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Verfahren und Vorrichtung zur Voll- und/oder Ausgleichs-
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ladung von mehrzelligen Akkumulatorenbatterien bei begrenzter Gesamtspannung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Voll- und/oder Ausgleichs
ladung von mehrzelligen Akkumulatorenbatterien bei begrenzter Gesamtspannung für
Verbraucher, die eine unterbrechungsfreie Stromversorgung erfordern und hierzu parallel
mit einem Stromversorgungsgerät, insbesondere einem geregelten Gleichrichter mit
Konstantspannungsausgang und Strombegrenzung, und einer Akkumulatorenbatterie geschaltet
sind.
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Eine Vielzahl elektrischer Einrichtungen erfordern eine unterbrechungsfreie
Stromversorgung. Als wichtigste Anlagen dieser Art seien Fernmelde-, Signal- und
Überwachungsanlagen sowie elektronische Datenverarbeitungsanlagen aufgeführt. Um
dies bei Netzspannungsausfällen oder sonstigen Störungen in den Stromversorgungseinrichtungen
sicherzustellen, werden Akkumulatorenbatterien eingesetzt, die im Störungsfall die
Versorgung der angeschlossenen Verbraucher unterbrechungslos oder innerhalb kürzester
Zeit übernehmen.
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Im allgemeinen wird bei derartigen Anlagen der Bereitschaftsparallelbetrieb
angewandt. Hierbei sind das Stromversorgungsgerät, der Verbraucher und die Batterie
parallel geschaltet. Das Stromversorgungsgerät ist fast ausschließlich ein geregelter
Gleichrichter mit Konstantspannungsausgang und Strombegrenzung (IU-Kennlinie). Er
muß so bemessen sein, daß er alle angeschlossenen Verbraucher speisen und gleichzeitig
eine entladene Batterie wieder aufladen kann. Die Batterie ist so auszulegen, daß
entsprechend
den jeweiligen Verbraucherforderungen die Spannung
bei Belastung während einer bestimmten Zeit über einem zulässigen Mindestwert liegt.
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Für den Verbraucher besteht allgemein die Forderung, daß eine bestimmte
Mindestspannung nicht unter- und eine bestimmte Maximalspannung nicht überschritten
werden darf. Für die Batterie bedeutet dies im Bereitschaftsparallelbetrieb die
Einschrankung der Ladespannung auf einen bestimmten Maximalwert. Eine Bleibatterie
kann bei einer maximalen Ladespannung von 2,23 V/Zelle im voll geladenen Zustand
erhalten werden. Beim entladen wird aber dem Elektrolyten konzentrierte Schwefelsäure
entzogen und in den Elektroden in Form von Bleisulfat chemisch gebunden. Bei der
Aufladung wird das Bleisulfat wieder abgebaut und die freigesetzte Schwefelsäure
in konzentrierter Form in den Elektrolyten wieder zurückgeführt. Infolge der hohen
Dichte konzentrierter Schwefelsäure (ca. 1,84 kg/l) im Vergleich zu der freien Schwefelsäure
innerhalb der Zelle (ca. 1,10 bis 1,20 kg/l je nach Entladegrad) sinkt sie zunächst
in den unteren Zellenteil ab. Es entsteht dadurch eine Säuredichteschichtung, die
bei längerem Bestehenbleiben Leistung und Lebensdauer ungünstig beeinflußt.
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Es ist bekannt, daß eine Durchmischung innerhalb kurzer Zeit erzielt
werden kann, indem in den Gasungsbereich der Batterie geladen wird. Dabei besteht
das Problem, daß eine nennenswerte Gasentwicklung jedoch erst bei einer Spannung
von mehr als 2,4 V/Zelle einsetzt. Dieser Wert liegt allgemein über der für den
Verbraucher zulässigen Maximalspannung. Im praktischen Bereitschaftsparallelbetrieb
ist es damit nicht möglich, die unerwünschte Säuredichteschichtung in Bleibatterien
zu vermeiden.
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Bei einer alkalischen Batterie besteht die Gefahr von Dichteschichtungen
des Elektrolyten auch bei häufigen Entladungen im allgemeinen nicht. Bestimmte Nickelverbindungen
bilden sich in der positiven
Elektrode aber erst beim Laden in den
Gasungsbereich bei einer Spannung von Ca. 1,7 V/Zelle. Beim anschließenden Dauerladen
bzw.
