DE2500058A1

DE2500058A1 - Einrichtung zur ueberpruefung einer elektrischen stromquelle

Info

Publication number: DE2500058A1
Application number: DE19752500058
Authority: DE
Inventors: Keith Schaffner Champlin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-01-02
Filing date: 1975-01-02
Publication date: 1975-09-04
Also published as: FR2256553B1; ES433497A1; US3909708A; NL7416962A; JPS5098639A; DE2500058C2; CA1017806A; GB1469849A; IT1026130B; ZA748243B; FR2256553A1

Description

Stromquelle

Die Erfindung betrifft eine elektronische Meßeinrichtung, welche dazu dient, die Fähigkeit einer Speicherbatterie oder einer anderen elektrischen Gleichstromquelle daraufhin zu überprüfen, inwieweit sie dazu in der Lage ist, eine bestimmte Leistung an eine Last abzugeben. Genauer gesagt, die Erfindung betrifft eine Einrichtung derjenigen Art, wie sie in der US-Patentanmeldung Nr. 180 540 vom 14. Sept. 1971 und in der entsprechenden US-Anmeldung 334 667 vom 22. Februar 1973 beschrieben ist.

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Speicherbatterien werden für viele Anwendungsfälle eingesetzt, bei denen es erforderlich ist, eine elektrische Energie zur späteren Verwendung zu speichern. Ein verbreitetes Anwendungsgebiet sind Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen. In diesen Anwendungsfällen wird die Energie, welche während des Betriebes der Maschine durch Laden gespeichert wird, später zur Speisung von Lampen, zum Betreiben eines Rundfunkempfängers und für andere elektrische Einrichtungen verwendet, wenn die Maschine abgeschaltet ist.

Die härtesten Anforderungen an die Batterie in einem Kraftfahrzeug werden im allgemeinen durch das Anlassen der Brennkraftmaschine gestellt. Im allgemeinen ist eine Leistung von einigen Kilowatt erforderlich, um die Brennkraftmaschine anzulassen. Wenn die Batterie diese Aufgabe nicht mehr erfüllen kann, insbesondere bei kaltem Wetter, so ist dies gewöhnlich das erste Anzeichen dafür, daß die Batterie nicht mehr in Ordnung ist oder das Ladesysteia schadhaft ist. Somit dürfte offensichtlich sein, daß eine einfache Messung, welche dazu dient, die Fähigkeit der Batterie exakt zu ermitteln, inwieweit sie in der Lage ist, die sua Anlassen der Brennkraftmaschine erforderliche Leistung abzugeben, von besonders hohem Wert ist.

Bisher ist die Fähigkeit einer Batterie, Leistung an eine Last abzugeben, routinemäßig mittels einer Ladungsprüfung festgestellt worden. Bei einer solchen Ladungsprüfung wird die Batterie an eine große Gleichstromlast angeschlossen, die einen vorgegebenen Wert hat, welcher durch den Nennwert der Batterie und die Temperatur vorgegeben ist. Nach einer vorgeschriebenen Anzahl von Sekunden wird die Klemmenspannung der Batterie unter Last gemessen, wonach entschieden werden kann, ob die Batterie die Ladungsprüfung bestanden hat oder nicht, was davon abhängt, ob die Spannung größer oder kleiner ist als ein vorgegebener Wert. Auf diese Weise wird die Fähigkeit der Batterie zur Leistungsabgabe qualitativ mittels einer "Ja-Nein"-Entscheidung ermittelt.

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Obwohl eine solche Ladungsprüfung für viele Jahre üblich war, weist sie eine Anzahl von Nachteilen auf:

1. Es werden starke Ströme gezogen, so daß eine Einrichtung erforderlich ist, die schwer und aufwendig ist.

2. Bei der Prüfung wird eine beträchtlich hohe Energie aus der Batterie entnommen.

3. Genaue Messungen erfordern ein großes Geschick des Bedienungs-

personals, da die Klemmenspannung kontinuierlich mit der Zeit unter dem Einfluß der schweren Last absinkt.

4. Die Ergebnisse einer Ladungsprüfung sind gewöhnlich nicht unmittelbar reproduzierbar, weil"'die Prüfung selbst die Batterie polarisiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung für eine qualitative Überprüfung einer elektrischen Gleichstromquelle zu schaffen, bei welcher über die Funktionstüchtigkeit der Gleichstromquelle eine Ja-Nein-Entscheidung erreichbar ist, ohne daß die obigen Nachteile auftreten.

Gemäß der Erfindung wird eine elektronische Einrichtung geschaffen, welche auf einem völlig anderen Prinzip als eine Ladungsprüfeinrichtung beruht. Anstatt einen starken statischen Strom zu ziehen, wird gemäß der Erfindung ein kleines zeitveränderliches Signal geeigneter Frequenz verwendet, um die dynamische Leitfähigkeit der Batterie zu ermitteln und zu messen. Biese Größe ist direkt proportional zu der dynamischen Leistung der Batterie, d.h. zu der maximalen Leistung, welche momentan an den Klemmen erreichbar ist, um an eine angepaßte Last abgegeben zu werden. Eine elektrische Schaltung liefert gemäß der Erfindung eine Einrichtung, welche es ermöglicht, den elektrischen Nennwert und die Temperatur als veränderliche Größen einzubeziehen. Gemäß der Erfindung wird eine Einrichtung geschaffen,

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welche es ermöglicht, eine direkte Anzeige zu liefern, ob die dynamische Leistung der Batterie größer oder kleiner als ein vorgegebener Wert ist, welcher durch die Nennleistung der Batterie und die Temperatur vorgegeben ist. Auf diese Weise wird eine einfache "Ja-Nein"-Information erreicht, und zwar ebenso wie bei einer Ladungsprüfung, jedoch ohne die damit verbundenen Nachteile.

