DE19508345A1 - Schaltungsanordnung zum Überprüfen von aufladbaren elektrochemischen Zellen - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Überprüfen von aufladbaren elektrochemischen ZellenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überprüfen von
aufladbaren elektrochemischen Zellen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
Derartige elektrochemische Zellen werden beispielsweise in
Akkumulatorenbatterien (mit einer Spannung von 12 V) benutzt. In Anlagen
zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) können vierunddreißig
derartiger Akkumulatorenbatterien in Reihe geschaltet sein. Auf diese
Weise wird (für eine Notstromversorgung im Falle eines Ausfalls der
Netzspannung) eine Gleichspannung von ca. 408 V bereitgestellt. Da diese
Akkumulatorenbatterien unter Umständen mehrere Jahre für eine
Notstromversorgung nicht zum Einsatz kommen, müssen sie vorsorglich
(regelmäßig) überprüft werden. Dazu können an den Klemmen eines jeden
sich entladenden Batterie-Elementes die Spannung und die Stromstärke
gemessen werden. Derartige Messungen, die üblicherweise von zwei
Personen durchgeführt werden, müssen in regelmäßigen Zeitabständen
wiederholt werden. Nachteilig sind der hohe Aufwand dieser Arbeitsgänge
und die Gefahren, denen das Bedienungspersonal in einer derartigen
Umgebung mit Hochspannungen ausgesetzt ist. Im Falle von Problemen im
Innern der Akkumulatorenbatterien können außerdem Säuredämpfe
austreten.
Andererseits mindern unzulängliche Kontrollen der Akkumulatorenbatterien
oder gar ein Verzicht auf derartige Kontrollen die Verläßlichkeit des
gesamten Sicherheitssystems.
Die elektrochemischen Zellen von Bleiakkumulatoren haben je nach ihrem
Ladezustand eine unterschiedliche Spannung. Beim Wiederaufladen werden
sie normalerweise an eine Spannung von 2,4 V/Zelle gelegt. Zur
Ladungserhaltung wird üblicherweise eine Erhaltungsladespannung von
2,23 V/Zelle gewählt. Die vom Hersteller empfohlene Entladeschlußspannung
kann beispielsweise bei 1,7 V/Zelle liegen. Bei Zugrundelegung der
vorgenannten Werte ergibt sich eine maximale Spannungsdifferenz von
0,7 V pro Zelle.
Mitunter geben die Hersteller Hinweise für eine Pflege und Kontrolle ihrer
aufladbaren Batterien. Es ist dies bezüglich möglich, daß der Hersteller eine
Anforderung des Kundendienstes empfiehlt, wenn die Zellenspannung von
der mittleren Erhaltungsladespannung um +0,2 V bzw. um -0,1 V abweicht
oder wenn die Oberflächentemperaturen verschiedener Batterie-Elemente um
mehr als 5 K voneinander abweichen.
Es ist somit festzustellen, daß die vorgenannten zulässigen Abweichungen
vom Mittelwert der Erhaltungsladespannung geringer sind als die erwähnte
(zulässige) maximale Spannungsdifferenz zwischen Ladespannung und
Entladeschlußspannung.
Eine Messung der Spannungswerte an den einzelnen Akkumulatorenbatterien
ohne Berücksichtung der aktuellen Spannungswerte an den anderen
Akkumulatorenbatterien läßt folglich keine Rückschlüsse auf den
ordnungsgemäßen Zustand der elektrochemischen Zellen zu.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach konstruierte und
kostengünstige Schaltungsanordnung zum Überprüfen von elektrochemischen
Zellen zu schaffen, mit Hilfe derer eine zuverlässige automatische
Spannungs- und Temperaturüberwachung möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung
zum Überprüfen von aufladbaren elektrochemischen Zellen nach Anspruch 1.
Durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung wird für die Überwachung
der jeweiligen Blöcke mit Hilfe des (gegenüber der Reihenschaltung der
Zellen galvanisch getrennt fließenden) hochfrequenten Stromes die
Gesamtspannung der Reihenschaltung berücksichtigt. Die
Schaltungsanordnung zeichnet sich durch ihren besonders einfachen Aufbau
mit Standardbauelementen aus. Die für jede Blocküberwachung jeweils
erforderlichen Schaltungsbausteine sind sehr kostengünstig im Handel
erhältlich. Außerdem lassen sich die Schaltungsbausteine auf kleinstem
Raume unterbringen.
