DE19508345C2 - Schaltungsanordnung zum Überprüfen von aufladbaren elektrochemischen Zellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Überprüfen von aufladbaren elektrochemischen Zellen.

Aus der DE 33 34 851 A1 ist eine Vorrichtung zum Schnelladen von NiCd-Batterien bekannt, bei der an eine Reihenschaltung der Batteriezellen ein Spannungs-Frequenz-Wandler angeschlossen ist.

Die DE 31 46 141 A1 beschreibt eine Überwachungseinrichtung für eine aus mehreren Blöcken (mit jeweils mehreren Zellen) bestehenden Batterie. Die Spannung jedes Blocks wird durch einen Differenzverstärker verstärkt. Aus dem Auftreten von Differenzspannungen zwischen zwei beliebigen Blöcken kann auf den Zustand der Batterie geschlossen werden.

Die DE 34 38 783 C1 betrifft eine Überwachungseinrichtung für eine Batterie mit wenigstens zwei parallel geschalteten Zweigen aus einer übereinstimmenden Zahl von hintereinander geschalteten Zellen. In jedem Zweig werden die Zellen zu zwei Blöcken zusammengefaßt, die durch einen Mittenabgriff getrennt sind. In benachbarten Zweigen auftretende Differenzspannungen werden ausgewertet.

Schließlich ist aus der DE 37 12 629 A1 eine Betriebsdauer-Prüfvorrichtung für eine Kraftfahrzeugbatterie bekannt, bei der die Temperatur der Batterie mit einem Temperaturfühler erfaßt wird.

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 diesbezüglich 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 ab gibt, 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 4, 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 weiteren Frequenz-Spannungs-Wandler 12 angeschlossen ist. Dieser weitere 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 weiteren Frequenz-Spannungs-Wandlers 12 ist mit dem anderen Eingang des Fensterkomparators 16 verbunden.

Abhängig von dem Vorzeichen der Spannung zwischen den Eingängen des Fensterkomparators 16 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 weitere 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 weitere 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 weiteren 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, bei der
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, wobei
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 weiteren Frequenz-Spannungs-Wandler (12), der mit einem dem hochfrequenten Strom proportionalen Strom gespeist wird und dessen ausgangsseitige Spannung an einen zweiten Eingang der Vergleichseinrichtung (13) geführt ist,

wobei die Vergleichseinrichtung (18) ein Signal erzeugt, wenn die erwähnte Spannung, die derjenigen an dem temperaturabhängigen Widerstand (14) proportional ist, um mindestens einen bestimmten Wert kleiner oder größer ist als die Spannung am Ausgang des weiteren Frequenz-Spannungs-Wandlers (12).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem weiteren 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 weiteren 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 zugeführt wird, der ausgangsseitig mit dem weiteren 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 (14) geschaltet ist.

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung derart ausgelegt ist, daß die von dem weiteren 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.