CH626196A5

CH626196A5 -

Info

Publication number: CH626196A5
Application number: CH1598677A
Authority: CH
Inventors: Thomas Edwin Anderson; Ole Nordstrom Ibsen
Original assignee: Cyberex Inc
Priority date: 1976-12-28
Filing date: 1977-12-23
Publication date: 1981-10-30
Also published as: JPS5383034A; GB1572579A; US4086525A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Vermeidung eines Überentladens eines eine Last speisenden wiederaufladbaren Akkumulators.

Bei einer nicht unterbrechbaren, d.h. sicheren Stromversor-gungsanlage (US-Anlage), welche einen Wechselrichter, einen elektrisch gekuppelten wiederaufladbaren Speicherakkumulator und einen zwischen einer Wechselstromquelle und dem Wechselrichter angeschlossenen Gleichrichter aufweist, wird die Leistung der Wechselstromquelle durch den Gleichrichter gleichgerichtet und dem Wechselrichter zugeführt. Der Wechselrichter wandelt die gleichgerichtete Leistung in eine zuverlässige Wechselstromquelle zur Speisung einer kritischen Sammelschiene. Gleichzeitig wird der gleichgerichtete Wechselstrom zur Wiederaufladung des Speicherakkumulators und zur Aufrechterhaltung einer konstanten Ladung an dem Akkumulator benützt. Falls die Wechselstromquelle ausfällt, wäre es erforderlich, dass der Akkumulator die Zusatzleistung liefert, welcher in Wechselstrom umgewandelt wird, um die Wechselstromleistung zur Speisung der kritischen Sammelschiene aufrechtzuhalten. Wenn Bleiakkumulatoren vollständig aufgeladen sind, erreichen sie z. B. annähernd 2,2 Volt pro Zelle. Im allgemeinen wird von der UPS-Anlage verlangt, dass sie während etwa 15 Minuten Leistung aus dem Akkumulator liefert, wobei 5 es bekannt ist, dass der Akkumulator nicht unter eine kritische Grenzspannung entladen werden darf, ohne dass eine nichtreversible Sulfatierung eintritt. Wenn einmal der Akkumulator sich über den kritischen Spannungswert hinaus entlädt, beginnt ein Verlust an nutzbarer Lebensdauer. Wenn dann der Akku-lo mulator nicht in verhältnismässig kurzer Zeit wieder aufgeladen wird, kann er nicht wieder auf seine ursprüngliche Kapazität gebracht werden. Um diese Akkumulatoren zu schützen, geben die Akkumulatorenhersteller den Benützern einen einzigen Grenzspannungswert pro Zelle an, unterhalb welchem der 15 Akkumulator nicht weiter entladen werden sollte, siehe z. B. Fig. 2 in US-PS 3 118 137, welche die Grenzspannung des Akkumulators als konstanten Wert unabhängig von den Änderungen des Verbraucherstroms zeigt. Da der Akkumulator einen wichtigen und teuren Teil einer UPS-Anlage dargestellt, sind die 20 Hersteller daran interessiert, dass der Akkumulator und die UPS-Anlage abgeschaltet werden, wenn der Akkumulator bis zu dem als kritischen Wert bezeichneten Wert entladen wird.

Es wurde nun festgestellt, dass auch dann, wenn ein Bleiakkumulator bei einer geringeren Last als bei Nennlast entladen 25 wird und dieser Akkumulator fortfährt, sich bei einer etwas höheren Spannung als dem vom Hersteller angegebenen Wert weiter zu entladen, eine irreversible Sulfatierung eintreten kann, woraus unerwartet ein Verlust an nutzbarer Lebensdauer entstehen kann. Weiter wurde festgestellt, dass diese Grenz-3o Spannung, bis zu welcher sich der Akkumulator sicher entladen kann, weder bei einem Bleiakkumulator noch insbesondere bei einem Blei-Calcium-Akkumulator konstant ist, sondern sich entgegengesetzt den Änderungen der Grösse des Entladungsstroms oder der Entladungsleistung ändert. Diese Feststellun-35 gen wurden nicht erwartet und standen im Gegensatz zu den Kenntnissen gemäss dem Stand der Technik, siehe das bereits erwähnte Schutzrecht und dazu US-PS 3 895 284,3 886 442 und 3 778 702. Genauer ausgedrückt lehrt der durch die vorstehend genannten Schutzrechte dargestellte Stand der Technik im 40 allgmeinen, dass, wenn der Entladungsstrom des Akkumulators sinkt, die Kapazität desselben wächst, und zur Annahme verleitet, der Akkumulator gebe tatsächlich mehr Leistung während längerer Zeit ab, ohne aber die Tatsache zu erkennen, dass der sichere kritischen Grenzspannungswert pro Zelle in Wirklich-45 keit steigt, wenn der Entladungsstrom des Akkumulators sinkt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art zur Vermeidung des Überentladens eines Akkumulators so zu gestalten, dass ein Bezugsspannungswert, über welchen hinaus der Akku-50 mulator sich verschlechtert, mit Sicherheit eingehalten wird.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung gelöst durch a) Mittel zum Feststellen einer Entladungsgrösse des Akkumulators,

