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Verfahren zur Nessun des Ladezustandes von galvanischen Encriesaucllen
und Vorrichtuxan zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Ladezustandes
von galvanischen Energiequellen mittels einer an sich bekannten, integrierenden
Neßcinrichtung, wobei der Ladestrom oder eine dazu proportionale Größe mit einem
von der vorgegebe nen, mit der Temperatur sich verändernden Gasungsspnnnung abhängigen
und in seinem zeitlichen Verhalten dem Ladeverhalten der Energiequelle angepaßten
Ladefaktor - und gegebenenfalls mit einem von der jeweiligen Batterietemperatur
abhangigen Faktor und abhängig vom Ladezustand - bewertet wird, bevor er der integrierenden
Meßeinrichtung zugeführt wird und wobei der Entladestrom oder eine dazu proportionale
Größe mit einem von der jeweiligen Batterietemperatur abhängigen Faktor multiple.
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ziert und anschließend mit einem Exponenten 1+m, dessen Summand m
selbst abhängig von der Batterietemperatur veränderbar ist, potenziert wird, bevor
er seinerseits der integrierenden Xeßeinrichtung zugeführt wird, nach Patent . ...
... (Patentanmeldung P 22 42 510.1).
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Im Houptpatent . ... ... (Patentanmeldung P 22 42 510.1) wurden der
gesamte Ladestrom sowie der augenblickliche Entladestrom, mit entsprechenden Faktoren
bewertet, der integrierenden Meßeinrichtung zugeführt. Dies führt zu etwas ungenauen
Ergebnissen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden, ein
mit
größerer Genauigkeit arbeitendes Verfahren anzugeben, welches um Maßnahmen zur Batteriekontrolle
und zur Ladestromregelung erweitert werden soll, und eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der un den von der Differenz
UflUGAS ablwängigen teil IGS verkleinerte Ladestrom 1L sowie der mit dem Exponenten
i+m potenzierte Mittelwert des Entladestromes IECTL bzw. dazu jeweils proportionale
Größen der integrierenden Meßeinrichtung zugeführt werden.
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Es hat sich gezeigt, daß die Gasentwicklung beim Laden von galvanischen
Energiequellen bei einer bestir.1tuten Temperatur praktisch nur von der jeweiligen
Klemmenspannung der Batterie abhängt. Bei verschiedenen Temperaturen kann für den
jeweiligen Datterietyp eine charakteristische ter1peraturabh.ingige Gasungsspannung
angegeben werden. Die Gasentwicklung stellt dann eine Funktion der Differenz der
Batterfleklemmenspannung UB zu dieser Gasungsspannung UGAS dar. Die erfindungagemäße
Lösung berücksichtigt diesen Zusammenhang. Dadurch wird der durch das Laden erreichte
Ladezustand, d.h. die in der Batterie nutzbar gespeicherte elektrische Ladung, genauer
gemessen als bei dem früher beschriebenen Verfahren, bei dem der Ladestrom beim
Überschreiten der Gasungsspannung - gegebenenfalls mit einer zeitlichen Verzögerung
- ganzlich unberücksichtigt blieb.
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Diese Maßnahme ist besonders bei galvanischen Energiequellen mit alkalischem
Elektrolyten von Interesse, bei denen bekanntlich zum Aufladen die Gasungsspannung
stets überschritten werden muß, so daß bei diesen Batterien stets nur ein Teil des
Aufladestromes in der Batterie gespeichert wird, während bei Bleibatterien bis zum
Erreichen der Gasungaspannung praktisch der gesamte Aufladestrom in der Batterie
gespeichert wird.
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Es ist günstiger, nicht die Augenblickswerte des Entladestromes
mit
desn Exponenten l+m zu potenzieren und dann der integrieren den Meßeinrichtung zuzuführen,
sondern die Potcnzbildung mit dein arithmetiscller. Mittelwert des Entladostrones
vorzunchmen.
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Die Integrationszeitkonstante ist dabei vom Typ der Batterie abhöngig,
liegt aber leistens ir Minutenbereich. Damit wird bei impulsförmigen flelastungen
mit Strorispitzen sehr kurzer Dauer, wie sie etwa auftreten können, wenn die Batterie
über einen Gleichstromsteller einen Gleichstrommotor speist, nur deren zeitlicher
Mittelwert potenziert. Dies entspricht etwas genauer den p!:ysikalischen Verhältnissen
der Batterie als das früher vorgeschlagene Verfahren, durch das die Augenblickswerte
der Stromspitzen potenziert wurden, da sich auch die Batterie gegenüber sehr kurzzeitigen
Stroznspitzen wie eine Kapazität verhält und damit ihre Eapazitatsabnahme durch
den arithmetischen Mittelwert des Entladestromes bestimmt wird.
