DE2148628A1

DE2148628A1 - Zellspannungsueberwachung

Info

Publication number: DE2148628A1
Application number: DE19712148628
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl-Ing Girlich
Original assignee: VARTA AG
Current assignee: VARTA AG
Priority date: 1971-09-29
Filing date: 1971-09-29
Publication date: 1973-04-05

Description

Zellspannungsüberwachung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zellspannungsüberwachung von Brennstoffzellenbatterien, Akkumulatoren und Priiuärz ellenbatt eri en.
Die einzelnen Zellspannungen einer Brennstoffzellenbatterie, eines Akkumulators oder einer Primarzellenbatterie dürfen unter einen bestimmten Wert nicht absinken, weil sonst die Zelle elektrochemisch zerstört werden kann und mit ihr der gesaugte Batterieblock mit den gesunden Zellen unbrauchbar wird.
Es ist bekannt, einzelne Zellen über einen Iileßstellenumschalter nacheinander an ein lIeßgert zu legen und mit einem Grenzwertmelder zu kontrollieren. Der Aufwand dieser Neßwertregistrierung an Raum, Größe, Gewicht, Kosten und Arbeit ist so groß, daß es sich nicht lohnt, sie in einem Aggregat einzubauen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zellspannungsüberwachung zu entwickeln, das sicher und billig ist und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ZU bauen, das die Bunktion des Meßstellenumschalters, Meßgerätes und des Grenzwertmelders übernimmt und so klein ist, wie z. B. ein Sicherungselement, das jedem Aggregat beigefügt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Spannungsteile einer Batterie mit ihrem Mittelwert verglichen werden und ein Signal gegeben wird, sobald die Abweichung einer Zellenspannung von diesem Mittelwert einen vorgegebenen Betrag erreicht.
Um ein besonders günstiges Verfahren zur Zellspannungsüberwachung zu erhalten, werden in einer bevorzugten Ausführungsform zwei Zellen oder Zellengruppen in zwei nebeneinanderliegende Zweige einer Brückenschaltung geschaltet und die zwischen den Punkten A und B liegende Brückenspannung UB mit der zwischen dem Punkt A und einem oder zwei Punkten Ci (i = 1,2) liegenden Sollspannung Us verglichen.
Der Erfindung liegt folgendes Prinzip zugrunde, das an Hand der Fig. 1 erläutert wird: An einer Meßbrücke werden zwei Spannungsteile einer Batterie mit ihrem Mittelwert verglichen.
Die Differenz zwischen beiden Meßwerten - die Brilokenspannung UB - ist gleich Null, wenn sich noch keine Zellenspannung gegenüber dem Mittelwert verringert hat (abgeglichene Brücke).
Die Brückenspannung nimmt den Wert U3 = (1- U an, bei einer Zellenspannungaänderyng vona U in einem Batteriesweig mit dem cL.Teil der Batteriespannung U. Die Brückenspannung ist also Ein Naß für die einzelnen Zellenapannungaänderungen vom Mittelwert. Sie kann mit dem Sollwert Us verglichen werden und zur Signalgebung benutzt werden. Die Signalgebung erfolgt dann, wenn die Differenz zwischen Brückensnannung und Sollwert gleich Null ist. Der Sollwert kann ein absoluter U = K oder ein zur Batterie spannung proportionaler Wert sein Us = Die Die Brückenspannung erreicht den absoluten und den relativen zur Batteriespannung proportionalen Sollwert bei verschiedenen Zellenspannungsverlusten au der Batterie.
bei absolutem Sollwert U bei relativem Sollwert Fin Vergleich der Brückenspannung mit relativem Sollwert statt absolutem Sollwert bringt folgenden Vorteil: Ein Signal bei UM = UB - US wird dann gegeben, wenn ein konstanter, einstellbarer Anteil der Batteriespannung verlorengegangen ist. Mit größerer Belastung und damit kleinerer Batteriespannung dürfen die Zellen sich nur um einen kleineren absoluten Wert ändern, aber immer um denselben Anteil der Batteriespannung. Die Sollwerteinstellung kann also unabhängig von der Belastung der Batterie vorgenommen werden.