b) auf die Feststellmittel ansprechende Mittel zur Erzeu-55 gung eines Bezugsspannungswertes, der sich in Funktion des festgestellten Entladungsgrösse ändert,

c) Mittel zum Vergleichen des Ist-Spannungswertes des Akkumulators mit dem Bezugsspannungs wert und zum Erzeugen eines Auslösesignals, wenn der Bezugsspannungswert min-

60 destens gleich dem Ist-Spannungswert ist, und d) auf das Auslösesignal ansprechende Mittel zum Trennen des Akkumulators von der Last.

Die Erfindung ist beispielsweise in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

65 Fig. 1 Ein Blockschema der Ausführungsform einer erfin-dungsgemässen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen einem veränderlichen sicheren Grenzspannungswert und dem

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prozentualen Entladungsstrom der Akku zeigt und

Fig. 3 ein Schaltschema eines in Fig. 1 verwendeten Generators zur Erzeugung einer variablen Bezugsspannung.

Die in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung zur Vermeidung einen Überentladens eines wieder aufladbaren Akkumulators 10 umfasst Mittel zur Trennung des Akkumulators von einem Wechselrichter oder einer Last 12 mit einer Messspule 14 und einem normalerweise geschlossenen Kontakt 16, ein Anzeigegerät 18, welches als Mittel zum Feststellen der Entladungsgrösse des Akkumulators dient, einen eine veränderliche Bezugsspannung erzeugenden Generator 20 und einen Vergleicher 22.

Als Akkumulator 10 wird ein wiederaufladbarer Bleiakkumulator angenommen, welcher vorzugsweise ein Blei-Cal-cium-Akkumulator ist. Indessen können auch andere Bleiakkumulatoren, z. B. Blei-Antimon-Akkumulatoren vorgesehen werden. Obwohl der Speicherakkumulator aus einer grösseren Anzahl von Zellen besteht, wird zur Erläuterung der Erfindung auf die Spannung des Akkumulators auf der Basis einer einzigen Zelle bezuggenommen. Wenn z. B. der Akkumulator vollständig aufgeladen ist, kann angenommen werden, dass die erdungsfreie Spannung pro Zeile etwa 2,2 Volt beträgt. Der sichere Grenzspannungswert bei Null- oder minimalen Entladungsstrom oder minimaler Entladungsleistung, unterhalb welchem der Akkumulator nicht weiter entladen werden sollte, beträgt pro Zelle angenähert etwa 1,85 Volt (VR min), während bei einer Entladungsgrösse von 100% Laststrom der kleinste Grenzspannungswert angenähert etwa 1,55 Volt pro Zelle (VR max) ist. Zum Zwecke der Beschreibung der Erfindung wird angenommen, dass die negative Klemme des Akkumulators 10 gemäss Fig. 1 geerdet ist. Weiter wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 angenommen, dass der sichere Grenzspannungswert sich linear zwischen 1,85 Volt (VRmjn) und 1,55 Volt (VR max) ändert, obwohl es Umstände gibt, bei welchen die Änderung nicht linear sein kann.