Gemäß der Erfindung wird somit eine in sich geschlossene elektronische Einrichtung zur Überprüfung von Speicherbatterien und anderen Gleichstromquellen geschaffen. Die erfindungsgemäße Prüfeinrichtung wird elektrisch mit der Batterie durch Federklemmen vorübergehend verbunden. Einstellelemente werden auf den bestimmten elektrischen Nennwert und die Temperatur der Batterie eingestellt. Die Einrichtung verwendet dann kleine dynamische Meßsignale, um zu bestimmen, ob die Batterie dazu in der Lage ist, eine bestimmte elektrische Leistung abzugeben, welche von der Nennleistung der Batterie und der Temperatur abhängt. Somit wird gemäß der Erfindung eine einfache "Ja-Nein"-Information erhalten, wie es bei einer herkömmlichen Ladungsprüfungseinrichtung der Fall ist, ohne daß die bei einer solchen Einrichtung vorhandenen Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß die in der Prüfung befindliche Batterie nicht nennenswert beansprucht wird.

Ein weiterer Vorteil ist gemäß der Erfindung dadurch erreichbar, daß das Bedienungspersonal nicht besonders geschickt oder geschult sein muß, um reproduzierbare und exakte Meßergebnisse zu erreichen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß ein Instrument vorhanden ist, welches einen Vergleich zwischen einer direkten Ablesung der dynamischen Leistung

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einer in der Prüfung befindlichen Batterie und ihren elektrischen Nennwert liefert.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung der normalisierten Veränderung der dynamischen Energie als Funktion der Temperatur,

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltschema einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäSen elektronischen Batterie-Prüfeinrichtung,

Fig. 3 ein vereinfachtes und theoretisches Schaltschema der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Batterie-Prüfeinrichtung,

Fig. 4 eine schematische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Batterie-Prüf einrichtung von außen und

Fig. 5 ein vollständiges Schaltschema der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Batterie-Prüf einrichtung.

Die dynamische Leistung P^ einer Batterie ist in der US-Patentanmeldung Nr. 180 340 sowie in der weiteren US-Patentanmeldung Nr. 334 667 definiert. Physikalisch stellt diese Größe die maximale Impulsleistung dar, die kurzzeitig von der Batterie durch eine angepaßte Last gezogen werden kann. Sie ist daher eng mit dem Alter, der Größe, dem Zustand und dem Ladungszustand der Batterie verknüpft.

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Wie weiterhin aus der obengenannten Patentanmeldung ersichtlich ist, ist die dynamische Leistung linear mit dem reziproken dynamischen Widerstand der Batterie verknüpft, (1/H ), der mit einem kleinen, zeitveranderlichen Signal geeigneter Frequenz gemessen wird. Diese Beziehung läßt eich folgendermaßen ausdrücken:

^Pd " <^Vo^{/4) G}s ^{Watt (1)}

wobei G - 1/E die dynamische Leitfähigkeit der Batterie

s s

darstellt und V die unpolarisierte Klemmenspannung der Batterie ist. Bei Blei-Säure-Batterien ändert sich V um weniger als 5 % von 2,0 Volt pro Zelle. Somit kann zur Vereinfachung V als konstant angenommen werden, und zwar glei 12 Volt für herkömmliche Autobatterien mit sechs Zellen.

In den oben zitierten Patentanmeldungen sind zwei Ausführungsformen einer elektronischen Batterie_rPrüfeinrichtung beschrieben. Jede Ausführungsform verwendet ein kleines, zeitveräaderliches Signal, um G zu ermitteln und zu messen und liefert· eine Anzeige dieses Meßwertes, der im wesentlichen propor· tional zu G war. Die obige Gleichung (1) wurde dann dazu verwendet, die Amplitude bzw. Größe und den Haßstab einer Anzeigeeinrichtung zu bestimmen, welche diese quantitativ· Anzeige der Messung zu der Fähigkeit der Batterie in Beziehung setzt, Energie bzw. Leistung an eine Last abzugeben.

Die in der vorliegenden Beschreibung beschriebene Erfindung ist eine verbesserte elektronische Batterie-Prüfeinrichtung, bei welcher das obengenannte Prinzip weiter ausgebaut ist. Zwei Ausführungsformen gemäß der Erfindung werden unten beschrieben. Bei jeder Ausführungsform werden zwei veränderbare Widerstandselemente auf Werte eingestellt, welche durch die Auslegung der Batterie und die Temperatur bestimmt sind.

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Ebenso wie bei der früheren Erfindung wird ein kleines zeitveränderliches Signal an die in der Prüfung befindliche Batterie angelegt, welches zur Ermittlung und Messung von G₀ dient. Anstatt eine Größe anzuzeigen, Welche dem gemessenen Wert von G proportional isij, "wird bei jeder Ausführungsform eine solche Anzeige geliefert, welche Auskunft darüber gibt, ob G_ größer oder kleiner ist als ein bestimmter kritischer Wert G·, welcher durch die Einstellungen der zwei veränderbaren Elemente bestimmt ist. Somit wird gemäß der Erfindung qualitativ die Fähigkeit der Batterie taxiert bzw. bestimmt, indem angezeigt wird, ob sie eine ausreichende dynamische Leitfähigkeit aufweist, um einen kritischen Wert einer dynamischen Leistung PJ, zu liefern, deren Zahlenwert sich folgendermaßen ergibt:

Pi - (ν_Λ ²/4) G» Watt (2)

wobei dieser Wert für die Auslegung der Batterie und die Temperatur repräsentativ ist.

Elektrische Betriebsdaten bzw. Nennwerte für Autobatterien sind in den SAE-Standards J537 niedergelegt. Im allgemeinen geben diese Nennwerte Leistungswerte an, die unter verschiedenen Bedingungen statischer Entladung festgelegt sind. Beispielsweise ist der Kaltstart-Sennstrom als der Ström festgelegt, welcher (gemessen in Ampere) bei etwa -18⁰C (O⁰F) während 30 Sekunden abgegeben werden kann, während eine Klemmenspannung von wenigstens 7,2 Volt besteht. In ahn-

"■ ■ ■ ■ /

licher Weise ist der Ampere-Stunden-Wert gleich dem 20-fachen des Nennstroms in Ampere, der bei etwa 26,?°C (80°F) während 20 Stunden abgegeben werden kann, während eine Klemmenspannung von wenigstens 10,5 Volt besteht. ^J

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-ν «f.