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Als Maßnahme zur Batteriekontrolle ist vorgesehen, daß der zur Gasentwicklung
dienende Anteil IGAS des Ladestromes oder eine dazu proportionale Größe einer weiteren
integrierenden MeeinrichturO zugeführt wird. Dadurch wird der durch das Gasen hervorgerufene
Verlust des Elektrolyten erfaßt.
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Eine weitere Maßnahme besteht darin, daß der Ladestrom IL durch einen
integrierenden Regler so geregelt wird, daß die temperaturabhängige Gasungaspannung
UGAS nur dann überschritten werden darf, wenn der Ladestrom IL unterhalb eines bezüglich
der Gasung gefährlichen Wertes liegt.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
besteht darin, daß ein proportionaler Differenzverstärker mit Zeitverzögerung vorhanden
ist, welcher aus den in an sich bekannter Weise ermittelten Größen Batteriespannung
UB und Gasungsspannung UGAS die Differenzspannung UB-UGAS oder eine dazu proportionale
Größe bildet, dar, auf den Differenzverstärker ein Funktionsgenerator folgt, welcher
aus der
Differenzspannung UB- UGAS eine dem Gasungsstroiri IGAS
pro'>ortionale Größe erzeugt, daß ein weiterer proportionaler Differenzverstärker
vorhanden ist, welcher aus der in an sich bckaslnter Weise in einem Proportionalverstärker
über ein erstes Gegenkoppelnetzwerk ermittelten, dem Ladestrom IL proportionalen
Größe und der dem Gasungsstrom IGAS proportionalen Größe eine der Differenz IL-IGAS
proportionale Größe bildet, welche gegebenenfalls über weitere Zwischenstufen der
integrierenden Mceinrichtung zugeführt wird und daß die im Proportionalverstarker
über ein zweites Gegenkoppelungsnetzwerk ermittelte, dem Mittelwert des Entladestromes
IESTL proportionale Größe nach Potenzierung in an sich bekannter Weise mit einen
Faktor 1+m gegebenenfalls über weitere Zwischenstufen der integrierenden Meßeinrichtung
zugeführt wird.
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Der durch das Gasen hervorgerufene Verlust des Elektrolyten der Batterie
wird dadurch erfaßt, daß der zur Gasentwicklung dienende Anteil IGS des Ladestronies
IL oder eine dazu prportionale Größe dem Eingang eines Rechenverstärkers zugeführt
wird, welcher durch die Beschaltung mit den Widerständen einen der Eingangsgröße
proportionalen Ausgangsstrom an eine weitere integrierende Neßeinrichtung liefert.
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Die Notwendigkeit von anfallenden Wartungsarbeiten (z.B. Nachfüllen
von destilliertem Wasser) kann dadurch angezeigt werden, daß die integrierende Mefleinrichtung
mit einer Warnsignalein richtung ausgestattet ist, welche ein Signal abgibt, wenn
die der gesamten Gasentwicklung entsprechende und ein Maß für die infolge Gasens
verbrauchte Elektrolytmenge der Batterie darstellende elektrische Ladung einen bestimmten
Wert übersteigt.
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Erfindungsgemäß ist ein Integralregler vorhanden, dessen Eingang die
der Spannungsdifferenz UB - UGAS proportionale Größe zugeführt wird und an dessen
Ausgang eine dem Sollwert des Ladestromes 1L proportionale Größe erscheint; auf
den Integralregler
folgt ein Ladestromregler mit Strombegrenzung,
welcher Sollwert und Istwert des Ladestromes 1L bzw. dazu proportionale Größen miteinander
vergleicht und die versthrkte Differenzçröße als SteuerSröße zur Steuerung eines
Ladegerät es bereitstellt.
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In der Zeichnung ist schematisch ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt.
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Es zeigen: Fig. 1: ein Diagramm zur Gasentwicklung und Fig. 2: das
Schaltbild einer erfindungsgemaßen Vorrichtung als Beispiel.
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Die Gasentwicklung beim Laden von galvanischen Energiequellen bei
einer bestimmten Temperatur hängt praktisch nur von der jeweiligen Klemmenspannung
UB der Batterie ab. Bei verschiedenen Temperaturen kann für den jeweiligen ßatterietyp
eine charakteristische temperaturabhanslge Gasungsspannung angegeben werden. Die
Gasentwicklung stellt dann eine Funktion der Differenz der Batterieklemmenspannung
UE zu dieser Gasungsspannung UGAS dar. In Fig. 1 ist der für Bleibatterien maßgebliche
Zusanunenhang dargestellt, wobei die jeweilige Gasentwicklung mit Hilfe des elektrochemischen
Äquivalents in einen entsprechenden Strom 1GAS' bezogen auf den fünfstündigen Entladestrom
15 der Batterie, umgerechnet wurde. Ähnliche Zuammenhänge lassen sich für andere
Batterietypen ermitteln.
