DE2063290C3 - Einrichtung zum Anzeigen und oder Auswerten des Entladezustands eines Akkumulators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es besteht der Wunsch, während des Betriebs eines Akkumulators unter Last mit einer bestimmten Sicherheitsspanne den Punkt des Endes des Entladens des Akkumulators vorherzusehen, d. h. den Augenblick, über den hinaus der Akkumulator nicht mehr verwendet werden kann, da er nicht mehr zufriedenstellend arbeitet.

Aus der CH-PS 3 70 466 oder der GB-PS 10 97 451 ist es bekannt diesen Punkt durch Messen der Akkumulatorspannung bzw. deren Änderung in der Zeiteinheit unter Belastung zu ermitteln, jedoch ergibt dies nur sehr ungenaue Resultate, die eine optimale Betriebsweise des Akkumulators verhindern.

Der Akkumulatorzustand kann besser durch seinen Innenwiderstand rgekennzeichnet werden; es geht also darum, den Wert dieses Innenwiderstandes bestimmen zu können. Ein Akkumulator, dessen elektromotorische Kraft gleich Eist und der einen Strom /abgibt, weist an seinen Klemmen eine Spannung U\ auf:

Wenn diesem Strom / ein Strom / überlagert wird, beispielsweise einen sehr kurzen Augenblick lang, nimmt die Spannung an den Klemmen U₂ folgenden Wert an:

E= U₂+r (I+i)

Daraus ergibt sich, daß die Spannungsänderung an den Klemmen, die mit A U bezeichnet wird, folgendermaßen ist:

Ui-U₂=AU=Tl

Die Kenntnis von AU und / ermöglicht, r zu bestimmen und so die wünschenswerte Verwendungsgrenze vorauszubestimmen. Experimente haben ermöglicht einen Grenzwert von r, also von AU, zu bestimmen, von dem an gerechnet der Akkumulator wiederaufgeladen werden muß.

Man muß also eine Einrichtung schaffen, die einen Strom vom bestimmten Wert / während eine, ziemlich kurzen Zeit und in regelmäßigen Zeitabständen durchfließen läßt, der die Spannungsschwankung A U an den Klemmen hervorruft, wobei diese Schwankung mit einem vorherbestimmten Schwellenwert verglichen wird und gegebenenfalls Vorrichtungen zur Außerbetriebsetzung oder zur Wiederaufladung auslöst Diese Einrichtung kann dann auch den Punkt des Endes des Wiederaufladens des Akkumulators ermitteln und seine Wiederinbetriebsetzung und/oder das Anhalten der Wiederaufladevorrichtungen bewirken.

Im Prinzip ist es einfacher, an die Batterie einen bestimmten Entladewiderstand anzuschließen, als einen bestimmten Strom zu suchen; wegen der leichten Spannungsschwankung an den Akkumulatorklemmen, insbesondere bei einem Blei-Akkumulator, wird der Wert / je nach Ladezustand nicht genau konstant sein, aber das Entwicklungsgesetz für A i/bleibt dasselbe.

Ausgehend von diesen Erkenntnissen gibt die erfindungsgemäße Einrichtung eine einfache Lösung der Aufgabe in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 an, einen Akkumulator regelmäßig auf seinen Ladezustand zu untersuchen.

Bezüglich bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Es folgt die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung;

F i g. 1 ist eine Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Anzeigen des Entladezustandes eines Akkumulator^;

F i g. 2 gibt verschiedene Signalformen der Einrichtung nach F i g. 1 wieder.

Die die Einrichtung bildenden Teile sind gegliedert in einen Spannungswächter 1 für den Entladezustand, eine mit ihm verbundene Logikschaltung 2 und eine Ermittlungsvorrichtung 3 für das Ende des Wiederaufladens. Der Akkumulator 4, der einen Verbraucher 5 speist, kann mittels einer Ladevorrichtung 6 wiederaufgeladen werden, deren Inbetriebsetzung durch ein Steuerglied 7 und dessen Anhalten durch ein Steuerglied 8 erfolgt, wobei das Steuerglied 7 durch eine Kombination der Ausgangssignale des Entlade-Spannungswächters I und der Logikschaltung 2 und das Steuerglied 8 durch das Ausgangssignal der Ermittlungsvorrichtung 3 für das Ende des Wiederaufladens ausgelöst wird.