Zu diesen statischen Werten kann als dynamischer Wert noch die dynamische Leistung der Batterie hinzugefügt werden. Es sei angenommen, daß G" die dynamische Leitfähigkeit der Batterie bei einer Temperatur von etwa 26,7°C (80⁰F) und einer Frequenz von 100 Hz ist. Zur Vereinfachung werden nach folgend der Kaltstart-Nennstrom mit CCCR, der Ampere-Stunden Wert mit AHR und die dynamische Leistung mit DPR abgekürzt.

Der Wert DPR der Batterie ist definiert als

DPR - (V ²/4) g" Watt (3)

wobei V ■ 12,0 für Blei-Säure-Batterien für Kraftfahrzeuge.

Ausführliche Messungen an Kraftfahrzeug-Batterien haben ein hohes Maß an Korrelation zwischen der dynamischen Leistung bei etwa 26,7°C (8O⁰F) und entweder der gemessenen Ampere-Stunden-Kapazität oder der gemessenen Größe des Kaltstart-Stromes ergeben. Als Ergebnis dieser Messungen werden die zwei folgenden linearen Gleichungen gefunden, welche die statischen und die dynamischen Nennwerte exakt in Beziehung zueinander setzen:

DPR - 7Ox (AHR) Watt

DPR - 714 + 11,15x (CCCR) Watt (5)

Unter Verwendung der Gleichungen (4·) und (5) kann der Wert DPR einer Batterie bestimmt werden, wenn entweder ihr Wert AHR oder ihr Wert CCCR bekannt ist.

Die dynamische Leistung einer Batterie nimmt ab, wenn ihre Temperatur abnimmt. Messungen von P, von vielen Kraftfahrzeug-Batterien haben gezeigt, daß diese Veränderung unabhängig von der Größe der Batterie ist und einer universellen Kurve sehr genau folgt. Die empirische Beziehung zwischen der dynamischen

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Energie bei einer willkürlichen Temperatur T und derjenigen bei etwa 26,7⁰C (80⁰P) läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

P_d(T)/P_d(80°) - K(O?) (6)

wobei K(T) in der Fig. 1 graphisch dargestellt ist und in Form der Temperatur ausgedrückt ist, welche auf der Abszisse aufgetragen ist. Die Fig. 1 zeigty daß der Temperaturfaktor K(T) sich bei geringen Temperaturen verhältnismäßig rasch ändert und die Tendenz zeigt, daß T oberhalb von etwa 1O°C (5O°F) in die Sättigung kommt.

Indem ein "Ja-Nein^tl-Kriterium für die dynamische Leistung aufgebaut wird, kann der kritische Wert P, zu dem kritischen Nennwert und der Temperatur der Batterie in Beziehung gesetzt werden. Demgemäß wird festgelegt, daß eine Batterie, damit das Kriterium "Ja" erfüllt ist, das heißt, die Batterie als in Ordnung angesehen wird, in der Lage sein muß, 75 % des Wertes DPB zu liefern, und zwar korrigiert auf die entsprechende Temperatur. Bezogen auf den Wert DPE läßt sich der kritische Wert P_d der Gleichung (2) folgendermaßen schreiben:

P_d - (3A) χ K(T) χ (DPE) Watt (7)

Dieses "Ja-Nein"-Kriterium läßt sich auch für den Wert AHB und den Wert CCCB ausdrücken, und zwar unter Verwendung der Gleichungen (4) und (5)· Dies führt zu folgenden Beziehungen:

P_d - (52,5) x K(T) χ (AHBK Watt (8) und

P_d - K(T) χ /536 + 8,38 x CCCCB27 Watt (9)

Die Gleichungen (7)» (8) und (9) zeigen, daß der kritische Wert P_d in einer linearen Beziehung zu den geeigneten Nennwert-Einheiten bei einer vorgegebenen Temperatur steht. Nach-

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folgend werden zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Ein wesentliches Merkmal beider Ausführungsformen ist die Tatsache, daß die Einstellung des veränderbaren Widerstandselementes, welches dem Batterie-Nennwert zugeordnet ist, in gleicher Weise in einer linearen Beziehung zu dem kritischen Wert G' steht. Somit kann ein linear veränderbares Widerstandselement in Batterie-Nennwert-Einheiten linear kalibriert werden. Dieses Merkmal ist vom Standpunkt der Vereinfachung ebenso wie vom Standpunkt der Genauigkeit besonders vorteilhaft.

Nachfolgend wird das vereinfachte Schaltschema der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 erläutert. Eine einstellbare zeitveränderliche Stromquelle läßt den Strom i_Q(t) durch die Batterie fließen, und zwar über die Kontakte^ aj undf bj . Die daraus resultierende zeitveränderliche Spannung v^,(t), welche an der Batterie entsteht, wird durch getrennte Kontakte ic J und id j abgetastet und durch einen Verstärker verstärkt, welcher eine einstellbare inkrementale Spannungsverstärkung A aufweist und eine unendliche Eingangsimpedanz hat. Die sich daraus ergebende Ausgangsspannung Vp(t) wird dann ermittelt und auf einem Wechselspannungs-Meßgerät angezeigt, welches eine Anzeige liefert, welche zu der Amplitude von v^Ct) proportional ist.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, daß

Z~A i _J R (10)

Aufgrund der getrennten Kontakte für die Leitung von i_Q(t) und für die Abtastung von v-(t) bleibt diese Messung durch irgendwelche Störkontaktwiderstände bei f a)und(b) unberührt. Da weiterhin angenommen wurde, daß die Eingangsimpedanz des Verstärkers unendlich ist, können auch Störwiderstände an den Kontakten ic J und fdj die Messung nicht beeinflussen.

