DE3402374C2 - Einrichtung zum Anzeigen des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie - Google Patents
Einrichtung zum Anzeigen des Ladezustandes einer AkkumulatorbatterieInfo
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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
1,3513
1,143
1,3576
1,3576
1,22
1.370
1.370
1,3
1,3821
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
32 durch den Kunststoffkörper 31 hindurch diffus in den doch durch den Glasmantel 35 vom umgebenden Elek-
Das Material des Sensorkörpers 34 habe die Dichte px
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 px , p2 sind entsprechende opti- Wasser mit einer Brechzahl von 1,33 oder wäßrige Lösche Brechzahlen m und n2 zugeordnet Die zwischen sungen sind verwendbar.
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
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
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
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
ke
d-
nannten Fall ergibt sich ein Winkel xT = 84,5°.
optische Brechzahl m, die der kritischen Dichte pK bzw. Körper, an dessen einem Ende diffus Licht eingestrahlt
der kritischen optischen Brechzahl nK 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
dem Betriebspunkt 12. Sp -. COs a,
zuvor angestellte Betrachtung, bei welcher der Licht- 45 gestreckten zylindrischen Stab und der Koeffizient ep
strahl 40 infolge des dann optisch dünneren Elektrolyten für einen langgestreckten plattenförmigen Körper mit
26 totalreflektiert wird. planparallelen Begrenzungsflächen und verspiegelten
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 ερ hat einen Wert von 9,6%.
angedeutet 40%ige Schwefelsäure vorsehen, die etwa dem Elektro-
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 sx ep
eine relativ niedrige optische Brechzahl aufweist, kann η,, = 1,3821 (voll) 90° 0% 0%
man als Material für den Sensorkörper 34 nichi eines na2 = 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 /7i4 = U513(leer) 773 2,2% 21%
(. 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
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:
/7a) = l,3821(voll) 80,8° 1,8% 15,9%
na2 = 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%
25
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 (11)
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
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3402374A DE3402374C2 (de) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | Einrichtung zum Anzeigen des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE3402374A DE3402374C2 (de) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | Einrichtung zum Anzeigen des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE3402374A1 DE3402374A1 (de) | 1985-08-01 |
DE3402374C2 true DE3402374C2 (de) | 1986-02-13 |
Family
ID=6225787
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE3402374A Expired DE3402374C2 (de) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | Einrichtung zum Anzeigen des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie |
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DE (1) | DE3402374C2 (de) |
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