DE4333520A1 - Verfahren zur Überwachung der inneren Impedanz einer Akkumulatorenbatterie in einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung und eine UPS - Google Patents

Verfahren zur Überwachung der inneren Impedanz einer Akkumulatorenbatterie in einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung und eine UPS

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Über­ wachung der internen Impedanz einer Akkumulatorenbatterie in einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung und eine UPS.
In unterbrechungsfreien Leistungsversorgungen (UPS) für Computer und andere Apparate, die gegen Leistungsunter­ brechungen und dergleichen empfindlich sind, besteht die Reserveenergiequelle im allgemeinen aus einer Reihe von Blei- Säure-Zellen, die im Fall einer Leistungsunterbrechung schnell elektronisch über einen Wechselrichter angeschlossen werden können, womit das mit dem UPS verbundene System mit Wechselstrom versorgt werden kann. Der Zweck des UPS ist es teilweise, kürzere Leistungsunterbrechungen zu überbrücken und teilweise, dem Datensystem in Fällen von Netzunterbrech­ ungen Signale zu geben, so daß der Computer automatisch in einer kontrollierten Weise ohne Schaden, z. B. durch verlorene Dateien, abgeschaltet werden kann, bevor die in der Batterie gespeicherte begrenzte Energie komplett aufgebraucht ist.
In gewissen bekannten UPS wird der Zustand und die Ladung der Batterie fast überhaupt nicht überwacht, ist aber durch kontinuierliche Ladespannung (Puffer-Ladung) kontrolliert, die ausreichend hoch sein muß, um alle Zellen in der Bat­ terie aufzuladen, aber nicht so hoch, daß irgendeine der Zellen überladen wird. Unterladung der Batterie kann zur Sulfatisierung (PbSO4) der Elektrodenplatten in den Zellen führen. Eine solche Sulfatbildung ist ein normaler und reversibler Entladungsprozeß in einer Blei-Säure-Batterie, aber in einem andauernden Unterlade-Zustand entstehen auch nichtzurückbildbare Sulphatkristalle, die die Kapazität der Batterie verschlechtern. Auf der anderen Seite kann Überladung zu einem Austrocknen des Elektrolyts der Batterie führen und erhöhte Korrosion der Elektrodengitter und der zugeordneten Leiter verursachen. Überladung kann weiterhin Überbrückungsphänomene verursachen, die schließlich zu Kurzschlußbildung zwischen den Elektroden führen können. Auch eine Überheizung einzelner Batteriezellen kann vorkommen, besonders bei mehreren in Reihe miteinander verbundenen Batteriezellen, und es können Variationen in den Spannungen der einzelnen Zellen auftreten.
Andere bekannte Lösungen benutzen individuelle Zellspannungs- Messungen, aber die zugehörige Hardware und die Installatio­ nen sind teuer. Weiterhin ist es eine bekannte Tatsache, daß mögliche Ausfälle von Batterien am besten während der Entla­ dung erfaßt werden, insbesondere nahe bei dem Punkt, bei dem die Nennkapazität der Batterie fast völlig ausgeschöpft ist, d. h. wo Variationen in der geladenen Kapazität sich richtig zeigen. Es gibt auch Anwendungen, bei denen eine absichtliche Entladung der Batterie für eine bestimmte Zeitdauer durchge­ führt wird. Die Entladung, die erforderlich ist, um eine verläßliche Abschätzung der Batteriekapazität zu erlauben, muß allerdings abgewogen werden gegen das Risiko von Lei­ stungsunterbrechungen, wenn die Batterie in ihrem am weites­ ten entladenen Zustand ist. In kritischen Anwendungen ist dieses Risiko nicht akzeptabel.
Es ist auch bekannt, daß die innere Impedanz einer Batterie, ausgedrückt z. B. als der Wert einer an die Batterie angeleg­ ten Wechselspannung geteilt durch den in der Batterie er­ haltenen Wechselstrom, ein Indikator für den allgemeinen Zustand der Batterie ist. Die innere Impedanz einer Batterie steigt mit steigender Sulfatisierung der Elektroden, Korro­ sion der Leitungen, etc. und mit erhöhter Austrocknung des Elektrolyten in der Batterie. Die innere Impedanz einer Batterie stellt daher einen wichtigen Indikator für die Funktion der Batterie dar. Es ist aber kein bekanntes System erhältlich, das diese Impedanz in einfacher Weise messen könnte.
Es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der inneren Impedanz einer Akkumulatorbatterie in einer UPS in einer einfachen und zuverlässigen Weise zu schaffen.
Um dies zu erreichen, ist das Verfahren der Erfindung dadurch charakterisiert, daß während der Entladung der Batterie zur Last der durch die Last induzierte, durch die Batterie fließende Strom gemessen oder berechnet wird und der ent­ sprechende Wechselspannungsanteil, der auf der Batterie­ spannung erhalten wird, gemessen wird, wobei der Wert der inneren Impedanz der Batterie aus diesen Werten berechnet wird, und daß der erhaltene Impedanzwert mit einem vorbe­ stimmten Vergleichswert verglichen wird, um den Zustand der Batterie zu bestimmen.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der UPS der Erfindung werden in den Ansprüchen dargelegt. Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeich­ nungen genauer erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 eine konventionelle UPS,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße UPS,
Fig. 3 typische Strom- und Spannungskurven, die für das Verfahren der Erfindung wesentlich sind, mit Bezug auf Fig. 2,
Fig. 4 eine graphische Darstellung eines typischen Diagramms für die innere Impedanz der Bat­ terie.
