DE3402374C2

DE3402374C2 - Einrichtung zum Anzeigen des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie

Info

Publication number: DE3402374C2
Application number: DE3402374A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. 7000 Stuttgart Ruhrmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-01-25
Filing date: 1984-01-25
Publication date: 1986-02-13
Also published as: DE3402374A1

Abstract

Eine Einrichtung dient zum Anzeigen des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie (20) mit flüssigem Elektrolyten (26), insbesondere eines Kraftfahrzeug-Bleiakkumulators. Sie umfaßt eine Meßeinrichtung zum Erfassen der Dichte des Elektrolyten (26). Die Meßeinrichtung weist dabei einen optischen Sensor (29) mit einem Sensorkörper (34) aus lichtdurchlässigem Material auf, der ständig wenigstens teilweise in den Elektrolyten (26) eingetaucht ist. Erste Mittel (32) erzeugen Licht, dessen Strahlen im Sensorkörper (34) geführt werden und unter einem schiefen Winkel auf dessen innere Begrenzungsflächen (37) fallen. Zweite Mittel (33) dienen zum Auskoppeln von Licht aus dem Sensorkörper (34) an einer Begrenzungsfläche (36) des Sensorkörpers (34). Die Dichte des Sensorkörper-Materials ist gleich derjenigen Dichte, die der Elektrolyt (26) bei einem vorbestimmten Ladezustand der Akkumulatorbatterie (20) aufweist. Vorzugsweise besteht der Sensorkörper (34) selbst auch aus dem Elektrolyten (26).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Anzeigen des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie mit flüssigem Elektrolyten, insbesondere eines Kraftfahrzeug-Bleiakkumulators, mit einer Meßeinrichtung zum Erfassen der Dichte des Elektrolyten, die einen optischen Sensor mit mindestens einem Sensorkörper aus lichtdurchlässigem Material umfaßt, der ständig wenigstens teilweise in den Elektrolyten eingetaucht ist wobei erste Mittel Licht erzeugen, dessen Strahlen ii.i Sensorkörper geführt werden und unter einem schiefen Winkel auf dessen innere Begrenzungsflächen fallen, und zweite Mittel zum Auskoppeln von Licht aus dem Sensorkörper an einer Begrenzungsfläche des Sensorkörpers vorgesehen sind.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-AS 27 28 310 bekannt

Es ist bekannt daß bei einer Akkumulatorbatterie mit flüssigem Elektrolyten der Ladezustand mit der Dichte des Elektrolyten, beispielsweise der Schwefelsäure, bei einem Kraftfahrzeug-Bleiakkumulator verknüpft ist Es ist daher bekannt den Ladezustand dadurch zu prüfen, daß die Dichte der Säure gemessen wird. Hierzu bedient man sich üblicherweise eines Säurehebers. Bekannte Säureheber bestehen aus einer Glasrohre mit angesetztem Ansaugballon, wobei sich in der Glasrohre ein Aräometer, d. h. ein Schwimmer mit geeichter Skala befindet. Mittels des Ansaugballons wird Elektrolyt in den Bereich des Aräometers angesaugt und je nach Stellung des Schwimmers kann man die Dichte des Elektrolyten an der geeichten Skala ablesen. Die Umrechnung der Dichte des Elektrolyten in den Ladezustand kann man dann anhand einer Tabelle vornehmen.

Es liegt auf der Hand, daß die Art der Bestimmung des Ladezustandes der Batterie recht umständlich und auf den Werkstatteinsatz beschränkt ist. Andererseits besteht ein erhebliches Bedürfnis nach einer derartigen Anzeige, weil beispielsweise bei heutigen Kraftfahrzeu-

gen im Winterbetrieb die Leistungsaufnahme der zuschaltbaren Verbraucher, insbesondere der wärmeerzeugenden Verbraucher wie der heizbaren Heckscheibe, der Sitzheizung u-dgL, die Nachladefähigkeit der Lichtmaschine weit übersteigt Bei langem Zuschalten dieser Verbraucher kann daher der Fall eintreten, daß das Kraftfahrzeug wegen vollständiger Entladung der Batterie unvermittelt stehen bleibt.

Zwar sind auch schon verschiedene Methoden vorgeschlagen worden, den Ladezustand der Batterie anhand der elektrischen Entladekennlinie dadurch zu überprüfen, daß man kurzzeitig der Batterie einen höheren Teststrom entnimmt, diese bekannten Verfahren sind jedoch in mehrfacher Hinsicht nachteilig. Zum einen sind zum Schalten hoher Ströme aufwendige Schaheinrichtungen erforderlich, zum anderen werden bei derartigen Schaltungen häufig auch Funken erzeugt, die zusammen mit den von einem Bleiakkumulator erzeugten Gasen gefährlich sein können und schließlich bewirken diese bekannten Verfahren bei nahezu entladener Batterie, d.h. demjenigen Betriebsfall, der gerade erfaßt werden soll, eine zusätzliche und damit unerwünschte Batterieentladung.

