DE2100011A1

DE2100011A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Anzeige des Ladezustandes von Nickel-Kadmium-Akkumulatoren

Info

Publication number: DE2100011A1
Application number: DE19712100011
Authority: DE
Inventors: Weif Dr. 6233 Kelkheim Dennstedt
Original assignee: VARTA AG
Current assignee: VARTA AG
Priority date: 1971-01-02
Filing date: 1971-01-02
Publication date: 1972-07-13
Also published as: SE372849B; US3781657A; DE2100011B2; CA940597A; FR2120016B1; FR2120016A1; DE2100011C3; JPS4714629A; GB1371350A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung und Anzeige des Ladezustandes von Nickel-Kadmium-Akkumulatoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung und Anzeige des Ladezustandes von Nickel-Cadmium-Akkumulatο ren.

Die Kenntnis des Ladezustandes eines Akkumulators ist für den Benutzer insofern von Bedeutung, als er nur nach dessen genauer Kenntnis den Akkumulator rechtzeitig aufladen lassen kann. Ist der Ladezustand nicht bekannt, so kann es zu Ausfällen infolge zu spät festgestellter Entladung kommen. Beabsichtigt man, derartige Ausfälle sicher zu vermeiden, muß man im allgemeinen für die Ladung einen teilweise überflüssigen Aufwand treiben.

In der Literatur werden verschiedene Methoden zur Ermittlung des Ladezustandes alkalischer Akkumulatoren beschrieben. So wurde beispielsweise die Zellenspannung oder die Elektrolytdichte als Funktion des Ladezustandes zur Bestimmung des Ladezustandes herangezogen. Auch wurde mit einem Strommengenmesser

209*29

die entnommene Elektrizitätsmenge registriert und dadurch der Ladezustand des Akkumulators'ermittelt. Ferner wurde die Methode des "current sharing" als indirekte Methode zur Erfassung des Ladezustandes angewendet. Alle diese Verfahren sind jedoch nur bedingt zur Ladezustandsanzeige geeignet, weil die "betrachteten meßbaren Eigenschaften des Akkumulators bei Ladung und Entladung nicht eindeutig genug verändert werden oder weil ein komplizierter elektronischer Aufwand erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Lade- bzw. Entladezustand des Nickel-Kadmium- Akkumulators in einfacher und genauer Weise zu ermitteln und deutlich anzuzeigen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mit Hilfe einer Bezugselektrode das Potential der positiven Elektrode bei Belastung gemessen und aus der Potentialverschiebung in negativer Richtung der Ladezustand ermittelt wird.

Das Verfahren beruht auf der Verschiebung des Arbeitspotentials der positiven Elektroden in negativer Richtung unter Belastung der Elektrode. Die Potentialverschiebung ist um so größer, je höher die Belastung und je weiter die Entladung der Elektrode fortgeschritten sind. Die Verschiebung wird gemäß der Erfindung als Maß für den Umfang der stattgefundenen Entladung einschließlich der Selbstentladung, also als Maß für den Ladezustand be-r nutzt.

Die Verschiebung wird mit einer Ag20/Ag-Elektrode (Bezugselektrode) gemessen. Eine besondere Vorrichtung gibt bei Überschreitung eines Grenzwertes der Verschiebung ein Signal, das einen definierten Lade/Entladezustand anzeigt.

Die Erfindung beruht vor allem auf der Tatsache, daß der innere Widerstand der-Elektrode, d.h. die Leitfähigkeit der aktiven Masse.im geladenen und im entladenen Zustand deutlich unterschiedlich ist. Es wurde experimentell gefunden, daß unge-

2 0 9029/030 f BAD ORIGINAL

ladenes Nickelhydroxid einen spezifischen Widerstand von 10 bis 10 -A- cm, geladenes Nickelhydroxid einen ent-

sprechenden Wert von 10 -Π- cm aufweist. Unter einer definierten Strombelastung tritt an dem inneren Widerstand (abgesehen von einer Polarisation) ein Spannungsabfall auf, der das Ruhepotential der Nickelhydroxidelektrode in negativer Richtung verschiebt. Mit zunehmender Entladung der Elektrode vergrößert sich somit ihr innerer Widerstand; dementsprechend verschiebt sich unter definierter Belastung das Elektrodenpotential in negativer Richtung. Die Höhe des Arbeitspotentials der Nickelhydroxidelektrode wird im Gegensatz zu den meisten anderen Meßgrößen des Nickel-Cadmium-Akkumulators besonders deutlich vom Ladezustand beeinflußt. Bas Potential der positiven Elektrode, die im allgemeinen auch die kapazitätsbegrenzende Elektrode ist, hängt üblicherweise (z.B. in Taschen-, Masse- und Sinterelektroden) von der Höhe des Entladestromes und vom Ladezustand der Elektrode ab.

