DE2627053C2 - Verfahren zur Kontrolle einer Akkumulatorenbatterie - Google Patents

Verfahren zur Kontrolle einer Akkumulatorenbatterie

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle einer Akkumulatorenbatterie, Insbesondere einer Blcinkkumulalorenbaltcrlc, die aufgeladen und nlcklrolytgcfüllt Ist: bei der Kontrolle handelt es sich um die l'ertl-
gungsendkontrolle.
Es gibt für das Ermitteln von elektrischen Batteriefehlern, die bei während der Fertigung durchgeführten Kontrollen nicht feststellbar sind, zwei bekannte Methoden.
a) Man mißt die EMK-Spannung der Batterie am Ende der Plattenformationsphase; durch diese Messung können diejenigen Batterien ausgeschieden werden, deren Ladungsendspannung unter einem vorherbestimmten Schwellwert liegt.
b) Man mißt das Entladeverhalten in Schnellentladevorrichtungen, mit deren Hilfe diejenigen Batterien festgestellt und ausgesondert werden, deren Spannung nach einigen Sekunden Entladung unzureichend ist.
Diese Mltlcl genügen vielfach nicht, schwache oder mittelstarke innere Kurzschlüsse aufzuzeigen, und selbst erhebliche Kurzschlüsse können mit herkömmlichen Prüfmethoden erst nach längerer Lager- oder Betriebsdauer aufgespürt werden. Die Methoden sind auch nicht dazu geeignet, einzelne Akkumulatoren zu ermitteln, die verkehrt herum eingebaut bzw. formiert wurden, oder auch solche, deren Platten verbogen sind, denen es an Elektrolyt mangelt, die versehentlich keinen Separator besitzen usw.
Durch das erflndungsgemäße Verfahren zur Kontrolle von Batterien ist es möglich, derartige Fehler kurz nach der Formations- u,n.d Ladungsphase festzustellen, d. h. In der Praxis bei der Endfertigung der Batterie.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Kontrolle einer Batterie aus in Reihe geschalteten Akkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß
-.die Batterie mit einem Ladungsstromimpuls beaufschlagt wird,
- dann die elementare Übergangsspannung an den Klemmen jedes Akkumulators beobachtet wird,
- dann die elementare Übergangsspannung mit der durchschnittlichen Übergangsspannung der Akkumulatoren (Gesamtübergangsspannung geteilt durch die Anzahl der Akkumulatoren) differential verglichen wird und schließlich
- die Batterie ausgeschieden wird, wenn der Höchstwert der Differenz zwischen der mittleren Übergangsspannung und einer der elementaren Übergangsspannungen im Falle eines während des ganzen Übergangs gleichen Differenzvorzeichens größer als ein erster vorbestimmter Schwellwert wird bzw. im Falle eines wechselnden Vorzeichens dieser Differenz die Summe der beiden Höchstwerte der Differenzen in jeder Richlung größer als ein zweiter vorbestimmter Schweliwert wird.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird die Übergangsspannung eines zu prüfenden Akkumulators nicht mit der eines geeichten Akkumulaiors, sondern mit der durchschnittlichen Übergangsspannung aller Akkumulatoren der Batterie verglichen, zu der der geprüfte Akkumulator gehört; auf diese Welse wird bei jeder Batterie der fiktive »durchschnittliche« Akkumulator als normaler Bezugsakkumulator betrachtet.
Ein elektrischer Fehler In einem Akkumulator äußert sich durch einen um so größeren Übcrgangsspannungsunierschleti, je größer der Fehler ist. Die Schwellwerk werden so gewählt, daß der jeweils kleinste nicht mehr zulässige Fehler noch festgestellt wird.
Die Messung der Übergungsspannungen !sann kontinuierlich erfolgen oder auch punktucll durchgeführt werden: ein erstes Mal zu Beginn des Ladungsstromimpulscs nach etwa einer Sekunde, ein zweites Mal etwa In der Mitte dieses Impulses. In Olesem Fall werden tile
Vorzeichen der Differenzen zwischen der minieren (iherganKsspannung und der KlemenlarQbcrgangsspannung, die sich aus der ersten und zweiten Messung ergeben, uniersucht.