Die Blöcke mit den elektrochemischen Zellen brauchen für das Überprüfen
weder bewegt zu werden noch ist es erforderlich, (hohe)
Batteriespannungen über lange Kabel zur Prüfeinrichtung herauszuführen.
Dadurch werden Kurzschluß- und Brandgefahren vermindert.
Mit der Vergleichseinrichtung lassen sich - im Falle eines gestörten
Blockes - Störsignale automatisch erzeugen. Der Arbeitsaufwand für eine
Überprüfung ist somit besonders gering.
Zweckmäßigerweise wird die Gesamtspannung mit Hilfe eines
Spannungsteilers um einen Proportionalitätsfaktor reduziert. Dies ist
besonders dann vorteilhaft, wenn die Reihenschaltung aus einer bestimmten
Anzahl von baugleichen Blöcken (mit jeweils gleicher Anzahl von
elektrochemischen Zellen) besteht. In diesem Falle sollte der
Proportionalitätsfaktor dem Kehrwert der Anzahl der Blöcke entsprechen.
Der Spannungsteiler gibt dann den augenblicklichen Mittelwert der
Spannung eines einzelnen Blockes ab. Hierzu wird auf die Ansprüche 12
und 13 verwiesen.
Gemäß Anspruch 6 ist mindestens ein Block eine Akkumulatorenbatterie. In
einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung würde üblicherweise
jeder Block eine Akkumulatorenbatterie sein.
Der Schalter gemäß Anspruch 11 verhindert eine Tiefentladung der
elektrochemischen Zellen des jeweiligen Blocks.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den übrigen
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand zweier
Zeichnungen, aus denen sich weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben,
näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zum Überprüfen eines
Blockes mit elektrochemischen Zellen und
Fig. 2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Spannung (am Ausgang)
von der Frequenz (am Eingang) an demjenigen Wandler darstellt,
der die Frequenz in eine Spannung wandelt.
Gemäß Fig. 1 weist eine Schaltungsanordnung zum Überprüfen von
elektrochemischen Zellen eine Reihenschaltung mit einer Anzahl N von
vierunddreißig Blei-Akkumulatorenbatterien auf.
Jede Blei-Akkumulatorenbatterie bildet einen Block 1 mit sechs
elektrochemischen Zellen 2 und stellt eine Gleichspannung von 12 V zur
Verfügung. Es ergibt sich damit eine Gesamtspannung von ca. 408 V
(34 * 12 V = 408 V). Wenn diese Blei-Akkumulatorenbatterien Bestandteil
einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) sind, stellt
die Gesamtspannung bei einem Netzausfall einen ungestörten Weiterbetrieb
der mit der Anlage verbundenen Netzgeräte sicher.
An die Reihenschaltung ist ein Spannungsteiler 3 angeschlossen, der
ausgangsseitig eine Gleichspannung abgibt, die einem Vierunddreißigstel
(1/N = 1/34) der Gesamtspannung an der Reihenschaltung aller
Blei-Akkumulatoren entspricht. Hinter den Spannungsteiler 3 Ist ein
Spannungs-Frequenz-Wandler 4 geschaltet, der die an ihm anliegende
Gleichspannung in einen (hochfrequenten) Strom wandelt. Dieser Strom wird
in die Primärwicklung 5 eines Übertragers 6 geleitet. Die Primärwicklung 5
ist auf einem Ringkern 7 des Übertragers 6 angebracht. Die Frequenz des
Stromes ist abhängig von der Größe der Gleichspannung am
Spannungs-Frequenz-Wandler, und zwar gilt: je höher die Gleichspannung,
desto größer ist die Frequenz. Als Sekundärwicklung des Übertragers 6
dient eine Stromschleife 8, die durch den Ringkern 7 des Übertragers 6
gelegt ist.