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bei Ladeerhaltung mit einer Spannung von ca. 1,38 bis 1,40 V/Zelle
bauen sie sich aber allmählich wieder ab. Dies hat zur Folge, daß bei einer Entladung
nur eine erniedrigte Spannung geliefert wird.
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Um dies zu verhindern muß auch bei fehlenden Entladungen in geeigneten
Zeitabständen in den Gasungsbereich bis ca. 1,7 V/Zelle geladen werden, um die Bildung
solcher bestimmter Nickelverbindungen sicherzustellen. Auch dieser Wert liegt allgemein
über der für den Verbraucher zulässigen Maximalspannung.
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Um die batteriespezifischen Anforderungen erfüllen zu können, müssen
aufwendige Stromversorgungsgeräte und Schalteinrichtungen vorgesehen werden. Je
nach Wichtigkeit der Anlage, Verbraucherleistung, Uberbrückungsdauer und Größe des
für die Verbraucher zulässigen Spannungsbereiches haben sich dafür verschiedene
Varianten des Bereitschaftsparallelbetriebes sowie des unterbrechungslosen oder
kurzzeitigen Umschaltbetriebes eingeführt. Mit Ausnahme redundanter Anlagen, die
das Abschalten einer Batterie zur Voll- bzw. Ausgleichsladung gestatten, können
sie die diesbezüglichen batterietechnischen Anforderungen nur unzureichend erfüllen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren
und eine Vorrichtung zur Voll- und/oder Ausgleichs ladung von mehrzelligen Akkumulatorenbatterien
bei begrenzter Gesamtspannung vorzuschlagen, womit ermöglicht ist, batteriegerechte
Aufladungen und Ausgleichsladungen unter Vermeidung der genannten Nachteile durchzuführen.
Insbesondere soll dabei die für die angeschlossenen Verbraucher zulässige Maximalspannung
nicht überschritten werden und soll die unterbrechungslose Stromversorgung der Verbraucher
bei Netzspannungsausfällen oder Störungen im Stromversorgungsgerät voll erhalten
bleiben.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einzelne oder
zu Gruppen zusammengefaßte Zellen der Batterie unter Aufteilung der Gesamtspannung
in mindestens zwei Teilspannungen in zeitlichem Abstand nacheinander unter Einhaltung
der zulässigen Gesamtspannung geladen werden, wobei während des Ladevorgangs in
keiner Zelle oder Zellengruppe der Batterie die Ruhespannung unterschritten wird.
Durch die Anbringung von Spannungsabgriffen an der Batterie und der damit verbundenen
etwa gleichmäßigen Aufteilung der Gesamtspannung in zwei oder mehr Teilspannungen
ist es möglich, Ladevorgänge unterhalb der für die Verbraucher zulässigen Maximalspannungen
durchzuführen, aber trotzdem in den Gasungsbereich der Zelle oder Zellengruppe,
die aufgeladen wird, hineinzuladen, um eine Säuredichteschichtung bei teuren Akkumulatoren
zu vermeiden oder eine Bildung bestimmter Nickelverbindungen bei alkalischen Akkumulatoren
zu begünstigen. Die Anzahl der Abgriffe ist abhängig von der zulässigen Maximalspannung
an den Verbrauchern und der Zellenzahl der Batterie.
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Während normalerweise angestrebt wird, daß die Zellen einer Batterie
im Ladebereich gleiche Spannungen besitzen, wird bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise
bewußt in zweckmäßigen zeitlichen Abständen unter Einhaltung der zulässigen Gesamtspannung
eine Verschiebung in den einzelnen Zellengruppen erzwungen. Voraussetzung ist dabei,
daß während dieser Manipulation in keiner Gruppe die Ruhespannung unterschritten
wird. Diese beträgt z.B.
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bei ortsfesten Bleibatterien je nach Bauart 2,04 bis 2,08 V/Zelle.
