DE2850489A1

DE2850489A1 - System und vorrichtung zur ueberwachung oder steuerung des betriebs wiederaufladbarer akkumulatoren

Info

Publication number: DE2850489A1
Application number: DE19782850489
Authority: DE
Inventors: Martin G Klein
Original assignee: Energy Research Corp
Current assignee: Fuelcell Energy Inc
Priority date: 1977-11-21
Filing date: 1978-11-21
Publication date: 1979-05-23
Also published as: GB2008341B; DE2850489B2; JPS5942538B2; FR2409607B1; JPS5482041A; GB2008341A; DE2850489C3; FR2409607A1; US4207514A

Description

Die Erfindung befaßt sich allgemein mit dem Ladungszustand von wiederaufladbaren Akkumulatoren und deren Steuerung und insbesondere mit einem System und einer Vorrichtung zur Anzeige des Ladungszustandes von wiederaufladbaren Akkumulatoren sowohl während des Lade- als auch während des Entladevorganges derselben-

Während bei verschiedenen Anwendungsfällen wiederaufladbare Akkumulatoren oder sogenannter Sekundärbatterien in der Vergangenheit das Bedürfnis aufgetreten ist^ Systeme zur Anzeige des Ladungszustandes der Sekundärbatterien zu schaffen, wurden bisher von den Fachleuten keine bequemen und zuverlässigen Methoden zur Lieferung dieser Information hergestellt mit Ausnahme für Metall/Gasakkumulatoren, in denen der Gasdruck eine direkte Anzeige des Ladungszustandes liefert= Durch die derzeit hohe Aktivität auf dem Gebiet der Fahrzeugantriebe wird sogar noch dringender als bei den früheren Anwendungsfällen eine Sofortanzeige des Ladungszustandes benötigt. Die Anzeige des Ladungszustandes ist aus verschiedenen Gründen wesentlich bei der Verwendung von Akkumulatoren für elektrische Fahrzeugantriebe. In erster Linie ist eine solche Anzeige ein direktes Äquivalent zu der üblichen Brennstoffmengenanzeige eines Automobils, um die verbliebene Reichweite des Fahrzeuges anzuzeigen. Ferner ermöglicht es eine Sichtanzeige oder eine elektrische Messung des Ladungszustandes, eine starke überladung oder eine übermäßige Entladung und Umkehr der Zelle zu verhindern, wobei all diese Vorgänge die Lebensdauer des Akkumulators wesentlich verkürzen, der in der Anschaffung immerhin ziemlich teuer ist. Da der Metall/Gasakkumulator

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im allgemeinen als ungeeignet gilt, um als Energiequelle für elektrisch betriebene Fahrzeuge zu dienen, wird die Notwendigkeit für ein geeignetes Ladungsanzeige/Steuersystem und eine entsprechende Vorrichtung noch verstärkt.

Derzeit bekannte Systeme zur überwachung des Ladungszustandes von Akkumulatoren sind in der Beschreibung des Standes der Technik diskutiert, die im Zusammenhang mit den Fällen 37 GFR 1.97 und 1.98 eingereicht wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässi-"i ges und genaues System sowie eine entsprechende Vorrichtung zur überwachung des Ladungszustandes eines wiederaufladbaren Akkumulators sowohl während des Ladevorganges als auch während des Entladevorganges anzugeben.

Zur Erreichung dieses und weiterer Ziele wird erfindungsgemäß ein System vorgeschlagen, das auf die Richtung und die Stärke des Klemmenstromes eines überwachten wiederaufladbaren Akkumulators anspricht, um die Richtung und die Stärke des Klemmenstromes eines weiteren Akkumulators, der im folgenden als Kontrollzelle bezeichnet

-* wird, sowohl während des Lade- als auch des Entladevorganges des überwachten Akkumulators so anzupassen, daß der Klemmenstrom der Kontrollzelle geprüft werden kann, um zu jedem Zeitpunkt eine Anzeige des Ladungszustandes des überwachten Akkumulators zu erhalten. Die Kontrollzelle ist vorzugsweise eine Metall/Gaszelle, wodurch der Druck des erzeugten Gases direkt zur Anzeige des Ladungszustandes oder zur Betätigung von auf Druck ansprechenden Schaltern verwendet werden kann, die in einer Schaltungsanordnung mit dem überwachten Akkumulator ver-

^ίΪ4 bunden sind.