Aus der eingangs genannten DE-AS 27 28 310 ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der ein Sensor mit einem optisch transparenten Sensorkörper in den Elektrolyten einer Akkumulatorbatterie eingetaucht ist In der oben aus dem Elektrolyten herausragenden Begrenzungsfläche des Sensorkörpers ist ein Lichtsender angeordnet der einen achsparallelen Lichtstrahl nach unten in den eingetauchten Sensorkorper sendet Dieser achsparallele Lichtstrahl trifft unter einem schiefen Winkel auf eine schräge innere Begrenzungsfläche des Sensorkörpeirs, wird dort reflektiert, gelangt auf eine im Sensorkörper angeordnete spiegelnde Oberfläche, wobei die Winkel der beiden Flächen so bemessen sind, daß der Lichtstrahl wieder achsparallel nach oben zum Ende des Sensorkörpers gelangt und dort auf einen Lichtempfänger trifft. Die Dichte des Sensorkörper-Materiales ist größer als die Dichte des umgebenden Elektrolyten, so daß bei dem bekannten Sensor grundsätzlich eine Totalreflektion möglich ist. Der Meßeffekt wird bei diesem bekannten Sensor dadurch erzielt daß der Winkel, unter dem der achsparallele Lichtstrahl auf die schräge Begrenzungsfläche trifft, stets größer als der kritische Winkel der Totalreflektion ist, so daß bei sich mit dem Ladezustand der Akkumulatorbatterie ändernder Dichte des Elektrolyten eine mehr oder weniger starke Teüreflektion einstellt. Der teilreflektierte Lichtstrahl wird nach verlustfreier Umlenkung unmittelbar empfangen und der Meßeffekt wird aus dem Verhältnis des einfallenden zum Teil reflektierten Lichtstrahl bestimmt

Der bekannte Sensor gestattet damit kontinuierliche Ladezustandsmessungen, jedoch sind nur verhältnismäßig kleine Meßsignale erzielbar, weil der teilreflektierte Strahl immer deutlich schwächer als der einfallende Strahl ist. Außerdem gestattet der rein analoge Verlauf des Meßsignals keine klare Erkennung eines bestimmten Grenzzustandes. Dies ist jedoch für die Anzeige des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie besonders wichtig, weil der Fahrer eines Kraftfahrzeuges zu einem bestimmten Zeitpunkt klar gewarnt werden muß und nicht auf eine Analoganzeige verwiesen werden darf, die das Erreichen bestimmter Grenzzustände nur sehr unscharf zu erkennen erlaubt. Dies gilt insbesondere dann, wenn aufgrund von thermischen Störungen, wie sie an Bord eines Kraftfahrzeuges durch den extrem großen Temperaturbereich im Motorraum von beispielsweise —40⁰C bis -f-80°C auftreten können, die analoge Ausgangsgröße des bekannten Sensors ohnehin verfälscht wird, weil sich die Dichte des Sensorkörper-Materiales einerseits und des Elektrolyten andererseits unterschiedlich mit der Temperatur ändern.

Aus der DE-AS 23 24 25S ist ein weiterer Sensor der eingangs genannten Art bekannt bei dem ein stabförmiger lichtleitender Körper aus Polymethylmethacrylai

ίο verwendet wird, dessen Brechungsindex wesentlich höher als der von Schwefelsäure ist Auch in diesem Falle wird ein Meßeffekt verwendet der sich bei prinzipiell möglicher Totalreflektion durch Variation des Auftreffwinkels eines Lichtstrahles ergibt Aus der DE-AS 22 65 165 ist ein weiterer Sensor dieser Art bekannt, bei dem ein divergierendes Lichtbündel auf eine schräge Grenzfläche eines transparenten Sensorkörpers gelenkt wird, so daß die einzelnen Lichtstrahlen unter unterschiedlichen winkel auf die Begrenzungsfläche fallen. Bei ebenfalis prinzipiell möglicher Totalreflektion durch höhere Dichte des Sensorkörper-Materials im Vergleich zum Elektrolyten ergibt sich daher auf der schrägen Begrenzungsfläche ein Übergang, von dem ab die unter unterschiedlichem Winkel auftreffenden Lichtstrahlen nicht mehr teil-, sondern totalreflektiert werden. Die aus dem totalreflektierenden Bereich zurückgeworfenen Lichtstrahlen werden mittels eines optischen Flächendetektors ausgewertet. Aus der DE-AS 16 98 236 sowie der parallelen FR-PS 15 56 065 ist ein weiterer Sensor bekannt der stabförmig ausgebildet ist und in den Elektrolyten eines Bleiakkumulators eingeschoben werden kann. An einer Seite ist der einen Glasmantel aufweisende Sensorkörper mit einer prismenförmigen Einbuchtung versehen, an der seitlich der Elektrolyt des Bleiakkumulators anstehen kann. In axialer Richtung befindet sich oberhalb der prismatischen Einbuchtung ein Lichtsender und unterhalb ein Lichtempfänger, wobei die Brechung des Lichtstrahles nach Durchlaufen des an der prismatischen Einbuchtung anstehenden Elektrolyten des Bleiakkumulators erfaßt wird.

Schließlich sind aus der DE-OS 22 47 048, der DE-OS 22 47 095 sowie dar JP-OS 55 53 878 weitere Sensoren bekannt bei denen ebenfalls divergierende Strahlenbündel schräg auf eine Begrenzungsfläche eines transparenten Sensorkörpers treffen und der Übergang von Teilreflektion zur Totalreflektion ausgewertet wird, wie dies bereits beschrieben wurde.

Die bekannten Einrichtungen verwenden soweit insgesamt Sensorkörper-Materialien, deren Dichte immer größer als die Dichte des umspülenden Elektrolyten des Bleiakkumulators im gesamten Meßbereich ist. Es ist daher bei den bekannten Sensoren stets grundsätzlich Totalreflektion möglich. Außerdem wird bei den bekannten Einrichtungen eine Strahlführung verwendet, bei der die Lichtstrahlen grundsätzlich nur einmal an einer Begrenzungsfläche des Sensorkörpers zum Elektrolyten reflektiert werden. Die bekannten Einrichtungen werten dabei immer einen Effekt aus, der sich daraus ergibt daß sich der kritische Winkel des Überganges von der Teüreflektion zur Totalreflektion mit dem Ladezustand der Akkumulatorbatterie ändert.

