Ladestrom durchflcr.senen Widerstand 4 parallel geschaltet, oder wird dieser ladestromdurchflossene Widerstand selbst durch eine Glühlampe gebildet, so ergeben sich insofern weitere Vorteile, daß nicht nur die StromflußTieit binär, sondern über die Größe des Stromes eine Aussage gemacht wird, so daß beispielsweise auch der durch Hochohmigkeit unbrauchbar gewordene Akkumulator im Gegensatz zur Aussage der Stufe 2 durch Fortfall der Blinksignale durch kleinste Abfrageströme erkennbar wird. Der Kurzschlußstrom wird zusätzlich durch die stromstabilisierende Wirkung der Glühlampe der Kurzschlußstrom des Ladegerätes begrenzt und die Lampe bekommt eine hohe Dauerlichtspannung, die die Akkumulatorbatterie in der Folge durch Durchbrennen der Glühlampenwendel schließlich abschaltet (Sicherungseffekt). Die Ladestromanzeige und die Helligkeit sind stromabhängig, so daß kritische Zustände bereits schon in der l/bergangsphase besser erkennbar werden.

Die Glühlampe selbst wird zweckmäßigerweise in allen Fällen prinzipiell mit der Akkumulatorenbatterie ausgetauscht. Ihre Betriebslebensdauer ist einmal durch das dem Verfahren zugrunde liegende kleine Tastverhältnis (0,05) und durch den Betrieb mit Unterspannung so groß, daß sie mit Sicherheit die Lebensdauer der Akkumulatorenbatterie übertrifft.

Der Vorteil der Erfindung ist die Verlängerung der Lebensdauer der preisgünstigen, wartungsfreien, konstantspannungsladbaren Akkumulatoren, von der Pnfferbetrieblebensdauer bis auf die maximale Lagerlebensdauer, bei Erhaltung einer praktisch ununterbrochenen maximalen Ladung. Ein weiterer Vorteil ist darüber hinaus die Möglichkeit, alle we-

sentlichen Zustände und Ladezustände der Akkumulatorenbatterie über eine optische Anzeige laufend zu messen und der Überwachung zugänglich zu machen, wobei die Ladegerätüberwachung darin miteingeschlossen bleibt.

Dies geschieht erfindungsgemäß ohne Beeinträchtigung der bekannten Vorteile des Konstantspannungsladeprinzips.

Außerdem ist vorteilhaft, daß die auftretenden

Stromgrößen sehr charakteristisch und eindeutig zu erfassen sind. Weiterhin erlaubt die vorteilhafte Doppelbenutzung des Ladestromes einmal als Erhaltungslade- bzw. Nachladestrom, andererseits als Batterieabtragestrom die Verwirklichung des Verfahrens mit nur geringem Mehraufwand. Verzichtet man auf den Nachladeeffekt, so ist dieses Verfahren natürlich auch für die Überwachung von Primärbatterien geeignet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ladungsüberwachung einer Akkumulatorenbatterie, bei dem der Ladezustand in gleichbleibenden Abständen überprüft wird, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils im Abstand von einigen Sekunden beim kurzzeitigen Anlegen einer stabilisierten Spannung der dabei fließende Ladestrom gemessen wird und daß dieses sich wiederholende Abfragen beim Überschreiten eines für die geladene Akkumulatorenbatterie typischen Wertes des Ladestromes so lange aussetzt, bis der Nachladebedarf selbsttätig durch das Anlegen einer stationären konstanten Spannung aufgeholt worden ist und außerdem mit Hilfe einer Lichtquelle der pulsierende Prüfstrom als Blinklicht und der stationäre Nachladestrom als Dauerlicht angezeigt werden.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ladestromkreis der Akkumulatorenbatterie (7) eine elektronische Schaltstufe (6), ein Spannungskonstanthalter (5), ein eine dem Ladestrom entsprechende Spannung abgebendes Bauteil (4) und ein Netzgerät (3) angeordnet sind und der Eingang der elektronischen Schaltstufe (6) mit den Ausgängen eines astabilen Multivibrators (9) und eines spannungsempfindlichen Schwellwertschalters (8) verbunden ist, dessen Eingang die von dem vom Ladestrom durchflossenen Bauteil abgegebene Spannung erfaßt und dessen Ausgangssignal das Ausgangssignal des Multivibrators (9) überdecken kann.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronischen Schaltstufe (6) eine Anzeigestufe (2) zugeordnet ist, welche aus einer Transistorenschaltstufe und einer Lichtquelle, die den Schaltzustand der elektronischen Schaltstufe (6) sichtbar macht, besteht.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Ladestrom durchflossene Bauteil (4) ein Widerstand ist und daß diesem eine Anzeigestufe (1) zugeordnet ist, die aus einer die Ladestromflußzeiten sichtbar machenden Lichtquelle und einer Transistorschaltstufe besteht.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Ladestrom durchflossene Bauteil (4) eine die Ladestromflußzeiten direkt anzeigende Glühlampe bzw. Glühlampen-Widerstandskombination ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Anspräche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Ladestrom durchflossene Bauteil (4) zwischen dem Netzgerät (3) und dem Spannungskonstanthalter (S) angeordnet ist.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung der Anzeigestufen (1,2), des astabilen Multivibrators (9) und der spannungsempfindlichen Schwellwertstufe (8) sowie der Steuerstrom der elektronischen Schaltstufe (6) ausschließlich durch das Netzgerät (3) erfolgt.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Ladungsüberwachung einer Akkumulatorenbatterie, bei dem der Ladezustand in gleichbleibenden Abständen überprüft wird.