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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystemes ist vorgesehen, daß der Klemmenstrom der Kontrollzelle von dem Klemmenstrom des überwachten Akkumulators getrennt ist, d.h. von einer eigenen Stromversorgung während des Aufladens der Kontrollzelle aufgenommen wird, wodurch das Überwachungssystem von dem überwachten Akkumulator im wesentlichen elektrisch isoliert ist. In einer noch mehr bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Überwachungssystems ist vorgesehen, daß zwischen dem überwachten Akkumulator und der Kontrollzelle ein solches Maß an elektrochemischer Übereinstimmung besteht, daß die Korrelation der einander entsprechenden Ladungszustände mit der Zeit verstärkt wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beiliegenden Figuren die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen des Systems und der Vorrichtung beschreibt. Dabei sind in den Figuren gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltungsdiagramm einer ersten Ausführungsform der Entlade/Ladesteuervorrichtung für die Kontrollzelle in dem System gemäß Fig. 1, und

Fig. 3 eine elektrische schematische Schaltungsanordnung einer weiteren Ausführungsform der Entlade/ Ladesteuervorrichtung für die Kontrollzelle gemäß der Darstellung in Fig. T.

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In Fig. 1 erkennt man einen Hauptakkumulator 1o mit einer an Masse angeschlossenen Elektrode 1oa und einer mit einer Leitung 12 verbundenen Elektrode lob. Bei dem Hauptakkumulator 1o handelt es sich um eine Sekundärbatterie, d.h. eine wiederaufladbare Batterie. Ein solcher Akkumulator ist typischerweise ein Bleisäureoder Nickelzinkakkumulator. Ein L/C-Fühler 14 (Last/ Ladungs-Fühler) ist in Reihe mit der Leitung 12 und einer Leitung 16 geschaltet. Von dem L/C-Fühler 14 gehen Ausgangsleitungen 18 und 2o aus. In einer üblicherweise verwendeten Anordnung zur Messung des momentanen Batterielade- oder Entladestromes besteht der L/C-Fühler 14 aus einem Reihenwiderstand (Überbrückungswiderstand), wobei die Ausgangsleitung 18 mit dem der Leitung 12 nahen Ende und die Ausgangsleitung 2o mit dem der Leitung 16 nahen Ende des Widerstandes verbunden ist. Dieser Widerstand liefert über die Amplitude und die relative Richtung der Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsleitungen 18 und 2o eine Anzeige für Richtung und Größe des Klemmenströmes des Hauptakkumulators (d.h. des Stromes, der von der Elektrode 1ob zur Elektrode loa bzw. umgekehrt fließt). Ein in Reihe zwischen die Leitungen 18 und 2ο geschaltetes Amperemeter kann so den momentanen Lade- oder Entladestrom und seine Größe anzeigen.

Bei den verschiedenen Ausfuhrungsformen der Erfindung sind die Ausgangsleitungen 18 und 2o leitend mit einer L/C-Steuervorrichtung 22 für eine Kontrollzelle 26 verbunden. Geeignete Schaltungsanordnungen für die L/C-Steuervorrichtung 22 werden anhand der Fig. 2 und 3 weiter unten noch beschrieben. Im Betrieb nimmt die L/C-Steuervorrichtung 22 einen Laststrom aus einer Leitung

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auf bzw. speist einen Ladestrom in die Leitung 24 ein in Abhängigkeit der Richtung der Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsleitungen 18 und 2o, wobei die Größe dieses Last/Ladestromes durch die L/C-Steuervorrichtung 22 entsprechend der Amplitude der Spannungsdifferenz zwischen den Ausgangsleitungen 18 und 2o eingestellt wird. Der L/C-Fühler 14 ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er eine Änderung der Differenzspannung zwischen den Ausgangsleitungen 18 und 2o liefert, die proportional der Änderung in dem Klemmenstrom des Hauptakkumulators 1o ist. Die L/C-Steuervorrichtung 22 ist so ausgebildet, daß sie eine Änderung des Stromes auf der Leitung 24 bewirkt, die proportional der Differenzspannung zwischen den Ausgangsleitungen 18 und 2o ist.

