DE2832705A1 - Verfahren und schaltungsanordnung zur pruefung des ladezustandes eines primaerelementes - Google Patents

Description

• Verfahren und Schaltungsanordnung zur Prüfung des Lade-
• zustandes eines Primärelementes - Zusatz zu Patentanmeldung P 27 45 003.9 Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Prüfung des Ladezustandes eines Primärelementes, dem eine Hochfrequenzspannung zugeführt wird und dann die über dem Element anstehende restliche Hochfrequenzspannung gemessen wird, als Zusatz zu Patentanmeldung P 27 45 003.9.
• Beim Gegenstand der Hauptanmeldung wird ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Prüfung des Ladezustandes von Elementen beschrieben, welches den Innenwiderstand eines Elementes mittels einer hochfrequenten Sinuswechselspannung ausmisst, wobei die Messgröße sich aus dem ladungsabhängigen Wechselstromwiderstand des Elektrolyts ergibt.
• Diesem Verfahren haftet der Nachteil an, dass die Gleichstrominnenwiderstände des Elements, die während der Entladezeit sich nach Richtung und Grösse undefiniert ändern können, mit einem Faktor, der wiederum von der momentanten Ladung abhängig ist, in den Messwert eingehen.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, den durch den Gleichstrominnenwiderstand bedingten Fehleranteil zu eliminieren. Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss dadurch, dass bei der Prüfung HF-Widerstand und Gleichstromwiderstand getrennt gemessen werden und der Wert des Gleichstromwiderstandes durch den Wert des Wechse ls ohtromwiders tandes dividiert wird. Aufgenommene Entladekurven von Elementen mit verschiedenem Verhalten des Gleichstrominnenwiderstandes haben ergeben, dass der Wechselstromwiderstand bei geladenen Elementen ca. um den Faktor 3 bis 5 gegenüber dem Gleichstromwiderstand kleiner ist. Mit zunehmender Entladung nähern sich die beiden Widerstandswerte, bis dann bei vollständig entladenem inaktivem Element die beiden Messwerte praktisch gleich sind, der Innenwiderstand des Elements dann praktisch nur noch einem rein ohmschen Widerstand entspricht. Die rechnerische Auswertung der Kurven bestätigt, dass die Änderung des Quotienten R= gleichförmig mit der Entladung verläuft und von denRs Effektivwerten der beiden Widerstände unabhängig ist.
• Der Quotient R~ durch R~ kann somit dem Widerstand gleichgesetzt werden, der durch das Elektrolyt bewirkt wird und der Ladung entspricht. Da die Messung des Gleichstrominnenwiderstandes eine Stromentnahme aus dem Element bedingt, ist auch Sorge zu tragen, dass der zulässige Entladestrom nicht überschritten und dieser nach Möglichkeit bei einem Wert liegt, der der Stromentnahme bei normalem Betrieb gleichkommt.
• Die Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Messung des HF-Innenwiderstandes im Takt einer niederfrequenten Impulsfolge kurzzeitig unterbrochen wird und in dieser Zeit durch Anschalten eines Entladekreises der Wert für den Gleichstrom-Innenwiderstand bestimmt wird, dass die Zeit für die Gleichstrominnenwiderstandsmessung so kurz innerhalb jeder Periode der Taktfolge bemessen wird, dass der gemittelte Entladestrom aus dem Element der normalen Stromentnahme beim Anschalten des zugehörigen Verbrauchers entspricht, dass die am Element anstehende Restspannung, die abwechselnd den Wert für den Wechselstromwiderstand und den Gleichstromwiderstand enthält, gemeinsam vwstärkt und am Ausgang des Verstärkers durch Schalter gemäss dem durch die niederfrequente Taktreihe gesteuerten Tastverhältnis getrennt wird, dass die Spannungshöhe der nunmehr getrennt vorliegenden intermittierenden HF-Reihe bzw. Impulsreihe in eine dementsprechend gleichförmige Gleichspannung umgeformt wird, dass die nunemhr vorliegenden den Innenwiderstandswerten für die HF-Messung und Belastungsmessung analogen Spannungswerte einer Recheneinheit eingegeb en werden, die den Quotienten UR zu U bildet, und dass am Ausgang der Recheneinheit ein analoges oder digitales Anzeigeinstrument oder eine Aufzeichnungseinheit angeschlossen ist.
• Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben, wobei weitere Vorteile und Merkmale aus Zeichnung und Beschreibung hervorgehen.