Beispiele ie Fig. 2 zeigt einen Schaltplan für eine vorzugsweise Ausführungsform zur Durchführung des Verfahrens zur Zellspannungs-Uberwachung mit relativer (C1 mit E und C2 mit F galvanisch verbunden) und absoluter Sollwerteinstellung. Die Schaltpläne für die Zellspannungsüberwachung mit relativer und absoluter @ollwerteinstellung sind bis auf die Spannungsversorgung der Sollwertwiderstände identisch. Wenn die Meßspannungen UM über den Eingängen der Differenzverstärker V gleich groß sind, dann liegt der Punkt D auf dem Potential des Punktes B (Nullpotential; Das Potential des Punktes D wird positiver, wenn die Meßssannung UM in einem der Differenzverstärker Null wird. Das am Punkt D ankommende Signal kann in üblicher Weise zur Schaltung eines Relais weiterverarbeitet werden. Insbesondere kann das Signal auf die Basis eines Transistors gegeben werden, in dessen Kollektor-Emitter-Kreis ein Relais liegt, mit dem die Last abgeschaltet werden kann. Bei Operationsverstärkern die genügend Strom liefern, kann auch ein zwischen dem Punkt D und einem dagegen ausreichend negativen anderen Punkt, dessen Potential z. B. von einer äußeren Spannungquelle festgelegt ist, liegendes Relais direkt geschaltet werden.
Die Genauiakeit der Überwachung hangt zum kleineren Teil von dem Brückenabgleich und dem Differenzverstärker ab, aber im wesentlichen von der Polarisation der Zeile bei Belastung. Das Abgleichen der Brücke gelingt ohne Meßgerät nur durch die Nittelwertbildung eines unteren und oberen Grenzwertes mit Hilfe eines linearen Potentiometers bis auf einige mV genau.
Integrierte Schaltkreise schalten auf t 1 mV genau. Neben diesem Vorteil halten sie die Batterie potentialfrei. Fa wurde gefunden, daß die Brückenspannung sich mit der Belastung wegen der unterschiedlichen Polarisation der Zellen maximal um etwa - 0,5 % von der Batteriespannung ändert. Gleicht man die Brücke unter Nennlast der Batterie ab, so verändert der Brückenfehler den angezeigten Wert bei Leerlauf um 1 % von der Batteriespannung im ungünstigsten Falle. Die Polarisation der Zelle nimmt mit ihrem Alter immer mehr zu. Daher sollte man in einem Brückenzweig nicht nur alte und im anderen nur neue Zellenblöcke anschließen, da die Brückenspannung mit der Belastung mehr als + 0,5 < von Null abweichen könnte.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß die Einflüsse von Frwärmung, Alterung und unterschiedlicher Polarisation der Zellen bei Belastung sich durch die Mittelwertbildung in der Brückenschaltung und in der Sollwertbildung zum allergrößten Teil wieder aufheben.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche Ö Verfahren zur Zellspannungsilberwachung von Brennstoffzellenbatterien, Akkumulatoren und Primärzellenbatterien, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spannamgsteile einer Batterie mit ihren Mittelwerten verglichen werden und daß bei Abweichen der Differenz von einem Sollwert ein Signal erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fellen oder Zellengruppen in zwei nebeneinanderliegende Zweige (DB, BF) einer Brückenschaltung geschaltet werden und daß die zwischen den Punkten A und B liegende Brückenspannung UB mit der zwischen dem Punkt A und einem oder zwei Punkten Ci (i = 1,2) liegenden Sollspannunrr verglichen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal gegeben wird, wenn die Brückenspannung UB größer als die Sollspannung Us wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Punkten A und Ci ein Potentiometer P2 liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet; daß die Meßspannung UM = UB - Us über den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers V liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden aiidereii Zweite der Brücke durch ein lotentiometer P1 gebildet werden und daß zwei Potentiolneter F2 2 zwischen dem Punkt C1 bzw. 2 und dem Punkt A dein Aubriff des Potentiometers P1 geschaltet sind und daß die Abgriffe der Potentiometer P2 an dem positiven bzw. negativen Ringant des Differenzverstärkers Vgeschaltet sind, wenn ihr Potential bezüglich des Potentials des Punktes B negativ bzw. positiv ist und die anderen Eingänge auf das Potential des Punktes B gelegt sind und daß die Ausgänge der Differenzverstärker V über Dioden zasammengeschaltet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Funkte C1 nit E und C2 mit F @alvanisch verbunden sind.

L e e r s e i t e