Dies hat jedoch den bereits eingangs zu der bekannten Einrichtung gemäß DE-AS 27 28 310 geschilderten Nachteil, daß keine klare Erkennungsmöglichkeit für einen bestimmten Grenzwert gegeben ist, wobei zu berücksichtigen ist, da3 der Absolutbetrag des Ladezustandes im allgemeinen weniger interessier als viel-

mehr das Erreichen eines Grenzwertes, insbesondere um eine unzulässige Entladung oder auch eine unzulässige Überladung des Akkumulators zu verhindern.

Weiterhin haben die bekannten Einrichtungen sämtlich den Nachteil, daß sie empfindlich auf Temperatur- Variationen ansprechen, weil sich die Dichte des Sensorkörper-Materiales einerseits und des Elektrolyten andererseits ganz unterschiedlich mit der Temperatur ändern. An Bord eines Kraftfahrzeuges entstehen jedoch im Motorraum höchst unterschiedliche Temperaturen, beispielsweise Temperaturen um -4O⁰C beim Kaltstart und extremen Wintertemperaturen, aber auch Temperaturen im Bereich von 80° C und darüber bei Vollast im Sommerbetrieb. Bei einem derart großen Temperaturintervaii von über i00°C können sich jedoch die opti- sehen Eigenschaften des Sensorkörper-Materiales und des Elektrolyten höchst unterschiedlich ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine einfache und zuverlässige Erken- nung eines bestimmten Grenzwertes bei ausreichenden Signalamplituden möglich wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dichte des Sensorkörper-Materiales gleich derjenigen Dichte ist, die der Elektrolyt bei einem vorbe- stimmten Ladezustand der Akkumulatorbatterie aufweist und daß die Strahlen im Sensorkörper diffus geführt werden, so daß sie nach mehrfacher schiefwinkliger Reflektion an den inneren Begrenzungsflächen auf die zweiten Mittel treffen.

Die Erfindung hat damit gegenüber dem Stand der Technik den wesentlichen Vorteil, daß ein Meßeffekt ausgenutzt wird, der bei Erreichen eines vorbestimmten Ladezustandes eine grundsätzliche Änderung der optischen Eigenschaften des Sensorsystems bewirkt, weil erst bei Erreichen des vorbestimmten Ladezustandes der gesamte Sensor in der Lage ist, eine Totalreflektion zu erzeugen. In Verbindung mit dem Merkmal der mehrfachen schiefwinkligen Reflektion ergibt sich daher für alle Betriebspunkte innerhalb des teilreflektie- renden Betriebes, daß praktisch überhaupt kein Signal auf die zweiten Mittel fällt, weil durch die mehrfache schiefwinklige Reflektion die teilreflektierten Strahlen so stark geschwächt werden, daß sie praktisch keinen Signalanteil mehr liefern. Erreicht jedoch der umspülende Elektrolyt die Dichte des Sensormateriales, wird schlagartig Totalreflektion möglich und es fällt aufgrund der diffusen Lichtführung sofort ein erheblicher Lichtstrahl auf die zweiten Mittel und es stellt sich sprungartig ein Meßsignal ein.

Auf diese Weise ist es einfach und zuverlässig möglich, eine Warnanzeige zu erzeugen, um eine unzulässige Entleerung oder Überladung einer Akkumulatorbatterie anzuzeigen und damit zu verhindern.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensorkörper mit einem Glasmantel überzogen.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß als Material für den Sensorkörper auch solche Materialien gewählt werden können, die chemisch von dem Elektrolyten angegriffen werden würden. Schwefelsäure, der typische Elektrolyt in Kraftfahrzeug-Bleiakkumulatoren, hat z. B. eine Brechzahl π von ca. 13 bis 1,4 je nach Ladezustand. Eine derartig niedrige Brechzahl wird von den üblichen optischen Gläsern nacht erreicht, allerdings von einigen anderen optisch leitfähigen Materialien, insbesondere den Fluoriden der Alkalimetalle, zum Teil sogar noch unterschritten. Dies gilt auch für zahlreiche optisch leitende Flüssigkeiten, z. B. Wasser oder wäßrige Lösungen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Sensorkörper mit einem Glasmantel überzogen ist, besteht der Sensorkörper selbst ebenfalls aus dem Elektrolyten entsprechend dem vorbestimmten Ladezustand, beispielweise der Schwefelsäure.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die optischen Eigenschaften des Sensorkörpers selbst vollkommen mit denjenigen des Elektrolyten der untersuchten Akkumulatorbatterie übereinstimmen. Ein weiterer Vorteil dieser Maßnahme ist, daß die Abhängigkeit der Dichte und damit der Brechzahl von der Temperatur kompensiert wird, weil sich die Umgebungstemperatur in diesem Falle gleichermaßen auf den Elektrolyten und den Sensorkörper, die ja aus demselben Material bestehen, auswirkt

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die ersten Mittel einen Lichtleiter, der in einer Begrenzungsfläche Licht in den Sensorkörper entweder unter einem schiefen Winkel, gerade oder diffus einkoppelt, wobei im Bereich einer gegenüberliegenden Begrenzunsfläche Mittel zum Reflektieren, zum diffusen Reflektieren oder zum Erzeugen diffusen Sekundärlichts, insbesondere durch angeregte Lumineszenz, vorgesehen sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß optische Zuleitungen zu dem Sensor nur von einer Seite eines beispielsweise stabförmigen Sensors erforderlich sind. Die Ausführungsformen, die mit diffusem Licht arbeiten, haben den weiteren Vorteil, daß die gesamte innere Begrenzungsfläche zum Totalreflektieren bzw. Auskoppeln des Lichtes dient, so daß sich beim Übergang von der Tctalreflektion in das Auskoppeln des Lichtes ein besonders großer Meßeffekt ergibt

Bei einer Ausführungsform der Erfindung entspricht die Dichte des Sensorkörpers der Dichte des Elektrolyten bei einem unteren zulässigen Ladezustand von z. B. 30% und an die zweiten Mittel ist ein photoempfindliches Element mit einer Auswerteschaltung angeschlossen, die das Auftreten des ausgekoppelten Lichtes detektiert und ein Anzeigeelement ansteuert

Andererseits kann die Dichte des Sensorkörpers jedoch auch der Dichte des Elektrolyten bei einem oberen zulässigen Ladezustand von z. B. 95% entsprechen und die Auswerteschaltung detektiert in entsprechender Weise das Ausbleiben des ausgekoppelten Lichtes.

