DE2333134C3 - Verfahren zur Überwachung von Akkumulatoren bei der Ladung und Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von Akkumulatoren bei der Ladung.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Ladeverfahren, die nach einer /^/-Kennlinie oder davon Abgeleiteten Kennlinien wie IUI, IUIa usw. Arbeiten.

Zum Schutz von Akkumulatoren während der Aufladung sind verschiedene Maßnahmen bekannt Um Überströme im Ladestromkreis zu vermeiden, die infolge von partiellen Kurzschlüssen des Akkumulators oder Defekten im Ladegerät auftreten können, wird h«ufig in diesem Stromkreis eine Schmelzsicherung vorgesehen, Auch Zeitschaltwerke, die den Aufladcvorcang in bekannter Weise zeitlich begrenzen, sind als Einrichtungen zum Schutz des Akkumulators während der Aufladung anzusehen. (DT-OS 21 06 803). Andere Vorschläge zur Überwachung der Aufladung basieren auf den thermischen Vorgängen im Akkumulator und erfassen als Überwachungskriterium die Zellentcmpe· ratur (DT-PS 8 68 466). Nach einem weiteren Überwachungsverfahren (DT-AS 14 13 767) wird die Tendenz des Ladestromes erfaßt und die Ladung unterbrochen, wenn der Ladestrom ein Minimum durchlaufen hat. Diese bekannten Maßnahmen bewirken zwar einen bedingten Schutz des zu ladenden Akkumulators gegen Überströme oder Überladung, sind aber nicht geeignet, einen vollständigen Schutz des Akkumulators während des gesamten Verlaufs der Ladung zu gewähren. Die thermische Überwachung ist insbesondere aus wirtschaftlichen Gründen nicht praktikabel.

Bei vielen Anwendungsfälien von Akkumularoren ist es aber erforderlich, einen möglichst weitgehenden Schutz gegen Überlastung oder Zerstörung des Akkumulators zu erreichen, sei es in Anlagen mit großen und teuren Akkumulatoren, sei es in Anlagen, in denen eine dauernde Betriebsbereitschaft der Ersatzstromquelle gefordert wird. Eine solche dauernde Überwachung der Akkumulatoren ist insbesondere auch bei Elektrostraßenfahrzeugen notwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Überwachungsverfahren zu entwickeln, das einen vollständigen Schutz des Akkumulators während seiner Aufladung ergibt und sich mit vertretbarem Aufwand realisieren läßt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die für die aufeinanderfolgenden Ladephasen jeweils kritischen Größen mit den Sollwerten von Referenzgrößen verglichen werden und daß bei Überschreiten vorgegebener Grenzwerte der Abweichungen von diesen Sollwerten eine Schaltvorrichtung betätigt wird, die den Ladevorgang unterbricht, wobei in der Anfangsphase der Ladestrom kontinuierlich über eine stromempfindliche Schaltvorrichtung überwacht wird, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes den Ladestromkreis unterbricht, in der zweiten Ladephase die Spannung kontinuierlich mittels eines Spannungsempfindlichen Grenzwertschalters überwacht wird, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes das netzseitige Abschalten des Ladegerätes bewirkt und gegen Ende der zweiten Ladephase bei Unterschreiten eines vorgegebenen Stromgrenzwertes oder nach Ablauf einer bestimmten Zeit von Spannungsüberwachung auf Stromüberwachung umgeschaltet wird und nach diesem Urascn&Ii-Vorgang der Ladestrom kontinuierlich mittels einer Strommeßeinrichtung und eines Grenzschalters überwacht wird, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes das netzseitige Abschalten des Ladegerätes bev/irkt.

Der Erfindung liegt somit das Prinzip zugrunde, daß die für die aufeinanderfolgenden Ladephasen jeweils kritischen Größen mit den Sollwerten von Referentgrößen verglichen werden und daß bei Überschreiten vorgegebener Grenzwerte der Abweichungen von diesen Sollwerten eine Schaltvorrichtung getätigt wird, die den Ladevorgang unterbricht.

Eine übliche /fy-Ladekcnnlinic ist in Fig, I dargestellt, in die der für den Akkumulator gefährliche Bereich Λ eingetragen ist: Einerseits liegt dieser Bereich bei zu großen Ladeströmen und andererseits bei zu hohen Ladespannutigcn, Der normale Verlauf einer Akkumulatorladung an einem Ladegei ilt mit /LZ-Kennlinie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator in der Anfangsphase der Ladung mit konstantem Strom geladen wird und dann in der zweiten Phase mit konstanter Spannung, wobei der Strom auf kleinere Werte sinkt, bis schließlich nach einer gewissen Zeit in der Endphase der praktisch konstante Erhaltungsladestrom fließt. Dieser Ladeverlauf ist in F i g. 2 dargestellt,

Bei einem solchen Ladeverfahren sind im Verlauf der Ladung folgende Größen zu tiberwachen:

a) Der Anfangsladestrom, der zu Beginn der Aufladung fließt

b) Die Konstantladespannung, die in der zweiten Phase der Aufladung entsteht

c) Der Ladestrom in der Endphase der Aufladung, nachdem durch Abfrage des Ladestromes oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit auf Stromüberwachung umgeschaltet worden ist.