Die Trennmittel, d. h. die Spule 14 und der normalerweise geschlossene Kontakt 16, können als Relais oder als Trennschalter, oder sogar als Festkörperrelais oder in anderer, äquivalenter Weise ausgebildet sein. Der normalerweise geschlossene Kontakt 16 kann in diesem Fall zwischen der positiven Klemme des Akkumulators 10 und der Eingangsklemme des Anzeigegeräts angeordnet sein. Das Anzeigegerät 18 kann irgendein geeignetes Strom- oder Leistungsmessgerät sein, welches den Gleichstrom-Entladungsstrom oder die Entladungsleistung anzeigt, welche von dem Akkumulator an den Wechselrichter oder an die Last geliefert wird. Beispielsweise kann das Anzeigegerät 18 ein Standard-Gleichstromwider-stand oder -Stromtransformer sein, welcher in Serie zu dem Akkumulator 10 und dem Anzeigegerät oder der Last geschaltet ist und welcher ein Ausgangssignal erzeugt, das mit einer Eingangsklemme des, eine veränderliche Bezugsspannung erzeugenden Generators 20 gekuppelt ist. Das Eingangssignal des Generators 20 ist proportional dem Strom der Last, welcher bzw. welche durch das Anzeigegerät 18 gemessen wird. Die variable Bezugsspannung des Generators 20 entspricht somit der gemessenen Entladungsgrösse des Akkumulators 10 und erzeugt an seinem Ausgang einen sicheren Grenzspannungswert (VR), welcher umgekehrt zur gemessenen Entladungsgrösse des Akkumulators variiert (siehe Fig. 2). Der Ausgang des Generators 20 ist somit eine veränderliche Bezugsspannung, welche an einer Eingangsklemme des Vergleichers 22 angelegt ist. Die andere Eingangsklemme des Vergleichers 22 ist elektrisch mit der positiven Klemme des Akkumulators 10 gekuppelt, um eine Anzeige der Ist-Spannung des Akkumulators zu erhalten. Der Vergleicher 22, welcher eine beliebige Vergleicherschaltung sein kann, vergleicht somit die Ist-Span-nung des Akkumulators mit dem gebildeten veränderlichen Grenzspannungswert (VR) und erzeugt am Ausgang ein Auslösesignal, wenn der gebildete Spannungswert (VR) gleich oder grösser, d. h. mindestens gleich wie die Ist-Spannung des Akkumulators 10 ist. Der Ausgang des Vergleichers 22 ist elektrisch mit einem Ende der Messspule 14 verbunden, während das 5 andere Ende der Spule 14 geerdet sein kann, womit, wenn das Auslösesignal an die Messspule 14 angelegt wird, der damit verbundene, normalerweise geschlossene Kontakt sich öffnet und den Akkumulator von der Last oder vom Wechselrichter 12 trennt. Wenn die Last 12 ein Wechselrichter in einer UPS-io Anlage ist, kann der Wechselrichter eine beliebige Standardwechselrichterschaltung aufweisen, wie dies in US-PS Reissue 26 342 der Anmelderin beschrieben ist, oder ein anderes geeignetes Gerät sein. Während der Ausgang der Last 12 geerdet dargestellt ist, wird für den Fall, dass die Last ein Wechselrich-15 ter ist, der Ausgang des Wechselrichters an eine kritische Sammelschiene angelegt. Zudem weist eine UPS-Anlage auch einen Gleichrichter (nicht dargestellt) auf, welcher zwischen dem Wechselrichter und einer Wechselstromquelle angeschlossen ist.

20 In Fig. 3 ist der, eine variable Bezugsspannung liefernde Generator 20 im Detail beschrieben. Der Generator 20 weist einen Analog-Umkehrverstärker 24 auf, einen ersten und einen zweiten Resistor 26 bzw. 28 und eine feste Bezugsspannungsquelle VF. Das vom Anzeigegerâèt 18 gemessenen Signal wird 25 direkt an den Eingang des Verstärkers 24 gelegt, welcher dazu dient, die Polarität zu ändern und die Grösse des anzuwendenden Signals anzupassen. Ein Anschluss des Resistors 26 und ein Anschluss des Resistors 28 sind miteinander verbunden und bilden einen Ausgangsklemme, welche mit dem Eingang des Ver-3o gleichers 22 elektrisch verbunden ist, siehe Fig. 1 während der andere Anschluss des Resistors 26 mit dem Verstärker 24 und das andere Ende des Resistors 28 mit der festen Bezugsspannung (VF) elektrisch verbunden sind. In diesem Fall kann beispielsweise das Verhältnis des Resistors 26 zum Resitor 28 zu 35 10:1 festgesetzt sein. Das Ausgangssignal vom Generator 20, welches an den Vergleicher 22 angelegt ist, ist durch die nachfolgende Gleichung gegeben:

4° y

R

= v-

Ri

R1 + R2

-) + V, (-

R<

R1 + R2

Wobei VR die vom Generator 20 erzeugte veränderliche 45 Bezugsspannung ist.