Wenn die Differenzen positiv sind, wird die Batterie s ausgeschieden, falls die sich aus der zweiten Messung ergebende Differenz größer als ein vorbestimmter Schwellwert wird.
Wenn die Differenzen negativ sind, wird die Batterie ausgeschieden, falls der absolute Wert der sich aus der n> ersten Messung ergebenden Differenz großer als ein vorbestimmter Schwellwert wird.
Wenn die Differenzen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, wird die Batterie ausgeschieden, falls die Summe der absoluten Werte dieser Differenz größer als ein vorbestimmter Schwellwert Ist.
Bei dem Ladungsstromimpuls kann es sich auch um einen mehrere Sekunden dauernden Rechteckimpuls von einigen Ampere handeln: der Impuls kann auch eine direkt mit der Zelt proportional wachsende Stromstärke (einige Ampere pro Sekur.de beispielsweise) aufweisen und mehrere Sekunden dauern.
Die Erfindung wird In der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die belllegende Zeichnung näher erläutert.
Flg. 1 zeigt den Kurvenverlauf der Übergangsspannung U (Volt) In Abhängigkeit von der Zelt ι (Sekunden) eines fehlerhaften Akkumulators und des durchschnittlichen Akkumulators, die einem Ladungsstromimpuls mit einer zur Zeit direkt proportional anwach- 3» senden Stromstärke (ein Ampere pro Sekunde) ausgesetzt werden.
Die Fig. 2, 3 und 4 zeigen Kurvenverlaufe der Übergangsspannung U (Volt) In Abhängigkeit von der Zeit (Sekunden) eines fehlerhaften Akkumulators und des durchschnittlichen Akkumulators, die einen Rechieckimpuls mit konstanter Stromstärke von 5 Ampere erhalten; jede dieser Kurven entspricht einem anderen Fehlertyp.
Flg. 5 r*:igt schematisch eine Vorrichtung zur-to Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Batterie, deren Akkumulatoren von außen zugängliche elektrische Anschlüsse besitzen.
Flg. 6 zeigt schcmall.sch dnc zur In Flg. 5 gezeigten Vorrichtung analoge Vorrichtung, die jedoch für die -r> Kontrolle von Batterien geeignet Ist. deren elektrische Anschlüsse nicht außen zugänglich sind.
Die nachfolgend dargestellten Beispiele betreffen 12-Volt-Blelbatterlen mit sechs in Reihe geschalteten Akkumulatoren von jeveils 2 Volt, die eine Kapazität 5u von 40Ah In 20 Stunden besitzen. Diese Batterien wurden z'i dem Zeitpunkt geprüft, an dem sie das Fertigungsband verlassen.
Ir. Flg. 1 werden die Kurven A und MA der Übergangsspannungen UA und UMA eines fehlerhaften Akku- mulators und des durchschnittlichen Akkumulators dargestellt, die mit einem Ladungsimpuls einer Steigung von einem Ampere pro Sekunde während 10 Sekunden beaufschlagt werden. Der entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte Vergleich w von UA und UMA zeigt eine Differenz von UMA - UA mit konstantem Vorzeichen, im hler vorliegenden Fall einem positiven Vorzeichen; die Batterie wird daher ausgeschieden, wann der Höchstwert dieser Differenz größer als ein vorhestlmmler Schwellwert wird. '■*
Das Messen ka'in punktucll ein erstes MuI zu Beginn des Ladungsstroni'mpulxs zu einem Zeitpunkt TM - Is, und ein zweites Mal etwa In der Mitte dieses Impulses xu einem Zeitpunkt T'M = 5s (die /.ahlenwerte sind hler nur als Beispiele zu verstehen) durchgeführt werden. Ils werden dann die Vorzeichen der Differenzen zwischen der durchschnittlichen Übergangsspannung und der elementaren Übergangsspannung verglichen, die sich aus diesen zwei Messungen ergeben. Sind, wie im vorliegenden Fall, beide Differenzen positiv, dann wird die Batterie ausgeschieden, wenn die sich aus der zweiten Messung (zum Zeitpunkt 7"'w) ergebende Differenz größer als ein vorbestimmter Schwellwert wird. Der Wert T'M Hegt vorzugsweise sehr nahe beim Zeitpunkt tUA des maximalen Abstands zwischen den beiden Kurven, und zwei punktuelle Messungen liefern ein hinreichendes Kriterium für das Aussondern von Batterien mit einem defekten Akkumulator, der diesen Antworttyp aufweist.
