DE2925248C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Ladezustandes von wiederaufladbaren galvanischen Elementen mit quellenden Elektroden und alkalischem Elektrolyten, bei welcher die Elemente mittels einer Federanord­ nung in Richtung ihrer größten Formänderung vorgespannt sind und die Quel­ lung über eine Kraftmeßeinrichtung oder eine Längenänderungsmeßvorrichtung erfaßt werden kann.

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, welcher jedoch das Verhalten des galvanischen Elements nicht zuverlässig nachbildet und insbesondere die Abhängigkeit der Kapazität von der Entladestromstärke nicht berücksichtigt.

Bei anderen Vorrichtungen zur Bestimmung des Ladezustandes wird von der Quellung der Elektroden, die sich im Rhythmus der Ladung und Entladung re­ versibel ändert, als Meßgröße Gebrauch gemacht und diese als Kraft- oder Längenänderung angezeigt. So besteht gemäß DE-AS 10 86 312 ein elektrischer Druckmesser aus zwei gegeneinander preßbaren, jedoch voneinander isolierten Kondensatorplatten, die sich in einem schützenden Balg befinden und in Ab­ hängigkeit von dem durch die Elektrodenpakete auf sie ausgeübten Druck eine Wechselstrom-Meßbrücke verstimmen. Der Ladezustand ist dann einem Druck- Ladungs-Diagramm zu entnehmen, welches zuvor mit Hilfe korrespondierender Werte für den Ladezustand, auf übliche Weise an einem Akkumulator der glei­ chen Art gemessen, und für den Grad der Verstimmung aufgestellt wurde. Die Vorspannung der Elektrodenpakete wird dabei durch eine leichte Wellung der Kondensatorplatten erreicht.

Aus der DE-OS 24 48 068 ist ebenfalls, allerdings für einen Blei-Säure- Akkumulator, die Möglichkeit der Bestimmung des Ladezustandes mit Hilfe eines auf Druckänderungen oder Längen- bzw. Volumenänderungen ansprechenden Sensors bekannt, wobei der Drucksensor z. B. ein mit einem Druckgefäß in Verbindung stehendes Manometer oder ein Druckschalter ist, während zur Erfassung von Längenänderungen ein den gesamten Plattenblock umschließender Dehnungsmeßstreifen dienen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine durch den eingangs formulier­ ten Gattungsbegriff in ihrer grundsätzlichen Wirkungsweise beschriebene Meß­ vorrichtung anzugeben, die eine Einspannung von Plattenpaketen oder Zellen­ blöcken mit einer stets zuverlässigen Gegenfederung erlaubt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Federanordnung aus Tellerfedern besteht.

Die an verschiedenen aktiven Massen, insbesondere positiven Nickelhydroxid- Massen schon länger beobachteten Volumen­ änderungen bei der elektrischen Zyklenbehandlung korre­ lieren nämlich mit der fortschreitenden Ladung oder Entladung jeweils vorzeichenrichtig und im richtigen Ver­ hältnis. Während der Entladung findet eine Volumenaus­ dehnung, während der Ladung dagegen eine Schrumpfung statt. Auf die Größe der Volumenänderungen haben auch die Massezusammensetzung und die Konzentration des Elektro­ lyten Einfluß.

Als Ursache dieses Phänomens kommen kristallchemische Um­ wandlungen in Frage. Indem Nickelhydroxidphasen anderer Dichte und Feinstruktur entstehen und wieder abgebaut werden, ergeben sich wechselnde Volumenansprüche, die sich durch entsprechende Volumenschübe innerhalb des aktiven Materials bemerkbar machen.

Bei Zellen oder Batterien des alkalischen Ni(OH)₂/Fe- Systems mit Preß- oder Walzelektroden ist der aus diesen Volumenschüben resultierende Quelldruck besonders ausge­ prägt. Er führt fast regelmäßig zu Verformungen des Ge­ häuses, die auch gelegentlich ein Bersten zur Folge haben können.

Zur Messung der Quellung kann sowohl eine Kraftmeßein­ richtung als auch eine Längenänderungsmeßvorrichtung dienen. Ersterer kann beispielsweise ein Piezokristall oder ein Dehnungsmeßstreifen zugrunde liegen. Letzere kann als Wirkungselement einen induktiven Näherungsauf­ nehmer oder ebenfalls einen Dehnungsmeßstreifen enthalten.

