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Elektrocheraischer Akkumulator, insbesondere Blei-Akkumulator für
Kraftfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Akkumulator,
insbesondere Blei-Akkumulator fUr Kraftfahrzeuge, mit einer in seinen flüssigen,
wasserhaltigen Elektrolyten ragenden, zur Ermittlung des Akkumulator-Ladungszustandes
dienenden Sonde.
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Es sind bereits eine Anzahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt,
die dazu dienen, den Ladungszustand von Akkumulatoren festzustellen bzw. zu überwachen;
diese Ladungszustandsanzeigen haben jedoch den Nachteil, daß sie infolge des Temperaturganges
des Elektrolyten und infolge eines sich verändernden
Elektrolytniveaus
eine fehlerhafte Anzeige aufweisen.
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Der Erfindung liegt dengegentlber die Aufgabe zugrunde, eine Ladungszustandsanzeige-Sonde
zu s chaf fen , die diese beiden genannten Nachteile ausschließt und sich durch
einen einfachen und robusten Aufbau auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sonde
einen Behälter aufweist, der Wasser oder eine wasserhaltige Lösung enthalt, mindestens
eine in den Elektrolyten des Akkumulators tauchende Wand besitzt, die für Wasser
durchlässig und fUr die im Elekrolyten des Akkumulators gelösten Stoffe undurchlässig
ist, und daß die Sonde einen Sensor hat, der auf die mit dem Ladungszustand des
Akkumulators beeinflußten Veränderlichen der Sonde anspricht; bevorzugt wird eine
solche Sonde für Blei-Akkumulatoren, deren Sonde als wasserhaltige Lösung verdünnte
Schwefelsäure enthält. Als in den Elektrolyten des Akkumulators tauchende Wand,
die fr Wasser durchlässig und für die im Elektrolyten des Akkumulators gelösten
Stoffe undurchlässig ist, eignet sich vorzugsweise poröses PTFE oder ein hydrophobierter
poröser Keramik- oder Glaskörper. Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines
solchen Akkumulators enthält der Sondenbehälter verdünnte Schwefelsäure als Lösung
und der Sensor der Sonde ist ein auf den veränderlichen Flüssigkeitsstand der Sondenlösung
ansprechender Sensor. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Sensor ein Elektrodenpaar, das in die Sondenlösung eintaucht, wobei die Eintauchtiefe
und somit der Übergangswiderstand zwischen den Elektroden abhängig ist vom Flüssigkeitsstand
in der Sonde; in dieser Ausführungsform kann die Sonde einen zweiten Sensor enthalten,
der auf die veränderliche elektrische Leitfähigkeit des Akkumulator-Elektrolyten
anspricht.
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Die beiden in der Sonde enthaltenen Sensoren werden in bekannter Weise
in zwei Zweige einer Brückenschaltung gelegt
und machen somit die
Ladungszustandsanzeige infolge dieser Widerstandvergleichs-Messung unabhängig von
der Temperatur und vom Elektrolytniveau des Ai#iunulators.
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Es ist jedoch auch möglich, daß der Sensor der Sonde ein Drucksensor
ist, der direkt oder indirekt auf den im Sonden-Behälter herrschenden Druck anspricht,
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden
im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt
durch einen Bereich eines Akkumulators mit einer Sonde, die hydrophobierte Glasfritte
als in den Elektrolyten tauchende Wand aufweist und als Sensoren je ein Elektrodenpaar
für die Anzeige des Standes der Sondenlösung und die Messung der Leitfähigkeit des
Akkumulator-Elektrolyten enthält, und Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Bereich
eines Ak'cin#iulators mit einer Sonde, die eine poröse PTFE-Folie als in den Akkumulator-Elektrolyten
tauchende Wand hat, vollständig mit einer wasserhaltigen Lösung gefüllt ist und
einen Dehnungsmeßstreifen auf ihrer Außenseite als Drucksensor besitzt.
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In Fig. 1 ragt eine Sonde lo stopfenartig durch die Wand 11 eines
Akkumulatorgehäuses und taucht in den Elektrolyten 12 (verdünnte Schwefelsäure)
ein. Der Mantel 15 der Sonde lo besteht aus elektrolytbeständigem Kunststoff (z.B,
Polypropylen).