Da der Akkumulator normalerweise einen Strom /an den Verbraucher 5 abgibt, wird sein Zustand durch Feststellung des Unterschiedes zwischen der Spannung an den Klemmen aufgrund des Belastungsstroms / und der Spannung an den Klemmen gemessen, wenn ein Strom /dem Verbraucherstrom /überlagert wird, wobei die Ladevorrichtung 6 in Betrieb gesetzt wird, wenn dieser Unterschied größer als ein vorgegebener Wert wird.

Die Spannung an den Klemmen des Akkumulators 4 wird einerseits ständig an den positiven Eingang eines Operationsverstärkers 20 und andererseits an einen normalerweise durch ein Relais 10 geschlossenen

to Kontakt 21 angelegt wobei dieser Kontakt mit einem Speicher-Kondensator 22 verbunden ist der sich bis zu einer Spannung gleich derjenigen des Akkumulators auflädt; dieser Kondensator 22 ist an den negativen Eingang des Operationsverstärkers 20 angeschlossen.

Wenn der Kontakt 21 durch das Relais 10 geöffnet und gleichzeitig ein weiterer Kontakt 11 geschlossen wird, dann wird ein Belastungs-Widerstand 14 an den Akkumulator angeschlossen, der diesem einen Strom / entzieht Dann empfängt der Operationsverstärker 20 am positiven Eingang die Spannung des Kondensators 22, der die Spannung U\ an den Akkumulatorklemmen vor Betätigung des Relais 10, also vor Durchfluß des Stroms /, aufweist und auf dem negativen Eingang die momentane Spannung U₂ an den Akkumulatorklemmen während des Durchflusses des Stroms /. Der Operationsverstärker 20 erzeugt den Unterschied U\ -U₂, AU genannt Die Elemente 12, 13, 14 bilden eine erste, der Operationsverstärker 20 eine zweite Schaltungsanordnung im Sinn der Erfindung.

Ein Spannungsregler 23, der aus dem Akkumulator gespeist wird, liefert eine konstante Spannung an einen Spannungsteiler 24 und einen Operationsverstärker 25, der der Impedanz-Anpassung dient. Dieser Operationsverstärker liefert also eine konstante Spannung Us, die einem Schwellenwert entspricht, den der Spannungsabfall AU nicht überschreiten darf. Die Ausgänge der Operationsverstärker 20 und 25 sind an den Eingang eines weiteren Operationsverstärkers 26 angeschlossen, der als saturierte Vergleichsschaltung dient d. h, der am Ausgang ein binäres Signal abgibt, das mit »1« bestimmt werden kann, wenn \AU\>Us, und mit »0« bestimmt werden kann, wenn \AU\< Us ist wobei die Zustände »1« und »0« beispielsweise jeweils —10 Volt und +10 Volt betragen können. Eine an den Ausgang 26

« angeschlossene Signalvorrichtung 27 wird betätigt, wenn das Ausgangssignal den binären Wert »1« annimmt. Der Operationsverstärker 26 bildet eine dritte und die Elemente 23, 24 und 25 bilden eine vierte Schaltungsanordnung im Sinne der Erfindung.

>« Der Strom / wird in regelmäßigen Abständen und während einer sehr kurzen Dauer mittels einer nicht dargestellten Auslösevorrichtung angelegt die ein Taktgeber sein kann, der auf die Eingänge b des Relais 10 einwirkt, dessen Kontakt 11 sich schließt und durch die mit a bezeichnete Verbindung (die in der Figur um der Klarheit willen unterbrochen ist) einen monostabilen Kipper 12 steuert Dieser betätigt einerseits einen statischen Impulsgeber 13, der den Widerstand 14 während einer Dauer gleich der Haltedauer des · monostabilen Kippers 12 an die Klemmen der Batterie anschließt, beispielsweise 40 ms, und andererseits eine Verzögerungsschaltunp 15, die mit einem zweiten monostabilen Kipper 16 verbunden ist Beispielsweise beträgt die Verzögerung der Schaltung 15 etwa 25 ms und die Haltedauer des zweiten monostabilen Kippers 10 ms; dann erfolgt das von diesem monostabilen Kipper 16 abgegebene Ausgangssignai 25 ms nach dem Beginn des Durchflusses des Stroms / und bleibt