In Fig. 2 werden die Kurven B und MB der Übergangsspannung UB und UMg eines defekten Akkumulators und eines durchschnittlichen Akkumulators gezeigt, die mit einem Rechtecklmpuls von 5 Ampere während 10 Sekunden beaufschlagt werden. Der Vergleich zwischen UH und UMB zeigt eine Differenz Uüb ' ^h m" konstantem Vorzeichen, In diesem Falle positiv; die Batterie wird daher ausgesondert, wenn der Höchstwert dieser Differenz größer als ein vorbestimmter Schwellwert wird.
Bei einer punktuellen Messung zu den Zeltpunkten TM und T'M wird die Batterie bei zwei positiven Differenzen ausgeschieden, wenn die Differenz bei der zweiten Messung wie im Fall der Fig. 1 größer als ein vorbestimmter Schwellwert wird.
In Fig. 3 werden die Kurven C und MC der Übergangsspannungen Uc und Uuc eines defekten Akkumulators und eines durchschnittlichen Akkumulators gezeigt, die einem Rechteckimpuls von S Ampere während 10 Sekunden unterworfen werden. Der Vergleich zwischen Uc und UMC zeigt eine Differenz Umc - Uc mlt konstantem Vorzeichen, Ir diesem Fall negativ; die Batterie wird daher ausgeschieden, wenn der Höchstwert dieser Differenz größer als ein vorbestimmter Schwellwert wird.
Bei einer punktuellen Messung zu den Zeitpunkten TM und T'M wird, wenn die beiden erhaltenen Differenzen negativ sind, die Batterie ausgeschieden, wenn der absolute Wert der sich bc! der ersten Messung ergebenden Differenz größer eis ein vorbesilmmier Schwellwcrt wird.
In Flg. 4 werden die Kurven D und MD der zeitbedingten Veränderungen der Übergangsspannungen U0 und UMl, eines defekten Akkumulators und eines durchschnittlichen Akkumulators dargestellt, die einem Rechteckimpuls von S Ampere während 10 Sekunden unterworfen werden. Der Vergleich zwischen U0 und UMD ergibt eine Differenz UMD - U0, deren Vorzeichen wechselt. In dem vorliegenden Fall zunächst negativ und dann positiv Ist; die Batterie wird dann ausgeschieden, wenn die Summe der Höchstwerte der Differenzen, absolut gesehen, größer als ein vorbestimmter Schwellwert wird.
Bei einer punktuellen Messung zu den Zeitpunkten TM und T'M wird, wenn die beiden Differenzen unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, die Dauerte ausgeschieden, wenn die Summe der zu diesen Zeitpunkten gemessenen Differenzen größer als ein vorbestimmter Schwcllwert wird.
Wie Im Falle der Flg. I liegen die Zellpunkte TM und T'm vorlellhafterwel.se sehr nahe bei den Zeitpunkten tMO imi< und i'MB, t'ua, die einem Höchstwert für
den Abstand zwischen den beiden Kurven entsprechen. Zwei Messungen zu geeigneten Zeitpunkten Ts< und T'u ergeben also ein ausreichendes Kriterium zur Aussonderung von Batterien, die einen defekten Akkumulator mit einem dieser drei Fehlertypen enthalten.
Zur praktischen Anwendung des erflndungsgcmaOcn Verfahrens wird die Übergangsspannung eines zu überprüfenden Akkumulators nicht mit der eines Elchakkumulators, sondern mit der durchschnittlichen Übergangsspannung aller Akkumulatoren der Batterie, zu der der zu prüfende Akkumulator gehört, verglichen.