In Abb. 1 ist die Abhängigkeit des Potentials von der entnommenen Strommenge schematisch dargestellt. Die obere Kurve a stellt den Verlauf des Potentials bei geringer, die untere Kurve b den Verlauf bei hoher Belastung dar.

Aufgrund dieser Eigenschaft der Elektrode besteht die Möglichkeit, innerhalb gewisser Grenzen an der positiven Elektrode .jedes beliebige Potential einzustellen. Es bedarf dasu der Anlegung eines definierten Entladestromes und der Einstellung eines passenden Ladezustandes der Elektrode. Legt man den Entladestrom in seiner Stärke fest, so ist das sich einstellende Potential eine Funktion des Ladezustandes. Somit besteht eine grundsätzlich erkennbare Kenngröße zur Ermittlung des Ladezustandes.

BAD ORIGINAL

209829/0306

Beispiel:

Das Ruhepotential der geladenen Nickelhydroxidelektrode liegt bei 1320 mV gegen Wasserstoff im gleichen Medium. Bei Entladung mit I₁- bis zu einer Entnahme von 70$ der Kapazität liegt das Potential der Elektrode "bei 1100 mV, unter Belastung gemessen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung eines Grenzwertes des Potentials ein Signal gegeben wird. Das Signal kann entweder während des Betriebs des Akkumulators bei der Entladung oder bei Einschaltung eines Teststromes ausgelöst werden. Das Signal macht den erreichten Lade (Entlade-)zustand von außen erkennbar, worauf für die erforderlich gewordene Aufladung Vorsorge getroffen werden kann.

Diese Vorrichtung besteht aus einer in den Akkumulator eingebauten Bezugselektrode von nicht zu geringer Kapazität, die im üblichen Elektrolyten des Nickel-Cadmium-Akkumulators verwendet werden kann und deren Ruhepotential etwas niedriger, d.h. negativer als das Ruhepotential der Nickelhydroxidelektrode ist. Beispielsweise ist die Ag20/Ag-Elektrode, evtl, auch die Hg/HgO-Elektrode zu diesem Zweck geeignet. Das Potential der Ag₂0/Ag-Elektrode liegt bei 1170 mV gegen Wasserstoff, also 150 mV niedriger als das der Nickelhydoxidelektrode und damit in einem besonders günstigen Bereich. Deshalb sei die Erfindung am Beispiel AggO/Ag-Elektrode erläutert.

Die Bezugselektrode, ist wie folgt im Akkumulator eingebaut und ihre Arbeitsweise sei wie folgt beschrieben: (Abb. 2). Der Akkumulator enthält in üblicher Weise eine Anzahl positiver Nickelhydroxidelektroden 1 und negativer Cadmium- oder Eisenelektroden 2 , die mit Ableitern 3, 4 versehen werden und zu den Anschlußstellen 5» 6 führen. In der Nähe

209829/0306

einer der positiven Elektroden wird die Bezugselektrode 7 montiert. Sie wird mittels eines Ableiters 8 mit einem Widerstand 9 und mittels einer weiteren Verbindung 10 über einen Schalter 11 mit der Anschlußklemme der positiven Elektrode 5 verbunden. Der Widerstand ist an seiner einen Anschlußstelle 9a mit der Bezugselektrode, mit der zweiten Anschlußstelle 9b mit dem automatischen Schalter verbunden. An den Anschlußstellen 9a und 9b ist ein Spannungsmesser 12 mit einem. Signalgeber 13 angeschlossen. Wird nun der voll aufgeladene Akkumulator nach der vorstehenden Beschreibung in Betrieb genommen und entladen, wobei Schalter 11 geschlossen ist, so ist zunächst das Potential der positiven Elektrode positiver als das der Bezugselektrode. Zu diesem Zeitpunkt der Entladung wird das am Widerstand gemessene Potential bei 9a gleich dem Potential bei 9b oder etwas negativer als 9b sein.