Auf diese Weise kann einmal ein unzulässiges Entladen und zum anderen auch ein unzulässiges Überladen des Akkumulators überwacht werden.

Weiterhin kann crfiridungSgcmäO noch die eine Anzeige mit der anderen Anzeige dadurch kombiniert werden, daß der optische Sensor zwei Sensorkörper, einen zum Erkennen einer unzulässigen Entladung und einen zum Erkennen einer unzulässigen Überladung, aufweist

Schließlich kann erfindungsgemäß noch vorgesehen sein, daß die Dichte des Sensorkörpers der Dichte des Elektrolyten bei einem vorgegebenen, vorzugsweise einem hohen Ladezustand von z. B. 100% entspricht, oder sogar darüber liegt, und daß an die zweiten Mittel ein photoempfindliches Element mit einer Auswerteschaltung angeschlossen ist, die Abhängigkeit von der Intensität des ausgekoppelten Lichtes ein kontinuierlich anzeigendes Anzeigeelement ansteuert

Diese Maßnahme hat den wesentlichen Vorteil, daß über die rein digitale Anzeige des Über- oder Unterschreitens eines vorgegebenen Ladezustandes hinaus eine kontinuierliche Anzeige des Ladezustandes mög-

lieh ist, so daß auch eine langsame Annäherung an einen bestimmten Grenzwert sicher erkannt werden kann.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten Merkmale jeweils für sich allein in den angegebenen Kombinationen sowie in weiteren Kombinationen verwendet werden können, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine graphische Darstellung der Dichte (p) in Abhängigkeit vom Ladezustand (LZ) für einen üblichen Kraftfahrzeug-Bleiakkumulator mit eingetragener Lade- und Entladekennlinie;

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung der optischen Brechzahl (n)'m Abhängigkeit von der Dichte (l>h

Fig.3 eine teilweise abgebrochene Darstellung im Schnitt eines Akkumulators mit flüssigem Elektrolyten und eingesetztem optischen Sensor entsprechend der vorliegenden Erfindung;

F i g. 4 eine schematische Darstellung eines optischen Sensors zur Erläuterung eines Ausführungsbeispieles der Erfindung;

F i g. 5 eine Variante der Darstellung gemäß F i g. 4;

F i g. 6 eine weitere Variante der Darstellung gemäß F i g. 4;

F i g. 7 ein Signalflußdiag; amm einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung;

F i g. f; eine Variante zur Darstellung gemäß F i g. 7.

In F i g. 1 ist die Abhängigkeit der Dichte ρ eines Elektrolyten eines Kraftfahrzeug-Bleiakkumulators über dem Ladezustand LZ dargestellt. 10 bezeichnet dabei die Ladekennlinie und 11 die Entladekennlinie. Man erkennt, daß bei einer Variation des Ladezustandes LZ zwischen 0 und 100% die Dichte des Elektrolyten in einem Intervall Δμ variiert. Nimmt der Ladezustand LZ entlang der Entladekennlinie 11 von 100% kommend ab, erreicht der Ladezustand LZ beispielsweise bei 25% einen kritischen Betriebspunkt 12, unter den der Akkumulator zweckmäßigerweise nicht entladen werden sollte. In diesem Betriebspunkt 12 habe der Elektrolyt eine kritische Dichteρκ-

Die in F i g. 1 ersichtliche Hysterese zwischen den Kennlinien 10 und 11 ist nicht statischer, sondern vielmehr dynamischer Natur, weil die Dissoziationsvorgänge im Elektrolyten nicht sofort ablaufen, sondern sich erst mit einer gewissen Zeitverzögerung einstellen. Dies entspricht der bekannten Erscheinung, daß eine scheinbar entladende Baiierie sich nach einer gewissen Ruhezeit wieder »erholt«. Die erfindungsgemäße Einrichtung zeigt demzufolge jeweils den Augenblickwert, nicht jedoch den statischen Ruhewert an, der sich nach einem Abklingen der Dissoziationsvorgänge einstellt Einen Nachteil stellt dies jedoch nicht dar, weil die erfindungsgemäße Einrichtung damit immer denjenigen Zustand anzeigt, der augenblicklich gerade vorliegt

Bei einem üblichen Kraftfahrzeug-Bleiakkumulator in einer Umgebungstemperatur von 27° C beträgt das Intervall Δρ etwa 0,2 kg/1, weil sich die Dichte von etwa 1.3 auf 1,1 kg/1 beim Entladen von 100% auf 0 vermindert Die kritische Dichte ρκ beträgt daher ca. 1,1 kg/1.

Bekanntlich beruht die Dichteverminderung beim Entladen eines Bleiakkumulators darauf, daß das Material der Plus-Elektrode (PbO₂), das Material der Minus-Elektrode (Pb) und der Elektrolyt (H₂SO₄) des geladenen Bleiakkumulators sich infolge der Stromentnahme umsetzen, und zwar in ein für Plus- und Minus-Elektrode gleiches Material (PbS04), wobei der Elektrolyt sich zunehmend in WaSSCr(H₂O) umsetzt. Dieser immer höhere Wasseranteil im Elektrolyten beim Entladen des Akkumulators macht sich jedoch nicht nur in einer Dichteverminderung, sonder.1 damit einhergehend auch in einer Verminderung der optischen Brechzahl η bemerkbar.