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Die Gleichung (1O) zeigt, daß die Voltmeteranzeige proportional zu R„ ist, anstatt zu G_o » 1/R_a, wie es für eine elektronische

S S3

Batterie-Prüfeinrichtung wünschenswert wäre. Somit ist die quantitative Anzeige, welche durch das Voltmeter geliefert wird, nicht in geeigneter Weise mit der Leistungsabgabefähigkeit der Batterie verknüpft.

Es sei jedoch angenommen, daß das Voltmeter einfach anzeigt, ob Iv₂J größer oder kleiner ist als ein bestimmter kritischer Wert I Vp I¹ · Weiterhin sei angenommen» daß li-l fest ist und daß die

f I einstellbare Verstärkung des Verstärkers dem Ausgangswert V₂J¹ entspricht, der mit A bezeichnet wird. Dann ergibt sich aus der Gleichung (10):

A⁺ _H
wodurch gezeigt wird, daß A⁺ zu G_ » 1/R_ proportional ist,

3 S

weil der Ausdruck in der Klammer konstant ist. Die Anordnung gemäß Fig. 2 kann somit als elektronische Batterie-Prüfeinrichtung verwendet werden, indem*der Verstärker - oder in einer alternativen Ausführungsform die zeitveränderliche Stromquelle i_Q(t) - mit einem veränderbaren Dämpfungsglied ausgestattet wird, welches derart eingestellt werden kann, daß die Auggangsspannung einen vorgegebenen kritischen Wert hat. Eine Messung der Fähigkeit der Batterie, Leistung abzugeben, wird dann quantitativ durch die Einstellung des Dämpfungsgliedes unter dieser Bedingung angeben. Ein lineares Dämpfungsglied kann beispielsweise gemäß Gleichung (1) linear in Watt kalibriert sein.

Indem das Verstärker-Dämpfungsglied in Batterie-Nennwert-Einheiten kalibriert wird und das Stromquellen-Dämpfungsglied in Temperatureinheiten kalibriert wird oder umgekehrt, kann die Anordnung gemäß Fig. 2 auch als/ein verbessertes elektronisches Batterie-Prüfgerät verwendet werden, welches

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eine "Ja-Nein"-Information auf der Basis des Batterie-Nennwertes und der Temperatur liefert. Wenn A¹ und Ji₀I ' feste

Werte von A und von i

bezeichnen, wie es jeweils durch

den Nennwert der Batterie und die Temperatur festgelegt ist, und wenn weiterhin G' der kritische Wert von G ist, welcher die Anzeige ν' liefert, und zwar mit A=A¹ und i_Q = i ' , dann ergibt sich aus der Gleichung (10)

¹O

- C V₂ ■ JO- (12)

wobei der Klammerausdruck konstant ist.

Die eigentliche Voltmeteranzeige v~ ist entweder kleiner oder größer als der kritische Wert v_o ' , was davon abhängt, ob G größer oder kleiner ist als der kritische Wert G'. Wenn somit die Bedingung Iv₂ ζ V₂ ' als "Ja" (d.h. Batterie in Ordnung) und ^₂ > Vp ' mit "Nein" (d.h. Batterie nicht in Ordnung) bezeichnet werden^ so zeigt das Voltmeter in der Tat an, ob der Wert Q der Batterie ausreichend ist, den kritischen Wert der dynamischen Leistung Pi zu liefern. Da die Art der Anzeige des Voltmeters nicht von Bedeutung ist, kann eine beliebige Anzeigeeinrichtung dazu verwendet werden, swei qualitative Zustände anzuzeigen, beispielsweise zwei hörbare Töne oder zwei lampen mit verschiedenen Parben könnten in einer alternativen Ausführungsform verwendet werden.

Wenn P' und G* aus den Gleichungen (2), (7) und (12) eliminiert

CL S

werden, so führt dies zu

Α* |i_o| ' = /"(3/V₀ ²) |v₂| ' _7x (DPR) χ K(T) (13)

wobei der Klammerausdruck konstant ist. Die Gleichung (13) zeigt, daß A¹ zu dem Wert DPR der Batterie proportional ist

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(oder alternativ AHR oder GCCR) und daß I i_o| ' proportional

zu K(T) ist. Die lineare Beziehung zwischen A*..und dem Batteriegema !3 Nennwert ist ein höchst vorteilhaftes Merkmal/der Erfindung.

Wie jedoch Gleichung (10) zeigt, ist unglücklicherweise V₂J bei dieser Ausführungsform umgekehrt mit P^ verknüpft. Hierbei könnte sich eine Verwirrung ergeben, weil das Meßgerät bei geringeren Werten als bei "Nein" einen Zustand "Ja" angeben würde. Obwohl verschiedene Maßnahmen dazu geeignet wären, diese Möglichkeit einer Verwirrung auf ein Minimum zu begrenzen, indem beispielsweise das Voltmeter umgepolt würde, läßt sich das Problem jedoch in der nachfolgend beschriebenen bevorzugten Ausführungsform völlig überwinden.

Nachfolgend wird die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung erläutert, welche schematisch in dem vereinfachten Schaltschema der Fig. 3 dargestellt ist. Die zeitveränderliche Batteriespannung wird an den Kontakten ( c jundfd } abgegriffen. Eine Reihenschaltung dieser Spannung und einer einstellbaren zeitveränderlichen Spannungsquelle ©_o(t) ist kapazitiv an den Differentialeingang des Verstärkers A- angekoppelt. Der Ausgangsstrom des Verstärkers A^., nämlich i.(t), wird dann über den Widerstand R_x. rückgeführt und fließt über die Kontakte C aJ und ( b ) durch die Batterie. Die Ausgangsspannung des Ver-— stärkers A^ wird am Widerstand R^. abgegriffen und kapazitiv an den Differentialeingang des Verstärkers A₂ über den veränderbaren Widerstand Rp angekoppelt. Der Verstärker A₂ hat einen Ausgangsstrom i₂(t), welcher rückgeführt wird und durch den veränderbaren Widerstand R₀ fließt. Ein Wechselstrom-Milliamperemeter liefert eine Anzeige, welche zu Ii₂I proportional ist, d.h. zur Amplitude von i₂(t).