erhalten bis 5 ms vor seinein Ende. Dadurch wird die ungünstige Auswirkung der Übergangszustände des Stroms / vermieden, wie in der F i g. 2 angegeben, wo das Diagramm 512 das Ausgangssignal des monostabilen Kippfis >2 in Abhängigkeit von der Zeit, die Kurve / die bewicklung des Stroms /im Widerstand 14, der zum Überschwingen neigt, die beispielsweise kapazitive und induktive Wirkungen der Schaltungen bei Aufbau und Unterbrechung des Stroms hervorrufen, die Kurve S15 das Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung 15 und die Kurve 516 das Ausgangssignal des zweiten monostabilen Kippers 16 darstellt. Der Zeitraum, den das Signal definiert, kann demnach zur Berechnung von Δ U berücksichtigt werden, die somit keinen auf Übergangszustände zurückzuführenden Fehlern unterliegt. Diese Berücksichtigung erfolgt durch das logische UND-Glied 17, das das für den Vergleich zwischen Δ U und dem Bezugswert Us repräsentative Signal nur während des durch den monostabilen Kipper 16 definierten Zeitraums »passieren« läßt

Das logische UND-Glied 17 wirkt auf das Steuerglied 7, sobald ein Signal »1« am Ausgang des Operationsverstärkers 26 gleichzeitig mit dem Halten des monostabilen Kippers 16 erscheint, wobei dieses Steuerglied 7 die Ladevorrichtung 6 in Betrieb setzt

Das Anhalten der Ladevorrichtung 6 erfolgt, wenn der Akkumulator einen befriedigenden Ladezustand erreicht hat, der durch die Spannung an seinen Klemmen bestimmt werden kann. Es ist jedoch ein spürbarer EinfluB der Temperatur des Elektrolyten auf den Spannungswert bei einem bestimmten Ladezustand festgestellt worden, insbesondere bei Bleiakkumulatoren, was durch einen Heißleiter 33 in der Ermittlungsvorrichtung 3 des Endes des Wiederaufladens kompensiert werden kann. Dieser Heißleiter 33 ist beim Betrieb der Einrichtung in den Elektrolyten getaucht

Ein Spannungsregler 30 gibt eine konstante Spannung an einen Spannungsteiler 31 ab, der eine bestimmte Spannung abgibt. Diese bestimmte Spaii nung wird an einen Operationsverstärker 32 angelegt der aufgrund des in Gegenkopplung wirkenden Heißleiters 33 eine Korrektur an dieser bestimmten Spannung vornimmt, und zwar in Abhängigkeit von der Temperatur des Elektrolyten. Es wird so eine korrigierte Spannung Uc erhalten.

Diese Spannung Uc wird mit der Spannung U an den Akknmulatorklemmen verglichen, und zwar durch den Operationsverstärker 34, der als saturierter Vergleicher wirkt, d. h, er gibt ein binäres Signal ab, beispielsweise »1«, wenn \iJ\>Uc, und »0«, wenn \U\< Uc\s\., wobei das Signal »1« das Steuerglied 8 auslöst, das die Ladevorrichtung 6 enthält Eine zwischen dem Steuerglied 8 und der Ladevorrichtung 6 angebrachte Verzögerungsschaltung 35 bewirkt eine Überladung während eines bestimmten Zeitraums, beispielsweise 30 min lang, damit eine tadelloser Ladezustand garantiert wird und damit der Elektrolyt kräftig umgerührt wird, wenn es sich um einen flüssigen Elektrolyten handelt

Die beschriebene Einrichtung findet insbesondere Anwendung, wenn menschliches Eingreifen nicht nur vermieden werden soll, sondern sogar unmöglich ist Das ist insbesondere der Fall bei auf offener See befindlichen Leuchtbojen oder Leuchttürmen, die ihre elektrische Energie aus Akkumulatoren beziehen welche durch vollkommen automatisch arbeitende Ladevorrichtungen wiederaufgeladen werden müssen.

Jedoch ist die Erfindung auch dann vorteilhaft einsetzbar, wenn nur die Kontrollschaltung für den Entladezustand und die damit verbundene Logikschaltung notwendig ist, die am Ausgang auf eine akustische oder optische Signalvorrichtung einwirkt, welche die nötigen Informationen an das Bedienungspersonal liefert, wobei dann natürlich die Kontrolle des Akkumulators nicht mehr vollkommen automatisch arbeitet