Es ergibt sich die folgende Tabelle für unterschiedliche Konzentrationen der Schwefelsäure:

15%

20%

30%

40%

1,1
1,3513

1,143
1,3576

1,22
1.370

1,3
1,3821

Diese Verhältnisse sind in F i g. 2 in einem Diagramm dargestellt, das die Abhängigkeit der optischen Brechzahl η über der Dichte μ für den flüssigen Elektrolyten einer Akkumulatorbatterie darstellt. Beim Durchlaufen des Dichteintervalles Δρ stellt sich entlang eines Verlaufs 13 ein Brechzahl-Intervall Δη ein und der kritischen Dichte ρκ entspricht eine kritische optische Brechzahl η κ im Betriebspunkt 12.

Die Erfindung beruht nun darauf, die optischen Eigenschaften des flüssigen Elektrolyten mit denjenigen eines Bezugsmateriales zu vergleichen, das gerade die kritische optische Brechzahl ηκ aufweist.

Zum Vergleich der optischen Eigenschaften des flüssigen Elektrolyten mit denjenigen eines Bezugsmateriales wird ein Sensorkörper, bestehend aus einem lichtleitfähigen Bezugsmaterial, ständig in den Elektrolyten eingetaucht, es wird optische Strahlung im Sensorkörper geführt und schließlich ermittelt, ob und in welchem Umfange Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen dem Bezugsmaterial des Sensorkörpers und dem flüssigen Elektrolyten auftritt.

Hierzu macht man sich eine Anordnung zunutze, wie sie in einem ersten Ausführungsbeispiel in F i g. 3 dargestellt ist.

Mit 20 ist dabei gesamthaft eine Akkumulatorbatterie bezeichnet deren Wand 21 und Deckel 22 aus Kunststoff bestehen. Vom Boden der Akkumulatorbatterie 20 her ragen zwischen Separatoren 23 Minus-Platten 24 und Plus-Platten 25 in einen flüssigen Elektrolyten 26, beispielsweise Schwefelsäure, hinein.

In den Deckel 22 der Akkumulatorbatterie 20 ist ein optischer Sensor eingesetzt, der insgesamt mit 29 bezeichnet ist. Im oberen Teil ist der optische Sensor 29 in eine Bohrung 30 des Deckels 22 mittels eines Kunststoff-Körpers 31 dicht eingesetzt. Durch den Kunststoff-Körper 31 führen zwei Lichtleiter 32,33, beispielsweise Glasfaserkabel.

Die Lichtleiter 32,33 münden an einen Sensorkörper 34, der seinerseits von einem Glasmantel 35 umgeben und damit vom Elektrolyten 26 getrennt ist.

Die vordere, innere Begrenzungsfläche des Sensorkörpers 34, in welche die Lichtleiter 32, 33 münden, ist mit 36 bezeichnet, die seitlichen Begrenzungsflächen mit 37 und die der vorderen Begrenzungsfläche 36 gegenüberliegende hintere Begrenzungsfläche mit 38. Im Bereich der hinteren Begrenzungsfläche 38 ist eine Schicht 39 angebracht.

Die Funktionsweise des in F i g. 3 dargestellten optischen Sensors soll nachstehend anhand der Beispiele der F i g. 4 bis 6 beschrieben werden.

9 10

Man erkennt in F i g. 4, daß Licht über den Lichtleiter kalimetalle, die zwar mit Schwefelsäure reagieren, je-

32 durch den Kunststoffkörper 31 hindurch diffus in den doch durch den Glasmantel 35 vom umgebenden Elek-

Sensorkörper 34 eintritt. trolyten (26) getrennt sind. Beispielsweise hat Kalium-

Das Material des Sensorkörpers 34 habe die Dichte p_x fluorid KF eine optische Brechzahl von 1,361 und Lithi- und das Material des umgebenden Elektrolyten die 5 umfluorid LiF eine optische Brechzahl von 1,39. Auch Dichte p₂. Diesen Dichten p_x , p₂ sind entsprechende opti- Wasser mit einer Brechzahl von 1,33 oder wäßrige Lösche Brechzahlen m und n₂ zugeordnet Die zwischen sungen sind verwendbar.

Sensorkörper 34 und Elektrolyt 26 vorhandene Schicht Besonders bevorzugt ist allerdings eine Ausführungs-

des Glasmantels 35 kann für die nachfolgenden Überle- form, bei welcher der Sensorkörper 34 selbst ebenfalls gungen außer Betracht bleiben, weil aufgrund des Fer- to aus Elektrolyt besteht der so eingestellt ist, daß seine

mat'schen Prinzips die Zwischenschaltung einer optisch Dichte ρ bzw. seine optische Brechzahl η denjenigen

neutralen Schicht am Ergebnis nichts ändert. Werten des umgebenden Elektrolyten 26 entspricht, die

Ist der umgebende Elektrolyt 26 optisch dünner als dieser im Betriebspunkt 12 hat. Damit ist ein exakter

das Material des Sensorkörpers 34, wird das vom Licht- Vergleich der optischen Eigenschaften aufgrund eines leiter 32 in den Sensorkörper 34 diffus eingckoppelie ;s identischen Vergleichsmediuir.s möglich und außerdem