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enthält eine Anzahl von Löchern 14 für den Eintritt des Elektrolyten
12 und dient gleichzeitig als Schutz für eine topfförmige Wand 15, die aus hydrophobierter
Glasfritte besteht, für Wasser durchlässig und für die in dem Elektrolyten 12 des
Akkumulators gelösten Stoffe undurchlässig ist. Diese topfförmige Wand 15 liegt
mit einem Flansch 16 auf einer Schulter 17 im Mantel 13 auf und wird an ihrem offenen
Ende von einer
Isolierstoffplatte 18 abgedeckt. Durch diese Isolierstoffplatte
18 führen zwei Sensoren 19 und 20, von denen jeder aus einem sich nicht berührenden
E].ektrodenpaar 19', 19", 20', 20t' besteht, Der Sensor 19 ragt in den Innenraum
21 der topfförmigen Wand 15 bis nahe zum Boden; der Sensor 20 führt dagegen in den
zwischen dem Mantel 13 und der topffönnigen Wand 15 befindlichen gwisdlenraum 22,
reicht nahe bis zum Boden des Mantels 1# und ist ausschließlich seines unteren Endabschnitt
isoliert, Die elektrischen Anschlüsse 25 bzw, 24 der Sensoren 19 bzw.
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20 sind oben aus der Sonde lo herausgeführt; die Isolierstoffplatte
18 ist mittels einer Vergußmasse 25 im Mantel 13 der Sonde lo festgelegt.
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Die topfförmige Wand 15 besteht aus Glasfritte, d.h. aus zusammengesintertem
Glaspulver, und besitzt somit eine gute Porösität; die topfförmige Wand 15 wird
durch Tränken mit einer 5prozentigen Silikonlösung in Tetrachlorkohlenstoff hydrophobiert.
Durch Erhitzen auf etwa 1500C wird das Lösungsmittel Tetrachlorkohlenstoff wieder
aus der Wand 15 entfernt.
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Innerhalb der topfförmigen Wand 15 befindet sich als Lösung 26 verdünnte
Schwefelsäure, in die auch der Sensor 19 hineinragt; der Innenraum 21 der topfförmigen
Wand 15 steht mit dem Luftraum 27 des Akkumulators durch eine Öffnung 28 in Verbindung,
die nahe der Isolierstoffplatte 18 durch die Wand 15 und den Mantel 13 führt.
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Die Sonde 1o arbeitet nach dem Prinzip der Osmose. Bei der Osmose
handelt es sich um einen einseitig verlaufenden Diffussionsvorgang , der auStritt,
wenn zwei gleichartige Lösungen unterschiedlicher Konzentration durch eine semipermeable
Membran getrennt sind und durch diese nur Moleküle des Lösungsmittels von einer
Lösung in die andere hindurchdiffundieren können; durch das Bestreben, einen Konzentrationsausgleich
der gelösten Teile in beiden Lösungen zu
erreichen, erfolgt ein
stärkeres Diffundieren der Lösungsmittelmoleküle in den Bereich höherer Konzentration
als umgekehrt. Bei diesem Vorgang wird die höher konzentrierte Lösung so lange verdünnt,
bis gleich viele Lösungsmittelmoleküle in beide Richtungen diffundieren; der Gleichgewichtszustand
ist dann erreicht, wenn die Konzentrationen der Lösungen auf beiden Seiten der Membranen
gleich sind oder wenn auf der Seite der stärker konzentrierten Lösung ein Druck
entsteht, der gleich dem von den Lösungsmittelmolekülen verursachten osmotischen
Druck ist.
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Die Dichte des Elektrolyten 12 beträgt bei vollgeladenem Akkumulator
1,28 g/cm3 und fällt auf etwa 1,1 g/cm3 bei entladenem Akkumulator; die Sonde lo
taucht in'diesen Elektrolyten 12, wobei er die topfförmige Wand 15 und den Sensor
20 umgibt. Das Volumen der Lösung 26 innerhalb der topfförmigen Wand 15 ist so bemessen,
daß bei einer Dichte der Lösung 26 von 1,28 g/cm3 bei voll geladenem Akkumulator
ein Flüssigkeitsspiegel S1 eingestellt ist. Wird nun der Akkumulator entladen, so
verringert sich die Konzentration des Elektrolyten 12 im Akkumulator und damit.
- infolge der Osmose - auch die Konzentration der Lösung 26 in der topfförmigen
Wand 15; da die Konzentrationsverringerung der Lösung 26 durch Diffusion von Lösungsmittelmolekülen
aus dem Elektrolyten 12 in die Lösung 26 erreicht wird, vergrößert sich das Volumen
der Lösung und imit steigt der Flüssigkeitsspiegel S in der topfförmigen Wand 15.
Im vorliegenden Beispiel wird bei entladenem Akkumulator, d.h. bei einer Elektrolytdichte
von 1.10 g/cm) der FlüssigJ#eitsspiegel S2 in der topfföri#igen Wand 15 erreicht.
Diese änderung des Flüssigkeitsspiegels der Lösung 26 wird von dem Sensor 19 an
einen geeichten elektrischen Meß- und Anzeigekreis weitergegeben. Die Öffnung 28,
die durch die topfförmige Wand 15 und den Mantel 13 der Sonde 10 hindurchführt,
erlaubt den Luftein- und -austritt bei fallendem bzw. steigendem Füllstand der Lösung
26. Temperaturbedingte
Anzeigefehler entfallen bei dieser Art der
Sonde lo, da der Temperaturgang der Leitfähigkeit des Elektrolyten 12 und der Lösung
26 gleich sind.