• Es zeigt: Fig. 1 Prinzipschaltbild der Schaltungsanordnung; Fig.2a Detailschaltung der Halteschaltung 15 gemäss Fig. 1; Fig.2b Detailschaltung der Recheneinheit 17 gemäss Fig. 1; Die Fig. 3.1. bis 3.13 zeigen typische Kurvenverläufe an den in Fig. 1 angegebenen Punkten. Hierbei zeigen: Fig. 3.1 sinusförmige Frequenz von etwa 420 khzam Ausgang des Sinusgenerators; Fig. 3.2 Rechteckspannung am Ausgang Q5 mit Uss von ca. 8,5 Volt, abhängig von der Regelspannung auf Leitung 20 5 mit einer Frequenz von ca. 13 kHz (420 kHz : 2 ); Fig. 3.3 Rechteckspannung mit einer Frequenz von 100 Hz 12 (420 kHz :212); U = 12 V; Fig. 3.4 Steuerrechteck von W = 80 Mikrosec. mit einer Impulsfolgefrequenz von 100 Hz bei 12 V; Fig. 3.5 invertierte Steuerrechteckspannung; Fig. 3.6 am Lastwiderstand 10 anstehende, impulsmässige Spannung gemäss Fig. 3.4; die Spannungshöhe ist hier abhängig von der Regelspannung an der Leitung 20; Fig. 3.7 über dem Element 3 anstehende Restspannung; alternativ HF und Entladerechteckspannung; Zustand bei geladenem Element; UHF wesentlich kleiner als U Fig. 3.8 gleiche Darstellung wie in Fig. 3.7 bei entladenem Element; UHFtungefäh»* U Fig. 3.9 Kurvenverlauf am Punkt 3.9 wie der Verlauf in Fig. 3.7 nach erfolgter Verstärkung; Fig.3.10 Kurvenverlauf hinter dem Schalter T2; Fig.3.11 Kurvenverlauf hinter dem Schalter T3; Fig.3.12 Kurvenverlauf am Ausgang der Halteschaltung 15; Fig.3.13 Kurvenverlauf am Ausgang des Gleichrichters 16.
• Die weitere Erläuterung bezieht sich jetzt auf die Fig. 1 in Verbindung mit den Figuren 3.1 bis 3.13; Ein Sinusgenerator 1 ist mit seinem Ausgang an den 12stufigen Binäruntersetzer 2 angeschlossen, der im Zusammenwirken mit dem Flip-Flop 8 den Taktgenerator darstellt, der dann mit der Folgefrequenz von ca. 102 Hz den Taktimpuls abgibt.
• Die Länge des Tastimpulses ist durch den Anschluss des Rückstelleingangs R von 8 an Q5 von 2 bestimmt, und beträgt in vorstehender Ausführung 1/128 einer Taktperiode.
• An den Q-Ausgang von Flip-Flop 8 ist der Transistor T4 angeschaltet, der während des positiven Anteils der Taktimpulsfolge über den Widerstand 10 den Gleichstromentladekreis über das Element 3 schliesst. Gleichzeitig wird über die invertierte Taktspannung, die an dem Schalter T1 liegt, die über den Impedanzwandler 9 und Einstellregler 5 an T1 liegende HF-Spannung unterbrochen. Zwischen Schalter T1 und dem Belastungswiderstand 10 ist der Kondensator 11 eingeschaltet, der bei eingeschalteter HF-Mess-Spannung für die gleichstrommässige Trennung des Ausgangs von T1 zum Potential der Elementspannung sorgt.
• Der Emitter von T4 ist mit dem Ausgang der temperaturkompensierten Spannungsquelle 4 verbunden, die ihren Referenzwert aus einem in der Batterie aufnahme 7 eingebauten temperaturabhängigen Widerstand 6 erhält. Der Ausgang von 4 ist gleichzeitg als Versorgungsspannung von, 1 angelegt (Leitung 20). Dies bewirkt, dass die HF-Amplitude stets gleich gross der Entladespannung am Element 3 ist, so dass für den Gleichstrom-Entladekreis und den HF-Kreis der gleiche Widerstand 10 verwendet werden kann. Die Änderung der Mess-Spannungen nach der Temperatur ist erforderlich, weil die Innenwiderstände der Elemente einen negativen TK von ca. 3 % pro Grad Celsius aufiaweisen, der kompensiert werden muss.
• Am Minus-Pl des Elements 3 steht nun die dem HF-Widerstand des Elements 3 entsprechende HF-Reihe, die durch die kurzen Rechtecke, die in der Spannungsbsenkung dem Gleichstromwiderstand entsprechen, unterbrochen ist.
• Die Reihe wird im Verstärker 14 spannungsverstärkt und anschliessend durch die Schalter T2 und T3, die folgerichtig vom Impulsgenerator angesteuert werden, in die Gleichstrom-und Wechselstromanteile zerlegt.
• Die Wechselstromreihe wird dann in einem Gleichrichter 16 in eine dem Spannungswert der HF-Amplitude äquivalente kontinuierliche Gleichspannung umgesetzt, die am Ausgang von 16 als die dem HF-Wderstand entsprechende Gleichspannung zur Verfügung steht.