Eine zu dieser Überwachung geeignete Schaltungsanordnung ist in Fig.3 dargestellt. Der Schutz des Akkumulators gegen überhöhten Anfangsladestrom erfolgt durch eine stromempfindliche Schaltvorrichtung 3, ι. B. eine an den Ladestromkreis angepaßte Sicherung. Die Ladespannung wird durch einen Grenzwertmelder 7 überwacht. Im Fehlerfall in der zweiten Ladephase greift der Grenzwertmelder 7 in die Einschaltvorrichtung 15 ein und bewirkt das netzseitige Abschalten des Ladegerätes. Nach Beendigung der zweiten Ladephase wird der Ladestrom durch den Grenzwertmelder 8 überwacht, der erst nach Unterschreiten eins bestimmten Stromwertes oder, falls der Ladestrom nicht sinkt, nach Ablauf einer bestimmten Zeit auf die Einschaltvorrichtung 15 einwirken kann. Diese Zeit ist so festgelegt, daß unabhängig davon, ob der Akkumulator gänzlich oder nur teilweise entladen war, bei normalem, ungestörten Verlauf der Aufladung nach dieser Zeit der Ladestrom unter die Ansprechschwelle des Grenzwertschalters 9 gesunken ist.

Das Ladegerät I ist eingangsseitig über das Schütz 2 mit dem Wechselstrom- oder Drehstromnetz verbunden. Im Ausgangsstromkreis des Ladegerätes 1 liegt die

,stromempfindliche Schaltvorrichtung 3 und eine Strommeßeinrichti.ng 4 (Shunt oder Gleichstromwandler). An die beiden zum Anschluß des Akkumulators dienenden Klemmen 5 und 6 ist der Spannungsteiler 16 und an

'-diesen ein Grenzwertmelder 7 für die Ladespannung angeschlossen. An die Strommeßeinrichtung sind zwei Grenzwertmelder 8 und 9 für den Ladestrom mit

' unterschiedlichen Ansprechschwellen angeschlossen. Der Grenzwertmelder 7 und der Grenzwertmelder 9 sind an die Eingänge einer Umschalteinrichtung 10 angeschlossen. Die Umschalteinrichtung 10 wird durch das Ausgangssignal des ODER-Gliedes 11 betätigt, an dessen einem Eingang der Grenzwertmelder 8 angeschlossen ist und an dessen anderem Eingang der Zeitgeber 12 angeschlossen ist. Der Ausgang der Umschalteinrichtung 10 ist mit der Schalteinrichtung 13 verbunden, die einerseits auf die Störmeldevorrichtung 14 (Lampe) einwirkt und andererseits auf die Einschaltvorrichtung 15 für das Einschaltschütz 2.

Die Arbeitsweise dieser Überwachungseinrichtung ergibt durch das Erfassen mehrerer Überwachungskriterien einen nahezu vollkommenden Schutz des zu ladenden Akkumulators beim Auftreten von Fehlerfüllen im Lndestromkreis, Mit dem Einschalten des Ladegerätes über das Schütz 2 beginnt die Aufladung und auch die Zeitmessung des Zeitgebers 12, Im Anfangsstadium der Ladung, in dem die Strombegrenzung des Ladegerätes die Höhe des Ladestromes bestimmt, ist ein denkbarer Fehlerfall das Versagen des Stromrcgelkreises mit der Folge eines überhöhten Ladestromes, In diesem Fall kann der Akkumulator nur

Ό durch das Unterbrechen des Ladestromkrdses mittels der stromempfindlichen Schaltvorrichtung 3 vor Beschädigung geschützt werden,

Bei ungestörtem Verlauf dieser Ladephase tritt nach einer gewissen Zeil das bei Ladung mit /LZ-Kennlinien

¹J typische Absinken des Ladestromes unter den durch die Strombegrenzung gegebenen Wert ein, In dieser zweiten Ladephase, in der die Ladung mit konstanter Ladespannung weitergeführt wird, kann der Fehlerfall durch Versagen des Spannungsregelkreises eintreten

mit der Folge eines überhöhten Ladestromes. Ein weiterer Fehlerfall kann durch zu hohe Temperatur des Akkumulators oder auch durch defekt werdende Zellen eintreten, beides mit der Folge, daß der Ladest rom überhaupt nicht abklingt oder der anfänglich abklingende Ladestrom wieder ansteigt. Im ersten Fall wird der Akkumulator dadurch geschützt, daß das Ladegerät vom Netz abgetrennt wird. Dieser Schaltvorgang wird durch eine Störmeldung des Grenzwertmelder!) 7 ausgelöst, dessen Ausgangssignal über die Umschalteinrichtung 10 auf die Schalteinrichtung 13 gelangt und das Abschalten des Eingangsschützes 2 bewirkt. Im zweiten Fall wird der Akkumulator dadurch geschützt, daß nach Ablauf der am Zeitgeber 12 eingestellten Zeit über das ODER-Glied 11 die Umschlageinrichtung 10 betätigt wird und damit der Ausgang des Grenzwerlmelders 8 mit der Schalteinrichtung 13 verbunden wird. Durch eine Störmeldung des Grenzwertmelders 8 wird dann die Schalteinrichtung 13 betätigt, die das Abschalten des Eingangsschützes bewirkt.

