DE3231363C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum vorzeitigen Erkennen des Lebensdauer-Endes eines Bleiakkumulators.

In Bleiakkumulatoren besteht die positive Elektrode aus Bleidioxid, PbO₂, das in ein Gitter aus einer Bleilegierung einpastiert ist. Im Gegensatz zu dieser als Gitterplatte bezeichneten Konstruktion findet man vielfach sogenannte Röhrchenelektroden oder Panzerplatten, bei denen die aktive PbO₂-Masse in mehreren nebeneinanderliegenden Isolierstoffröhrchen untergebracht ist. Als Stromableiter dienen hierbei zentrisch in den Röhrchen verlaufende Hartbleidrähte, welche an den oberen Enden durch Bleibrücken leitend verbunden sind.

Es liegt in der Natur des Bleiakkumulators, daß seine Lebensdauer letztendlich durch die Korrosion des positiven Gitters oder Ableiters bestimmt ist, das sich auf dem positiven Potential des PbO₂ in der als Elektrolyt verwendeten konzentrierten Schwefelsäure unaufhaltsam oxidiert. Der korrosive Angriff ist in den verschiedenen Phasen der Ladung, Entladung und der Pausen unterschiedlich. Auch die Temperatur spielt hier mit hinein. Eine besonders wichtige Einflußgröße bei der Korrosion ist die Zusammensetzung der Gitterlegierung. So wird mit steigendem Antimongehalt der korrosive Angriff verstärkt. Namentlich bei den Gitterplatten verursacht das Wegkorrodieren der meist unterschiedlich dicken Gitterstege eine zeitlich fortschreitende Vergrößerung des Innenwiderstandes, gepaart mit der Abnahme der zur Verfügung stehenden Kapazität.

Bei der Starterbatterie kann die Startleistung am Ende der Lebensdauer, besonders bei kaltem Wetter, dann nicht mehr aufgebracht werden, wenn das Plusgitter zu stark korrodiert ist.

Oft wird der Batteriebenutzer ungewarnt von dem Ausfallereignis getroffen und muß dann die umständlichen Folgen tragen.

Bei Primärbatterien fällt das Ende ihrer Gebrauchsfähigkeit in der Regel mit der Erschöpfung des Aktivmaterials der negativen Elektrode, i. a. eine Metallelektrode, zusammen, desen Auflösung und damit das Ende der Batterielebensdauer wesentlich einfacher augenfällig gemacht werden kann.

Einer bekannten Anzeige für die Erschöpfung der Batterie gem. US-PS 37 73 563 liegt die Schaffung gezielter Schwachstellen in einer solchen Lösungselektrode zugrunde, die hier aus den Restdicken einer Zinkplatte über in diese Platte eingebrachten Bohrungen bestehen. Die Bohrungen sind mit einem Farbindikator sowie einem reaktiven chemischen Agens gefüllt und ihre offenen Enden mit Pech elektrolytdicht versiegelt. Dem restlosen Verbrauch der Zinkelektrode geht die Auflösung des Materials an den Schwachstellen voraus, der Farbstoff wird freigesetzt und durch die heftige Umsetzung des beigefügten Agens, z. B. Al-Pulver, mit dem Lauge-Elektrolyten sogleich über das gesamte Elektrolytvolumen und damit gut sichtbar verteilt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit deren Hilfe das zu erwartende Lebensdauer- Ende genügend präzise vorhergesagt werden kann, so daß der Akkumulatorbenutzer vor der unliebsamen Überraschung eines plötzlichen Batterieausfalls gesichert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ausgestattete Vorrichtung gelöst.

Es hat sich gezeigt, daß das den Kern dieser Vorrichtung bildende Leiterstück sich als Prüfkörper bestens eignet, wenn seine Lebensgeschichte über alle Potential- und Temperaturverläufe hinweg exakt mit derjenigen der positiven Elektrode gekoppelt wird und somit der gleichen korrosiven Veränderung wie jene unterliegt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Leiterstück zudem die gleiche Legierungszusammensetzung wie der Elektrodenableiter besitzt.