Die Kontrollzelle 26 besitzt eine Elektrode 26a, die mit der Leitung 24 verbunden ist, und eine Elektrode 26b, die an Masse angeschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kontrollzelle 26 von einem Metallgas-Sekundärelemente gebildet, das aus einer herkömmlichen festen Elektrode und einer Gasgegenelektrode besteht. Geeignete Elektrodenkombinationen umfassen beispielsweise die Elektrodenpaare Bleioxid/ Wasserstoff, Nickeloxid/Wasserstoff, Silberoxid/Wasserstoff, Zink/Sauerstoff, Kadmium/Sauerstoff und Blei/ Sauerstoff. Bei Verwendung eines Nickeloxid/Wasserstoff-Systems wird während des Aufladens der Zelle die Nickelelektrode zu Nickelhydroxid umgewandelt, wobei Gas an der Wasserstoffelektrode entsteht. Die Zelle ist in einem geschlossenen Behälter untergebracht und die Menge des in der Zelle entstandenen Gases ist proportional der Amperestundenzahl des durch die Zelle geflossenen Stromes, Der Gasdruck innerhalb des Zellgehäuses wächst und fällt

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linear in Abhängigkeit der Amperestunden des Ladestromes bzw. Entladestromes und liefert damit ein bequemes Maß für den Ladungszustand der Zelle.

Bei der Ausbildung der Kontrollzelle 26 als Metall/ Gaszelle stellt die Leitung 28 eine Druckleitung dar, die sich von dar Kontrollzelle 26 zu einem S/C-Wandler 3o (Ladungszustandswandler) erstreckt, der von einem herkömmlichen Druckwandler oder Manometer gebildet sein kann und über eine Leitung 34 eine optisch oder auf andere Weise wahrnehmbare Anzeige an eine Anzeigevorrichtung 32 liefert.

Das Ausgangssignal des S/C-Wandlers 3o kann auch über eine Leitung 36 einem L/C-Schalter 38 (Last/Ladungsschalter) zugeführt werden,der in Abhängigkeit dieses Signales die Leitung 16 entweder mit einer Leitung 4o oder einer Leitung 42 verbinden kann, je nachdem, ob der Hauptakkuitiulator 1o mit einem Verbraucher 44 verbunden oder von einer Ladungsquelle 46 her aufgeladen werden soll.

Bei Betrieb des in Fig. 1 dargestellten Systems fließt beim Entladen des Hauptakkumulators 1o aus seinem geladenen Zustand der Klemmenstrom des Hauptakkumulators 1o über den L/C-Fühler 14 und den L/C-Schalter 38 zum Verbraucher 44. Aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen 18 und 2o zieht die L/C-Steuervorrichtung 22 einen Klemmenstrom von der Kontrollzelle 26 über die Leitung 24, so daß die Kontrollzelle 26 proportional zu der Entladung des Hauptakkumulators 1o entladen wird. Bei einem vorbestimmten Niederdrucksignal auf der Leitung 28 betätigt der S/C-Wandler 3o den L/C-Schalter 33,

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um die Entladung des Hauptakkumulators Io zu unterbre- . chen, d.h., die Leitungen 16 und 4o zu unterbrechen und die Leitungen 16 und 42 miteinander zu verbinden. Wie später noch erläutert werden wird, kann das System auch von Hand umgeschaltet werden, wobei der L/C-Schalter 38 von Hand aufgrund der Anzeige umgeschaltet wird, die an der Ladungszustandsanzeigevorrichtung 32 erscheint. Während des Wiederaufladens des Hauptakkumulators 1o im automatischen Betrieb kehrt sich der oben beschriebene Vorgang selbsttätig wieder um unter Steuerung des L/C-Fühlers 14 und der L/C-Steuervorrichtung 22. So nimmt die Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen 18 und 2o ein Vorzeichen an, das demjenigen während des Entladevorganges entgegengesetzt ist. Die L/C-Steuervorrichtung 22 spricht auf diesen Vorzeichenwechsel an, um die Belastung der Kontrollzelle 26 zu unterbrechen und der Kontrollzelle 26 nun einen Ladestrom zuzuführen, der vorzugsweise von einer getrennten Spannungsquelle geliefert wird, so daß der Ladestrom für die Kontrollzelle 26 auf der Leitung 24 unabhängig von dem von der Ladungsquelle 46 zum Hauptakkumulator 1o fließenden Ladestrom, diesem jedoch proportional ist. Wie durch die in Fig. 1 zwischen dem Hauptakkumulator 1o und der L/C-Steuervorrichtung 22 verlaufende gestrichelte Linie angedeutet ist, kann die L/C-Steuervorrichtung 22 von dem Hauptakkumulator her gespeist werden. Der Zellenstrom der Kontrollzelle 26, d.h. der zwischen den Elektroden 26a und 26b fließende Strom, wird somit in seiner Richtung an den Klemmenstrom des Hauptakkumulators 1o angepaßt und ist in seiner Größe dem Klemmenstrom des Hauptakkumulators 1 ο proportional.