Um die Auswertung zu vereinfachen, sei angenommen, daß die zwei Differentialverstärker A^ und A₂ theoretisch einen unendlich großen inkrementalen Verstärkungsfaktor aufweisen und eine unendliche Eingangsimpedanz haben. Im Hinblick auf

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den angenommenen unendlich großen Verstärkungsfaktor ist die gesamte zeitveränderliche Spannung am Eingang des Verstärkers A. gleich Null. Somit ergibt sich, da die Eingangsimpedanz des Verstärkers A₁ unendlich gro3 ist,

- R₃ I₁Ct) + e_o(t) = O (14)

In ähnlicher Weise ergibt sich aufgrund derselben Betrachtungsweise für den Eingang des Verstärkers Ap

R₁I₁Ct) + R₂I₂Ct) = O (15)

Wird I₁Ct) aus den Gleichungen (14·) und (15) eliminiert, so führt dies zu

wodurch gezeigt ist, daß das Ausgangssignal proportional zu G = l/R ist und soisit proporti

SS *

ser bevorzugten Ausführungsform.

G = l/R ist und soisit proportional zu P^, \m& zwar bei die—

Durch entsprechende Einstellung von 1 el kann dieser Wert gleich

11 I ⁰J e_o| werden, wie es durch die

Batterietemoeratur festgelegt ist, und durch Einstellung von R₂ kann er gleich dem vorab eingestellten Wert R^ werden, wie er durch den Batterie-Nennwert festgelegt ist. Wenn weiterhin G' den kritischen Wert von G bezeichnet, welcher unter diesen

III

Bedingungen den kritischen Ausgangssignalwert i₂ = ipl ' liefert, dann ergibt sich aus der Gleichung (16)

' -^7Gs <¹7>

Werden G^ und P^ aus den Gleichungen C2), C7) und CV) eliminiert, so führt dies zu

|e_o| · = /T3/V_O ²) R₁/ I x₂j ' _7 χ CDPR) χ RC?) (18) 509836/06A6

-■15 -

worin der Klammerausdruck konstant ist* Die Gleichung (18) zeigt, daß Rp proportional ist zu DPR und daß jeJ ' umgekehrt proportional ist zu K(T). Diese Ergebnisse werden dazu verwendet, die Werte in den Tabellen I und II unten zu berechnen.

Die inverse Beziehung zwischen Je₀J ' und K(T) hat keine bestimmte Konsequenz, weil sich K(T) sich um weniger als einen Faktor von zwei im normalen Gebrauch ändert (siehe Fig. 1). Die lineare Beziehung zwischen Rp und DPR ist jedoch ein wünschenswertes Merkmal, weil dadurch eine lineare Kalibrierung von R₂ in Batterie-Nennwert-Einheiten ermöglicht wird, wie es oben erläutert wurde. Weiterhin zeigt die Gleichung (16), daß sich der Wert Ii₀I linear mit G_ ändert. Dies ist ebenfalls ein höchst wünschenswertes Merkmal, weil dadurch die Probleme vermieden werden, welche der ersten Ausführungsform eigen sind, und weil dadurch eine lineare Kalibrierung des Ausgangsmeßgerätes in Vergleichseinheiten ermöglicht wird (beispielsweise in einem Prozentsatz der Nennleistung) , wodurch die relative Leistungsfähigkeit der Batterie angegeben wird, die kritische Leistung P£ zu erbringen.

Die Schaltung gemäß Fig. 3 ist gegen Stömnflüsse von Streuwiderständen an einem der vier Kontakte außerordentlich unempfindlich. Da angenommen wurde, daß der Verstärker A- einen unendlich hohen Verstärkungsfaktor aufweist, wird die Gleichung (14) durch i^(t) erfüllt, JJPd zwar unabhängig davon, ob an den Kontakten (aj und TbJ irgendwelche Streuwiderstände oder Störwidersrände auftreten. Das Eingangssignal zum Verstärker A₂ wird an R^ abgegriffen, anstatt am Ausgang des Verstärkers A_x,. Dieses Signal ist deshalb proportional zu ixj(t) und ist in ähnlicher Weise durch irgendwelche Widerstände an den Kontaktenf al undf bjnicht zu beeinflussen. In ähnlicher Weise haben Stbrwiderstande oder Streuwiderstände an den Kontakten ( cJ und /dj keinen Einfluß, und zwar wegen

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der angenommenen unendlich hohen Eingangsimpedanz des Verstärkers A,.. Somit haben in der theoretischen Schaltung gemäß Fig. 3 Streukontaktwiderstände oder Störkontaktwiderstände beliebiger Art auf die Messungen keinerlei Einfluß.

Gemäß Fig. 4 ist die erfindungsgemäße elektronische Batterie-Prüfeinrichtung im allgemeinen in einem Gehäuse 26 untergebracht. Die in der Fig. 4 dargestellte Einrichtung wird vorübergehend an die Batterie 1 mit Hilfe von zwei Doppelkontakt-Federklammern angeschlossen, wie sie in der US-Patentanmeldung 334 667 beschrieben sind, welche am 22. Februar 1973 hinterlegt wurde. Eine Klammer, welche durch eine rote Markierung gekennzeichnet ist, wird an der positiven (+) Klemme 2 der Batterie 1 diametral gegenüber von den Kontaktbereichen 4 und 6 angebracht. Eine weitere Klammer, welche durch eine schwarze Markierung gekennzeichnet ist, wird an der negativen (-) Klemme 8 in diametral einander gegenüber angeordneten Kontaktbereichen 10 und 12 angebracht. Rote Drähte 14 und 16, welche von den Kontakten 4 bzw. 6 wegführen, sind durch flexible Vinylschläuche 18 bzw. 20 an das Gehäuse/angeschlossen. In ähnlicher Weise sind schwarze Drähte 22 und 24, welche von den Kontakten 10 bzw. 12 wegführen, an das Gehäuse 26 durch flexible Vinylschläuche 18 bzw. 20 angeschlossen. Jeder Vinylschlauch enthält sowohl einen schwarzen als auch einen roten Draht, welche miteinander verdrillt sind, um Induktionseffekte auf ein Minimum zu reduzieren.