Um seiner erfindungsgemäßen Aufgabe zu genügen, muß das Leiterstück grundsätzlich so gestaltet sein, daß es am Ende einer vorgegebenen Korrosionseinwirkung, welches dem Zeitpunkt des Ausfalls der positiven Elektrode ein wenig vorgreift, seinen Widerstand sprunghaft und in so charakteristischer Weise ändert, daß dieses elektrische Signal in eine augenfällige Anzeige umgesetzt werden kann.

Anhand einiger Figuren sollen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Funktionsweise erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein sogenanntes Lebensdauer-Prüfgitter (LPG) für Akkumulatoren.

Fig. 2 zeigt schematisch die Funktion des LPG nach Fig. 1 als Bestandteil einer Widerstandsmeßbrücke.

Fig. 3 zeigt eine besondere Ausführungsform des Leiterstücks einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung und dessen Verschaltung mit einem LCD-und/oder LED-Anzeigesystem.

Das Lebensdauer-Prüfgitter (LPG) gemäß Fig. 1 stellt eine besonders praktische Ausführung des Erfindungsgegenstandes dar. Bei diesem - z. B. einem positiven Elektrodengitter - ist von den ursprünglich gleichdicken Bleischenkeln 4, 5 zwischen den Gitterstegen 1, 2, 3 der Schenkel 4 breitgequetscht. Dieser Quetschbereich unterliegt wegen seiner größeren Oberfläche einer erhöhten Korrosion. Legt man ein solches Gitter in der angedeuteten Weise in einen Wechselstromkreis und betrachtet die Bleischenkel 4, 5 sowie die Gitterstege 1, 3 als elektrische Widerstände, so ist damit eine Wheatstone'sche Widerstandsmeßbrücke realisiert, wie sie schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Anfänglich sind die Spannungsabfälle des Wechselstroms über die Widerstände 4, 3 einerseits und 5, 1 andererseits einander gleich, ein Potentialunterschied zwischen 1 und 3 somit nicht vorhanden. Mit zunehmender Korrosion wird die Brücke zunächst langsam, am Ende sprunghaft verstimmt. Dabei ist Δ U das den Korrosionsfortschritt anzeigende Spannungssignal der verstimmten Brücke. Die Verbindungsleitung des LPG zur positiven Elektrode ist mit 6 bezeichnet.

Im Hinblick auf die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe und das gemeinsame Lösungsprinzip scheint die Übertragung der Bezeichnung "Lebensdauer-Prüfgitter" auf die nachfolgend zu behandelnden Varianten des Erfindungsgegenstandes durchaus angebracht.

Da die Bildung des PbO₂ oder PbSO₄ aus dem Blei mit einer großen Volumenänderung verbunden ist, kann auch die durch den Volumenschub bei der Korrosion bewirkte Kraft zur Abgabe eines Signals ausgenutzt werde. Die zweckmäßige Form des als Prüfgitter fungierenden Leiterstücks ist in diesem Fall gemäß Fig. 3 diejenige zweier voneinander getrennter und in ein gemeinsames elektrolyt- durchlässiges Kunststoffrohr 1 eingeschlossener Bleidrähte 2, 3, von denen einer mit der positiven Elektrode kurzgeschlossen, der andere mit der negativen Elektrode über einen hochohmigen Widerstand 4 verbunden ist. Die Anzeige wird hier wahlweise von einem hochohmigen LCD-System 5 oder einem stromintensiven, kontraststarken LED-System 6 übernommen.