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In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der in Fig. 1 allgemein dargestellten L/C-Steuervorrichtung 22 für den automatischen Betrieb dargestellt. Man erkennt einen Verstärker A1, der als Leistungsoperationsverstärker geschaltet ist und beispielsweise einen Strom mit einer Stärke von mehr als einem Ampere bei einer Spannung von plus und minus 12 Volt liefern kann. Die Leitung 2o ist mit einem ersten Eingang des Verstärkers A1 über einen Widerstand R1 verbunden. Die Leitung 18 ist mit einem zweiten Eingang des Verstärkers A1 über Serienwiderstände R2 und R3 verbunden, wobei der Serienwiderstand R2 für weiter unten noch zu erläuternde Zwecke einstellbar ist. Rückkopplungswiderstände R4 und R5 liefern eine Rückkopplung der Spannungsverstärkung zu der Verstärkerausgangsklemme T. Zwischen die Verstärkerausgangsklemme T und die Ausgangsleitung 24 der L/C-Steuervorrichtung 22 ist ein Lastwiderstand R6 geschaltet. Die Betriebsspannung für den Verstärker A1 und der Ladestrom auf der Leitung 24 für das Aufladen der Kontrollzelle 26 werden von einer eigenen Spannungsversorgung geliefert, welche einen Transformator T1 aufweist. Dessen Primärwicklung ist mit einer Wechselstromquelle verbunden, während seine Sekundärwicklung in der dargestellten Weise mit Dioden Di bis D4 und Condensatoren C1 und C2 verbunden ist. Über eine Leitung 48 wird dem Verstärker A1 eine positive Gleichspannung einerseits direkt über die Leitung 5o und andererseits über einen Widerstand R7 zugeführt. Eine negative Gleichspannung wird dem Verstärker A1 über die Leitung 52 und direkt über die Leitung 54 sowie über einen Widerstand R8 zugeführt. Zwischen die Verstärkerausgangsklemme T und eine Leitung 56 ist ein Kondensator C3 geschaltet.

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Bei der Verwirklichung der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung kann der Verstärker A1 von einem Leistungsverstärker der Firma National Semiconductor, Nr. LHOO21CK in Verbindung mit geeigneten Wärmeableitflächen gebildet sein. Das Eingangsende der Leitung 2o (Widerstand Rl) ist mit dem vom Hersteller mit der Nr. 5 versehenen Anschluß des Verstärkers verbunden. Diese Anschlüsse werden im folgenden als md-Anschlüsse bezeichnet. Das Eingangsende der Leitung 18 (Widerstand R3) ist mit dem md-Anschluß 6 des Verstärkers verbunden. Die Leitung 54 ist mit dem md-Anschluß 7 verbunden und der Widerstand R8 zwischen die md-Anschlüsse 7 und 8 geschaltet. Die Leitung 5o ist mit dem md-Anschluß 2 verbunden und der Widerstand R7 zwischen die md-Anschlüsse 1 und 2 geschaltet. Die Leitung 56 ist mit dem md-Anschluß 4 verbunden. Die Ausgangsklemme T ist das Gehäuse dieses im Handel erhältlichen Verstärkers.