Verläuft jedoch die zweite Ladephase ungestört mit absinkendem Ladestrom und unterschreitet der Ladestrom die Schaltschwelle des Grenzwertmelders 9, so wird von Spannungsüberwachung auf Stromüberwachung umgeschaltet. Über das ODER-Glied 11 wird die Umschalteinrichtung 10 betätigt und von dem Grenzwertmelder 7 auf den Grenzwertmelder 9 umgeschaltet. In diesem Schaltzustand wird nun die Endphase der Aufladung überwacht. Sollte der Ladestrom infolge eines Fehlerfalles im Ladegerät oder am Akkumulator über die Schaltschwelle des Grenzwertmelders 8 steigen, so wird wiederum die Abschaltung des Schützes 2 und die Störmeldung ausgelöst.

Auch bei Ladekennlinien, die aus der /LZ-Kennlinie abgeleitet sind, läßt sich das Überwachungsverfahren

nach der Erfindung ohne Änderung anwenden. Bei der IUI- und IUIa-Kennlinie isi die Ladeendohase durch die Ladung mit konstantem, eingeprägtem Strom gekennzeichnet. Man wird lediglich beachten, daß die Ansprechschwelle des Grenzwertmelders 8 geringfügig höher liegen muß als der Wert, auf den die Strombegrenzung für die Endladephase eingestellt ist. Bei anderen Abwandlungen der /(/-Kennlinie, wie z. B. bei der /(//(/-Kennlinie, wird man das Überwachungsverfahren ebenfalls in der beschriebenen Form anwen-

⁶S den und wieder in der Endphase der Ladung, in der bei dieser Kennlinie mit konstanter Spannung geladen wird, den Ladestrom überwachen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung von Akkumulaio. ren bei der Ladung, dadurch gekennzeichnet, daß die für die aufeinanderfolgenden Lade· phasen jeweils kritischen Größen mit den Sollwerten von Referenzgrößen verglichen und daß bei Überschreiten vorgegebener Grenzwerte der Abweichungen vor diesen Sollwerten eine Schaltvor- richtung betätigt wird, die den Ladevorgang unterbricht, wobei in der Anfangsphase der Ladestrom kontinuierlich über eine stromempfindliche Schaltvorrichtung (3) überwacht wird, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes »5 den Ladestromkreis unterbricht, in der zweiten Ladephase die Spannung kontinuierlich mitteis eines spannungsempfindlichen Grenzwertschalters (7) überwacht wird, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes das netzseitige Abschalten des Ladegerätes bewirkt und gegen Ende der zweiten Ladephase bei Unterschreiten eines vorgegebenen Stromgrenzwertes oder nach Ablauf einer bestimmten Zeit von Spannungsüberwachung auf Stromüberwachung umgeschaltet wird und nach J5 diesem Umschaltvorgang der Ladestrom kontinuierlich mittels einer Strommeßeinrichtung (4) und eines Grenzwertschaiters (8) überwacht wird, der bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes das netzseitige Abschalten des Ladegerätes bewirkt.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überwachung der Anfangsladephase als stromempfindliche Schaltvorrichtung (3) eine Schmelzsicherung vorgesehen ist, daß die Vorrichtung zur Überwachung in der zweiten Ladephase einen Spannungsteiler (16) am Ausgang des Ladegerätes enthält, der an den Eingang des Grenzwertmelders (7) angeschlossen ist und daß im Ladestromkreis als Strommeßeinrichtung {4) ein Shunt oder

- Gleichstromwandler liegt, der an den Eingang der Grenzwertschalter (8) und (9) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines Zeitgebers

' (12) mit dem Eingang eines ODER-Gliedes (11) verbunden ist, dessen anderer Eingang mit dem Grenzwertmelder (9) verbunden ist und daß der Ausgang des ODER-Gliedes (U) mit dem Steuereingang einer Umschaltvorrichtung (10) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, s» : dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der ,··,. Grenzwertmelder (7) und (8) mit der Umschaltein-■ richtung (10) verbunden sind, und der Ausgang der

\, Umschalteinrichtung (10) mit einer Schalteinrichtung (13) verbunden ist, die mit der Störmeldevor- «richtung (14) und mit der Einschaltvorrichtung (15) verbunden ist.