DE4333516A1

DE4333516A1 - Verfahren zur Kontrolle und zur Aufrechterhaltung der Ladung in einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung und eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung

Info

Publication number: DE4333516A1
Application number: DE4333516A
Authority: DE
Inventors: Lennart Jonsson
Original assignee: FPS POWER SYSTEMS ESPOO Oy AB
Current assignee: FPS POWER SYSTEMS ESPOO Oy AB
Priority date: 1992-10-01
Filing date: 1993-10-01
Publication date: 1994-04-07
Also published as: GB2271228A; GB9320079D0; FI924426A0; FI924426A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrol le und Aufrechterhaltung der Ladung in einer Akkumulatoren batterie in einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung, bei der die Batterie von der Last unter normalen Bedingungen abgetrennt ist, und eine unterbrechungsfreie Leistungsversor gung.

In unterbrechungsfreien Leistungsversorgungen (UPS) für Computer und andere Einrichtungen, die empfindlich gegen Leistungsunterbrechungen u. ä. sind, besteht die Reserve energiequelle im allgemeinen aus einer Reihe von Blei-Säure- Zellen, die im Fall einer Leistungsunterbrechung elektronisch schnell angeschlossen werden können, um das mit der UPS verbundene System über einen Wechselrichter mit Wechselstrom zu versorgen. Der Zweck der UPS ist es teilweise, kürzere Leistungsunterbrechungen zu überbrücken, und teilweise, in Fällen von Netzunterbrechungen längerer Dauer, Signale zu dem Datensystem zu senden, so daß der Computer automatisch in einer kontrollierten Weise ohne Schaden, z. B. in Form von verlorenen Dateien, abgeschaltet werden kann, bevor die begrenzte Energie, die in der Batterie gespeichert ist, komplett aufgebraucht ist.

In gewissen bekannten UPS wird der Zustand und die Ladung der Batterie fast überhaupt nicht überwacht, aber die Batterie ist einer kontinuierlichen Ladespannung (Puffer-Ladung) ausgesetzt, die ausreichend hoch sein muß, um alle Zellen in der Batterie auf zuladen, aber nicht so hoch, daß irgendeine der Zellen überladen wird. Unterladung der Batterie kann zu Sulfatisierung (PbSO₄) der Elektrodenplatten in den Zellen führen. Eine derartige Sulfatbildung ist ein normaler und reversibler Entladungsprozeß in einem Blei-Säure-Akkumulator, aber in einem andauernden Unterladungszustand werden auch nicht auflösbare Sulfat-Kristalle gebildet, die die Kapazität der Batterie verschlechtern. Überladung kann auch zu Aus trocknung der Elektrolyte der Batterie und zu erhöhter Korrosion der Elektrodengitter und der zugeordneten Leiter führen. Überladung kann außerdem Überbrückungsphänomene verursachen, die schließlich zu Kurzschlüssen zwischen den Elektroden führen. Es kann auch Überhitzung einzelner Batte riezellen vorkommen, besonders bei mehreren in Reihe geschal teten Batteriezellen, genauso können Variationen in den Spannungen der einzelnen Zellen auftreten.

Andere bekannte Lösungen verwenden individuelle Zellspan nungs-Messungen, aber die zugehörige Hardware und die Ein richtung sind teuer.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erreichung einer geeigneten Ladung einer Batterie in einer einfachen und verläßlichen Weise ohne jegliches Risiko von Unterladung oder Überladung zu schaffen.

Um dies zu erreichen, ist das Verfahren der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an der abgeklemmten Batterie gemessen wird und verglichen wird mit einem vorbestimmten unteren Grenzwert, daß die Batterie aufgeladen wird, wenn ihre Spannung bis zu dem unteren Grenzwert abgefallen ist, und daß die Aufladung abgebrochen wird, wenn die Batterie einen gewissen Ladezustand erreicht hat.

Die Erfindung beruht daher auf einem Typ von UPS, bei der die Batterie unter normalen Bedingungen von der Last getrennt ist, und die Idee der Erfindung liegt darin, daß man die offene Zellspannung zwischen den Polen der Batterie im abgetrennten Modus verläßlich messen kann und daraus Schlüsse ziehen kann in bezug auf die Kapazität und den tatsächlichen Ladungsbedarf der Batterie. Dies ist nicht möglich in Batte rien mit kontinuierlicher Puffer-Ladung, weil dort die Polspannung der Batterie durch den Spannungsregler des Ladegerätes und nicht durch die elektromotorische Kraft (E. M. F.) der Batterie bestimmt wird.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der UPS der Erfindung werden in den Ansprüchen dargelegt. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Beispieles mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genauer erklärt werden. Es zeigt

Fig. 1 eine konventionelle UPS,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße UPS,

Fig. 3 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Ladezyklus und

Fig. 4 eine Serie von Ladezyklen, mit denen erläutert wird, wie der Batteriezustand überwacht werden kann.