Bei einer von dem L/C-Fühler 14 gemäß Fig. 1 gelieferten Ausgangsspannung im Bereich von O- 1oo Millivolt über den vollständigen Bereich der Ladungs- und Entladungsvorgänge beträgt der Widerstandswert für den Widerstand R1 1o Kiloohm, für den Widerstand R2 5 Kiloohm und für den Widerstand R3 8 Kiloohm. Die Widerstände R4 und R5 haben jeweils einen Widerstandswert von 1oo Kiloohm. Der Widerstandswert der Widerstände R7 und R8 beträgt jeweils o,5 Ohm und der Widerstandswert für den Widerstand R6 1 Ohm. Der Transformator T1 kann von einem Transformator der Firma Stancor, Modell P-813o, gebildet sein. Für die Dioden D1-D4 können Dioden des Typs 1N555O verwendet werden. Die Kondensatoren C1 und C2 haben jeweils eine Kapazität von 22o Mikrofarad und der Kondensator T3 eine Kapazität von

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3ooo Picofarad. Die Primärwicklung des Transformators T1 wird mit Netzspannung (115 Volt Wechselstrom) gespeist. Mit den vorstehend genannten Werten führt die Leitung 48 eine Gleichspannung von +6V und die Leitung 52 eine Gleichspannung von -6V.

Bei der Verwendung der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird der Widerstand R2 eingestellt, während der Klemmenstrom des Hauptakkumulators 1ο Null ist, d.h., wenn die Differenzspannung zwischen den Leitungen 18 und 2o verschwindet, so daß die Ausgangsspannung an der Verstärkerklemme T verschwindet. Wenn danach die Leitung 2o gegenüber der Leitung 18 positiv geladen wird, d.h. während des Aufladens des Hauptakkumulators 1o, arbeitet die Schaltungsahordnung in der Weise, daß sie eine positive Spannung auf der Leitung 24 erzeugt und somit einen Ladestrom zu der Kontrollzelle 26 liefert, der in seiner Größe der positiven Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen 2o und 18 proportional ist. Wenn umgekehrt die Leitung 18 relativ zur Leitung 2o positiv wird, wie dies der Fall beim Entladen des Hauptakkumulators To ist, liefert die Schaltung gemäß Fig. 2 eine negative Spannung auf der Leitung 24, wodurch ein Strom aus der Kontrollzelle 26 abfließt und in dem Widerstand R6 verbraucht wird. Dieser Entladestrom ist in seiner Größe der positiven Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen 18 und 2o proportional. Wie man erkennt, besitzt der Verstärker Al vorzugsweise eine sehr hohe Eingangsimpedanz, so daß er praktisch den auf der Leitung 24 fließenden Strom gegenüber dem Klemmenstrom des Hauptakkumulators 1o isoliert. Wie man aus der in Fig. 2 dargestellten Stromversorgungsschaltung erkennt, ist somit der auf der Leitung 24

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fließende Strom getrennt von dem Klemmenstrom des Hauptakkumulators 1 ο.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der L/C-Steuervorrichtung 22 für Handbetrieb dargestellt, umfassend zwei Schalter S1 und S2, die untereinander für eine gemeinsame Betätigung verbunden sind. Die Schalter S1 und S2 sind mit den Leitungen 18 und 2o bzw. den Elektroden 26a und 26b der Kontrollzelle 26 verbunden. In dieser Anordnung ist das in Fig. 1 dargestellte System in der Weise modifiziert, daß die Leitung 24 über den Schalter S2 mit der Kontrollzelle 26 verbunden ist und daß die Elektrode 26b von Masse getrennt ist. Der Verstärker A2 wird über eine Leitung 58 mit einer unipolaren (positiven) Gleichspannung versorgt. Leitung 6o ist mit Masse verbunden. In die Leitung 62 wird ebenfalls eine solche unipolare Gleichspannung eingespeist. Die einer Zenerdiode Z1 zugeführte Verstärkerausgangsspannung hat somit nur Änderungen von Null zu einer positiven Gleichspannung in einer Richtung. Beim Zenerdurchbruch der Zenerdiode Z1 fließt ein Strom über einen Widerstand R14 zur Basis eines Transistors Q1. Der Transistor Q1 seinerseits liefert einen Strom an die Basis des Transistors Q2. Der Transistor Q2 ist als Emitterfolger geschaltet und liefert einen Strom über einen Widerstand R13 zum Schalter S2. Eine Rückkopplung erfolgt über Widerstände R11 und R12.