Im allgemeinen werden die Potentiale bei 9a und 9b gleich sein, weil an der Bezugselektrode das Potential des einwertigen Silbers herrscht und eine weitere Aufladung zum zweiwertigen Silber durch das Ruhe-iotential der Nickelhydroxidelektrode nicht erfolgt. Unter Umständen ist das Potential bei 9a etwas negativer als bei 9b, weil ein sehr geringer Strom zur ladungserhaltung der Bezugselektrode fließt. Der dadurch auftretende Spannungsabfall zwischen 9a und 9b dürfte unmeßbar klein sein.

Ist nun nach einer gewissen Zeit eine gewisse, genau definierte Entladung der positiven Elektrode erfolgt, so unterschreitet ihr Potential im Falle der Belastung (durch einen definierten Entladestrom oder durch Anlegen eines leststromes) das Potential der Bezugselektrode, d.h. das Potential der positiven Elektrode wird negativer als das Potential der Bezugselektrode. Von diesem Zeitpunkt an wird neben der Nickel (III, IV)-hydroxidetufe der positiven Elektrode auch die

209829/0306

Stufe des einwertigen Silbers an der Bezugselektrode entladen. Es fließt ein Strom von 7 über 9» 11 nach 5, der an den Anschlußstellen 9a und 9b des Widerstandes 9 einen Spannungsabfall bewirkt, wobei das Potential bei 9a positiver als das bei 9b ist. In der Praxis wird die dort angezeigte Spannungsdifferenz etwa zwischen 10 und 100 mV, vorzugsweise bei 5OmV, liegen, also gut meßbar sein. Diese Spannungsdifferenz kann nun durch ein bei 9a und 9b angeschlossenes Spannungsmeßgerät 12, das entweder vorübergehend zum Zwecke der Prüfung angeschlossen ist oder ständig als Bestandteil des Akkumulators vorhanden ist, angezeigt werden. Auch kann hierdurch ein Signalgeber 13 ausgelöst werden, v/elcher die notwendig gewordene Wiederaufladung meldet. Der Energieverbrauch dieses Signalgebers könnte aus dem zu prüfenden Akkumulator entnommen werden.

Somit wird der Akkumulator in die Lage versetzt, sich selbst rechtzeitig zu melden, wenn eine gewisse, genau definierte Teilentladung seiner Kapazität stattgefunden hat.

TJm die lunktionsfähigkeit der Bezugselektrode zu bewahren, ist diese vor jeder Aufladung des Akkumulators mit Hilfe des automatischen Schalters 11 abzuschalten.

Die Abschaltung ist deshalb erforderlich, weil die positive Elektrode des Akkumulators während der Ladung, vorzugsweise gegen Ende der Ladung, in der Gasung, bei einem erhöhten Potential geladen wird, welches das Potential des Übergangs AgpO/AgO überschreitet. Bei dieser Ladung würde das Silber(I)-oxid in der Bezugselektrode wenigstens teilweise zu Silber(II)-oxid oxidiert. Das Potential der Bezugselektrode würde damit stärker positiv werden als gemäß der Beschreibung der Erfindung erwünscht ist« Aus diesen Gründen wird die Bezugselektrode erst nach Abschluß der Aufladung des Akkumulators wieder mittels des Schalters 11 eingeschaltet.

209829/0306

Die Bezugselektrode unterliegt naturgemäß der Selbstentladung. Während der Zeit der Signalgabe findet auch eine Entladung der Bezugselektrode statt. Die notwendige Aufladung der Bezugselektrode bis zum Potential des Silber(i)· oxids findet, nach Schließen des Schalters 11, durch die Nickelhydroxidelektrode statt, deren Ruhepotential 150 mV über dem Ruhepotential der Ag^O/Ag-Elektrode liegt.

209829/0306

Claims

3P-Dr.Pck/H ? VARTA Aktiengesell

3FP 184. ' schaft

Pat entansprüche

Verfahren zur Messung und Anzeige des Ladezustandes von Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe • einer Bezugselektrode das Potential der positiven Elektrode bei Belastung gemessen und aus der Potentialverschiebung in negativer Richtung der Ladezustand ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung eines Grenzwertes des Potential?ein Signal gegeben wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Akkumulator in der Nähe der positiven Elektrode (l) eingebaute Bezugselektrode (7) mittels eines Ableiters (8) mit einem Widerstand (9) und mittels eines weiteren Leiters (10) über einen Schalter (11) mit der Anschlußklemme (5) der positiven Elektrode (l) verbunden ist, während im Nebenschluß zum Widerstand ein Spannungsmesser (12) angeordnet ist, der mit einem Signalgeber (13) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugselektrode eine AgpO/Ag-Elektrode ist.

209829/0306