Diese Stromschleife 8 ist durch einen weiteren Ringkern 9 geführt und
bildet dort die Primärwicklung eines weiteren Übertragers 10, dessen auf
dem Ringkern 9 angebrachte Sekundärwicklung 11 an einen
Frequenz-Spannungs-Wandler 12 angeschlossen ist. Dieser
Frequenz-Spannungs-Wandler 12 ruft ausgangsseitig eine Gleichspannung
hervor, deren Höhe von der Frequenz des eingespeisten Stromes abhängt.
An jeden aus einer Blei-Akkumulatorenbatterie bestehenden Block 1 ist
eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand 13 und einem
temperaturabhängigen Widerstand 14 geschaltet. Der temperaturabhängige
Widerstand 14 ist ein NTC-Widerstand und ist unmittelbar an dem Gehäuse
der zugehörigen Blei-Akkumulatorenbatterie (des jeweiligen Blockes 1)
befestigt. Auf diese Weise wird ein Temperaturanstieg elektronisch erfaßt.
Die Spannung an dem temperaturabhängigen Widerstand 14 wird durch
einen daran angeschlossenen Verstärker 15 verstärkt; durch die
Widerstände 13 und 14 wird folglich ein Spannungsteiler gebildet, der
gleichzeitig Spannung und Temperatur am Block 1 erfaßt.
Ausgangsseitig ist der Verstärker 15 mit einem Eingang eines
Fensterkomparators 16 verbunden. Der Fensterkomparator 16 bildet
zusammen mit zwei Leuchtdioden 17, die antiparallel an den Ausgang des
Fensterkomparators 16 geschaltet sind, eine Vergleichseinheit 18.
Der Ausgang des weiter oben erwähnten Frequenz-Spannungs-Wandlers 12
ist mit dem anderen Eingang des Fensterkomparators 15 verbunden.
Abhängig von dem Vorzeichen der Spannung zwischen den Eingängen des
Fensterkomparators 15 wird nun entweder die eine oder die andere
Leuchtdiode 17 zum Leuchten angeregt. Statt dessen oder zusätzlich kann
eine Schaltung vorgesehen sein, die eine Störmeldung hervorruft.
Insbesondere der Verstärker 15 und der Frequenz-Spannungs-Wandler 12
müssen so ausgelegt sein, daß die Spannungsdifferenz an den Eingängen
des Komparationsverstärkers 16 bei ordnungsgemäßem Zustand der
elektrochemischen Zellen 2 im überwachten Block 1 annähernd null ist, so
daß keine der beiden Leuchtdioden 17 Licht abgibt.
Bei einem in diesem Sinne ordnungsgemäßen Zustand eines Blockes 1 liegen
die Zellenspannungen im Vergleich mit der mittleren
Erhaltungsladespannung aller Zellen 2 in einem vom Hersteller angegebenen
Bereich (beispielsweise: Abweichung +0,2 V bis -0,1 V). Außerdem weicht
die Temperatur nur bis zu einem bestimmten Maximalwert von einem fest
vorgegebenen Bezugswert ab. Dieser Bezugswert ist üblicherweise vom
Hersteller der Blei-Akkumulatorenbatterien vorgegeben.
Zur Spannungsversorgung der jedem Block 1 zugeordneten elektronischen
Bausteine ist eine Abzweigung parallel zu der Reihenschaltung des
Widerstandes 13 mit dem temperaturabhängigen Widerstand 14 vorgesehen.
Ein Widerstand 19 begrenzt den herausfließenden Strom.
Zur Verhinderung von Tiefenentladungen der Zellen 2 in dem jeweils
überwachten Block 1 mit kleinen Strömen ("Batterietod") ist zwischen den
Block 1 und die Reihenschaltung der Widerstände 13 und 14 ein Schalter
20 und parallel zu der Reihenschaltung aus den beiden vorgenannten
Widerständen 13 und 14 eine Unterspannungsspule 21 eingefügt. Der
Schalter 20 öffnet, wenn die Spannung an dem Block 1 einen vorgegebenen
Grenzwert unterschritten hat.
Bei Inbetriebnahme ist der Schalter 20 durch eine Automatik oder von
Hand zu entriegeln.