Wenn sich die Schalter S1 und S2 in der in Fig. 3 dargestellten Stellung befinden, wird der Hauptakkumulator 1o entladen. Die Potentialdifferenz zwischen den Leitungen 18 und 2o (Leitung 2o ist positiv relativ zur Leitung 18) steuert die Ausgangsspannung des Verstärkers A2 in der Weise, daß ein umgekehrter Strom durch die Kon-

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trollzelle 26 fließt, d.h. der Schalter S2 verbindet die Elektrode 26a mit der Masse und die Elektrode 26b mit der positiven Spannung, die von der Schaltung auf der Leitung 24 zugeführt wird. Wenn sich dagegen die Schalter S1 und S2 in der zu der dargestellten Stellung entgegengesetzten Stellung befinden, werden die Verbindungen der Leitungen 18 und 2o mit dem Verstärker A2 umgedreht und die Elektrode 26b der Kontrollzelle 26 wird geerdet. Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung arbeitet nun in der Weise, daß eine positive Spannung an der Elektrode 26a anliegt und folglich ein Ladestrom zur Kontrollzelle 26 fließt. In beiden Stellungen der Schalter S1 und S2 ist der Klemmenstrom der Kontrollzelle 26 proportional der Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen 18 und 2o.

Bei der Realisierung der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der L/C-Steuervorrichtung 22 kann als Verstärker A2 ein im Handel erhältliches Modell Nr. NA741 der Firma Motorola verwendet werden. Als Zenerdiode Z1 kann eine 4,3-Volt-Zenerdiode des Typs 1N749A dienen. Als Transistoren QT und Q2 können Transistoren des Typs 2N2222A und 2N3715 verwendet werden. Die Widerstände R9 bis R14 haben die Werte 1o Kiloohm, Io Kiloohm, 1oo Kiloohm, 1oo Kiloohm, 1 Ohm bzw. 1 Kiloohm. Für eine derartige Schaltung ist die unipolare Spannung eine positive Gleichspannung von 12 Volt. Der vom Hersteller mit der Zahl 6 bezeichnete Anschluß (md-Anschluß Nr. 6) des Verstärkers ist mit der Zenerdiode verbunden. Der md-Anschluß 2 ist mit dem Widerstand R9, der md-Anschluß 3 mit dem Widerstand Rio, der md-Anschluß 7 mit der Leitung 58 und der md-Anschluß 4 mit der Masse verbunden.

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Eine erhöhte Zuverlässigkeit in der Korrelation des Ladungszustandes der Kontrollzelle mit dem Ladungszustand des Hauptakkumulators wird insbesondere dann erreicht, wenn elektrochemische Gemeinsamkeiten zwischen den beiden Zellen bestehen. Entsprechende Merkmale der Kontrollzelle und des Hauptakkumulators werden beispielsweise dadurch in Übereinstimmung gebracht, daß derselbe Typ von Festelektrode zur Steuerung jeder der Zellen verwendet wird. Wenn es sich bei dem Hauptakkumulator um einen Bleisäure-Akkumulator handelt und eine Metallgaszelle als Kontrollzelle oder Coulometer verwendet wird, so wäre beispielsweise ein Bleioxid/Wasserstoff-System geeignet, um zu erreichen, daß eine Elektrode der Metall-Gaszelle und eine Elektrode des Hauptakkumulators eine gemeinsame elektrochemisch konvertierbare Komponente aufweisen. Für einen Hauptakkumulator mit einem Nickel-Zink-System könnte beispielsweise ein Metallgas-Coulometer mit einem Nickel-Wasserstoff-System verwendet werden. Die Kontrollzelle würde in den folgenden Merkmalen mit dem Hauptakkumulator übereinstimmen:

Wenn der Hauptakkumulator überladen wird, wird keine weitere Ladungsmenge in dem Akkumulator gespeichert. Ähnlich gilt, wenn ein Metall-Gas-Akkumulator überladen wird, daß das Gas intern rekombiniert und daß der Gasdruck konstant bleibt.

