DE2925248A1 - Rechargeable battery state monitor - senses electrodes swelling with force transducer and spring loaded movable clamping plate - Google Patents

Rechargeable battery state monitor - senses electrodes swelling with force transducer and spring loaded movable clamping plate

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Abstract

The simplified indicator of the charge state of galvanic cell featuring swelling electrodes monitors the rhythm of charging and discharging. The change in the volume is attributable to crystalline transformation in pressed or rolled electrodes in alkaline electrolyte. The individual cells (5) of the battery are held between a fixed plate (2) and a movable plate (3) which is subject to pressure of the spring (7). The pressure of the plate is measured by a force transducer (10) while expansion is measured by a dial (II). The spring is made up of Belleville washers (8) with preload set by bolts (I).

Description

Verfahren zur Messung des Ladezustandes vonProcedure for measuring the state of charge of

wiederaufladbaren #a#lyani schen~Elementen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Ladezustandes von wiederaufladbaren galvanischen Elementen mit quellenden Elektroden, und alkalischem Elektrolyten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. rechargeable a # lyanic elements The invention relates to a method for measuring the state of charge of rechargeable galvanic elements with swelling electrodes and alkaline electrolytes as well as a device for Implementation of this procedure.

Bei wiederaufladbaren galvanischen Elementen mit alkalischem Elektrolyten sind für die Anzeige des Ladezustandes im wesentlichen Meßvorrichtungen auf coulometrischer Basis bekannt. Das Coulometer arbeitet als ein Strommengen-Integrator, welche) jedoch das Verhalten des galvanischen Elements nicht zuverlässig nachbildet und insbesondere die Abhängigkeit der Kapazität von der Entladestromstärke nicht berücksichtigt.For rechargeable galvanic elements with alkaline electrolytes are essentially coulometric measuring devices for the display of the state of charge Base known. The coulometer works as a current quantity integrator, which) however does not reliably simulate the behavior of the galvanic element and in particular the dependence of the capacity on the discharge current is not taken into account.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine möglichst einfaches Verfahren zur Kapazitätsbestimmung anzugeben.The invention is therefore based on the object as simple as possible Specify the procedure for determining the capacity.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelös#, daß zur Bestimmung des Ladezustandes die im Rhythmus der Ladung und Entladung reversibel sich ändernde Quellung der Elektroden gemessen wird.The object is achieved according to the invention in that for determination of the state of charge which changes reversibly in the rhythm of charging and discharging Swelling of the electrodes is measured.

Die an verschiedenen aktiven Massen, insbesondere positiven Nickelhydroxid-Nassen schon länger beobachteten Volumenänderungen bei der elektrischen Zyklenbehandlung korrelieren nämlich mit der fortschreitenden Ladung oder Entladung jeweils vorzeichenrichtig und im richtigen Verhältnis. Während der Entladung findet eine Volumenausdehnung, während der Ladung dagegen eine Schrumpfung statt. Auf die Größe der Volumenänderungen haben auch die Massezusammensetzung und die Konzentration des Elektrolyten Einfluß.Those on various active masses, particularly positive nickel hydroxide wets volume changes that have been observed for some time in the case of electrical Cycle treatments correlate namely with the progressive charge or discharge each with the correct sign and in the correct proportion. Takes place during discharge an expansion in volume, whereas a shrinkage takes place during the charge. On the The mass composition and concentration also have the size of the volume changes the influence of the electrolyte.

Als Ursache dieses Phänomens kommen kristallchemische Um wandlungen infrage. Indem Nickelhydroxidphasen anderer Dichte und Feinstruktur entstehen und wieder abgebaut werden, ergeben sich wechselnde 1#lumenansprüche, die sich durch entsprechende Volumenschübe innerhalb des aktiven Materials bemerkbar machen.This phenomenon is caused by crystal chemical conversions in question. By forming nickel hydroxide phases with a different density and fine structure and are dismantled again, there are changing 1 # lumen requirements, which arise through make corresponding volume surges within the active material noticeable.

Bei Zellen oder Batterien des alkalische Ni(OH)2/Fe-Systems mit Preß- oder Walzelektroden ist der aus diesen Volumenschüben resultierende Quelldruck besonders ausgeprägt. Er führt fast regelmäßig zu Verformungen des Gehäuses, die auch gelegentlich ein Bersten zur Folge haben können.For cells or batteries of the alkaline Ni (OH) 2 / Fe system with press or roller electrodes, the swelling pressure resulting from these volume surges is particular pronounced. It almost regularly leads to deformations of the housing, which also occasionally can cause rupture.