Der Übertrager 10, der Frequenz-Spannungs-Wandler 12, die
Vergleichseinrichtung 18, der Verstärker 15, der ohmsche Widerstand 13,
der temperaturabhängige Widerstand 14, der Schalter 20 und die
Unterspannungsspule sind Bausteine eines Blocküberprüfungsschaltkreises
22. Der Blocküberprüfungsschaltkreis 22 ist in der Fig. durch eine
strichlierte Linie begrenzt; für jeden Block 1, der überprüft werden soll,
muß ein derartiger Blocküberprüfungsschaltkreis 22 vorgesehen werden. Der
Übersichtlichkeit wegen ist nur ein einziger in der Fig. 1 dargestellt.
Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Spannung am Ausgang des
Frequenz-Spannungs-Wandlers 12 in Abhängigkeit von der Frequenz des
Stromes an seinem Eingang. Der hochfrequente Strom in der Stromschleife 8
hat eine Frequenz innerhalb eines Bereiches von 4 bis 9 kHz.
Claims (14)
1. Schaltungsanordnung zum Überprüfen von aufladbaren
elektrochemischen Zellen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gesamtspannung einer Reihenschaltung von mehreren elektrochemischen Zellen (2), in voller Höhe oder um einen Proportionalitätsfaktor reduziert, mittels eines Spannungs-Frequenz-Wandlers (4) mit einer Einrichtung zur galvanischen Trennung in einen hochfrequenten Strom gewandelt wird,
daß die Reihenschaltung mindestens einen Block (1) mit einer einzigen Zelle (2) oder mit mehreren hintereinandergeschalteten Zellen (2) enthält und jeder Block (1) einen eigenen Blocküberprüfungsschaltkreis (22) mit mehreren elektronischen Bauelementen aufweist, nämlich mit
daß die Gesamtspannung einer Reihenschaltung von mehreren elektrochemischen Zellen (2), in voller Höhe oder um einen Proportionalitätsfaktor reduziert, mittels eines Spannungs-Frequenz-Wandlers (4) mit einer Einrichtung zur galvanischen Trennung in einen hochfrequenten Strom gewandelt wird,
daß die Reihenschaltung mindestens einen Block (1) mit einer einzigen Zelle (2) oder mit mehreren hintereinandergeschalteten Zellen (2) enthält und jeder Block (1) einen eigenen Blocküberprüfungsschaltkreis (22) mit mehreren elektronischen Bauelementen aufweist, nämlich mit
- - einem temperaturabhängigen, möglichst nahe an dem Block (1) angebrachten und an diesen angeschlossenen Widerstand (14),
- - einer Vergleichseinrichtung (18), deren einer Eingang mit einem der Spannung an dem temperaturabhängigen Widerstand (14) proportionalen Spannung gespeist wird,
- - einem Frequenz-Spannungs-Wandler (12), der mit einem dem hochfrequenten Strom proportionalen Strom gespeist wird und dessen ausgangsseitige Spannung an einen zweiten Eingang der Vergleichseinrichtung (18) geführt ist,
und daß die Vergleichseinrichtung (18) ein Signal erzeugt, wenn die
Spannung am Ausgang des Verstärkers (15) um mindestens einen
bestimmten Wert kleiner oder größer ist als die Spannung am Ausgang
des Frequenz-Spannungs-Wandlers (12).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Spannungs-Frequenz-Wandler (4) ein Spannungsteiler (3)
vorgeschaltet ist, an den eingangsseitig die Gesamtspannung anliegt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zur galvanischen Trennung ein Ringkern (7) mit
einer von dem Spannungs-Frequenz-Wandler (4) gespeisten Wicklung
(5) und einer durch den Ringkern (7) geführten, von dem
hochfrequenten Strom durchflossenen Stromschleife (8) als
Sekundärwicklung ist, daß diese Stromschleife (8) als eine
Primärwicklung durch einen weiteren Ringkern (9) geführt ist, wobei
für jeden Blocküberprüfungsschaltkreis (22) ein derartiger weiterer
Ringkern (9) vorhanden ist, und daß um jeden Ringkern (9) eine
Wicklung (11) als Sekundärwicklung gelegt und diese Wicklung (11)
zum Eingang des Frequenz-Spannungs-Wandlers (12) geführt ist.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zur galvanischen Trennung ein Optokoppler ist,
daß dieser Optokoppler den hochfrequenten Strom abgibt und daß
dieser Strom einem weiteren Optokoppler zugeführt wird, der
ausgangsseitig mit dem Frequenz-Spannungs-Wandler (12) verbunden
Ist, wobei für jeden Blocküberprüfungsschaltkreis (22) ein derartiger