Fig. 1 zeigt eine konventionelle UPS, bei der die Batterie 1 und der zugeordnete Wechselrichter 2 normalerweise vom Ausgang 3 der UPS durch einen Schalter 4 getrennt sind. Die Last wird in diesem Betriebszustand direkt von der Netz­ hauptleitung 5 zur Verfügung gestellt. Bei einer Netzunter­ brechung wird die Netzhauptleitung durch einen Schalter 6 abgetrennt und der Wechselrichter 2 wird aktiviert und mit der Last durch den Schalter 4 verbunden. Nach einer Wieder­ herstellung der Netzspannung wird der urspüngliche Zustand wieder eingenommen, während das Ladegerät 7 die Batterie 1, wieder auflädt. Der Zweck des Transformators 8 ist es vor­ wiegend, die Ausgangsspannung des Wechselrichters in eine geeignete Lastspannung während der Netzunterbrechung zu transformieren. Er kann unter normalen Bedingungen auch Energie von der Ladespannung zum Ladegerät 7 zur Verfügung stellen, wenn es keinen Schalter 4 gibt. Der Schalter 4 kann durch die Schaltfunktionen des Kalbleiterschalters 10 des Hauptkreises des Wechselrichters ersetzt werden. Ein modernes UPS hat üblicherweise auch einen Logik-Baustein, der ver­ schiedene Kontrollfunktionen über verschiedenen Komponenten des UPS aufführt, und der auch die notwendigen Warnsignale für die Benutzer des angeschlossenen Systems erzeugt.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße UPS mit, wie in Fig. 1 gezeigt, einer Batterie 1, einem Wechselrichter 2, Schaltern 4, 6, einem Ladegerät 7 und einem Transformator 8. Die UPS hat weiterhin einen Logik-Baustein, wie z. B. einen Microcom­ puter 9, zur Durchführung der notwendigen Kontrollfunktionen, die im folgenden beschrieben werden. Wie in der Vorrichtung in Fig. 1 sind die Batterie 1 und der Wechselrichter 2 während des normalen Netzbetriebs abgetrennt, kein Ladestrom fließt durch sie hindurch, aber die UPS wird nun als mit der Last verbunden gezeigt. Die Batteriespannung wird durch die Computereinheit 9 überwacht und wird am Eingang a abgelesen. Die Computereinheit kann durch ein Signal von einem Ausgang b zum Ladegerät 7 die Ladung der Batterie einleiten.
Die Messung der inneren Impedanz der Batterie wird wie folgt erreicht: Wenn ein Netzausfall passiert, wird der Ladestrom IL durch die Computereinheit 9 über den Eingang c überwacht. Der gemessene Wert kann als Annäherungswert des Batterie­ strom genutzt werden, wenn er mit dem Windungsverhältnis N des Transformators 8 multipliziert wird. Die innere Impedanz kann berechnet werden auf der Basis der Wechselspannungskom­ ponente, der Brummspannung UR, die durch den Laststrom auf der Batteriespannung UBatt erzeugt wird, wenn die Batterie mit der Last verbunden ist. Siehe hierzu Fig. 3, die eine typische Kurve für die Batteriespannung UBatt bei einem sinusförmigen Laststrom IL zeigt. Die Frequenz dieser Kompo­ nente beträgt das Doppelte der Netzfrequenz. Erlaubt man der Computereinheit, am Eingang a diese Wechselspannungskomponen­ te zu messen, und teilt man sie durch den Laststrom für die entsprechende Zeitdauer, so wird der Wert ZB = UR/(IL * N) der inneren Impedanz der Batterie erhalten. Die Messung des Laststroms und der Wechselspannungskomponente kann auf unmittelbaren Werten beruhen, auf Durchschnittswerten, auf RMS-Werten (effektiven Mittelwerten), etc. Verschiedene Algorithmen für verschiedene Meßmethoden können leicht in die Computereinheit 9 einprogrammiert werden, um verschiede­ nen Anforderungen gerecht zu werden.
Wenn der Wert der inneren Impedanz eine vorbestimmte Grenze überschreitet, kann die Computereinheit zu dem angeschlos­ senen System über eine Verbindung d eine Warnung zum un­ mittelbar bevorstehenden Batteriewechsel aussenden, und/oder sie kann das Abschalten des angeschlossenen Systems ein­ leiten.
Als andere Möglichkeit kann der Batteriestrom direkt (ge­ strichelte Linie e) in der Batterie gemessen werden, anstatt ihn über den Laststrom zu berechnen. Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß der Batteriestrom und damit die innere Impedanz bei Entladung in einer einfachen und verläß­ lichen Weise berechnet werden kann, ohne die Ladung der Batterie unter normalen Bedingungen zu beeinträchtigen. Natürlich kann die Batterie unter Anwendung des Verfahrens der Erfindung z. B. während der Wartung derart getestet werden, daß der Kundendiensttechniker eine Last mit der UPS verbindet und die Netzspannung abtrennt und gleichzeitig die Impedanzwerte der Batterie abliest.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung einer typischen Kurve für die innere Impedanz ZB der Batterie auf einer Zeitachse. Die Impedanz steigt während der Entladung wegen der chemi­ schen Prozesse, die in der Batterie stattfinden, an. Das anfängliche Niveau der Impedanz ist die kritische Größe und es muß ein geeigneter Schwellenwert Zmax ausgewählt werden. Wenn das anfängliche Niveau die Schwelle wegen irreversibler Sulfatisierungsprozesse, Korrosion, etc. übersteigt, erhöht dies das Risiko einer nicht ausreichenden Batteriekapazität, wodurch die nominelle Sicherheitszeit t1 des UPS aufs Spiel gesetzt wird, was ein Ausschalten des angeschlossenen Systems verursacht.
Ein Fachmann versteht, daß die Erfindung nicht auf die oben dargestellten Beispiele beschränkt ist, sondern daß ihre verschiedenen Ausführungsformen im Rahmen der Ansprüche variieren können.

