DE2925248C2

DE2925248C2 -

Info

Publication number: DE2925248C2
Application number: DE2925248A
Authority: DE
Inventors: Karl Wilhelm Dipl.-Chem. Dr. 6233 Kelkheim De Lexow; Helmut 6237 Liederbach De Kraft
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1979-06-22
Filing date: 1979-06-22
Publication date: 1988-05-11
Also published as: DE2925248A1

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.The invention relates to a device for measuring the state of charge of rechargeable galvanic elements with swelling electrodes and alkaline electrolyte, in which the elements by means of a spring arrangement are biased towards their greatest change in shape and the source tion via a force measuring device or a length change measuring device can be detected.

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.For rechargeable galvanic elements with alkaline electrolytes are essentially measuring devices for displaying the state of charge coulometric basis known. The coulometer works as a Integrator, which however does not affect the behavior of the galvanic element reliably replicates and in particular the dependence of the capacity on the discharge current is not taken into account.

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.In other devices for determining the state of charge, the Swelling of the electrodes, which are in the rhythm of the charge and discharge right versible changes, used as a measurement and this as a force or Change in length displayed. According to DE-AS 10 86 312 there is an electrical one Pressure gauge made of two pressable but isolated from each other Capacitor plates, which are in a protective bellows and in Ab dependence on the pressure exerted on them by the electrode packs Detune AC measuring bridge. The state of charge is then a pressure Charge diagram can be seen, which previously with the help of corresponding Values for the state of charge, in the usual way on an accumulator of the same kind Chen type, and was set up for the degree of upset. The The electrode packs are preloaded by a slight corrugation Capacitor plates reached.

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.From DE-OS 24 48 068 is also, but for a lead acid Accumulator, the possibility of determining the state of charge with the help one for changes in pressure or changes in length or volume responsive sensor known, the pressure sensor z. B. one with one Pressure vessel is a connected pressure gauge or a pressure switch, while to record changes in length the entire plate block enclosing strain gauges can serve.

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.The invention has for its object to formulate one by the beginning ten generic term described in its basic mode of action device to specify the clamping of plate packs or cells blocks with always reliable counter-suspension allowed.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Federanordnung aus Tellerfedern besteht.The object is achieved in that the spring arrangement Disc springs exist.

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.The different active masses, especially positive nickel hydroxide Masses of observed volume changes in the electrical cycle treatment correct namely with the progressive charge or Unloading in the correct sign and in the correct ver ratio. A volume is found during the discharge elongation while shrinking during loading instead of. On the size of the volume changes also have Mass composition and the concentration of the electro lyten influence.

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.The cause of this phenomenon is crystalline chemistry changes in question. By nickel hydroxide phases of others Density and fine structure emerge and break down again there are changing volume requirements that through corresponding volume increases within the active material.

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.In the case of cells or batteries of the alkaline Ni (OH) ₂ / Fe system with pressing or rolling electrodes, the swelling pressure resulting from these volume spurts is particularly pronounced. It almost regularly leads to deformation of the housing, which can also occasionally cause it to burst.

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.Force measurement can be used to measure swelling direction as well as a length change measuring device serve. The former can, for example, be a piezo crystal or based on a strain gauge. The latter can be an inductive approximation taker or also contain a strain gauge.

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.To ensure the dimensional stability of the ground electrodes, Reproducibility of measurements is essential to it hold the galvanic elements in the direction her biggest change in shape into a jig spring loaded. The jig is so create that the closely spaced single cells between at least one fixed plate and one moving Lichen plate are arranged and that the movable Plate is connected to a spring arrangement, via which a predetermined preload of the accumulator Gate battery is adjustable and that the spring arrangement assigned to a force transducer or a displacement transducer is.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Einspannvorrichtung in einer allgemeinen Ausführungsform. Fig. 1 shows a clamping device according to the invention in a general embodiment.

Fig. 2 gibt eine modifizierte Einspannvorrichtung wieder. Fig. 2 shows a modified jig.