Licht an den seitlichen Begrenzungsflächen 37 bzw. der werden Temperatureffekte, die sich hinsichtlich Dichte Grenzfläche Glasmantel 35/Elektrolyt 26 totalreflek- und optischer Brechzahl beträchtlich auswirken können,

tiert, wie dies für einen Lichtstrahl 40 beispielhaft in eliminiert

F i g. 4 dargestellt ist Der Lichtstrahl 40 trifft am Ende Wie bereits weiter vorne erwähnt wurde, manifestiert des Sensorkörpers 34 auf eine reflektierende Schicht 20 sich der unterschiedliche Ladungszustand der Akkumu-

39a, die auf die hintere Begrenzungsfläche 38 aufge- latorbatterie in einer unterschiedlichen Konzentration

bracht ist. Der reflektierte Lichtstrahl 41 nimmt nun der als Elektrolyt dienenden Schwefelsäure. Bei einer

seinen Weg zurück durch den Sensorkörper 34 und wird Schwankung der Konzentration der Schwefelsäure zwi-

mittels des Lichtleiters 33 ausgekoppelt. sehen 15% und 60% ergaben sich die bereits eingangs

Lediglich in einem geringen Handbereich der Dicke d, 25 erwähnten Dichteschwankungen zwischen 1,1 und ca.

gerechnet von der Einkoppelstelle des Lichts am Ende 1,4 und die Schwankungen der optischen Brechzahl zwi-

d-s Lichtleiters 32 an, wird das eingekoppelte Licht sehen 1,35 und 1,40.

nicht totalreflektiert, weil in diesem Bereich das Licht Es sei nun der Fall betrachtet, daß der Sensorkörper

noch unter einem zu spitzen Winkel, der vom Verhältnis mit einer 20%igen Schwefelsäure einer Brechzahl von der Brechzahlen Sensorkörper 34/Elektrolyt 26 ab- 30 1,3576 gefüllt sei. Die Schwefelsäure des Elektrolyten

hängt, auf die seitliche Begrenzungsfläche 37 trifft Die- habe demgegenüber eine Konzentration von 15% und

ser kritische Winkel, der aus der Theorie der Totalre- damit eine Brechzahl von 1,3513. Bekanntlich kann man

flektion an sich bekannt ist, variiert je nach Verhältnis den Sinus des kritischen Einfallswinkels gegenüber dem

der genannten Brechzahlen, definiert jedoch nur eine im Einfallslot im Sensorkörper aus dem Quotienten der

Verhältnis zur Länge des Sensorkörpers 34 geringe Dik- 35 beiden genannten Brechzahlen berechnen, im vorge-

^ke ^d- nannten Fall ergibt sich ein Winkel x_T = 84,5°.

Hat nun der Sensorkörper 34 eine Dichte p\ bzw. eine Man kann nun zeigen, daß in einem langgestreckten

optische Brechzahl m, die der kritischen Dichte p_K bzw. Körper, an dessen einem Ende diffus Licht eingestrahlt

der kritischen optischen Brechzahl n_K aus F i g. 1 bzw. wird, an dessen anderem Ende ein Anteil von F i g. 2 entspricht, ergibt sich ein scharfer Übergang der 40

Reflektionseigenschaften des optischen Sensors 29 in S₁ = \ — sin «,bzw.

dem Betriebspunkt 12. _Sp -. _COs a,

Ist die Akkumulatorbatterie 20 nämlich auf einen Wert unterhalb des Betriebspunktes 12 entladen, gilt die ankommt Der Koeffizient ε_ζ steht dabei für einen lang-

zuvor angestellte Betrachtung, bei welcher der Licht- 45 gestreckten zylindrischen Stab und der Koeffizient e_p

strahl 40 infolge des dann optisch dünneren Elektrolyten für einen langgestreckten plattenförmigen Körper mit

26 totalreflektiert wird. planparallelen Begrenzungsflächen und verspiegelten

Oberhalb des Betriebspunktes 12 ist der Elektrolyt 26 Längsseitenkanten.

jedoch optisch dichter als das Material des Sensorkör- Für den vorstehend betrachteten Fall beträgt fwdem-

pers 34 und das über den Lichtleiter 32 eingekoppelte 50 nach 03% und ε_ρ hat einen Wert von 9,6%.

Licht verläßt den Sensorkörper 34. wie bei 40s in F i g. 4 Man kann nun jedoch für den Ser.sorkörper auch

angedeutet 40%ige Schwefelsäure vorsehen, die etwa dem Elektro-

Insgesamt ergibt sich damit daß bei hinreichend gela- lyten eines voll geladenen Bleiakkumulators entspricht

dtner Akkumulaiorbatterie kein Licht in den Auskop- Diese Schwefelsäure hat eine Brechzahl von 13821.

pel-Lichtleiter 33 gelangt, während bei Unterschreiten 55 Für den sich ändernden Ladezustand der Batterie

des kritischen Betriebspunktes 12 schlagartig Totalre- kann man nun die folgende Tabelle ermitteln: flektion innerhalb des Sensorkörpers 34 eintritt und

demzufolge Licht über den Lichtleiter 33 ausgekoppelt

wird. _Λι s_x e_p

Da konzentrierte Schwefelsäure — wie erwähnt — 60 ~~ ~ ^!

eine relativ niedrige optische Brechzahl aufweist, kann _η,, = 1,3821 (voll) 90° 0% 0%

man als Material für den Sensorkörper 34 nichi eines n_a2 = U70 82,4 0,9% 13%

der üblichen optischen Gläser verwenden, deren Brech- n₃₃ = 1,3576 79,2 1,8% 18,75%

zahl beispielsweise bei 13 liegt /7_i4 = U513(leer) 773 2,2% 21%

Da man jedoch in einer Ausgestaltung der Erfindung 65

₍. einen Glasmantel 35 um den Sensorkörper 34 legt, kann Man erkennt, daß im Bereich zwischen voller und

man für das Material des Sensorkörpers 34 beliebige leerer Akkumulatorbatterie bei einem zylindrischen

Materialien verwenden, beispielsweise Fluoride der Al- Sensorkörper sich der Anteil des empfangenden Lichtes

zwischen einem Wert von 0% und einem Wert von 2,29% ändert, während er bei einem plattenförmigen Sensorkörper zwischen 0% und 21% variiert.