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Bei Begrenzung auf einen Mindestwert von 2,1 V/Zelle ist dabei gewährleistet,
daß Entladungen nicht auftreten. Bei Stahlbatterien ist die Ruhespannung nicht so
genau definierbar. Um eine Entladung zu vermeiden, sollte eine Spannung von 1,30
bis 1,35 V/Zelle nicht unterschritten werden.
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Beim Überschreiten einer Ladespannung von 2,40 bis 2,45 V/Zelle bei
Bleiakkumulatoren tritt in der nach der Erfindung aufzuladenden Zellengruppe eine
deutliche Gasentwicklung ein. Als Ladeschlußspannung werden 2,65 bis 2,70 V/Zelle
erreicht. In dem Bereich zwischen Gasungseinsatz und Schlußspannung bewirken die
aufsteigenden Gasblasen die gewünschte Durchmischung des Elekt#rolyten.
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Stahlakkumulatoren erfordern zwecks Wiederaktivierung der aktiven
Massen der Elektroden das Laden bis zu einer Spannung von ca.
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1,7 V/Zelle.
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Es ist vorteilhaft, die stufenweise Ladung automatisch in festgelegten
Zeitabständen und/oder nach vorausgegangenen Entladungen durchzuführen. Dabei kann
die Ladedauer rein zeitabhängig begrenzt werden oder kann zum Einleiten einer bestimmten
Nach ladezeit das Erreichen oder Uberschreiten einer festgelegten Ladespannung oder
der Einsatz der Gasentwicklung benutzt werden. Die stufenweise Ladung der Zellen
oder Zellengruppen kann durch ein Programmschaltwerk oder eine Folgeschaltung gesteuert
werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung von Voll- und/ oder
Ausgleichs ladungen an mehrzelligen Akkumulatorenbatterien bei begrenzter Gesamtspannung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriespannungsabgriffe zur Unterteilung der
Batterie in etwa gleich große nacheinander ladbare Zellen und/oder Zellengruppen
aufweist. Die Unterteilung ist zweckmäßiger Weise in derart viele Zellengruppen
vorgenommen, daß wenigstens eine dieser bis zur Ladeschlußspannung aufladbar ist,
ohne daß in den übrigen Zellengruppen die Ruhespannung unterschritten wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine aktive
Gruppen-Ausgleichs ladung durchgeführt werden, wenn für die Ladung ein separater,
vom Stromversorgungsgerät der Anlage
unabhängiger Zusatzgleichrichter
vorgesehen ist. Dabei kann vorteilhafter Weise zwischen den Zusatzgleichrichter
und die Spannungsabgriffe ein Spaltorgan, insbesondere ein Sturenschalter geschaltet
sein.
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Zur Durchführung einer passiven Gruppen-Ausgleichsladung, bei der
das Stromversorgungsgerät der Anlage gleichzeitig das Versorgungsgerät für die aufzuladende
3atterie ist, ist erfindurgsgemäß vorgeschlagen, zu den einzelnen Zellengruppen
der Batterie ohmsche Widerstände parallel zu schalten. Die passive Gruppen-Ausgleichs
ladung empfiehlt sich bei Stromversorgungsanlagen mit kleineren Batterien und geregeltem
Stromversorgungsgleichrichter.
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Die Einschaltung kann dabei so erfolgen, daß mindestens einer Zellengruppe
zur Voll- oder Ausgleichs ladung der zugeordnete Widerstand nicht parallel geschaltet
wird. Zweckmäßiger Weise sind dabei die ohmschen Widerstände so dimensioniert, daß
in der für die Ladung vorgesehenen Zellengruppe ein Ladestrom fließt, der die Zellenspannung
auf den Ladeschlußwert anhebt und in den Grenzen der im Gasungsbereich statthaften
Ladeströme liegt, wobei in den übrigen Zellengruppen die Ruhespannung nicht unterschritten
und die maximal zulässige Spannung der Gesamtbatterie nicht überschritten werden.
Die ohmschen Widerstände können den Zellengruppen manuell oder automatisch parallel
geschaltet werden, die für die Voll- oder Ausgleichsladung nicht vorgesehen sind.
