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Akkumulatorenbatterie mit selbsttätiger Funktionsüberwachung
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Die Erfindung betrifft eine Batterie von Akkumulatorenzellen, von
denen jede mit einem Rekombinator zur katalytischen Rekombination von Wasserstoff
und Sauerstoff unter Wärmeentwicklung ausgestattet ist und bei denen jedem Rekombinator
zur Prüfung seiner Temperatur ein Oberwachungselement zugeordnet ist.
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Das Heißwerden eines von den Zellengasen angeströmten Rekombinationskatalysators
ist ein sicheres Indiz für eine vollgeladene und funktionstüchtige Akkumulatorenzelle.
Es signalisiert zugleich den Zeitpunkt während des Ladebetriebs, von dem ab im Zuge
einer laufenden Betriebsüberwachung spätestens der Ladestrom gedrosselt werden muß
bzw. wann die Entwicklung von Wasserstoff- und Sauerstoffgas eine stöchiometrische
geworden ist.
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Man kann mit Hilfe eines Thermoelements kontrollieren, ob der Rekombinator
"angesprungen" ist oder seine Funktion auch mit Hilfe einer am Rekombinatorstopfengehäuse
angebrachten sogenannten Thermocolorfarbe augenfällig machen. Solche Temperaturumschlagsfarben
haben jedoch die Eigenschaft, daß sie bei Erhitzung weit über ihren Umschlagspunkt
hinaus ihre Reversibilität verlieren. Auch bereitet es manchmal Schwierigkeiten,
sie mit einem temperaturbeständigen Lack gut haftend am Gehäuse anzubringen.
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Voraussetzung für einen einwandfreien Batteriebetrieb ist aber zunächst
eine zuverlässige Batteriekontrolle, deren Ergebnis dann ggfs. die notwendigen korrigierenden
Eingriffe in den Betriebsablauf veranlaßt.
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Die personelle Oberwachung großer Speicherbatterien, wie sie z. B.
in Solar- und Windkraftanlagen Verwendung finden, erfordert naturgemäß ein mit der
Zahl der im Batterieverbund arbeitenden Zellen wachsendes Maß an Aufmerksamkeit.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine mehrzellige
Akkumulatorenbatterie der eingangs wiedergegebenen Gattung, die wartungs-
arm
und wartungsfreundlich ist, einen Aufbau anzugeben, welcher eine automatische Funktionsüberwachung
der Batterie und der Einzelzellen erlaubt.
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Die Aufgabe wird mit Hilfe der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Die erfindungsgemäße technische Lösung besteht mit anderen Worten
im Prinzip darin, daß die Erwärmung der Rekombinationskatalysatoren, sobald diese
von den Oberwachungselementen, sei es auf direktem oder indirekten Wege, registriert
wird, an deren Ausgang als elektrisches Signal erfaßbar ist, wobei die Erzeugung
und Weitergabe der elektrischen Signale vorzugsweise vollkommen losgelöst von der
Batterie, d. h. ohne elektrische Wechselwirkung mit irgendeiner an die Batterie
angeschlossenen Stromleitung erfolgt.
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Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Bimetallschaltern
als Oberwachungselemente erwiesen. Ihre Wirkungsweise veranschaulicht man sich leicht
anhand eines Bimetallstreifens, der an einem Ende auf dem Gehäusedeckel des Rekombinatorstopfens
mit einem Zweikomponentenkleber aufgeklebt und dabei so positioniert ist, daß die
sich stärker ausdehnende Seite des Bimetallstreifens dem Deckel zugewandt ist.
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Infolge der guten Wärmeleitung im Bimetallstreifen wird von der Kontaktstelle
aus bei Erwärmung des Rekombinators der Bimetallstreifen auf der ganzen Länge erwärmt,
so daß er sich vom Deckel abhebt und auf diese Weise die Funktion des Rekombinators
anzeigt.