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Der Sensor 26 mit seinen Elektroden 20t und 20tut sorgt dafür, daß
trotz der veränderlichen Leitfähigkeit von Elektrolyt 12 und Lösung 26 keine Fehlanzeige
auftritt; der Sensor 19 und der Sensor 20 können dazu über eine nicht dargestellte
Differenzschaltung geführt werden, Anstelle eines Sensors 19 mit seinen Elektroden
19' und 19'' können auch Elektroden oder Drahtschleifen aus hochohmigem Draht benutzt
werden.
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Die Öffnung 28 in der toprförmigen Wand 15 kann auch durch die Isolierstoffplatte
18 und die Vergußmasse 25 geführt werden; zur Vermeidung des Austritts von Teilen
der Lösung 26 kann eine solche Öffnung 28 mit einem Labyrinth, beispielsweise einem
porösen Stopfen versehen werden. Die Öffnung 28 kann jedoch völlig entfallen, wenn
die Poren der topfförmigen Wand 15 den Luftaustausch zwischen Innenraum 21 und Zwischenraum
22 erlauben.
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In der Fig. 2 ist eine Sonde lo' dargestellt, die auch nach dem Prinzip
der Osmose funktioniert und in eine Gehäusewand 11'
integriert ist.
Ein rohrstutzenförmiger Behälter 29 ist dabei an die Gehäusewand 11' angeformt und
ragt mit seinem freien Endabschnitt bis in den Elektrolyten 12' dieses Akkumulators;
am freien Endabschnitt dieses Behälters 29 ist eine Schulter 30 angeformt, auf der
ein Dichtring 31, eine den Innenraum 21r des Behälters 29 verschliessende poröse
PTFE-Folie als Wand 15' und eine diese Wand 15' stützende Isolierstoffscheibe 32
mit Löchern 33 aufliegt; Dichtring 31, Wand 15' und Isolierstoffscheibe 32 werden
durch eine Schraubkappe 34 mit zentralem Durchbruch 35 gegen Schulter 30 des Rohrstutzens
29 gedrückt. PTFE, das auch unter dem Handelsnamen#Teflon bekannt ist, befindet
sich in poröser Form im Handel. Der Innenraum 21' der Sonde 10' wird auf der der
Wand 15' entgegengesetzten Seite durch einen verdünnten Wandteil 11" geschlossen
gehalten; dieser Wandteil 11" dient bei dieser Sonde als elastische Membran. Während
der Innenraum 21' vollständig mit einer Lösung 26' aus verdünnter Schwefelsäure
gefüllt ist, ist an der Außenseite des Wandteils 11" ein Dehnungsmeßstreifen als
Sensor 36 befestigt; die elektrischen Anschlüsse 37 des Sensors 36 sind an Steckkontakte
38 geführt, die an einer ebenfalls an die Gehäusewand 11' angeformten, auch den
Sensor 36 mit einfassenden Wandung 39 befestigt sind; in einer Ringnut 40 der Wand
39 ist eine Abdeckplatte 41 eingerastet, die den Sensor-Raum 42 geschlossen hält.
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Je nach Wahl der Dichte einer Lösung 26' und nach der vom Ladungszustand
des Akkumulators abhängenden Dichte des Elektrolyten 12' entsteht in dem Innenraum
21' der Sonde 10' infolge von Osmose ein Überdruck oder ein Unterdruck, was eine
Formänderung des Wandteils 11" der Gehäusewand 11' zur Folge hat; diese Formänderung
des Wandteils 11" wirkt sich auch auf den Sensor 36 aus, dessen elektrischer Widerstan
sich demzufolge ändert. Der Sensor 36, der mit seinen elektrischen Anschlüssen 37
und den Steckkontakten 38 an einen geeichten Meß- und Anzeigekreis
angeschlossen
ist, vermag somit ein dem jeweiligen Ladungszustand entsprechendes Signal auszulösen.
Diese erfindungsgemäße Ausführungsform der Sonde zeichnet sich durch besonders einfachen
und robusten Aufbau aus.
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Anstelle des Wandteils 11' mit einem Dehnungsme#streifen als Sensor
3.6 sind auch andere Drucksensoren wie z.B. Manometer für eine erfindungsgemäße
Ladungszustandsanzeige möglich. Es sei zusätzlich erwähnt. daß bei einem Sensor
10' anstelle einer Lösung 26' auch Wasser verwendet werden kann, da in diesem Fall
für einen Sensor keine elektrische Seite fähigkeit erforderlich ist.
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Anstelle der Glasfritte 15 und der PTFE-Folie 15' kann als Wand 15
auch gesinterte Keramik verwendet werden,