Bei einer Aufbewahrung in feuchter Umgebung zeigen die meisten Akkumulatoren eine Selbstentladung (Verlust an gespeicherter Ladung) aufgrund der Korrosion oder des Zerfalles des aktiven Materials. Dieser Prozeß würde annähernd mit der gleichen Geschwindigkeit in einer passenden Metall-Gas-Zelle ablaufen und durch einen Abfall des Zelldruckes angezeigt.

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Während des normalen Ladevorganges wird ein Teil des Stromes nicht zur Erzeugung aktiven Materials verwendet und erhöht daher nicht den Ladungszustand der Elektroden, Der gleiche Prozeß existiert in dem Metall-Gas-Coulometer und würde durch die Geschwindigkeit des Druckanstieges angezeigt.

Wenn der Hauptakkumulator zu weit entladen oder gar umgekehrt wird, kann ihm keine verwendbare Ladung mehr entnommen werden. Dies würde auch in dem Gas-Coulometer angezeigt werden. Wenn die Metallelektrode in einer Metall-Gas-Zelle verbraucht ist, bleibt der Druck konstant, selbst wenn die Zelle umgedreht wird.

Allgemein gilt, daß bei einem zyklischen Laden und Entladen von Akkumulatoren ein Teil des aktiven Materials verloren geht oder deaktiviert wird in Abhängigkeit der Anzahl der Zyklen. Dies führt zu einem Leistungsabfall. Abhängig von dem exakten Vorgang bei dem Abfall kann dies ebenfalls durch die Menge des Gases verfolgt werden, das in der entsprechenden Metall-Gas-Zelle erzeugt wird.

Alle Akkumulatoren geben eine geringere Leistung bei hoher Entladegeschwindigkeit und/oder niedrigen Betriebstemperaturen ab. Dies ergibt sich aus geschwind!gkeitsbegrenzenden Vorgängen innerhalb des Akkumulators, welche die Verwendung eines Teiles des aktiven Materials des Akkumulators begrenzen. Das Metall-Gas-Coulometer würde Leistungsgrenzen bei hohen Entladegeschwindigkeiten oder niedrigen Betriebstemperaturen nicht anzeigen, da die Metall-Gaszelle mehr eine direkte Anzeige für die Menge des geladenen aktiven Materials in den Akkumulatorelektroden liefert als die elektrochemische Verfügbarkeit

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dieses aktiven Materials für eine Entladung. Folglich sollten der Hauptakkumulator und das Metall-Gas-Coulometer in ihrer Größe und ihrem Aufbau für eine Entladegeschwindigkeit und einen Temperaturbereich entsprechend den Betriebsanforderungen konzipiert sein.

In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können verschiedene Modifikationen von einem Fachmann vorgenommen werden, ohne sich dabei von der Erfindung zu entfernen. Die im einzelnen beschriebenen und diskutierten Systeme und Vorrichtungen sollen daher lediglich als Beispiel und nicht als ausschließlich mögliche Lösungen angesehen werden. Wesen und Ziel der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

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Claims

Pate η tan Sprüche

Vorrichtung zur überwachung oder Steuerung des Betriebs wiederaufladbarer Akkumulatoren, g e k e η η ζ e i c h net durch einen ersten wiederaufladbaren Akkumulator (1o), einen Fühler zur Erzeugung eines Ausgangssignales in einer ersten oder zweiten Richtung, das repräsentativ für die entgegengesetzten Richtungen und die Größe des Klemmenstromes des ersten Akkumulators (1o) ist, einen zweiten wiederaufladbaren Akku-

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mulator (26) und eine Steuervorrichtung (22) zum Hindurchleiten eines Klemmenstromes durch den zweiten Akkumulator (26) mit einer Stromstärke, die proportional der von dem Ausgangssignal des Fühlers (14) angezeigten Stromstärke des Klemmenstromes des ersten Akkumulators (lo) ist, und zur Anpassung der Richtung des Klemmenstromes des zweiten Akkumulators in der Weise, daß der Klemmenstrom des zweiten Akkumulators in einer Richtung fließt, wenn das Ausgangssignal des Fühlers (14) eine erste Richtung anzeigt, und daß der Klemmenstrom des zweiten Akkumulators in der entgegengesetzten Richtung fließt, wenn das Ausgangssignal· des Fühlers (14) eine zweite Richtung anzeigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (22) eine Stromversorgungseinrichtung zur Zuführung des Klemmenstroms des zweiten Akkumulators (26) aufweist, wodurch der Klemmenstrom des zweiten Akkumulators

