DE2827479A1

DE2827479A1 - Schaltung zum ueberwachen einzelner zellen oder zellengruppen einer kolonne von akkumulatorzellen

Info

Publication number: DE2827479A1
Application number: DE19782827479
Authority: DE
Inventors: Reiner Szepan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-06-22
Filing date: 1978-06-22
Publication date: 1980-01-17

Description

Schaltung zum Überwachen der Entladung einzelner Zellen
oder Zellengruppen einer Kolonne von Akkumulatorzellen Die Erfindung betrifft eine Schaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.
Wenn eine Kolonne von in Kette geschalteten Akkumulatorzellen über einen Verbraucher entladen wird, so gibt es unvermeidlich eine Zelle mit der niedrigsten Kapazität, welche zuerst total entladen ist. Dieser Zelle wird dann bei der weiteren Entladung der anderen Zellen ein umgekehrter Strom aufgezwungen, was insbesondere bei wartungsfreien Akkumulatorkolonnen mit hohen Entladungsströmen zu irreversiblen Beschädigungen der betreffenden Zellen führt. Die Spannung der gesamten Kolonne zu überwachen erwies sich zur Lösung dieses Problems aufgrund der kleinen Zellspannungen und ihrer starken Temperaturabhängigkeit als unwirksam, Versuche, die Spannung jeder einzelnen Zelle zu überwachen, stiess mit den bisher üblichen Spannungsmesseinrichtungen auf unlösbare technische Probleme und würde auch zu sc + tungstechnischtzu aufwendige Einrichtungen führen. Auch Massnahmen zur gegenseitigen Entkopplung der Zellen sind zur Lösung des Problems nicht geeignet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfache und sichere Schaltung zum Überwachen der Entladung einzelner Zellen oder Zellengruppe einer Kolonne von Akkumulatorzellen zu schaffen, die eine Spannungsumkehr einzelner Zellen oder Zellengruppe einer solchen Kolonne bei der Kolonnenentladung verhindert.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei der erfindungsgemässen Schaltung wird die Spannung jeder einzelnen Zelle oder Zellengruppe durch einen einfachen Optokoppler überwacht, der über den genau festgelegten Einschaltspannungswert seines an der zu überwachenden Zelle bzw. Zellengruppe liegenden Lichtsender ohne störende Belastung der Zelle feststellt, wann die Spannung einer Zelle bzw. Zellengruppe unter einen vorbestimmten positiven Spannungswert absinkt. Wird eine solche Spannungsabsenkung festgestellt, so wird automatisch über den zugeordneten Überwachungs kreis die Akkumulatorkolonne vom Verbraucher abgeschaltet. Durch die erfindungsgemässe Schaltung wird also mit Sicherheit vermieden, dass eine Zelle vollständig entladen wird und es kann daher auch nicht passieren, dass einer solchen Zelle über die anderen Zellen ein umgekehrter-Strom aufgezwungen wird, der diese Zelle zerstören könnte. Der Einschaltspannungswert des Lichtsenders solcher Optokoppler, meist Gallium-Arseni<t-Leuchtdioden, ist für den erfindungsgemässen Zweck ausreichend definiert, er beträgt bei Gallium-Arsenit-Leuchtdioden etwa 1,2 V mit einer Streuung zwischen etwa 0,9 und 1,3 V. Wird dieser Einschaltspannungswert des Lichtsenders unterschritten so wird der zugehörige Empfänger des Optokopplers ausgeschaltet und liefert damit ein eindeutiges Abschaltkriterium.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemässen Schaltung bei einer Kolonne von Bleiakkumulatorzellen 1. Die Spannung jeder einzelnen Akkumulatorzelle 1 beträgt etwa 2 V. Jeder einzelnen Zelle 1 ist ein Optokoppler 2 zugeordnet, der jeweils aus einem Lichtsender 3 und einem zugeordneten Lichtempfänger 4 besteht. Bei handelsüblichen Optçkopplern dieser Art besteht der Lichtsender 5 beispielsweise aus einer Gallium-Arseni-Leuchtdiode und der Lichtempfänger 4 aus einem Fototransistor. Der Lichtsender 3 jedes einzelnen Optokopplers 2 ist über einen Widerstand 5 an die zu überwachende Zelle 1 angeschaltet während die zugehörigen Lichtempfänger 4 zu einem Überwachungskreis zusammengeschaltet sind. Der Überwachungskreis muss die Eigenschaft besitzen, dass dann, wenn einer der Lichtempfänger hier wegen Nichtbeleuchtung ausschaltet, gleichzeitig auch der Verbraucher 6 von der Akkumulatorkolonne abgeschaltet wird.
Hierfür gibt -es die verschiedenartigsten bekannten Lösungen beispielsweise durch entsprechende Verknüpfung der einzelnen Lichtempfänger über logische Schaltungen. Die einfachste Lösung ist, im Sinne der Fig. 1 sämtliche Lichtempfänger 4 der einzelnen Optokoppler 2 in Kette zu schalten, so dass durch die Fototransistoren 4 sämtlicher Optokoppler gemeinsamer Strom fliesst, der durch einen zugeordneten Stromdetektor 7 überwacht wird. Dieser Detektor 7 ist vorzugsweise als Schwellwertschalter ausgebildet, der beim Unterschreiten eines vorbestimmten Stromes der Fototransistorkette öffnet und dann über einen zugeordneten Schalter 8 den Verbraucher 6 von der Akkumulatorkolonne trennt.