Der durch die Korrosion ausgelöste Volumenschub führt am Ende einen elektronischen Kurzschluß der beiden Bleidrähte herbei, da PbO₂ ein guter Elektronenleiter ist. Das LCD 5 wird spannungslos und ändert daraufhin seinen Anzeigezustand. Der Kurzschluß zwischen den Bleidrähten bewirkt ebenso einen Elektronenfluß in Durchlaßrichtung des LED 6. Die Farbe des dabei ausgesandten Lichts hängt vom verwendeten Diodenmaterial ab. Durch Mischen von GaAs und GaP können die Farben von rot bis gelb eingestellt werden. In jedem Fall löst der elektronische Kurzschluß ein Warnsignal aus, wobei LCD und LED gleichzeitig als Signalgeberfungieren können, da das LCD hochohmig ist und damit eine Aktivierung der LED noch vor Eintritt des elektronischen Kurzschlusses verhindert.

Einige weitere Ausführungsformen der Erfindung seien im folgenden ohne figürliche Darstellung kurz beschrieben. So kann das kritische Leiterstück eines Lebensdauer-Prüfgitters aus einem Pb-Plättchen gebildet seinn, das sich auf dem Potential der PbO₂-Elektrode befindet und mit Hilfe eines elektronischen Annäherungsschalters, der eine kleine elektromagnetische Spule enthält, induktiv oder kapazitiv abgetastet werden kann. Der Schalter ist fest auf dem Plättchen positioniert. Die durch Korrosion aus dem Blei entstehende PbO₂-Schicht verändert die elektromagnetische Ankopplung etwa proportional zur entstehenden Korrosionsschicht auf dem Plättchen. Als Folge der veränderten elektromagnetischen Ankopplung sind die von der Spule im Plättchen induzierten Wirbelströme, welche Verlustleistung verursachen, am Anfang und am Ende der Plättchen-Lebensdauer unterschiedlich. Parallel dazu verändert sich auch das kapazitive Verhalten des Plättchens. Ist alles Blei abkorrodiert, warnt eine zugehörige Signaländerung vor dem bevorstehenden Batterieausfall, sofern das Bleiplättchen entsprechend dimensioniert war.

Der Erfindungsgegenstand kann auch ein kunststoffumspritzter Bleidraht sein, der in den Elektrolyten der Akkumulatorzelle eintaucht und mit der positiven Elektrode verbunden ist. Die Korrosionsfront kriecht dann in die Kunststoffumhüllung ein und kann beispielsweise ähnlich wie bei der vorstehenden Anordnung durch die zunehmende Dämpfung des elektromagnetischen Feldes einer in der Kunststoffumhüllung angebrachten Spule ermittelt werden.

Ein besonders einfaches Prüfgitter ist als bleiummantelter Kupferdraht gestaltet. Der Kupferdraht behält seinen elektrischen Widerstand weitgehend bei, bis durch Wegkorrosion des Pb-Mantels der Elektrolyt Zutritt zum Kupferdraht bekommt. Der Kupferdraht wird dann innerhalb sehr kurzer Zeit aufgelöst; der elektrische Widerstand wird in diesem Moment unendlich groß, seine Änderung der Auslöser für eine Warnanzeige.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum vorzeitigen Erkennen des Lebensdauer-Endes eines Bleiakkumulators, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem mit der positiven Elektrode kurzgeschlossenen und mit dem Säureelektrolyt in Kontakt befindlichen Leiterstück aus Blei oder einer Bleilegierung besteht, dessen elektrischer Widerstand sich durch Korrosion gegen Ende der Akkumulator-Lebensdauer sprunghaft ändert, und daß durch die Widerstandsänderung ein elektrisches oder optisches Signal auslösbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterstück die gleiche Legierungszusammensetzung wie der Elektrodenableiter besitzt.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterstück Teil eines positiven Elektrodengitters ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterstück die Form zweier voneinander getrennter und in ein gemeinsames, elektrolytdurchlässiges Kunststoffrohr eingeschlossener Bleidrähte besitzt, von denen einer mit der positiven, der andere mit der negativen Elektrode elektrisch leitend verbunden ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterstück die Form eines Plättchens besitzt und mit einer induktiven oder kapazitiven Abtastungsvorrichtung gekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterstück ein kunststoffumspritzter Draht ist, in dessen Kunststoffmantel eine Spule angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterstück ein mit Blei ummantelter Kupferdraht ist.