Der Aufbau der Vorrichtungen zu der Messung des Ladezustandes werden im folgenden näher erläutert.The structure of the devices to measure the state of charge in following explained in more detail.

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.Referring to FIG. 1, the device consists of four bolts 1 (of which the front, only the two are visible) and arranged on this bolt plates 2, 3 and 4, of which the plates have a fixed distance from each other 2 and 4, while the - formed out as a double plate - plate 3 is movable. Between the fixed plate 2 and the movable plate 3 , the battery 6 assembled from the rows 5 is resiliently clamped under a bias, the movable plate 3 being connected to a Federan arrangement 7 , via which the bias of the accumulator battery is adjustable. The spring arrangement 7 in turn is arranged between the movable plate 3 and the other fixed plate 4 . It consists of several plate springs 8 , each of which is threaded onto the four screw bolts 1 as a coherent spring assembly.

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.By tightening the screw nuts 9 with the aid of a torque wrench, the pretension can be set with great accuracy via the screw bolts 1 , a force transducer 10 or a displacement transducer 11 being used for checking. For this purpose, the movable plate 3 is divided and the force transducer 10 is inserted between the two partial plates, which in turn are movable against one another.

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.Because of the resilient clamping, the battery 6 can now expand slightly to the right by moving the movable double plate 3 against the force of the plate springs 8 . But it can also shrink a little without lying in contact with the movable plate 3 , because the predetermined bias ensures that a sufficient residual stress is maintained. In the case of rigid bracing, the result would be a sudden drop in the clamping force towards zero.

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. To measure the swelling behavior, the battery is clamped between a fixed plate 2 and a movable plate 3 with a defined bias voltage that can be checked either on the display instrument 12 of the force transducer 10 or on the display instrument 13 of the displacement transducer 11 . If you subject it to a cyclical charge / discharge operation, then a swell minimum becomes noticeable on the charged and a swell maximum on the discharged battery, as can be seen on the instruments 12 and 13 . It shows that both the pressure change measured in the course of a cycle and the change in path length are completely reversible and 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 therefore a direct connection between the swelling of the electrodes, which can be either a pressure measuring device or via a length change measuring device can be detected, and the state of charge the battery. Both measurands, pressure and path length, change depending on the capacity draw almost 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.In order to prevent extreme compression of the disc springs 8 when unusually strong swelling pressures occur, they are surrounded by a sleeve 14 which only allows the movable plate 3 to approach the fixed plate 4 up to a certain distance. The compressibility of the disc springs is therefore not exhaustively used, but is limited to a maximum value by the length of the sleeve. This maximum value is based on the normal expansion behavior of the battery under normal operating conditions.

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.The device for measuring the state of charge shown in FIG. 2 according to the inventive method is based on the same functional principle as the device of FIG. 1. This arrangement differs in terms of its structure from the described device only in that four abutments 4 have taken the place of the second fixed plate 4 (only the two front ones can be seen), which form the fixed ends of the four screw bolts 1 . With a spring arrangement 7 supported on the abutment 4 there is again a connection to a movable plate 3 . The arrangement of the cells 5 between the fixed plate 2 and the movable plate 3 corresponds to that in the device according to FIG. 1. Only the peripheral arrangement of the movable plate 3 achieves a very favorable spatial shape of the clamping device, which corresponds to the length of the cell Cell blocks can be adjusted. In this case, the setting of a preload can be done with the aid of the screw nuts 15 on the fixed plate 2 . In addition to or instead of the displacement transducer 11 , a force transducer can accordingly be provided in FIG. 1.

Claims

1.Device for measuring the state of charge of rechargeable galvanic elements with swelling electrodes and alkaline electrolyte, in which the elements are prestressed in the direction of their greatest change in shape by means of a spring arrangement and the swelling can be detected by means of a force measuring device or a length change measuring device, characterized in that that the spring arrangement consists of plate springs ( 8 ).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the Tellerfe dern packets are threaded onto bolts ( 1 ), via which the preload is adjustable by tightening nuts ( 9, 15 ).