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In Fig. 2 ist das Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als
Beispiel dargestellt. Die Spannung der zu überwachenden Batterie 1 wird über einen
Spannungswandler 2 und einen Wider~ stand R1 der Eingangsklemme 3 eines Verstärkers
4 zugeführt.
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Gleichzeitig ist der Eingang 3 über den Widerstand R2 noch Mit dem
Punkt 5 des aus den Widerständen R3 und R4 bestehenden
Spannungsteilers
verbunden, wobei R4 ein Widerstand mit negativer Widerstandscharakteristik ist,
so daß das Potential des Punktes 5 bei abnehmender Temperatur und geeigneter Dimensionierung
von R3 und R4 in demselben Maße sinkt, wie die zulässige Gasungsspannung UGAS <ler
Batterie 1 bei abnehmender Temperatur ansteigt. Durch die Beschaltun> mit R15
und C bildet der Verstärker 4 einen proportionalen Differenzverstärker mit Zeitverzögerung.
Durch den Gegenl<opplungsliondensator C wird das zeitliche Verhalten der Ausgangsspannung
dem der Batterie angepaßt. Am Ausgang 6 des Yerstärkers 4 ist eine der Differenzspannung
UB-UGAS proportionale Spannung abgreifbar. Mit Hilfe der Widerstände R16, R17 und
R18 sowie der Zener-Diode D3, welche einen Funktionsgenerator bilden, wird der Verlauf
der Kennlinie nach Bild 1 durch zwei Geraden angenähert, wie es in Bild 1 gestrichelt
eingetragen ist. Aus Bild 1 geht hervor, daß die Durchbruchsspannung der Zener-Diode
im vorliegenden Fall proportional UB'UGAS = 0,25 V zu wählen ist, wobei der Proportionalitätsfaktor
durch die Verstärkung des Verstärkers 4 bestimmt ist.
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Zusammen mit dem Verstärker 15 und dem Widerstand R19 ergibt sich
damit am Punkt t6 eine Spannung, die dem jeweiligen Wert des Gasungsstromes ICAS
proportional ist, wobei durch die Diode D4 vermieden wird, daß diese Spannung <
0 wird, da auch IGS nicht < 0 werden kann.
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Der Strom der Batterie wird in Stromwandler 7 vorzeichenrichtig erfaßt
und über den Widerstand R5 der Eingangsklemme 8 des Verstärkers 9 zugeführt. Das
Gegenkopplungsnetzwerk dieses Verstärkers besteht einmal aus dem Widerstand R6 und
der Diode Dl; es wird dann wirksam, wenn die vom Stromwandler 7 abgegebene Spannung
positiv ist, wobei der Batteriestrom IB dann auch positiv sein soll und damit zum
Aufladen der Batterie dient.
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Der Verstärker 17 bewirkt am Punkt 18 auf Grund der Beschaltung eit
den Widerständen R20, R21 und R22 eine Spannung, die proportional
ist
der Differenz des Aufladostromes und des Stromanteils, der der entwickelten Gasmenge
entspricht und deshalb nicht in der Batterie gespeiciiert wird. Denn dio IGAS proportionale
Spannung am Punkt 16 kann nur positive Werte annehmen, während die dem Ladestrom
IB proportionale Spannung am Punkt 14 wegen der Diode D1 nur negativ sein kann.
Die Diode D5 verhindert dabei, daß die Spannung am Punkt 18 negativ wird, da selbstverständlich
beim Laden immer gelten lnuß IB # IGAS.
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Verstärker 19 bewirkt zusammen mit den Widerständen 223 und R24 eine
Vorzeichen-Umkehr der Spannung am Punkt 18, um die dem Ladestrom, der gegebenenfalls
um IGS korrigiert wurde, proportionale Spannung vorzeichenrichtig über den Widerstand
R11 und den Verstärker 12 der integrierenden Meßeinrichtung 13 für den Lade zustand
zuzuführen.
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Der aus dem Widerstand R7, der Diode D2 und dem Kondensator C1 bestehende
Teil des Gegenlcopplungsnctzwerkes beeinflußt die messung des Entladestromes der
Batterie. Dabei stimmt das prinzipielle Temperaturverhalten des Widerstandes R7
mit dem des Widerstandes R4 überein, so daß die Ausgangsspannung des Verstärkers
9 am Punkt lo bei gleichbleibendem Entladestrom der Batterie mit abnehmender Temperatur
ansteigt, womit bei geeigneter Wahl des Widerstandes 27 die Temperaturabhängigkeit
der bei Entladung nutzbaren Batteriekapazität berücksichtigt wird.
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Die Kapazität Ci bildet zusammen mit dem temperaturabhängigen Widerstand
R7 den arithmetischen Mittelwert des Entladestroms, wobei die Zeitkonstante meist
im Minutenbereich liegt, um den Einfluß shr kurzzeitiger Stromspitzen im Entladestrom
mit der gleichen zeitlichen Verzögerung wie die Batterie zu erfassen.