Zur Messung der Quellung kann sowohl eine Kraftmeßeinrichtung als auch eine Längenänderungsmeßvorrichtung dienen. Ersterer kann beispielsweise ein Piezokristall oder ein Dehnungsmeßstreifen zugrunde liegen. Letztere kann als Wirkungselement einen induktiven Näherungsaufnehmer oder ebenfalls einen Dehnungsmeßstreifen enthalten.To measure the swelling, both a force measuring device and also serve as a length change measuring device. The former can, for example, be a Piezo crystal or a strain gauge are used. The latter can be used as an effective element contain an inductive proximity sensor or a strain gauge.

Um die Formstabilität der Masseelektroden, die für die Reproduzierbarkeit der Messungen unerläßlich ist, zu erhalten, werden die galvanischen Elemente in Richtung ihrer größten Formänderung in eine Spannvorrichtung federnd eingespannt. Die Spannvorrichtung ist so beschaffen, daß die eng aneinander stehenden Einzelzellen zwischen zumindest einer festen Platte und einer beweglichen Platte angeordnet sind und daß die bewegliche Platte mit einer Federanordnung in Verbindung steht, über welche eine vorgegebene Vorspannung der Akkumula torenbatterie einstellbar ist und daß der Federanord nung ein Kraftaufnehmer oder ein Wegau£nehmer zugeordnet ist.To the dimensional stability of the ground electrodes, which is essential for reproducibility the measurements are essential to obtain, are the galvanic Elements resiliently in the direction of their greatest change in shape in a clamping device clamped. The jig is designed so that the close together Individual cells between at least one fixed plate and one movable plate are arranged and that the movable plate with a spring arrangement in connection stands, via which a predetermined bias voltage of the accumulators can be set and that the spring arrangement is assigned a force transducer or a displacement transducer is.

Figur 1 zeigt eine erfindungsgemaße Einspannvorrichtung in einer allgemeinen Ausführungsform.Figure 1 shows a clamping device according to the invention in general Embodiment.

Figur 2 gibt eine modifizierte Einspannvorrichtung wieder0 Der Aufbau der Vorrichtungen und die erfindungsgemäße Verfahrensweise bei der Messung des Ladezustandes werden im folgenden näher erläutert.FIG. 2 shows a modified jig. The structure of the devices and the procedure according to the invention when measuring the state of charge are explained in more detail below.

Gemäß Figur 9 besteht die Vorricrstung aus vlel Schraubenbolzen 1 (von denen nur die beiden vorderen erkennbar sind) und auf diesen Schraubenbolzen angeordneten Platten 2, 3 und 4, von denen die Platten 2 und 4 einen festen Abstand zueinander besitzen, während die « als Doppeiplatte ausgebildete - Platte 3 beweglich ist. Zwischen fester Platte 2 und beweglicher Platte 3 ist die aus den Zellen 5 zusammengesetzte Batterie 6 unter einer Vorspannung federnd eingespannt, wobei die bewegliche Platte 3 mit einer Federanordnung 7 in Verbindung steht, über welche die Vorspannung der Akkumulatorenbatterie einstellbar ist. Die Federanordnung 7 ihrerseits ist zwischen der beweglichen Platte 3 und der anderen festen Platte 4 angeordnet. Sie besteht aus mehreren Tellerfedern 8, die jeweils als ein zusammenhängendes Federpaket auf die vier Schraubenbolzen 1 aufgefädelt sind.According to FIG. 9, the device consists of a number of screw bolts 1 (of which only the two front ones can be seen) and on these screw bolts arranged plates 2, 3 and 4, of which the plates 2 and 4 are a fixed distance Have to each other, while the «designed as a double plate - plate 3 is movable is. The cell 5 is located between the fixed plate 2 and the movable plate 3 assembled battery 6 resiliently clamped under a bias, the movable plate 3 is connected to a spring arrangement 7 via which the preload of the accumulator battery is adjustable. The spring assembly 7 in turn, is between the movable plate 3 and the other fixed plate 4 arranged. It consists of several disc springs 8, each threaded onto the four screw bolts 1 as a coherent set of springs are.

Durch Anziehen der Schraubenmuttern 9 mit Hilfe eines Drehmomentenschlüssels läßt sich die Vorspannung mit großer Genauigkeit über die Schraubenbolzen 1 einstellen, wobei zur Kontrolle ein Kraftaufnehmer 10 oder ein Wegaufnehmer 11 dient. Die bewegliche Platte 3 ist zu diesem Zweck aufgeteilt und der Kraftaufnehmer 10 zwischen beide Teilplatten, die ihrerseits gegeneinander beweglich sind, eingefügt.By tightening the nuts 9 using a torque wrench the preload can be adjusted with great accuracy via the screw bolts 1, a force transducer 10 or a displacement transducer 11 is used for control. The movable one Plate 3 is divided for this purpose and the force transducer 10 between the two Part plates, which in turn are movable against one another, inserted.