Wenn die Batterie in dieser Weise angeschlossen ist, wird ein Einstellknopf 28 auf die Batterietemperatur eingestellt, welche auf der Skala 30 abzulesen ist. In gleicher Weise wird der Einstellknopf 32 auf den Batterie—Nennwert eingestellt, der auf der Skala 34 abzulesen ist. Der Zeiger des Meßinstrumentes 36 bewegt sich dann entweder in einen "JA"-Bereich 38 oder in einen "Hein^ir-Bereich 40, was von der Temperatur, dem Hennwert und der eigentlichen dynamischen Leistung der Batterie abhängt.

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Zusätzlich können Skalenmarkierungen 42 auf dem Meßinstrument 36 die relative Fähigkeit der Batterie anzeigen, bei der entsprechenden Temperatur die Nennleistuns abzugeben.

• ■ -

Ein vollständiges Schaltschema einer bevorzugten Ausführungsform, welches speziell dazu ausgelegt ist, 12-Volt-Batterien zu prüfen, ist in der Fig. 5 dargestellt. Eine Rechteckwelle mit 100 Hz wird durch einen herkömmlichen Multivibrator erzeugt, der aus zwei pnp-Transistoren 50 und 52 besteht und ein Paar von Basiswiderständen 54 und 56 aufweist, weiterhin ein Paar von Kollektorwiderständen $8 und 60 sowie ein Paar von Rückkopplungskondensatoren 62 und 64. Die Gleichspannung zur Versorgung des Multivibrators wird von der in der Prüfung befindlichen Batterie mittels des roten Drahtes 14 und des schwarzen Drahtes 22 geliefert und wird mittels einer Zenerdiode 66 sowie durch einen Abfallwiderstand 68 geregelt. Der Zweck der Regelung der Versorgungsspannung des Multivibrators besteht darin, sein zeitveränderliches Ausgangssignal konstant zu halten, obwohl sich die Batteriespannung aufgrund der Polarisation ändert. Auf den Multivibrator folgt ein Differentialverstärker bzw. Differenzverstärker mit einem hohen Verstärkungsfaktor und besteht aus einem aus einer integrierten Schaltung gebildeten Operationsverstärker 70» welchem ein pnp-Transistor 72 und ein npn-Leistungstransistor 74 nachgeschaltet sind. Diese drei Halbleiter-Bauelemente erhalten ihre erforderliche GleichspannungsVersorgung von der in der Prüfung befindlichen Batterie, und zwar über die positive rote Leitung 16 und die negative schwarze Leitung 24. Eine Diode 76, welche in die negative Versorgungsleitung eingesetzt ist, verhindert eine Bestätigung des Operationsverstärkers 70 ebenso wie der anderen Halbleiter-Bauelemente, wenn die Batterieverbindung versehentlich umgekehrt wird.

Der Gleichspannungs-Gleichtakt-Arbeitspunkt des Einganges für den Operationsverstärker 70 wird in den Mittelpunkt der Batterie-

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spannung gelegt, und zwar durch ein Paar von gleichen Spannungsteilerwiderständen 78 und 80 zusammen mit einem Paar von Vorspannungswiderständen 82 und 84·. Eine Gleichstromrückführung vom Ausgang des Leistungstransistors 74- zu dem nicht-invertierenden (+) Eingang des Operationsverstärkers 70 wird durch ein Paar von Spannungsteilerwiderständen 86 und 83 zusammen mit zwei Rückkopplungswiderständen 90 und 92 gebildet. Wegen der Phasenverschiebung von 180°, welche durch den Transistor 72 erzeugt wird, ist die sich daraus ergebende Gleichspannungsrückführung negativ. Der Wechselstrom wird in dem Gleichspannungs-Rückkopplungspfad durch den Kondensator 94- zusammen mit dem Widerstand 96 gedämpft. Der Zweck der Gleichspannungsrückführung besteht darin_? den Betrieb des Gesamt Verstärkers unte:r verschiedenen TeTnperaturbedingxtngen xind "bei verschiedenen Schaltungsparametern zu stabilisieren und den Arbeitspunkt des Transistors 74- zu fixieren. Der Gleichspannungs-Arbeitspunkt des Transistors 72 wird durch den Spannungsabfall an der Diode 98 festgelegt, welche durch den Strom durch den Widerstand 100 vorwärts vorgespannt ist.

Das zeitveränderliche Ausgangssignal des Multivibrators, e (t), wird an der Reihenschaltung eines festen Widerstandes 102 und eines veränderlichen Widerstandes 104- erzeugt. Der veränderbare Widerstand 104 ist mit dem Einstellknopf 28 gemäß Fig.4· verbunden und ist auf die Batterietenmeratur eingestellt. Die Kalibrierung der Skala 30, welche dem veränderbaren Widerstand 104- zugeordnet ist, wird unten angegeben. Die an der Reihenschaltung aus den Widerständen 102 und 104· erzeugte Spannung wird durch das Trimmerpotentiometer 106 abgeschwächt, dessen Funktion darin besteht, eine Einrichtung zu bilden, welche dazu dient, anfänglich die Batterie-Prüfeinrichtung zu kalibrieren. Durch die Einstellung des Trimmerpotentiometers 106 wird der spezielle Prozentsatz der Nennleistung festgelegt, welcher dem "Ja*-Ne in "-Kriterium entspricht (siehe Gleichung (7),

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Der zeitveränderliche Ausgang des Trimmerpotentiometers 106 ist zu der zeitveränderlichen Spannung in Reihe geschaltet, welch· an dem dynamischen Widerstand der Batterie 103 abfällt, was durch den schwarzen Draht 22 und den roten Draht 14 ermittelt wird. Die Wechselspannungsschleife an Singang des Operationsverstärkers wird durch den roten Draht 14 und einen Kondensator 110 geschlossen, weiche von der Batterie zu dem invertierenden (-) Eingang geführt sind, und durch einen Kondensator 112 sowie einen Widerstand 114, welche von dem Trimmerpotentiometer 106 zu dem nicht-invertierenden (+) Eingang des Operationsverstärkers 70 geführt sind.