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Wird nun dafür gesorgt, daß der Bimetallstreifen bei einer bestimmten
Auslenkung einen Stromkreis schließt, erhält man einen Schalter. In ihrer Eigenschaft
als erfindungsgemäße Oberwachungselemente können dann beliebig viele derartige Bimetallschalter
in Reihe geschaltet werden, wobei sie die ordnungsgemäße Funktion aller Rekombinatoren
dann signalisieren, wenn durch Schließung aller Schalter die Reihenschaltung leitend
geworden ist.
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Es ist auch möglich, durch Messung zweier getrennter Gruppen und der
Überwachung durch Reihenschaltung zu kontrollieren, ob ein Rekombinator fehlerhaft
ist. Das ist immer dann der Fall, wenn eine der Schaltergruppen durchgeschaltet
ist, die andere aber nicht.
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Die Information "alle Rekombinatoren sind heiß" oder "einige Rekombinatoren
sind heiß, jedoch nicht alle" kann mit Hilfe solcher Bimetallschalter gewonnen werden
und kann zur Kontrolle der Funktionstüchtigkeit der Batterie dienen.
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Bei einer anderen vorteilhaften Anordnung gemäß der Erfindung ist
als Oberwachungselement an jede Zelle ein temperaturabhängiger Widerstand, der mit
dem Rekombinator in Verbindung steht, angeschlossen und dabei mit einer Leuchtdiode
in Reihe geschaltet, die ihrerseits mit einem Optokoppler im Signal-Austausch steht.
Optokoppler gibt es serienmäßig als Bauelemente, die jeweils eine Leuchtdiode und
einen Fototransistor umfassen. Der Fototransistor bildet den Signal-Ausgang dieses
Bauelements, dessen Name daher rührt,daß es zwei benachbarte Stromkreise durch einen
Lichtsignal-Austausch über Leuchtdioden miteinander verbindet oder "koppelt".
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Der weiter oben genannte temperaturabhängige Widerstand ist vorzugsweise
ein NTC-Leiter. Wird dieser bei Erwärmung des Rekombinationskatalysators leitend,
leuchtet sowohl die rekombinatorseitige Leuchtdiode als auch die Leuchtdiode des
Optokopplers, die zur ersteren parallel geschaltet ist, auf. Durch das emittierte
Licht wird darauf der Fototransistor durchgeschaltet. Auch hier sind wiederum alle
Optokoppler über ihre Transistorausgänge in Reihe geschaltet, so daß ein leitender
Zustand der Reihenschaltung alle Zellen und Rekombinatoren funktionstüchtig" signalisiert.
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Anhand zweier Figuren wird der erfindungsgemäße Einsatz des Optokopplers
verdeutlicht.
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Figur 1 zeigt das Schaltungsprinzip zur Überwachung und Kontrolle
einer mehrzelligen Batterie mittels Optokoppler.
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Figur 2 zeigt die Verschaltung mehrerer Zellen mit dem erfindungsgemäßen
Überwachungssystem.
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Nach Figur 1 liegt der Optokoppler 1 als serienmäßiges Bauelement
primärseitig mit dem zweipoligen Aus- und Eingang seiner Leuchtdiode 2 im Parallelschluß
zur Leuchtdiode 3, die mit dem NTC-Leiter 4 auf dem Rekombinatordeckel (nicht dargestellt)
in Reihe geschaltet ist.
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Sekundärseitig ist der Optokoppler über den ebenfalls zweipoligen
Aus- und Eingang seines Fototransistors 5 an eine Oberwachungsleitung 6 angeschlossen.
Leuchtdiode 3 und NTC-Leiter 4 sind durch die Leitung 7 mit dem Pluspol und dem
Minuspol einer Zelle verbunden.
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Der NTC-Leiter sei beispielsweise so ausgewählt, daß er seinen Widerstandswert
von ca. 100.000 Q bei 200C auf 60 Q bei ca. 600C ändert.