(26) von dem Klemmenstrom des ersten Akkumulators (1o) getrennt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuervorrichtung (22) eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Strömen in der einen und der anderen Richtung und zur wahlweisen Zuführung dieser erzeugten Ströme zu einer gemeinsamen Elektrode des zweiten Akkumulators (26) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuervorrich-

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tung (22) eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Stromes in einer einzigen Richtung aufweist und daß Schaltmittel (S1, S2) mit den Elektroden (26a, 26b) des zweiten Akkumulators (26) verbunden sind, um die Art der Zuführung dieses in einer Richtung fließenden Stromes zu den Elektroden (26a, 26b) des zweiten Akkumulators (26) umzukehren.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Akkumulator (26) eine Metall/Gaszelle ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallelektrode der Metallgaszelle und eine Elektrode des ersten Akkumulators eine gemeinsame elektrochemisch konvertible Komponente aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Anzeigevorrichtung (3o) zur Anzeige des Gasdruckes in dem zweiten Akkumulator (26) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine Schalteinrichtung (38) vorgesehen ist, die auf den Gasdruck in dem zweiten Akkumulator (26) anspricht und die den ersten Akkumulator (1o) wahlweise mit einem Verbraucher (44) oder einerLadungsquelle (46) verbindet.
9. System zur Verwendung bei der Überwachung des Ladungszustandes eines überwachten wiederaufladbaren Akkumu-

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lators, gekennzeichnet durch einen Fühler (14) zur Erzeugung eines Ausgangssignales, das für die Größe und die Richtung des Klemmenstromes des überwachten Akkumulators repräsentativ ist, einen weiteren wiederaufladbaren Akkumulator (26), welcher eine Kontrollzelle bildet, und eine Schaltungsanordnung, welche auf das Ausgangssignal des Fühlers (14) anspricht, um die Richtung des Klemmenstromes der Kontrollzelle (26) an die Richtung des Klemmenstromes des überwachten Akkumulators (1o) anzupassen und die Stromstärke des Klemmenstromes der Kontrollzelle (26) so zu steuern, daß sie der Stärke des Klemmenstromes des überwachten Akkumulators (1o) sowohl beim Laden als auch Entladen dieses Akkumulators (1o) proportional ist.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß die Schaltungsanordnung eine Stromversorgungseinrichtung zur Zuführung des Klemmenstromes der Kontrollzelle (26) aufweist, wodurch der Klemmenstrom der Kontrollzelle (26) von dem Klemmenstrom des überwachten Akkumulators (1o) getrennt wird.

11. System nach Anspruch 9 oder 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltungsanordnung Mittel zur Erzeugung von Strömen entgegengesetzten Vorzeichens und zur wahlweisen Zuführung der so erzeugten Ströme zu einer gemeinsamen Elektrode der Kontrollzelle (26) aufweist.

12. System nach Anspruch 9 oder 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltungsanordnung Mittel

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zur Erzeugung eines Stromes in einer einzigen Richtung aufweist und daß Schaltmittel mit Elektroden (26a, 26b) der Kontrollzelle (26) verbunden sind, um die Art der Zuführung des in einer einzigen Richtung fließenden Stromes zu den Elektroden (26a, 26b) der Kontrollzelle (26) umzukehren=

13o System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch g e k e η η. ζ e i c h η e t , daß die Kontrollzelle eine Metall/Gaszelle ist«

14» System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich net, daß die Metallelektrode der Metallgaszelle (26) und eine Elektrode des überwachten Akkumulators (1o) eine gemeinsame elektrochemisch konvertible Komponente aufweisen»

15. System nach Anspruch 13 oder 14_p dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t ,daß Mittel (3o) vorgesehen sind, welche auf den Gasdruck in der Kontroilzelle (26) ansprechen und ihn anzeigen.

16. System nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß eine auf den Gasdruck in der Kontrollzelle (26) ansprechende Schaltvorrichtung (38) vorgesehen ist, um wahlweise den überwachten Akkumulator (1o) mit einem Verbraucher (44) oder einer Ladungsquelle (46) zu verbinden.

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