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Die Spannung der Klemme le wird über die Schaltung des spannungsabhängigen
Widerstandes n8, der Widerstunde ng, R33, R34 und der Diode D8 der Eingangsklemme
il des Verstärkers 12 zugeführt.
Diese Parallelschaltung aus einem
spannungsabhängigen R8 und einem spannungsunabhängigen Widerstand RU ver'irklicjit
den Zusammenhang, daß die Messung des Entladestromes, die schon nach Maßgabe der
Temperatur bewertet sorde, mit einen i:xponenten 1+m potenziert wird, um en Rückgang
der nutzbaren Batterie kapazität bei höheren Entladeströmen zu erfassen.
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Die Parallelschaltung ist notwendig zur Einstellung des Exponenten
1+m = 1,15 ... 1,33, da sich aus Herstellungsgründen als niedrigster Exponent für
spannungsabhängige Widerstände nur etwa der Wert 2 verwirklichen läßt.
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Durch den Spannungsteiler, der aus der Diode D8 und dom Widerstand
R34 gebildet wird, wobei der Nittelpunkt des Spannung teilors über den Widerstand
R33 mit dem Eingangspunkt 11 des Verstärkers 12 verbunden ist, wird eine Verbesserung
der Genauigkeit bei der Potenzierung der dem Entladestrom proportionalen Spannung
mit dem Exponenten (1+m) erreicht. Es können damit Entladeströme, die weniger als
10% des maximalen Entldestromes betragen, noch genügend genau erfaßt werden.
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Mit Slilfe der Widerstände R13 und Rj4 ergibt sich ein der entsprechenden
Summe der Ei'ngangsspannungen des Verstarkers 12 proportionaler Ausgangsstrom i
ia, der einer integrierenden Meßeinrichtung 13, die beispielsweise aus einem Ah-Zähler
bestehen kann, zugeführt wird.
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Der Verstärker 22 stellt in der Beschaltung mit den Widerständen R28
und der Kapazität C2 einen Integralregler dar, damit beim Laden der Antriebsbatterie
durch ein Ladegerat die teniperaturabhängige Gasungsapannung gerade eingehalten
wird. Damit kann ein Minimum der Ladezeit bei weitgehender Schonung der Batterie
erreicht werden. Die Spannung am Punkt 23 ist dem Sollwert des Ladestroms proportional
und wird über die Widerstande R29 uiid R30 mit dem Istwert des Ladestroms, der vom
Stromwandler 7 gemessen
wird, verglichen. Verstärker 24 verstärkt
dabei die Differenz zwischen Soll- und Istwert mit ililfe des Widerstandes R31 und
liefert dann am Ausgang 25 eine Steuerspannung US, die Ins Ladegerät entsprechend
beeinflunt. Die Diode D6 verhindert die vorgabe eines negativen Sollwerts fiir den
Ladestrom, die dann eintreten würde, wenn die vollgeladene Batterie die Gasungsspannung
zu überschreiten drogt. In diesem Fall wird über den Widerstand R32 unabhängig von
der jeweiligen Batteriespannung noch zusätzlich ein sehr kleiner Andestrom-Sollwert
vorgegeben, der bei Bleibatterien etwa 0, 1. I5 entspricht und eine Ausgleichsladung
bewirkt. Die Diode D7 verhindert eine negative Vor£;abo der Steuerspaunung U5, um
damit auch cine mörlicherweise negative Spannung ara Batterieladegert','t zu vermeiden.
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Die IGAS proportioiiale Spannung am Punkt 16 wird über den Verstärker
20 mit hilfe der Widerstände R25, R26 und R27 einer weiteren integrierellden Meßeinrichtung
21 zugeführt. Deren Anzeige ist damit der elektrischen Ladung proportional, die
der gesamten Gasentwicklung entspricht. Das Meßgerät 21 ist beispielsweise durch
eine galvanische Meßzelle yebildot, deren Anzcige der elektrischen Ladungsmenge
proportional ist, die die tXenzellc durchflossen hat und die mit einer Wariisignaleinrichtung
versehen ist, die dann ein Signal abgibt, wenn infolge Gnsens zuviel Elektrolyt
verbraucht wurde und ein Nachfüllen erforderlich wird.
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Die vorgestellte prinzipielle Schaltung ist nur als eine Möglichkeit
zur Verwirklichung der Erfindungsgedankon anzusehen; es ist ohne weiteres verständlich,
daß zur Realisierung der Erfindung z.B. statt der spannung und temperaturabhängigen
Widerstände oder des Funktionsgenerators auch andero Schaltmittel mit entsprechender
Charakteristik verwandt werden können.