Claims (7)

1. Verfahren zur Überwachung der inneren Impedanz einer Akkumulatorenbatterie (1) in einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung, dadurch gekennzeichnet, daß während der Entladung der Batterie zur Last der Laststrom (IL), der durch die Last induziert wird und durch die Batterie (1) hindurchfließt, gemessen oder berechnet wird, und die entsprechende auf der Batteriespannung (UBatt) erhaltene Wechselspannungskomponente (UR) gemessen wird, wobei der Wert für die innere Impedanz (ZB) der Batterie aus diesen Werten berechnet wird, und daß der erhaltene Impedanzwert mit einem vorbestimmten Vergleichswert (Zmax) verglichen wird, um den Zustand der Batterie zu bestimmen.
2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarmsignal zu dem angeschlossenen System ausgesandt wird, wenn festgestellt wird, daß der ge­ messene Impedanzwert (ZB) den vorbestimmten Vergleichs­ wert (Zmax) übersteigt.
3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Abschaltung des angeschlossenen Systems verursacht wird, wenn festgestellt wird, daß der gemessene Impedanzwert (ZB) den vorbestimmten Referenz­ wert (Zmax) übersteigt.
4. Ein Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der durch die Batterie (1) hindurch­ fließende Strom während der Entladung der Batterie zur Last durch Messung des Laststroms (IL) berechnet wird.
5. Eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung mit einer Batterie (1), einem Wechselrichter (2) zur Umwandlung der Batteriespannung, Schaltern (4, 6) für den Wechsel der mit der Last verbundenen Leistungsversorgung, einem Ladegerät (7) zur Aufladung der Batterie, und einem Logik-Baustein (9) zur Durchführung verschiedener Kontrollfunktionen, dadurch gekennzeichnet, daß der Logik-Baustein (9) zur Überwachung der inneren Impedanz der Batterie derart angepaßt und ausgebildet ist, daß er den Laststrom (IL), der durch die Last verursacht wird und durch die Batterie während der Entladung der Bat­ terie (1) zur Last hindurchfließt, mißt oder berechnet, daß er die entsprechende Wechselspannungskomponente (UR) auf der Batteriespannung (UBatt) mißt, daß er einen berechneten Wert für die innere Impedanz (ZB) mit einem vorbestimmten Vergleichswert (Zmax) vergleicht und daß er den Zustand der Batterie auf der Basis des Vergleichs bestimmt.
6. Eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn festge­ stellt wird, daß der gemessene Impedanzwert (ZB) den vorbestimmten Vergleichswert (Zmax) überschreitet, der Logik-Baustein (9) derart angepaßt und ausgebildet ist, daß er ein Signal darüber zu dem angeschlossenen System aussendet.
7. Eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Logik-Baustein (9) derart angepaßt und ausgebildet ist, daß er aus dem Laststrom (IL) den durch die Batterie (1) hindurchfließenden Strom berechnet.
DE4333520A 1992-10-01 1993-10-01 Verfahren zur Überwachung der inneren Impedanz einer Akkumulatorenbatterie in einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung und eine UPS Withdrawn DE4333520A1 (de)

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