Wegen der federnden Einspannung kann sich die Batterie 6 nun unter Verschiebung der beweglichen Doppelplatte 3 gegen die Kraft der Tellerfedern 8 etwas nach rechts ausdehnen. Sie kann aber auch etwas schrumpfen, ohne den Kontakt zur beweglichen Platte 3 zu verlieren, weil die vorgegebene Vorspannung dafür sorgt, daß eine hinreichende Restspannung erhalten bleibt. Bei einer starren Verspann;ng wäre ein unvermitteltes Absinken der Spannkraft gegen Null die Folge.Because of the resilient clamping, the battery 6 can now under Displacement of the movable double plate 3 against the force of the disc springs 8 somewhat stretch to the right. But it can also shrink somewhat without contact with the to lose movable plate 3, because the predetermined preload ensures that sufficient residual tension is retained. In the case of rigid bracing; ng the result would be an abrupt drop in the clamping force towards zero.

Zur Messung des Qüellverhaltens wird die Batterie mit einer definierten Vorspannung, die entweder am Anzeige-Instrument 12 des Kraftaufnehmers 10 oder am Anzeige-Instrument 13 des Wegaufnehmers 11 kontrollierbar ist, zwischen fester Platte 2 und beweglicher Platte 3 eingespannt. Unterwirft man sie darauf einem zyklischen Lade/Entladebetrieb, so macht sich - an den Instrumenten 12 und 13 ablesbar - ein Quellungsminimum bei der aufgeladenen und ein Quellungsmaximum bei der entladenen Batterie bemerkbar. Dabei zeigt sich, daß sowohl die im Verlaufe eines Zyklus gemessene Druckänderung als auch die Weglängenänderung vollkommen reversibel sind und mit dem Ladezustand der Batterie überraschend gut korrelieren.To measure the source behavior, the battery is supplied with a defined Bias, which is either on the display instrument 12 of the force transducer 10 or on Display instrument 13 of the displacement transducer 11 is controllable between the fixed plate 2 and movable plate 3 clamped. If you then subject it to a cyclical one Loading / unloading operation, this is what can be seen on the instruments 12 and 13 Swelling minimum for the charged one and a swelling maximum for the discharged one Battery noticeable. It can be seen that both the measured in the course of a cycle The change in pressure and the change in path length are completely reversible and with correlate surprisingly well with the state of charge of the battery.

Es ergibt sich somit ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der Quellung der Elektroden, die wahlweise über eine Druckmeßeinrichtung oder über eine Längenänderungs meßvorrichtung erfaßt werden kann, und dem Ladezustand der Batterie. Beide Meßgrößen, Druck und Weglänge} ändern sich in Abhängigkeit von der Kapazitätsentnahme fast linear.There is thus a direct connection between the swelling of the electrodes, which can be selected via a pressure measuring device or via a length change measuring device can be detected, and the state of charge of the battery. Both measured quantities, Pressure and path length} almost change depending on the capacity used linear.

Um bei Auftreten ungewöhnlich starker Quellungsdrucke ein extremes Zusammenpressen der Tellerfedern 8 zu verhindern, sind sie von einer Hülse 14 umgeben, die eine Annäherung der beweglichen Platte 3 an die feste Platte 4 nur bis zu einer bestimmten Distanz erlaubt.To an extreme if unusually strong swelling pressure occurs To prevent compression of the disc springs 8, they are surrounded by a sleeve 14, the one approach of the movable plate 3 to the fixed plate 4 only up to one certain distance allowed.