Ein zeitveränderlicher Strom, i~(t), vom Ausgang des Leistungstransistors 74 wird an den dynamischen Widerstand 108 rückgeführt, und zwar über den Leistungswiderstand 116, den schwarzen Draht 24 und den roten Draht 16. Im Hinblick auf die Polarität des Eingangs des Operationsverstärkers 70 und die durch den Transistor 72 erzeugte Phasenumkehr bildet dieser zeitveränderliche Strom eine negative Rückführung, wie sie in der Fig. dargestellt ist. Der Leistungswiderstand 116 entspricht somit R. in der Fig. 3· Weiterhin bildet der Widerstand 116 einen Pfad für den Emittei&eichstrom des Leistungstransistors 74, welcher als ein Klasse-A-Emitterfolger arbeitet.

Die zeitveränderliche Spannung, welche an dem Widerstand abfällt, wird dem Differentialeingang eines weiteren Operationsverstärkers¹ 118 mittels eines Kondensators 120 und der sehr kleinen Wechselstromimpedanz der vorwärts vorgespannten Diode 76 und einer Zener-Diode 122 zusammen mit einem festen Widerstand 124 und einem veränderbaren Widerstand 126 zugeführt. Die Zener-Diode 122 ist durch einen Widerstand 128 vorgespannt, und ihr Spannungsabfall legt den Gleichtakt-Arbeitspunkt des nicht-invertierenden (+) Eingangs des Operationsverstärkers 118 mittels eines Vorspannungswiderstandes 129 fest. Der feste Widerstand 124 und der veränderbare Widerstand 126 entsprechen

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Rp in der Fig. 3. Der veränderbare Widerstand 126 ist somit mit dem Einstellknopf 32 der Fig. 4 verbunden und auf den Batterie-Nennwert eingestellt. Die Kalibrierung der Skala 34-, welche dem veränderbaren Widerstand 126 zugeordnet ist, wird unten angegeben. Ein negativer Rückführpfad für ip(t) wird von dem Ausgang des Verstärkers 113 zu den Widerständen 124 und 126 über ein Gleichstrom-Milliampere-Meter 132 geführt.

Die dem OperationsveiSbärker 118 an den Klemmen V und V zugeführte Leistung hat die Form von Rechteckimpulsen, welche mit dem Ausgangesignal des Multivibrators von 100 Hz synchronisiert sind. Diese Synchronisation wird durch die Kombination eines Paars von SchsLttransistoren 134- und 136 zusammen mit einem Trigger-Transistor 138 bewirkt, und weiterhin durch ein Paar von Vorspannungswiderständen 140 und 142 und weiterhin mit Hilfe eines Wellenformer-Netzwerkes, welches aus dem Widerstand 144 und dem dazu parallel angeordneten Kondensator 146 gebildet ist. Der Operationsverstärker 118 ist nur während der alternierenden Halbzyklen in Betrieb, in welchen der Transistor 52 leitet, und Strom fließt durch das Meßinstrument 132 nur während dieser alternierenden Halbzyklen, in welchen der Multivibrator arbeitet. Diese Arbeitsweise führt zu einer Einweg-Gleichrichtung des verstärkten Ausgangssignals vom Multivibrator. Rauschen oder andere Störsignale, welche nicht mit e_Q(t) korreliert sind, erzeugen einen Wechselstrom, jedoch keinen Gleichstrom durch das Gleichspannungs-Milliamperemeter 132. Somit ergibt sich eine synchrone Abtastung, und es wird ein Ausgangesignal erzeugt, dessen Anzeigewert der Amplitude des verstärkten Ausgangssignals vom Multivibrator proportional ist, während alle anderen nicht korrelierten Signale unterdrückt werden. Eine alternative Abtastschaltung würde einen kontinuierlich gespeisten Operationsverstärker verwenden, bei welchem Diodengleichrichter im Rückführpfad angeordnet sind. Diese einfache Schaltung würde jedoch Störsignale oder Streusignale nicht unterdrücken, welche nicht mit dem Ausgangssignal des Multivibrators korreliert sind.

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Unten ist eine Liste von Bauelementen-Typen und von den entsprechenden Werten für die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Batterie-Prüfeinrichtung angegeben:

Bezugszahl Halbleiter 70, 118	Bauelement _/uA-741 I.0.-Operationsverstärker
50, 52, 72, 134	2N5138-Transistoren (pnp)
136, 138	2N3392-Transistoren (npn)
74	2N1711-I«eistungstransistor (npn)
66	1N751A-Zenerdiode
122	1N753A»Zenerdiode
76, 98	1N55-Moden
Widerstände	(1/2 Watt; 10 % Toleranz, wenn nicht
	spezifiziert)
102	8,2il - 3 %
124	200Λ - 5 %
100, 128	300Λ
78, 80	1 K
68	1,5 K
96, 114	3,3 K
86	10 JE
88	33 K
58, 60, 82, 84, 130, 142	47 κ
140, 144	100 K
54, 56, 90, 92	1 M
116	25A - 3 Watt
106	500Λ - Trimmerpotentiometer, linearer Verlauf
104	5/V- veränderbarer Widerstand, linearer Verlauf
126	500 Ω. - veränderbarer Widerstand-