weiterer Optokoppler vorhanden ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß an den temperaturabhängigen Widerstand (14) ein Verstärker (15)
angeschlossen ist, der die Spannung an dem temperaturabhängigen
Widerstand (14) verstärkt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Block (1) eine Akkumulatorenbatterie ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vergleichseinrichtung (18) einen Fensterkomparator (16) mit
einem positiven und einem invertierenden Eingang umfaßt und daß an
den Fensterkomparator (16) ausgangsseitig antiparallel zwei
Leuchtdioden (17) geschaltet sind.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß an dem Blocküberprüfungsschaltkreis (22) in Reihe zu dem
temperaturabhängigen Widerstand (14) eine Abzweigung zur Versorgung
der Schaltungsanordnung vorhanden ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der an den Block (1) angeschlossene Blocküberprüfungsschaltkreis
(22) außer dem temperaturabhängigen Widerstand (14) einen weiteren,
in Reihe zu diesem geschalteten Widerstand (13) aufweist und daß der
Verstärker (15) parallel zu dem temperaturabhängigen Widerstand (13)
geschaltet ist.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltungsanordnung derart ausgelegt ist, daß die von dem
Frequenz-Spannungs-Wandler (12) erzeugte Spannung im Verhältnis
zur momentanen Gesamtspannung der Reihenschaltung so groß ist wie
das Verhältnis der Spannung an dem zugehörigen Block (1) zur
Gesamtspannung der Reihenschaltung im Falle gleicher Spannungen in
allen elektrochemischen Zellen (11) der Reihenschaltung.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Zuführungsleitung zwischen dem Block (1) und den
Bausteinen des Blocküberprüfungsschaltkreises (22) ein Schalter (20)
angeordnet ist, daß bei geschlossenem Schalter (20) eine
Unterspannungsspule (21) elektrisch mit dem Block (1) verbunden ist
und daß bei Unterschreiten eines vorgegebenen Grenzwertes für die
Spannung des Blockes (1) der Schalter (20) mittels der
Unterspannungsspule (21) geöffnet wird.
12. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Reihenschaltung aus einer vorgegebenen Anzahl N von
Blöcken (1) mit jeweils einer gleichen Anzahl von hintereinander
verschalteten, baugleichen elektrochemischen Zellen (2) besteht.
13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Proportionalitätsfaktor 1/N beträgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995108345 DE19508345C2 (de) | 1995-03-09 | 1995-03-09 | Schaltungsanordnung zum Überprüfen von aufladbaren elektrochemischen Zellen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995108345 DE19508345C2 (de) | 1995-03-09 | 1995-03-09 | Schaltungsanordnung zum Überprüfen von aufladbaren elektrochemischen Zellen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19508345A1 true DE19508345A1 (de) | 1996-09-12 |
DE19508345C2 DE19508345C2 (de) | 1997-04-17 |
Family
ID=7756115
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1995108345 Expired - Fee Related DE19508345C2 (de) | 1995-03-09 | 1995-03-09 | Schaltungsanordnung zum Überprüfen von aufladbaren elektrochemischen Zellen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19508345C2 (de) |
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-
1995
- 1995-03-09 DE DE1995108345 patent/DE19508345C2/de not_active Expired - Fee Related
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EP0980131A3 (de) * | 1998-08-10 | 2003-07-02 | CEAG Sicherheitstechnik GmbH | Verfahren und Überwachungsvorrichtung zur Überwachung wenigstens eines von zur Notversorgung von elektrischen und/oder elektronischen Verbrauchern zuschaltbaren Batteriesatzes |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19508345C2 (de) | 1997-04-17 |
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Owner name: AEG STROMVERSORGUNGS-SYSTEME GMBH, 59581 WARSTEIN, |
|
D2 | Grant after examination | ||
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Owner name: AEG SVS POWER SUPPLY SYSTEMS GMBH, 59581 WARSTEIN, |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20141001 |