VF ist die feste Bezugsspannung Rj ist der Resistor 26 und R2der Resistor 28

Va ist die Ausgangsspannung des Verstärkers 24.

so Wird nun angenommen, dass bei minimaler Last der Entladungsstrom vom Akkumulator 10 und die Ausgangsspannung Va vom Verstärker 25 Null sind, ist die veränderliche Bezugsspannung VR min (sicherer Grenzspannungswert bei minimaler Last). Unter diesen Bedingungen wird VR rain 1,850 Volt pro 55 Zelle sein und die feste Bezugsspannung VF kann berechnet werden zu VF = 1,85 x 11/10 = 2,035 Volt. Bei 100% Entladungsstrom vom Akkumulator 10, wenn VR max = 1.55 Volt pro Zelle ist, während VF gleichbleibend 2,035 Volt ist, wird die Ausgangsspannung Va des Verstärkers 24 zu Va = (1,55—2,035) 11 60 = —5.335 Volt errechnet. Im Hinblick auf diese Berechnungen können die Charakteristiken des Verstärkers 24 eingestellt werden, so dass seine Ausgangsspannung von Null bis -5,335 Volt eingestellt werden, wenn der Entladungsstrom des Akkumulators 10 von Null bis 100% der Vollast sich ändert. Dem vorste-65 henden Beispiel kann entnommen werden, wie die Parameter des Generators 20 eingestellt werden können, um den gewünschten Bereich für den veränderlichen sicheren Grenzspannungswert (VR) vorzusehen.

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Wenn der Akkumulator Betriebsstrom zum Wechselrichter würde die Ausgangsspannung vom Verstärker 24 zwischen 1,85

oder zur Last liefern muss, fliesst der Strom vom Akkumulator und 1,55 Volt sich ändern, wenn die Akkumulatorbelastung zwi-

durch den normalerweise geschlossenen Kontakt 16 und das sehen Null und 100% sich ändert.

Anzeigegerät 18 zu Last 12. Das Anzeigegerät 18 misst die

Grösse des Gleichspannungs-Entladungsstroms zur Last und 5 In einer weiteren, abweichenden Ausführungsform könnte erzeugt ein Signal am Eingang des Verstärkers 24. Die Polarität die feste Bezugsspannung VF mit der Ist-Spannung des Akku-

dieses Signals wird umgekehrt und ein entsprechender Span- mulators kombiniert werden, um daraus einen Eingang für den nungswert erscheint am Ausgang des Verstärkers 24 in Uber- Vergleicher 22 zu erhalten, während der andere Eingang zum einstimmung mit den für die Schaltungsanordnung gewählten Vergleicher der Ausgang vom Verstärker 24 wäre. Auch in die-

Parameters, so dass der jeweils geltende sichere Grenzspan- io sem Fall würde der sichere Grenzspannungswert der in Fig. 2

nungswert am Ausgang des Generators 20 gebildet wird. Die- dargestellten Kurve folgen und die Ausgangsspannung des ses Signal wird am Eingang des Vergleichers 22 angelegt. Vergleichers 24 müsste für diese einzuhaltende Beziehung

Sobald die Ist-Spannung des Akkumulators gleich dem sicheren angepasst werden. In einer weiteren Ausführungsform könnte

Grenzspannungswert wird oder unter diesen Wert fällt, wird die Ist-Spannung des Akkumulators an den Resistor 28, siehe ein Auslösesignal am Ausgang des Vergleichers 22 erzeugt. 15 Fig. 3, anstelle der festen Bezugsspannung (VF) angelegt wer-

Dieses Auslösesignal erzeugt eine genügende Spannung durch den, während die feste Bezugsspannung (VF) direkt zu derjeni-

die Messspule 14, so dass sich der Kontakt 16 öffnet und hierbei gen Klemme des Vegleichers 22 angelegt werden könnte, an den Akkumulator 10 von seiner Last trennt. Diese Schaltungs- welcher die Ist-Spannung des Akkumulators vorher anglegt anordnung vermeidet somit die unerwünschte Überentladung war. In diesem Fall würde das Mittel zur Bildung des sicheren des Bleiakkumulators und ermöglicht den Gebrauch des Akku- 20 Grenzspannungswertes des Akkumulators durch den Verstär-

mulators so nahe wie möglich zu seinen Kapazitätsgrenzen, ker 24, die Resistoren 26,28 und die feste Bezugsspannung VF,

während sein Gebrauch dann vermieden wird, wenn daraus ein die jetzt am Vergleicher angelegt ist, vorgesehen, wobei, wenn

Verlust oder eine mögliche Zerstörung entstehen könnte. die Ist-Spannung des Akkumulators (VB) an den Resistor 28