Man erkennt bereits aus dieser Tabelle, daß die Erfindungsgemäße Einrichtung auch eine sehr gute Möglichkeit eröffnet, den Ladezustand kontinuierlich zu messen. Es versteht sich, daß aus einer derartigen kontinuierlichen Messung durch geeignete. Schweljwerte natürlich auch eine digitale Anzeige des Über- oder Unterschreitens eines vorgegebenen Ladezustandes abgeleitet werden können.

Schließlich sein noch der Fall betrachtet, daß der Sensorkörper mit einer 60%igen Schwefelsäure gefüllt sei, die eine Brechzahl von 1,40 aufweist. Zwar weist der Elektrolyt einer Bleiakkumulatorbatterie nie eine derartige Konzentration auf, man kann jedoch auch in diesem Fall, in dem selbtverständlich immer Totalreflektion im Sensorkörper auftritt, weil die Dichte des umgebenden Elektrolyten immer höher ist, eine geeignete Variation der Meßwerte erzielen, wie die folgende Tabelle zeigt:

/7_a) = l,3821(voll) 80,8° 1,8% 15,9%

n_a2 = 1,370 ' 78,1° 2,14% 20,6%

77,3= 13576 75,9° 3% 24,4%

/j»4 = 1,3513 (leer) 74,8° 3,5% 26,1%

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Wie man sieht, bekommt man eine Variation des reflektierten Lichtes bei Durchlaufen der Ladekennlinie zwischen 1,8% und 3,5% für einen zylinderförmigen Sensorkörper und zwischen 153% und 26,1% für einen plattenförmigen Sensorkörper.

Für die vorliegende Erfindung ist es wichtig, daß Licht unter einem schiefen Winkel gegen die inneren Begrenzungsflächen 37 des Sensorkörpers 34 geleitet wird. Dies kann, wie dies anhand von F i g. 4 erläutert wurde, dadurch geschehen, daß man Licht diffus oder unter einem schiefen Winkel in den Sensorkörper 34 einkoppelt und am gegenüberliegenden Ende an der Schicht 39a glatt reflektiert

Eine Variante hierzu zeigt F i g. 5, wo die glattreflektierende Schicht 39a von F i g. 4 durch eine diffus reflektierende Schicht i9jf> ersetzt wurde. Trifft nun der Lichtstrahl 40, sei er achsparallel zum Sensorkörper 34 oder geneigt dazu, auf die diffus reflektierende Schicht 396 auf, wird Licht in alle Richtungen reflektiert so daß eine Unterscheidung, ob Totalreflektion an den seitlichen Begrenzungsflächen (37) vorliegt oder nicht an der ge,-genüberliegenden, vorderen Begrenzungsfläche 36 möglich ist

Weiterhin kann, wie dies F i g. 6 zeigt im Bereich der hinteren Begrenzungsfläche 38 auch eine Schicht 39c angeordnet sein, die Lutnineszenzkörper 42, ein phosphoreszierendes Material od. dgl. enthält Ein auftreffender Lichtstrahl 40 löst gleich unter welchem Winkel er auftrifft in der Schicht 39c Lumineszenz bzw. Phosphoreszenz aus, die diffus abgestrahlt wird, so daß sich ebenfalls auf dem Rückweg von der Schicht 39c zum Auskoppellichtleiter 33 der gewünschte Meßeffekt ergibt

Es versteht sich, daß die Schichten 39a bis 39c auch eine andere Konfiguration haben können, beispielsweise können sie an den seitlichen Begrenzungsflächen 37 streifenförmig aufgebracht sein, sie können als Einsatz im flüssigen Sensorkörper 34 eingesetzt sein und der-Bei den bisher geschilderten Ausführungsbeispielen waren die Begrenzungsflächen, an denen eine Totalreflektion auftrat oder nicht auftrat je nachdem wie das Verhältnis der Dichten von Elektrolyt und Sensorkörpermaterial, war, im wesentlichen parallel zur Sensorlängsachse angeordnet.

Fig.7 zeigt eine Ausführungsform eines Signallaufplanes für eine erfindungsgemäße Einrichtung, die eine Ladezustandsschwelle, beispielsweise einen unteren Lade-Grenzzustand, erkennen soll.

Eine Leuchtdiode 50 koppelt Licht in den Lichtschalter 32 ein und das aus dem Sensorkörper 34 ausgekoppelte Licht wird über den Lichtleiter 33 auf einen Phototransistor 5,1 übertragen. Wie erwähnt, tritt erst beim Unterschreiten des Betriebspunktes 12 in F i g. 1 bzw. 2 Totalreflektion auf und es wird Licht über den Lichtleiter 33 ausgekoppelt. Dies wird mit einer Schwellwertstufe 52 erkannt, die beim Auftreffen von Licht auf den Phototransistor 51 eine Anzeige 53 betätigt.

In F i g. 7 ist zusätzlich ein kontinuierlich anzeigendes Anzeigeelement 56 vorgesehen, mit dem, wie weiter oben ausführlich anhand der Tabellen geschildert eine kontinuierliche Messung des aktuellen Ladezustandes möglich ist

F i g. 8 zeigt eine Weiterbildung des Signallaufplanes gemäß Fig.7, mit der Abweichung, daß ein zweiter Sensorkörper 34a im Elektrolyten angeordnet ist. Das Material des Sensorkörpers 34a, beispielsweise ebenfalls ein Elektrolyt, ist dabei so eingestellt daß seine physikalischen Eigenschaften denjenigen des Elektrolyts bei einem Ladezustand LZ von beispielsweise 95% entsprechen.