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Bei Erreichen der Temperatur 600C leuchten die Leuchtdioden 5 und
4 auf und bewirken, daß sich der Fototransistor 2 öffnet. Für diese Funktionsanzeige
ist die Spannung einer Einzelzelle von 2,4 bis 2,6 V (Bleiakkumulator) während der
Ladung ausreichend. Wenn demnach NTC-Leiter 6 und Leuchtdiode 5 die Pol klemmen
der kontrollierten Zelle, wie in Figur 1 gezeigt, überbrücken, so fließt über die
Anordnung bei 2 V Zellspannung und 200C ein Strom von ca. 2.10 5A, d. h. ca. 20
pA, jedenfalls ein Strom, der gegenüber dem Selbstentladestrom vernachlässigbar
ist.
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Bei 2,6 V Zellenspannung und einer Temperatur des NTC-Leiters von
600C fließen etwa 80 mA. Dieser Strom wird aber nicht aus dem Energievorrat der
Batterie genommen, sondern praktisch vom Ladestrom abgezweigt und ist während des
Ladevorgangs problemlos aufzubringen.
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Zur Montage der erfindungsgemäßen Oberwachungseinrichtung ist es nach
Figur 2 besonders günstig, den Optokoppler 1 zusammen mit der externen Leuchtdiode
3 jeweils in einem Gehäuse 8 unterzubringen, welches am Minuspol der zugehörigen
Zelle 9 verschraubt ist, wobei sich die Leuchtdiode gut sichtbar an dessen Deckel
befindet. Die zur nächsten Zelle 10
führende und dabei eine Zellenspannung
überbrückende Widerstandsleitung 7 (vgl. Figur 1) wird zweckmäßig von einem Kabel
gebildet, dessen Ende mittels Stecker oder Schraubbuchse an dem Überwachungsgehäuse
11 der Zelle 10 angebracht werden kann. Etwa auf 1/3 Länge des Kabels bzw. der Leitung
7 befindet sich der NTC-Leiter 4, der dem Deckel des Rekombinatorgehäuses 12 von
Zelle 9 aufsitzt.
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Jedes optische Überwachungsgehäuse besitzt aber auch einen galvanisch
von der Zelle vollkommen getrennten zweipoligen Aus- und Eingang für die Üptokoppler-Überwachungsleitung
6. Auch diese besteht zweckmäßigerweise aus einem aus dem Oberwachungsgehäuse heraustretenden
Kabel, das gerade ausreicht, um die Verbindung zum Überwachungselement auf der nächsten
Zelle herzustellen, und aus diesem Grunde am Ende einen Stecker trägt und eine Buchse,
in die besagtes Kabel vom Überwachungsgehäuse der vorhergehenden Zelle ausgehend
eingesteckt werden kann. Auf diese Weise wird eine durchgehende Leitung mit der
Reihenschaltung aller sekundären Elemente (Fototransistoren 5) der Optokoppler gebildet,
welche auf die Funktion aller im Batterieverbund stehenden Zellen abgefragt werden
kann.
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Die Leuchtdiodenschaltung besitzt den zusätzlichen Vorteil, daß man
jeder individuellen Zelle eine individuelle Leuchtdiode 3 zuordnen kann, so daß
auch die Einzel kontrolle der Zellen möglich ist. Die Oberwachung wird dabei noch
unterstützt durch eine für das Auge angenehme, vorzugsweise intensiv grüne Farbe
des Lichts, so daß auch ohne die erfindungsgemäße elektrische Funktionsanzeige eine
größere Anzahl Zellen mühelos unter Kontrolle gehalten werden kann.
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In einer weiteren, besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung
lassen sich den rekombinatorseitigen temperaturabhängigen Widerständen, den NTC-Leitern,
anstelle der Optokoppler Oberwachungselemente zuordnen, die wiederum NTC-Leiter
sind und erst durch Wärmeaustausch mit den "primären" NTC-Leitern leitend werden.
Die "sekundären" NTC-Leiter sind auch in diesem Fall von der Batterie galvanisch
abgekoppelt und entlang einer eigenen Oberwachungsleitung in Reihe geschaltet. Der
nichtleitende Zustand dieser Leitung zeigt zumindest
ein kalt gebliebenes
NTC-Widerstandspaar und damit eine Funktionsstörung der Batterie an.