Solange die Spannung der einzelnen Zelle 1 grösser als die Einschaltspannung des Lichtsenders 5 ist, ist dieser eingeschaltet und beleuchtet den zugehörigen Lichtempfänger 4. Solange sämtliche in Kette geschalteten Zellen 1 grössere Spannungen als die Einschaltspannung des Lichtsenders, bei Gallium-Arsenit-Leuchtdioden etwa 1,2 V, liefern, sind also sämtliche Kollektor-Emitter-Strecken der Fototransistoren 4 leitend und über den Detektor 7 wird ein ausreichender Stromfluss festgestellt. Sinkt dagegen die Spannung an einer der Zellen 1 unter diesen Einschaltspannungswert des zugehörigen Optokopplers, so wird der zugehörige Fototransistor 4 nicht mehr beleuchtet und seine Kollektor-Emitter-Strecke wird nicht leitend, es fliesst also kein Strom mehr in der Kettenschaltung der Lichtempfänger und der Detektor 7 öffnet den Schalter 8 und schaltet damit den Verbraucher von der Kolonne ab, so dass eine weitere Entladung der Zellen unterbunden wird.
Fig. 2 zeigt die Anwendung der erfindungsgemässen Schaltung zur Überwachung der Entladung einer Kolonne von Nickel -Cadmium-Akkumulatorzellen. Die Spannung einer Nickel-#Cadmium-Zelle beträgt etwa 1,2 V. Da diese gerade die Einschaltspannung des Lichtsenders von üblichen Optokopplern ist, werden nach Fig. 2 jeweils zwei Akkumulatorzellen 10 und 11 zu einer Zellengruppe 12 zusammengeschaltet.
Jede? dieser Zellengruppen 12 ist wieder ähnlich wie nach Fig. 1 ein gesonderter Optokoppler 2 zugeordnet. Zur Anpassung des Einschaltspannungswertes, beispielsweise 1,2 V, des Lichtsenders 5 dieses Optokopplers 2 kann die höhere Gesamtspannung der Zellengruppe 12 (2,4 V) ist dem Lichtsender 3 zusätzlich zum Strombegrezungswiderstand 5 noch eine weitere Diode 13 vorgeschaltet. Übliche Dioden besitzen eine Einschalt#pannung von etwa 0,7 V, so ~ass durch die vorgeschaltete Diode 15 insgesamt der Einschaltspannungswert des Optokopplers 2 etwa 1,9 V beträgt. Damit wird mit Sicherheit ausgeschlossen, dass eine der beiden Zellen 10 oder 11 einer Zellengruppe unter einen vorbestimmten positiven Spannungswert von beispielsweise etwa 0,9 V absinkt, ohne dass auch gleichzeitig der zugeordnete Optokoppler anspricht. Die eigentliche Überwachungsschaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 entspricht derjenigen nach Fig. 1.
Wenn eine Akkumulatorkolonne nach Fig. 1 oder 2 nicht entladen wird, also beispielsweise kein Verbraucher 6 angeschaltet ist, so könnten die angeschalteten Optokoppler die einzelnen Zellen allmählich entladen, obwohl die Ströme sehr klein sind. Um dies zu vermeiden, kann im Sinne der Fig. 3 jedem einzelnen Optokoppler 2 ein zusätzlicher weiterer Optokoppler 14 zugeordnet werden, und zwar so, dass der Lichtempfänger 15 dieses zusätzlichen Optokpplers 14 jeweils in Reihe mit dem Lichtsender 5 des eigentlichen Überwachungs-Kopplers 2 liegt und der zugehörige Lichtsender 16 parallel zum Verbraucher 6 geschaltet ist. Damit wird der Lichtsender 3 nur dann an die zugehörige Akkumulatorzelle bzw. Zellengruppe angeschaltet, wenn auch dem Lichtsender 16 ausreichender Strom zugeführt wird, also beispielsweise der Verbraucher 6 angeschaltet ist. Die Lichtsender 16 sämtlicher zusätzlicher Optokoppler 14 können wieder in Kette zu einem entsprechenden Überwachungskreis beispielsweise an den Verbraucher angeschaltet sein.
Wenn nach dem Abschalten des Verbrauchers bei Feststellung einer allzu grossen Spannungsabsenkung an einer der Zellen sich diese Zelle wieder erholt und den Einschaltspannungswert des zugehörigen Optokopplers überschreitet, so würde der Verbraucher 6 erneut zugeschaltet werden. Um dies zu verhindern, werden im Sinne der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2 die einzelnen Lichtsmpfänger 4 parallel zum Verbraucher 6 geschaltet. Tritt der geschilderte Effekt der frühzeitigen Wiedereinschaltung ein, so kann trotzdem der Überwachungskreis nicht die Wiedereinschaltung bewirken, da der Verbraucher 6 infolge Kurzschluss der erholten Akkumulatorspannung keinen Stromfluss durch die Lichtempfängerkette ermöglicht. Der gleiche Effekt kann bei der Schaltung nach Fig. 5 dadurch erreicht werden, dass die Lichtsender 16 der zusätzlichen Optpkoppler 14 parallel zum Verbraucher geschaltet sind. Diese Schaltungen haben den zusätzlichen Vorteil einer automatischen Kurzschlußsicherung. Leerseite