Um die Formstabilität der Masseelektroden, die für die Reproduzierbarkeit der Messungen unerläßlich ist, zu er­ halten, werden die galvanischen Elemente in Richtung ihr größten Formänderung in eine Spannvorrichtung federnd eingespannt. Die Spannvorrichtung ist so be­ schaffen, daß die eng aneinander stehenden Einzelzellen zwischen zumindest einer festen Platte und einer beweg­ lichen 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 Wegaufnehmer zugeordnet ist.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einspannvorrichtung in einer allgemeinen Ausführungsform.

Fig. 2 gibt eine modifizierte Einspannvorrichtung wieder.

Der Aufbau der Vorrichtungen zu der Messung des Ladezustandes werden im folgenden näher erläutert.

Gemäß Fig. 1 besteht die Vorrichtung aus vier Schrauben­ bolzen 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 Doppelplatte ausge­ bildete - Platte 3 beweglich ist. Zwischen fester Platte 2 und beweglicher Platte 3 ist die aus den Zeilen 5 zusammen­ gesetzte Batterie 6 unter einer Vorspannung federnd einge­ spannt, wobei die bewegliche Platte 3 mit einer Federan­ ordnung 7 in Verbindung steht, über welche die Vorspannung der Akkumulatorenbatterie einstellbar ist. Die Feder­ anordnung 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 zusam­ menhängendes Federpaket auf die vier Schraubenbolzen 1 aufgefädelt sind.

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 Weg­ aufnehmer 11 dient. Die bewegliche Platte 3 ist zu diesem Zweck aufgeteilt und der Kraftaufnehmer 10 zwischen beide Teilplatten, die ihrerseits gegeneinander beweg­ lich sind, eingefügt.

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 aus­ dehnen. Sie kann aber auch etwas schrumpfen, ohne den Kontakt zur beweglichen Platte 3 zu verliegen, weil die vorgegebene Vorspannung dafür sorgt, daß eine hinrei­ chende Restspannung erhalten bleibt. Bei einer starren Verspannung wäre ein unvermitteltes Absinken der Spann­ kraft gegen Null die Folge.

Zur Messung des Quellverhaltens 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 ein­ gespannt. Unterwirft man sie darauf einem zyklischen Lade/Entladebetrieb, so macht sich - an den Instrumenten 12 und 13 ablesbar - ein Quellungsminimum bei der aufgela­ denen und ein Quellungsmaximum bei der entladenen Batterie bemerkbar. Dabei zeigt sich, daß sowohl die im Verlaufe eines Zyklus gemessene Druckänderung als auch die Weg­ längenänderung vollkommen reversibel sind und mit dem Ladezustand der Batterie überraschend gut korrelieren.

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.

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. Die Komprimierbarkeit der Tellerfedern wird daher nicht erschöpfend ausgenutzt, sondern durch die Länge der Hülse auf einen Maximalwert begrenzt. Dieser Maximal­ wert ist an dem normalen Ausdehnungsverhalten der Batterie unter üblichen Betriebsbedingungen orientiert.

Der in der Fig. 2 wiedergegebenen Vorrichtung zum Messen des Ladezustandes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt das gleiche Funktionsprinzip wie der Vorrichtung von Fig. 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 wieder­ um eine bewegliche Platte 3 in Verbindung. Auch die An­ ordnung der Zellen 5 zwischen fester Platte 2 und be­ weglicher Platte 3 entspricht derjenigen in der Vorrich­ tung nach Fig. 1. Nur wird hier durch die periphere Anordnung der beweglichen Platte 3 eine sehr günstige Raumform der Einspannvorrichtung erzielt, die der Länge des Zellenblocks angepaßt werden kann. Die Einstellung einer Vorspannung kann in diesem Fall mit Hilfe der Schraubmuttern 15 an der festen Platte 2 geschehen. Neben oder anstelle des Wegaufnehmers 11 kann ent­ sprechend Fig. 1 ein Kraftaufnehmer vorgesehen werden.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur Messung des Ladezustandes von wiederaufladbaren gal­ vanischen Elementen mit quellenden Elektroden und alkalischem Elektro­ lyten, bei welcher die Elemente mittels einer Federanordnung in Richtung ihrer größten Formänderung vorgespannt sind und die Quellung über eine Kraftmeßeinrichtung oder eine Längenänderungsmeßvorrichtung erfaßt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnung aus Teller­ federn (8) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfe­ dern paketweise auf Schraubenbolzen (1) aufgefädelt sind, über welche die Vorspannung durch Anziehen von Schraubenmuttern (9, 15) einstellbar ist.