Unter Bezugnahme auf die beschriebene Schaltungsanord- angelegt wird, der Ausgang des Vergleichers 22 ein Auslösesig-nung soll ein sicherer Grenzspannungswert erzeugt werden, 25 nal zum Trennen des Akkumulators von der Last bildet, sobald der sich umgekehrt mit der gemessenen Entladungsgrösse des die Ist-Spannung des Akkumulators gleich dem sicheren Akkumulators ändert, wobei ein Trenn- oder Auslösesignal Grenzspannungswert wird oder darunter fällt. In diesem Fall erzeugt wird, wenn die Ist-Spannung des Akkumulators gleich würde der Verstärker 24 ein nichtumkehrender Analogverstär-dem erzeugten sicheren Grenzspannungswert wird oder dar- ker sein und in der vorstehend erläuterten Gleichung für VR unter fällt. Bei dem in den Figuren 1 und 3 dargestellten Bei- 30 würde die Ist-Spannung des Akkumulators VB anstelle von VF spiel ist der sichere Grenzspannungswert des Akkumulators eingesetzt. Dann würde VF, welcher Wert direkt an den Einfür eine gemessene Entladungsgrösse die Ausgangsspannung gang des Vergleichers 22 gelegt wird, gleich VB gesetzt und bei des Generators 20, die an den Vergleicher 22 angelegt wird. Nullast unter der Annahme berechnet, dass der Ausgang vom Während Fig. 1 und 3 ein Beispiel für eine Schaltungsanord- nichtumkehrenden Verstärker Null ist und VB des Akkumula-nung oder von Mitteln der soeben beschriebenen Funktion dar- 35 tors 1,85 Volt ist. Die Ausgangsspannung Va für den nichtum-stellen, liegen auch Änderungen von Schaltungsanordnungen kehrenden Verstärker könnte dann für Vollastbedingung im Rahmen der Erfindung, welche die gleiche oder äquivalente errechnet werden, wie dies vorstehend bei der Gleichung für Funktion aufweisen. VR beschrieben wurde, wobei angenommen wird, dass VB 1,55

Im Besonderen würde ein Beispiel einer anderen und äqui- Volt ist und VR noch gleich ist dem soeben errechneten Wert valenten Lösung vorliegen, wenn in Fig. 3 der Ausgang vom 40 für VF. Hierbei ist der grundsätzliche Betrieb der vorstehend

Verstärker 24 direkt mit dem Vergleicher 22 verbunden und beschriebenen Varianten in ihrem breitesten Sinn praktisch dadurch VF unterdrückt würde. Unter diesen Voraussetzungen derselbe wie für die Ausführungsform nach Fig. 1 und 3.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

626196 PATENTANSPRÜCHE

1. Schaltungsanordnung zur Vermeidung eines Überentladens eines eine Last speisenden wiederaufladbaren Akkumulators, gekennzeichnet durch a) Mittel zum Feststellen einer Entladungsgrösse des Akkumulators,

b) auf die Feststellmittel ansprechende Mittel zur Erzeugung eines Bezugsspannungswertes, der sich in Funktion der festgestellten Entladungsgrösse ändert,

c) Mittel zum Vergleichen des Ist-Spannungswertes des Akkumulators mit dem Bezugsspannungswert und zum Erzeugen eines Auslösesignals, wenn der Bezugsspannungswert mindestens gleich dem Ist-Spannungswert ist, und d) auf das Auslösesignal ansprechende Mittel zum Trennen des Akkumulators von der Last.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststellmittel ein Gleichstrommessgerät (18) aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung des Bezugsspannungswertes umfassen:

a) einen Analog-Umkehr-Verstärker (24), dessen Eingang elektrisch mit dem Gleichstrommessgerät (18) gekuppelt ist und b) einen ersten und einen zweiten Resistor (26,28), von denen je ein Anschluss elektrisch miteinander verbunden sind und den Ausgang der Erzeugungsmittel bilden, wobei das andere Ende des ersten Resistors (26) mit der Ausgangsklemme des Verstärkers (24) und das andere Ende des zweiten Resistors (28) mit einer festen Bezugsspannungsquelle (VF) elektrisch verbunden sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennmittel eine elektrisch mit dem Vergleicher (22) gekuppelte Messspule (14) und einen elektrisch in Serie mit dem Akkumulator (10) verbundenen Kontakt (16) aufweisen, derart dass beim Empfang des Auslösesignals an der Spule (14) der Kontakt (16) geöffnet und der Akkumulator (10) von der Last getrennt wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bezugsspannungswert sich umgekehrt zu der festgele-stellten Entladungsgrösse des Akkumulators ändert.

6. Verwendung der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 in einer nichtunterbrechbaren Stromversorgungsanlage mit einem Wechselrichter.