Claims

Patentansprüche Schaltung zum Überwachen der Entladung einzelner Zellen oder Zellengruppen einer Kolonne von Akkumulatorzellen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass den einzelnen Zellen (1) oder Zellengruppen (12) jeweils ein Optokoppler (2) zugeordnet ist, dessen Lichtsender (3) durch die zu überwachende Zelle (1) bzw. Zellengruppe (12) gespeist ist, und die Lichtempfänger (4) sämtlicher Optokoppler (2) zu einem Überwachungskreis zusammengeschaltet sind, der art, dass durch diesen die Kolonne vom Verbraucher (6) abgeschaltet wird, wenn die Spannung an einem der Lichtsender (3) unter dessen Einschaltspannungswert absinkt.
2. Schaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass sämtliche Lichtempfänger (4) der Optokoppler (2) in Kette geschaltet sind und dieser Kettenschaltung ein Spannungs- oder Stromdetektor (7) zugeordnet ist, über den ein Verbraucherschalter (8) schaltbar ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, d a d uir c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass die in Kette geschalteten Lichtempfänger (4) der Optokoppler (2) parallel zum Verbraucher (6) geschaltet sind.
4. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jedem Lichtsender ()) der Optokoppler (2) ein weiterer Optokoppler (14) vorgeschaltet ist, über dessen Lichtempfänger (16) der Überwachungs-Optokoppler (2) ein- und ausschaltbar ist.
5. Schaltung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, dass die Lichtempfänger (16) der zusätzlichen Optokoppler (14) in Reihe parallel zum Verbraucher (6) geschaltet sind.
6. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche für in Kolonne geschaltete Nickel-Cadmium-Akkumulatorzellen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, dass jeweils zwei Zellen (7,11) zu einer Zellengruppe (12) zusammengeschaltet und dieser ein gemeinsamer Optokoppler (2) zugeordnet ist (Fir. 2).