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Anzeigen und/oder Auswerten des Entladezustandes eines einen Verbraucher speisenden Akkumulators, die abhängig von dem unter Belastung über Entladestrom und Spannungsänderung gemessenen Akkumulatorinnenwiderstand arbeitet, gekennzeichnet durch eine erste Schaltungsanordnung (12, 13, 14), die dem Akkumulator (4) periodisch kurze Stromimpulse entnimmt, durch eine zweite Schaltungsanordnung (Operationsverstärker 20), die die Akkumulator-Spannungen vor und während des Durchgangs der Stromimpulse miteinander vergleicht, und durch eine dritte Schaltungsanordnung (Operationsverstärker 26), die die Unterschiede jeweils mit einer vorgegebenen, von einer vierten Schaltungsanordnung (23, 24, 25) erzeugten Bezugsspannung vergleicht, welche dritte Schaltungsanordnung im Verlauf jedes Stromimpulses ein binäres Signal abgibt, das für den Entladezustand des Akkumulators repräsentativ ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der dritten Schaltungsanord- nung (Operationsverstärker 26) abgegebene binäre Signal eine Signalvorrichtung (27) betätigt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schaltungsanordnung (23, 24, 25) einen vom Akkumulator (4) gespeisten Spannungsregler (23) aufweist, der eine konstante Spannung abgibt, und daß sie einen Spannungsteiler (24) sowie einen Operationsverstärker (25) aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schaltungsanordnung einen Operationsverstärker (20) aufweist, dessen einer Eingang (Ui) an eine Akkumulatorklemme und dessen anderer Eingang (U\) an einen Spannungs-Speicher (Kondensator 22) angeschlossen ist, der an die Akkumulatorklemme durch einen Kontakt (21) angeschlossen ist, welcher jeweils während eines Stromimpulses geöffnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungs-Speicher ein Kondensator (22) ist, der zwischen dem anderen Eingang « (U\) und Masse liegt.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Schaltungsanordnung ein Operationsverstärker (26) ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schaltungsanordnung (12,13, 14) aufweist: einen weiteren Kontakt (11), der sich schließt, um die Stromimpulse auszulösen, einen monostabilen Kipper (12), der von dem weiteren Kontakt (11) betätigt wird und dessen Haltedauer im wesentlichen gleich der für die Stromimpulse erwünschten Dauer ist, einen statischen Impulsgeber (13), der von dem monostabilen Kipper (12) auslösbar ist und der einen Widerstand (14) zwischen die Klemmen des Akkumulators (4) parallel zum wi Verbraucher (5) einfügt.

8. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausscheidung der unerwünschten Wirkungen möglicher Übergangszustände während des Anfangs des einem Stromimpuls entsprechenden Bruchteils an Zeit der Einrichtung eine Logikschaltung (2) zugeordnet ist, die aufweist: eine Verzögerungsschaltung (15), die von dem Kipper (12) gesteuert wird und deren Verzögerungsdauer unterhalb der Dauer der Stromimpulse liegt, einen zweiten monostabilen Kipper (16), der vom Ausgangssignal der Verzögerungsschaltung ausgelöst wird und dessen Haltedauer höchstens gleich dem Unterschied zwischen der Dauer eines Stromimpulses und der Verzögerungsdauer der Verzögerungsschaltung ist, und ein logisches UND-Glied (17), das die Ausgangssignale des zweiten Kippers (16) und der dritten Schaltungsanordnung (Operationsverstärker 26) kombiniert

9. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche zum Steuern einer Wiederaufladevorrichtung für den Akkumulator, dadurch gekennzeichnet, daß das von der dritten Schaltungsanordnung (Operationsverstärker 26) abgegebene binäre Signal ein erstes Steuerglied (7) betätigt, das die Inbetriebsetzung der Ladevorrichtung (6) bewirkt, und daß eine Ei mittlungsvorrichtung (3) für das Ende des Wiederaufladens des Akkumulators ein zweites Steuerglied (8) betätigt welches das Abschalten der Ladevorrichtung (6) bewirkt

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlungsvorrichtung (3) einen vom Akkumulator gespeisten Spannungsregler (30) und einen Vergleicher (Operationsverstärker 34) aufweist der ein sich aus dem Vergleich zwischen einer vom Spannungsregler (30) abgeleiteten Bezugsspannung und der Spannung an einer Akkumulatorklemme ergebendes logisches Signal abgibt

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsspannung aus dem Spannungsregler (30) über einen Spannungsteiler (31) und einen Operationsverstärker (32) abgeleitet wird, dessen Verstärkungsfaktor von einem Heißleiter (33) beeinflußbar ist, welcher in den Elektrolyten des Akkumulators getaucht ist um den Bezugsspannungswert als Funktion der Temperatur dieses Elektrolyten zu korrigieren.

12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß der Vergleicber ein saturierter Operationsverstärker (34) ist.