Die Sensorkörper 34,34a werden gemeinsam von der Leuchtdiode 50 versorgt indem über einen Lichtkoppler 54 aus dem Lichtleiter 32 Licht in einen weiteren Lichtleiter 32a für den zweiten Sensorkörper 34a ausgekoppelt wird. Über den Auskoppellichtleiter 33 bzw. 33a gelangt Licht auf den Phototransistor 51 bzw. einen Phototransistor 51a, die die Schwellwertstufe 52 bzw. 52a steuern. Die Charakteristik der Schwellwertstufe 52a ist invers zu derjenigen der Schwellwertstufe 52, weil beim Überschreiten des oberen zulässigen Ladezustandes LZ von beispielsweise 95% die Totalreflektion verschwinden würde. Demzufolge betätigt die Schwellwertstufe 52a ein zugehöriges Anzeigeelement 53a dann, wenn kein Licht mehr über den Lichtleiter 33a übertragen wird. Die Einrichtung gemäß F i g. 8 zeigt mithin einen korrekten Ladezustand LZder Akkumulatorbatterie 20 dann an, wenn keine der Anzeigen 53,53a aufleuchtet Bei drohender Überladung leuchtet das Anzeigeelement 53a auf, bei drohender Entladung das Anzeigeelement 53. Es versteht sich, daß auch akustische Anzeigen od. dgl. eingesetzt werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Anzeigen des Ladezustandes (LZ) einer Akkumulatorbatterie (20) mit flüssigem Elektrolyten (26), insbesondere eines Kraftfahrzeug-Bleiakkumulators, mit einer Meßeinrichtung zum Erfassen der Dichte (p) des Elektrolyten (26^ die einen optischen Sensor (29) mit mindestens einem Sensorkörper (34, 34a; aus lichtdurchlässigem Material umfaßt, der ständig wenigstens teilweise in den Elektrolyten (26) eingetaucht ist, wobei erste Mittel (32, 32a 50, 54, 39, 39a, 396, 39c) Licht erzeugen, dessen Strahlen (40, 41) im Sensorkörper (34, 34a; geführt werden und unter einem schiefen Winkel auf dessen innere Begrenzungsflächen (37) fallen, und zweite Mittel (33) zum Auskoppeln von licht aus dem Sensorkörper (34, 34a; an einer Begrenzungsfläche (36) des Sensorkörpers (34, 34a; vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte (pt) des Sensorkörper-Materiales gleich derjenigen Dichte (pz) ist, die der Elektrolyt (26) bei einem vorbestimmten Ladezustand (LZ) der Akkumulatorbatterie (20) aufweist, und daß die Strahlen (40,41) im Sensorkörper (34,34a;diffus geführt werden, so daß sie nach mehrfacher schiefwinkliger Reflektion an den inneren Begrenzungsflächen (37) auf die zweiten Mittel (33) treffen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatorbatterie (20) ein Blei- akkumulator und der Elektrolyt (26) Schwefelsäure ist

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (34, 34a; mit einem Glasmantel (35) überzogen ist

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Sensorkörper (34, 34a; aus dem Elektrolyten (26) entsprechend dem vorbestimmten Ladezustand (LZ), beispielweise der Schwefelsäure, besteht.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel einen Lichtleiter (32) umfassen, der in einer Begrenzungsfläche (36) Licht in den Sensorkörper (34,34a; einkoppelt wobei im Bereich einer gegenüberliegen- den Begrenzungsfläche (38) Mittel (39£>; zum diffusen Reflektieren des eingestrahlten Lichtes vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Mittel einen Lichtleiter (32) umfassen, der in einer Begrenzungsfläche (36) Licht in den Sensorkörper (34, 34a; einkoppelt, wobei im Bereich einer gegenüberliegenden Begrenzungsfläche (38) Mittel (39ς) zum Erzeugen diffusen Sekundärlichtes, insbesondere durch angeregte Lumineszenz, vorgesehen sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Mittel Glasfaser-Lichtleiter (32,33) umfassen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiter (32,33) an dieselbe Begrenzungsfläche (36) angekoppelt sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte (p)des Sensorkörpers (34,34a; der Dichte (ρκ) des Elektrolyten (26) bei einem unteren zulässigen Ladezustand (LZ) von z. B. 30% entspricht und daß an die zweiten Mittel ein photoempfindliches Element mit einer Auswerteschaltung angeschlossen ist die das Auftreten des ausgekoppelten Lichtes detektiert und in Abhängigkeit davon ein Anzeigeelement (53) ansteuert

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß der optische Sensor (29) einen weiteren Sensorkörper (34a; mit ersten und zweiten Mitteln umfaßt wobei die Dichte (p)des zweiten Sensorkörpers (34a)der Dichte des Elektrolyten (26) bei einem oberen zulässigen Ladezustand (LZ) von z. B. 95% entspricht und daß an die zweiten Mittel ein photoempfindliches Element mit einer Auswerteschaltung angeschlossen ist die das Ausbleiben des ausgekoppelten Lichtes detektiert und in Abhängigkeit davon ein Anzeigeelement (53) ansteuert

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß die Dichte (p)des Sensorkörpers (34,34a; der Dichte (ρκ)ά&& Elektrolyten (26) bei einem vorgegebenen, vorzugsweise einem hohen Ladezustand (LZ) von z. B. 100% entspricht oder sogar darüber liegt und daß an die zweiten Mittel ein photoempfindliches Element mit einer Ausworteschaltung angeschlossen ist die in Abhängigkeit von der Intensität des ausgekoppelten Lichtes ein kontinuierlich anzeigendes Anzeigeelement (56) ansteuert