Hierzu kann man die schematisch In Flg. 5 gezeigte Vorrichtung verwenden, die zur Kontrolle einer Batterie 1 von Akkumulatoren 10 bis 15 bestimmt Ist, deren elektrische Zellenverbinder 20 bis 24 von außen zugänglich sind. An die Klemmen 2 und 3 der Batterie 1 wird ein Ladungsimpulsgenerator 17 angeschlossen. Zwischen die Klemmen der Akkumulatoren werden durch den Block 4 schems'.isch dargestellte Spannungss· detektoren geschaltet, die an einen Rechner 5 Signale (/Ι bis Ut weiterleiten. Der Rechner 5 bestimmt die durchschnittliche Übergangsspannung
und leitet die für die Abstande U^nU, (wobei / von I bis 6 variiert) repräsentativen Signale je nach dem Vorzeichen der Differenzen UxrU, auf einen von zwei Ausgängen 6 und 8.
Ein erster Ausgang 6 ist nur aktiviert, wenn die Differenz t/iirt/, negativ Ist, und er enthalt einen Speicher 7, mit dem der absolute Höchstwert von U^-U1 gespeichert werden kann. 1st die Differenz Uj1nU, dagegen positiv, so gelangt die Information an den Ausgang 8. Die vom Speicher 7 und vom Ausgang 8 gelieferten Spannungen werden, wenn sie ungleich NuH sind= im Block 9 addiert, und anschließend wird diese Summe mit einem Schwellwert U0 Im Komparator 19 verglichen, der ein Ausgangssignal liefert, wenn diese Summe größer als der gewählte Schwellwert Ist. Ein Anzelgeorgan 29 Ist mit dem Ausgang des Komparator 19 verbunden.
Zum besseren Verständnis der Arbeltswelse der Vorrichtung aus Fig. 5 sei auf die Flg. 1 bis 4 zurückverwiesen:
- In den Fig. 1 und 2 bleibt die Differenz U^nU1 stets positiv: folglich verläßt die Information den Rechner Ober den Ausgang 8, und der Komparator 19 sendet ein Ausgangssignal, wenn Uxf U, großer als Un wird;
- Im FaIi dci 1-"Ig. 3 bleibt die Differenz UJ1nU1 stets negativ, folglich verläßt die Information den Rechner Ober den Ausgang 6; der Speicher 7 registriert dann den absoluten Höchstwert von Ux1-U1. und der Komparator 19 sendet ein Ausgangssignal, wenn der absolute Wert dieser Differenz größer als der Schwellwert wird;
- Bei der Fig. 4 ist die Differenz UxnU1 zu Beginn des Ladungsstromimpulses negativ und wird dann positiv. Folglich verläßt die vom Rechner 5 übertragene Information diesen zunächst über den Ausgang 6, wodurch der absolute Höchstwert von Uif-U, registriert wird, und dann Ober den Ausgang 8; die vom Speicher 7 und vom Ausgang 8 gelieferten Werte werden im Block 9 addiert, und anschließend wird diese Summe mit dem SchweSlwen i/o Im Komparator !9 verglichen, der ein Ausgangssignal Hefen, wenn diese Summe größer als der vorbestimmte Schwellwert lsi.
Das Messen der Ubergangsspannungen kann zu
festen Zeltpunkten erfolgen:
Ein erstes Mal zu Beginn des Ladungsstromimpulses nach etwa einer Sekunde, und ein zweites Mal etwa Im mittleren Bereich dieses Impulses. Diese beiden Messungen geben durch das Vorzeichen der Differenzen U,f-Ut an, in welchem der In den Figuren dargestellten Falle man sich befindet. Die Batterie wird dann ausgeschieden, wenn einer der folgenden Fälle auftritt:
- Wenn die beiden gemessenen Differenzen positiv sind ι» und die sich aus der zweiten Messung ergebende Differenz größer als der vorbestimmte Schwellwert Ist.
- Wenn die beiden gemessenen Differenzen negativ sind und der absolute Wert der sich aus der ersten Messung ergebenden Differenz größer als der vorbe-
Is stimmte Wert Ist.
- Wenn die Differenzen U^nU1 unterschiedliche Vorzeichen aufweisen und die Summe der absoluten Werte dieser Differenzen größer als der vorbestimmte Schwellwert wird.
*' Falls die Zellenverbinder 20 bis 24 der Akkumulatoren 10 bis 15 nicht von außen zugänglich sind, kann das erfindungsgemäße Verfahren mit Hilfe der schematisch In Flg. 6 dargestellten Vorrichtung eingesetzt werden.