Akkumulatorenbatterien sind als nicht netzgebundene Stromquellen wichtige Bausteine als Energiespeicher für Notstrom-Versorgungseinrichtungen. Während man üblicherweise die Stromversorgung von zentralen Batteriestationen aus vornimmt, geht man neuerdings mehr und mehr zum sogenannten Einzel-Batteriesystem über, bei dem jedem Notstromgerät eine Einzelbatterie mit Ladegerät zugeordnet wird, da dies durch hohe Betriebssicherheit und geringen Installatiousaufwand vorteilhaft ist.

Es finden hierfür fast ausschließlich wartungsfreie Akkumulatoren Verwendung.

Besonders geeignet sind hierfür wartungsfreie Akkumulatoren, die durch Konstantspannungsladung bzw. durch den über Entladewege der Schaltung bedingten PuSerbetrieb dauernd unter Ladung gehalten werden. Die Konstantspannungsladung hat den Vorteil, daß der entladene Akku relativ rasch, z. B. innerhalb von 10 h, geladen wird.

Andererseits stellt sich durch eine Konstantspannungs-Dauerladung trotz der im folgenden beschriebenen Ladespannungsverminderung (2,2... 2,25 V Zelle bei wartungsfreien Bleiakkumulatoren) eine wesentliche Lebensdauerverminderung des Akkus ein.

Gibt beispielsweise der Hersteller von wartungsfreien Bleiakkumulatoren eine Lebensdauer von 2 Jahren bei Pufferbetrieb und verminderter Ladespannung an, so wird eine Gesamtgebrauchsdauer von bis zu 4 Jahren angegeben.

Diese Lebensdauer kann erreicht werden, wenn der Akkumulator im geladenen Zustand lagert und rechtzeitig, z. B. halbjährlich, nachgeladen und damit der durch Selbstentladung bedingte Ladungsverlust aufgehoben wird. Bei schwankender Umgebungstemperatur und zunehmendem Alter der Akkumulatoren ändert sich diese Selbstentladung erheblich, so daß mit Hilfe einer dauernden meßtechnischen Überwachung eine Tiefentladung verhindert werden muß. Eine solche Überwachung mit Hilfe von Fachpersonal ist insbesondere bei dezentralisierten Notgeräten nicht tragbar, so daß der Lebensdauerverlust bei Dauerladung bisher in Kauf genommen wurde. Man ist dazu übergegangen, die bei wartungsfreien Bleiakkumulatoren auf 2,3 ... 2,35 V/Zelle hochgesetzte Ladespannung nach Unterschreitung eines Restladestrom-Kriteriums (22,5 mA/Ah) automatisch auf 2,2 ... 2,25 V/Zelle abzusenken. Diese Methode hat neben der im vorangegangenen geschilderten prinzipiellen Lebensdauerverkürzung den weiteren Nachteil, daß diese Spannungshochschaltung durch einen manuellen Vorgang, wie Einsetzen eines Akkumulators oder einer Handleuchte in ein Ladegerät, z. B. mit Hilfe eines elektrischen Differenziergliedes erfolgen muß und deshalb bei stationären Geräten wie Netznotleuchten keine Anwendung finden kann, da hier Ladegerät und Akkumulator dauernd miteinander verbunden bleiben müssen.

Die Verwendung des Ladereststrom-Kriteriums zum Herabschalten auf Puffer-Ladespannung hat den Nachteil, daß dieses nicht eindeutig quantitativ festlegbar ist, da durch Exemplarstreuungen, Temperatureinflüsse und Alter der Akkumulatoren so große Änderungen auftreten können, daß entweder kein