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Mit besonderem Vorteil ist die Erfindung bei spannungsbegrenzten reinen
Ladungen, z.B. von Fahrzeug-Antriebsbatterien an Ladegeräten mit IU-Kennlinie oder
bei Parallel-Ladungen mit konstanter Spannung anwendbar.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung, in der schematisch
in Form von Prinzipschaltbildern
Ladevorrichtungen dargestellt
sind. In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 die prinzipielle Anordnung einer Vorrichtung
zur Ladung einer Batterie in Form eines Schaltbilds, Fig. 2 eine geänderte Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Ladung einer Batterie in Form eines Prinzipschaltbildes, Fig.
3 Diagramme, die die Verschiebung der Zellenspannungen bei Unterteilung der Batterie
in zwei bis fünf Zellengruppen für Bleibatterien aufzeigen und Fig. 4 gleichartige
Diagramme gemäß Fig. 3 für Stahlbatterien.
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Fig. 1 der Zeichnung verdeutlicht das Prinzipschaltbild für eine aktive
Auf- oder Ausgleichs ladung einer Akkumulatorenbatterie bei begrenzter Gesamtspannung
am Beispiel einer Aufteilung in drei Zellengruppen durch das Vorhandensein von zwei
Abgriffen an der Batterie.
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min Stromversorgungsgleichrichter 1 in geregelter Ausführung mit IU-Kennlinie
speist einen Verbraucher 2 und lädt die Batterie 3 oder hält sie in geladenem Zustand.
Ein Hilfsgleichrichter 4 kann über einen Stufenschalter 5 wahlweise auf die Zellengruppen
3.1 bis 3.3 der Batterie 3 geschaltet werden. Anstelle des Stufenschalters 5 können
auch Schaltschütze oder andere Schaltorgane eingesetzt werden.
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Der Hilfsgleichrichter 4 braucht spannungsmäßig nur auf einen Bruchteil
der Nennspannung, im dargestellten Beispiel 1/3 der Nennspannung, ausgelegt zu werden.
Strommäßig ist eine Anpassung an die Batteriekapazität vorzunehmen, damit der im
Gasungsbereich für die jeweilige Batteriebauart zulässige Ladestrom nach DIN
57
510 / VDE 0510 nicht überschritten wird.
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Sofern die maximal zulässige Gesamtspannung das Laden einer Zellengruppe
bis zur Ladeschlußspannung von 2,65 bis 2,7 V/Zelle zuläßt, empfiehlt sich der Einsatz
eines Hilfsgleichrichters in ungeregelter Ausführung mit einer W-Kennlinie nach
DIN 41 774 für Bleibatterien bzw. 41 775 für Stahlbatterien. Andernfalls ist eine
Spannungsbegrenzung vorzusehen, z.B. in Form einer IU-Kennlinie nach DIN 41 773
oder in Form einer WU-Kennlinie. Dabei ist der U-Teil der Kennlinie aber nicht auf
die Gasungsspannung der zu ladenden Zellengruppe zu begrenzen, sondern auf einen
Wert, der sich aus der maximal zulässigen Gesamtspannung und der Unterteilung der
Gesamtbatterie in Zellengruppen ergibt.
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Bezüglich des Ladestromes empfiehlt sich eine Auslegung des Hilfsgleichrichters
entsprechend dem im Gasungsbereich zulässigen Batterie-Ladestrom. Dies trifft auch
auf ungeregelte Geräte zu, da von der Annahme ausgegangen werden kann, daß vor Einschaltung
des Hilfsgleichrichters sich die Batterie in weitgehend geladenem Zustand befindet.
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Zur Ladung wird der Hilfsgleichrichter 4 mittels des StuSenschalters
5 beispielsweise zunächst mit der Zellengruppe 3.1 der Batterie über die Schaltstellung
1-1 in Verbindung gebracht. Nach erfolgt er Ladung bis in den Gasungsbereich hinein
können dann in der gleichen Weise die Zellengruppen 3.2 und 3.3 nacheinander aufgeladen
werden, indem der Stufenschalter 5 in die entsprechenden Schaltstellungen gebracht
wird. Dies kann auch automatisch vorgenommen werden.