Die Komprimierbarkeit der Tellerfedern wird daher nicht erschöpfend ausgenutzt, sondern durch die Länge der Hülse auf einen Maximalwert begrenzt. Dieser Maximalwert ist an dem normalen Ausdehnungsverhalten der Batterie unter üblichen Betriebsbedingungen orientlerto Der in der Figur 2 wiedergegebenen Vorrichtung zum Messen des Ladezustandes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt das gleiche Funktionsprinzip wie der Vorrichtung von Figur 1 zugrunde. Diese Anordnung unterscheidet sich hinsichtlich ihres Aufbaues von der beschriebenen Vorrichtung nur dadurch, daß an die Stelle der zweiten festen Platte 4 vier Widerlager 4 getreten sind (davon nur die beiden vorderen erkennbar), welche die festen Enden der vier Schraubenbolzen 1 bilden. Mit einer auf die Widerlager 4 gestützten Federanordnung 7 steht wiederum eine bewegliche Platte 3 in Verbindung. Auch die Anordnung der Zellen 5 zwischen fester Platte 2 und beweglicher Platte 3 entspricht derjenigen in der Vorrichtung nach Figur 1. Nur wird hier durch die periphere Anordnung der beweglichen Platte 3 eine sehr gästige Raumform der Einspannvorrichtung erzielt, die zur Länge des Zellenblocks angepaßt werden kann. Die Einstellung einer Vorspannung kann in diesem Fall mit Ililf der Schraubmuttern 15 an der festen Platte 2 gesch@@en.The compressibility of the disc springs is therefore not exhaustive utilized, but limited to a maximum value by the length of the sleeve. This The maximum value is below normal for the normal expansion behavior of the battery Operating conditions orientlerto The device shown in FIG. 2 for Measuring the state of charge according to the method according to the invention is the same Functional principle as the device of Figure 1 is based. This arrangement is different their structure differs from the described device only in that that the second fixed plate 4 has been replaced by four abutments 4 (of which only the two front ones can be seen), which are the fixed ends of the four screw bolts 1 form. With a spring arrangement 7 supported on the abutment 4, there is again a movable plate 3 in connection. The arrangement of the cells 5 between fixed plate 2 and movable plate 3 corresponds to that in the device according to Figure 1. Only here is through the peripheral Arrangement of movable Plate 3 achieved a very convenient spatial shape of the jig, the length of the cell block can be customized. The setting of a preload can be done in in this case with the aid of the screw nuts 15 on the fixed plate 2.

Neben oder anstelle des Wegaufnehmers 11 kann entsprechend Figur 1 ein Kraftaufnehmer -vorgesehet. werden.In addition to or instead of the displacement transducer 11, according to FIG a force transducer -provided. will.

Claims (7)

atentansprüche 1. Verfahren zur Messung des Ladezustandes von wiederaufladbaren galvanischen Elementen mit quellenden Elektroden und alkalischem Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung de Ladezustandes die in Rhythmus der Ladung und Entladung reversibel sich ändernde Quel lung der Elektroden gemessen wird. Claims 1. Method for measuring the state of charge of rechargeable galvanic elements with swelling electrodes and alkaline electrolytes, thereby characterized in that to determine the state of charge in the rhythm of the charge and Discharge reversibly changing source of the electrodes is measured. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellung mittels einer Kraftmeßeinrichtung gemessen wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the swelling is measured by means of a force measuring device. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellung mittels einer LängenanderungFneßvorrichtung gemessen wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that the swelling is measured by means of a length change measuring device. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eng aneinanderstehenden Einzelzellen (5) zwischen zumindest einer festen Platte (2) und einer beweglichen Platte (3) angeordnet sind und daß die bewegliche Platte (3) mit einer Federanordnung (7) in Verbindung steht, über welche eine vorgegebene Vorspannung der Akkumulatorenbatterie (6) einstellbar ist und daß der Federanordnung (7) ein Kraftaufnehmer (10) oder ein Wegaufnehmer (11) zugeordnet ist. 4. Apparatus for performing the method according to the claims 1 to 3, characterized in that the closely spaced individual cells (5) arranged between at least one fixed plate (2) and one movable plate (3) are and that the movable plate (3) with a spring arrangement (7) in connection stands, via which a predetermined bias voltage of the accumulator battery (6) can be set is and that the spring arrangement (7) a force transducer (10) or a displacement transducer (11) is assigned. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (7) zwischen der beweglichen Platte (3) und einer weiteren festen Platte (4) angeordnet ist, welche mit der ersten festen Platte (2) starr verbunden ist.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that the spring arrangement (7) arranged between the movable plate (3) and another fixed plate (4) is, which is rigidly connected to the first fixed plate (2). 6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung (7) aus mehreren Tellerfedern (8) besteht, deren Vorspannung durch Schraubenbolzen (1) eingestellt wird.6. Device according to claims 4 and 5, characterized in that that the spring arrangement (7) consists of several disc springs (8), the bias of which adjusted by screw bolts (1). 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Kompression der Tellerfedern (8) durch die Länge einer Hülse (14) begrenzt ist.7. Device according to claims 4 to 6, characterized in that that the maximum compression of the disc springs (8) through the length of a sleeve (14) is limited.
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