• Zur Umfanung der kurzzeitigen Rechtecke, deren Dachspannung den Wert für den Gleichstrominnenwiderstand anzeigt, in eine kontinuierliche Gleichspannung wird wegen des sehr hohen Tastverhältnisses eine Halteschaltung 15 (sample and hold) verwendet, die die Ausgangsspannung während der Tastpausen konstant halten kann. Die beiden den Widerständen R und R entsprechenden Spannungen werden nunmehr der Recheneinheit 17 eingegeben, die den Quotienten UR durch UR bildet.
• Die Funktion solcher Schaltungen ist bekannt. Mit der Spannung des Dividenden wird ein Kondensator aufgeladen, der über eine spannungsabhängige Konstantstromquelle zeitlinear entladen wird, wobei die dem Divisor entsprechende Spannung die spannungs abhängige Konstantstromquelle und damit die Steilheit der Entladung steuert.
• Am Ausgang von 17 steht dann eine Rechteckspannung mit konstanter Spannungshöhe, deren Rechtecklänge (Zeit) den Wert des Quotienten darstellt.
• Diese Rechteckreihe wird mittels des Kondensators 18 integriert und dem Anzeigeinstrument 19 aufgegeben, so dass die Skala des Instruments in Ladung geeicht werden kann.
• Die Anpassung der Anordnung an verschiedene Innenwiderstände verschiedener Elemente-Typen erfolgt durch Änderung des Belastungswiderstandes 10, während mit dem Einstellregler 5 einmalig die Wechselspannungsgröße der Gleichstromgröße angepasst werden kann.

Claims (7)

1. Patentansprüche Verfahren zur Prüfung des Ladezustandes eines Primärelementes, dem eine Hochfrequenzspannung zugeführt wird und dann die über dem Element anstehende restliche Hochfrequenz spannung gemessen wird, als Zusatz zu Patentanmeldung P 27 45 003.9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß am Element HF-Widerstand und Gleichstromwiderstand getrennt gemessen werden und der Wert des Gleichstromwiderstandes durch den Wert des HF-Widerstandes dividiert wird und der Quotient aus beiden Werten zur Anzeige gebracht wird.
2. 2. Verfahren 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 die Messung des HF-Widerstandes im Takt einer niederfrequenten Impulsfolge kurzzeitig unterbrochen wird und in dieser Zeit durch Anschalten eines Entladekreises am Element (3) der Wert für den Gleichstromwiderstand bestimmt wird.
3. 3. Verfahren 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 die Zeit für die Messung des Gleichstromwiderstandes so kurz innerhalb jeder Periode der Taktfolge bemessen wird, dass der gemittelte Entladestrom aus dem Element (3) der normalen Stromentnahme beim Anschalten eines Verbrauchers unter Betriebsbedingungen entspricht.
4. 4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die am Element (3) anstehende Restspannung, die abwechselnd den Wert für den Wechselstromwiderstand (R#) und den Gleichstromwiderstand (R =) enthält, gemeinsam einem Verstärker (14) zugeführt wird und am Ausgang des Verstärkers (14) durch Schalter (T2, T3) gemäss dem durch die niederfrequente Taktreihe (1, 2, 8) gesteuerten Tastverhältnis getrennt wird, dass die Spannungshöhe der nunmehr getrennt vorliegenden intermittierenden HF-Reihe bzw. Impulsreihe in eine Gleichspannung (Gleichrichter 16) umgeformt wird, dass die nach den Schaltern (T2, T3) umgeformten Spannungen (Halteschaltung 15, Gleichrichter 16) jeweils getrennten Eingängen (21, 22) einer Recheneinheit (1) zur Quoti#entenbildung aus den Spannungswerten zugeführt werden, und daß der Quotient (Us /U ) einem Anzeigeinstrument (19) zugeführt wird.
5. 5. Schaltungsanordnung 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 Temperaturkompensation der Entladungsspannung des Elementes (3) dadurch erfolgt, daß in Wärmekontakt mit der Batterieaufnahme (7) ein temperaturabhängiger Widerstand (6) angeordnet ist, der die Spannungshöhe einer Spannungsquelle (4) steuert, die die Versorgungsspannung des Sinusgenerators (1) bildet.
6. 6. Schaltungsanordnung 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 Basis eines Transistors (4) am Ausgang des Teiler-Flip-Flops (8) liegt, daß der Emitter mit dem Eingang (24) des Sinusgenerators (1) und der Kollektor mit einem Pol des Widerstandes (10) zur Belastung des Elementes (3) verbunden ist.
7. 7. Schaltungsanordnung nach einem 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 zur Umformung der kurzzeitigen Rechtecke, deren Dachspannung den Wert für den Gleichstrominnenwiderstand anzeigt, in eine kontinuierliche Gleichspannung eine Halteschaltung (15) verwendet wird, deren Steuereingang (25) mit dem Ausgang des Binäruntersetzers (2) verbunden ist.