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Fig. 2 der Zeichnung verdeutlicht das Prinzipschaltbild für passive
Auf- oder Ausgleichs ladung einer Akkumulatorenbatterie bei begrenzter Gesamtspannung
am Beispiel einer Aufteilung in drei Zellengruppen. Die passive Gruppen-Ausgleichsladung
empfiehlt sich bei
Stromversorgungsanlagen mit kleineren Batterien
und geregeltem Stromversor0,#ungsgleichrichter. Der Zweck ist der gleiche wie bei
der vorbeschriebenen aktiven Gruppen-Ausgleicnsladung. Am Beispiel einer Batterie
mit zwei Abgriffen nach 1/3 und 2/3 der eingesetzten Zellen ergibt sich dann das
Prinzipschaltbild der #ig. 2.
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Der Stromversorgungsgleichrichter 1, üblicherweise in geregelter Ausführung
mit IU-Kennlinie, speist den Yersraucizer 2 und lädt die Batterie 3 oder hält sie
in geladenem Zustand. Den einzelnen ZellenÖru;o;Den 3.1 bis 3.3. sind ohmsche Widerstände
4.1 bis 4.3 über Schaltglieder 5.1 bis 5.3 parallel geschaltet. Zum Zweck der Ausgleichs
ladung einer Zellengruppe bleibt der dieser zugeordnete Schalter geöffnet, während
die übrigen Schalter geschlossen sind. Bei den Zellengruppen, denen ein ohmscher
Widerstand parallel geschaltet ist, tritt eine Spannungsabsenkung ein. Da durch
den Stromversorgungsgleichrichter 1 eine konstante Gesamtspannung eingehalten wird,
führt dies zu einem entsprechenden Spannungsanstieg in der Zellengruppe, welcher
kein Widerstand parallel geschaltet ist.
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Die Widerstände 4.1 bis 4.3 sind so auszulegen, daß in der zu ladenden
Zellengruppe der im Gasungsbereich statthafte Ladestrom nach DIN 57 510 / VDE 0510
nicht überschritten wird. Ferner ist zu berücksichtigen, daß in den Zellengruppen
mit parallel geschalteten Widerstand die Ruhespannung nicht unterschritten wird.
Außerdem ist die Batterie in so vielen Zellengruppen zu unterteilen, daß unter diesen
Voraussetzungen die Ladeschlußspannung der zu ladenden Zellengruppe erreicht werden
kann.
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Die Verschiebung der Zellenspannungen bei Unterteilung der Batterie
in zwei bis fünf Zellengruppen, abhängig von der zulässigen mittleren Zellenspannung,
zeigt Fig. 3 der Zeichnung für Bleibatterien und Fig. 4 für Stahlbatterien. Dabei
betrifft das Bild 3a der Fig. 3
eine Unterteilung in zwei Zellengruppen
(ein Spannungsabgriff).
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Bild 3b betrifft die Unterteilung in drei Zellengruppen (zwei Spannungsabgriffe).
Bild 3c zeigt die Untereilung in vier Zellengruppen (drei Spannun0#sabgriffe). Bild
3d zeigt die Unterteilung in fünf Zellengruppen mit vier Spannungsabgriffen.
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In der gleichen Weise ist die Fig. 4 der Zeichnung in Bilder 4a, Xb,
4c und 4d untergliedert. Sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4 der Zeichnung bedeutet
x: Ladespannung der Zellengruppe auf Starkladung y: Ladespannung der übrigen Zellengruppen
z: maximal zulässige mittlere Zellenspannung.
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Die Häufigkeit von Ausgleichs ladungen ist von den jeweiligen Betriebsverhältnissen
abhängig. Sie können manuell, rein zeitabhängig oder abhängig von bestimmten Betriebszuständen
oder in Kombination verschiedener Kriterien eingeleitet werden. Die Dauer der Ausgleichs
ladungen kann fest vorgegeben oder von bestimmten Batteriezuständen, wie z.B. Überschreiten
einer bestimmten Ladespannung oder Einsatz der Gasentwicklung, abhängig gemacht
werden.
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In den beiden letzten Fällen empfiehlt sich der zusätzliche Einsatz
eines Zeit laufwerkes. Die Umschaltung des Hilfsgleichrichters von einer Zellengruppe
auf die andere kann manuell, durch eine Folgeschaltung, ein Programmschaltwerk oder
dergleichen erfolgen.