^ In die Einfüllöffnungen der Akkumulatoren werden Referenzelektroden 30 bis 35 (beispielsweise Quecksiibcr-Quecksllbcrsulfatelektroden) eingeführt. Jede zwischen zwei aufeinanderfolgenden Elektroden gemessene Spannung Ui bis (Λ entspricht dem Potcnllalunter- schied zwischen den positiven Platten eines ersten Elements und den negativen Platten eines zweiten Elements (bzw. umgekehrt). Die zuvor definierte Spannung Ux Ist hler gleich Ur + Ur. wobei Ur die zwischen der positiven Klemme 3 der Batterie und der
.15 Elektrode 30 und Ur die zwischen der Elektrode 35 und der negativen Klemme 2 gemessene Spannung ist.
Die Organe zur Verarbeitung der vom Rechner 5 stammenden Spannungssignäie sind gleich denen, die In Flg. 5 auftauchen; auch die Funktionsweise der in
4» Flg. 6 gezeigten Bauteile Ist analog zu der Vorrichtung aus Fig. 5, und die unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 gemachten Erläuterungen zur In Flg. 5 beschriebenen Vorrichtung bleiben anwendbar. Man kann Im Rahmen der Erfindung für die drei Differenzenarten U1nU1 (stets positiv, stets negativ, Vorzelchcnwechsel) einen gemeinsamen Schwellwert i/o wählen oder für mindestens einen Differenztyp besondere Schwellwerte wählen; auch kann man je nach verwendetem Ladeimpulstyp verschiedene Schwellwerte
«ι wählen. Man kann auch stets Rechtecklmpulse oder stets Impulse konstanter Steigung Verwender du in beiden Fällen ähnliche Kurvenformen der Übergangsspannung erzielt werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Kontrolle einer Batterie aus in Reihe geschalteten Akkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Batterie mit einem Ladungsstromimpuls beaufschlagt wird,
- dann die elementare Übergangsspannung an den Klemmen jedes Akkumulators beobachtet wird, to
- dann die elementare Obergangsspannung mit der durchschnittlichen Übergangsspannung der Akkumulatoren (Gesamtübergangsspannung geteilt durch die Anzahl der Akkumulatoren) differenilell verglichen wird, und schließlich ι*·
- die Batterie ausgeschieden wird, wenn der Höchstwert der Differenz zwischen der mittleren Übergangsspannung und einer der elementaren Übergangsspannungen im Falle eines während des ganzen Übergangs gleichen Differenzvorzeichens größer -^Is ein erster vorbestimmter Schwellwerl wird, bzw. im Falle eines wechselnden Vorzeichens dieser Differenz die Summe der beiden Höchstwerte der Differenzen in jeder Richtung größer als ein zweiter vorbestimmter Schwellwert « wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Übergangsspannungen zu zwei festen Zeitpunkten erfolgt, und zwar ein erstes Mal etwa eine Sekunde nach Beginn des 3<) Ladeimpulses und ein zweites Mal etwa 4 Sekunden spater.
3. Verfahren gemäp. Anspn xh 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die sich aus der ersten und zweiten Messung ergebendet Differenzen positiv sind, die Batterie ausgeschieden wird, wenn die Differenz aus der /.wellen Messung großer als ein Schwellwerl wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Differenzen bei der ersten und zweiten Messung negativ sind, die Batterie ausgeschieden wird, wenn die Differenz bei der ersten Messung größer als ein vorbestimmrer Schwellwert wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn die Differenzen aus der ersten und zweiten Messung unterschiedliche Vorzeichen aufweisen, die Batterie ausgeschieden wird, wenn die Summe der Absolutwerte der Differenzen zu den beiden Zeltpunkten größer als ein vorbestimmter so Schweliwert wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestromimpuls ein Rechteckimpuls ist, dessen Stromstärke einige Ampere und dessen Dauer einige Sekunden beträgt.
7. Verfahren gemilll einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lndcslromlmpuls eine konstante Steigung von einigen Ampere pro Sekunde aufweist. «>
DE2627053A 1975-06-24 1976-06-16 Verfahren zur Kontrolle einer Akkumulatorenbatterie Expired DE2627053C2 (de)

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