linearer Verlauf

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Kondensatoren

146 0,0033

62, 64 0,0068

110, 120 0,1 uF

94, 112 0,4? /iF

Meßinstrument

132 Gleichstrcra-Milliamperemeter

mit 1 mA Vollausschlag

Die Kalibrierung der zwei Skalen 30 und 34» welche dem Temperatureinstell-Widerstand 104 und dem Nennwert-Einstell-Widerstand 126 zugeordnet sind, sind unten in der Tabelle I bzw. II angegeben. Die Tabelle I wurde aus dem empirischen Temperaturkorrektur-Faktor gemäß Fig. 1 und der Tatsache berechnet, daß gemäß Gleichung (18) die Summe der Widerstände 102 und 104 proportional zu 1/K(T) sein muß. Die Tabelle II wurde aus den Gleichungen (4) und (5) berechnet sowie aus der Tatsache, daß die Summe der Widerstände und 126 gemäß Gleichung (18) zu dem Wert DPR proportional ist. Sowohl bei der Tabelle I als auch bei der Tabelle II ist angenommen, daß θ = 300° der vollen Drehung der entsprechenden veränderbaren Widerstände im Uhrzeigersinn ent-SDricht.

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Tabelle I - Kalibrierung des veränderbaren Temperatur-Einstellwiderstandes (104) mit 5 Ohm

T	Grad C	ί K(T)	* R	1 θ
	Relative E	in- Ohm	Grad
-28,9	heiten
-23,3	0,65	4,88	7
-17,8	0,71	3,77	74
-12,2	0,77	2,84	130
- 6,7	0,82	2,17	17Ο
- 1»1	0,87	1,57	206
10,0	0,91	1,14	232
26,7	0,96	0,65	261
1,0	0,30	282

Tabelle II - Kalibrierung des veränderbaren Nennwert-Einstellwiderstandes (126) mit 500 Ohm

GCGR	AHR	DPR	R	θ
(Ampere)	(Ampere-Stunden)	(Watt)	(Ohm)	(Grad)
150	32	2400	19	11
200	40	3OOO	69	42
25Ο	47	3600	120	72
3OO	54·	4100	171	103
350	62	47OO	222	133
400	69	5200	273	164
45Ο	76	5800	324	195
5OO	84	6400	375	225
550	92	7000	428	257
600	99	75ΟΟ	477	286

S0983 6/0646

Es sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen speziellen Anwendungsformen begrenzt ist. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Einrichtung auch zur Prüfung beliebiger elektrischer Gleichspannungsquellen verwendbar, beispielsweise zur Prüfung von Primär-Batterien, Sonnenbatterien, thermionischen Generatoren, MHD-Generatoren, Brennstoffzellen und thermoelektrischen Generatoren ebenso wie von Speicherbatterien.

- Patentansprüche -

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Claims

Pat ent a η s ρ r ü c h e

1. Elektronische Einrichtung zur qualitativen Peststellung der Fähigkeit einer elektrischen Gleichstromquelle, Leistung an eine Last abzugeben, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Einrichtung vorgesehen ist, welche ein zeitveränderliches Signal liefert, daß weiterhin eine Verstärkereinrichtung vorhanden ist, welche dazu dient, Signale zu verstärken, welche aus einer zeitveränderlichen Spannung abgeleitet werden, welche an der elektrischen Gleichstromquelle entwickelt werden, daß wenigstens zwei elektrische Anschlußeinrichtungen vorgesehen sind, welche derart ausgebildet und aufgebaut sind, daß sie die Verstärkereinrichtung, die elektrische Einrichtung und die elektrische Gleichstromquelle miteinander verbinden, daß die Verbindungseinrichtung einen zeitveränderlicheh Strom führt, welcher von dem zeitveränderlichen Signal über die Gleichstromquelle abgeleitet ist und die zeitveränderliche Spannung abtastet, welche an der elektrischen Gleichstromquelle entwickelt wird, daß weiterhin eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen ist, welche betrieblich mit der Verstärkereinrichtung verbunden ist, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung derart aufgebaut und angeordnet ist» daß sie einen ersten und einen zweiten qualitativen Zustand, der elektrischen Gleichstromquelle in Abhängigkeit davon anzeigt, ob die Ausgangssignal-Amplitude der Verstärkereinrichtung größer oder kleiner ist als ein bestimmter kritischer Wert, und daß eine einstellbare Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche dazu dient, die Ausgangesignal-Amplitude der Verstärkereinrichtung in bezug auf den bestimmten kritischen Wert in Abhängigkeit von dem elektrischen Nennwert der elektrischen Gleichstromquelle einzustellen.

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•v-

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite einstellbare Steuereinrichtung vorgesehen ist, durch welche die Ausgangssignal-Amplitude der Verstärkereinrichtung in bezug auf den bestimmten kritischen Wert in Abhängigkeit von der Temperatur der elektrischen Gleichstromquelle veränderbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Einrichtung ein zeitveränderliches Signal liefert und daß die Verstärkereinrichtung ihre Betriebsenergie von der elektrischen Gleichstromquelle empfängt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß jede der elektrischen Verbindungseinrichtungen sowohl einen ersten als auch einen zweiten Leiter aufweist, welche getrennt mit jeder Ausgangsklemme der Gleichstromquelle in Verbindung sind, und daß ein Paar von ersten Leitern den zeitveränderlichen Strom führt und ein Paar von zweiten Leitern die zeitveränderliche Spannung abtastet, welche an der elektrischen Gleichstromquelle entwickelt wird.

5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung ein Meßinstrument aufweist, welches Skalenmarkierungen hat, welche die relative Fähigkeit der Gleichstromquelle anzeigen, eine Nennleistung abzugeben.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Nennleistung in Watt angegeben ist.

7· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5_f dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Nennleistung in Ampere-Stunden angegeben ist.

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8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß die elektrische Nennleistung als Kaltstart-Stromstärke angegeben ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungsregelungseinrichtung die Versorgungsspannung der elektrischen Einrichtung stabilisiert, indem sie ein zeitveränderliches Signal liefert.

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