Fig. 1 zeigt eine konventionelle UPS, bei der die Batterie 1 und der zugeordnete Wechselrichter 2 normalerweise von dem Ausgang 3 der UPS durch einen Schalter 4 getrennt sind. Die Last wird in diesem Betriebszustand direkt von der Netzhaupt leitung 5 zur Verfügung gestellt. Bei einer Unterbrechung des Versorgungsnetzes wird die Netzhauptleitung durch den Schal ter 6 abgetrennt, und der Wechselrichter 2 wird aktiviert und fit der Last durch den Schalter 4 verbunden. Nach Wiederher stellung der Versorgungsnetzspannung wird der anfängliche Zustand wieder eingenommen, während das Ladegerät 7 die Batterie 1 wieder auflädt. Der Zweck des Transformators 8 ist es teilweise, die Ausgangsspannung des Wechselrichters in eine geeignete Lastspannung während der Versorgungsnetzunter brechung zu transformieren, und teilweise unter Normalbedin gungen, für das Ladegerät 7 Energie für eine kontinuierliche Puffer-Ladung der Batterie 1 bereitzustellen. Der Schalter 4 kann durch die Schaltfunktionen der Halbleiter-Schalter 10 im Hauptkreis des Wechselrichters ersetzt werden. Ein moder nes UPS hat üblicherweise auch einen Logik-Baustein, der ver schiedene Kontrollfunktionen der verschiedenen Komponenten des UPS ausführt und der die notwendigen Warnsignale zu den Benutzern des angeschlossenen Systems bereitstellt.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße UPS, mit, wie in Fig. 1 gezeigt, einer Batterie 1, einem Wechselrichter 2, Schalt mitteln 4, 6, einem Ladegerät 7 und einem Transformator 8. Die UPS weist weiterhin einen Logik-Baustein, wie z. B. einen Mikro-Computer 9, zur Ausführung der notwendigen Kontroll funktionen, die im folgenden beschrieben werden, auf. Wie bei der Vorrichtung in Fig. 1, so ist die Batterie 1 während des Normalbetriebs nicht angeschlossen, wodurch durch sie kein Strom fließt. Ihre offene Zellspannung (OCV) wird von der Computereinheit 9 überwacht und am Eingang a abgelesen. Nach einer Netzunterbrechung oder wenn die OCV unter einen vorbe stimmten Wert abgefallen ist, veranlaßt der Computer eine Ladung der Batterie durch ein Signal von einem Ausgang b zu dem Ladegerät 7.

Wenn ein Netzausfall auftritt, kann der Laststrom von der Computereinheit 9 über den Eingang c überwacht werden. Der gemessene Wert kann als ein Annäherungswert für den Batterie strom genutzt werden, und so kann die innere Impedanz der Batterie auf der Basis der Wechselspannungskomponente oder des Brummens, das immer durch den Laststrom auf der Batterie spannung erzeugt wird, wenn die Batterie in die Last entla den wird, berechnet werden. Wenn der Wert der inneren Impe danz eine vorbestimmte Grenze übersteigt, kann die Computer einheit eine Aufladung veranlassen und über eine Verbindung d eine Warnung vor nahe bevorstehendem Batteriewechsel zu dem angeschlossenen System aussenden, und/oder sie kann ein Abschalten des angeschlossenen Systems einleiten.

In dem Verfahren der Erfindung wird die Ladung der Batterie entsprechend der Charakteristika in Fig. 3 kontrolliert, die die Batteriespannung als Funktion der Aufladezeit zeigt. Die Ladung der Batterie wird bei der Spannung U1 (t=0) begonnen. Der Ladestrom I des Ladegerätes 7 ist in diesem Stadium konstant und würde nach einiger Zeit zu einer Spannung (ent sprechend der Ladereferenz) von Ux Volt/Batteriezelle führen. Wenn die Batteriespannung Uy Volt/Batteriezelle übersteigt, wird die Ladereferenz nach Uz Volt/Batteriezelle verändert. Die Ladung wird auf dem Niveau Uz für eine Zeit th aufrecht erhalten, nach der das Ladegerät abgeschaltet wird. Dadurch wird Überladung der Batterie vermieden.

Fig. 4 zeigt Batterielade-Charakteristika verschiedener Arten; A = normale Batterie, B = defekte Batterie (kurze und steile Entladekurve) und C = Batterie, die einen fehlerhaften Zustand entwickelt (normale Kurve, die in eine steile, schnell abfallende Batteriespannung übergeht). Somit kann der Zustand der Batterie aus der Selbstentladung der Batterie (Entladungszeit und -rate) bestimmt werden, und es kann über die Computereinheit ein Alarm ausgesendet werden, wenn z. B. die Batteriespannung in einer zu kurzen Zeit auf den unteren Grenzwert U1 fällt, daß die Batterie nicht als zuverlässig angesehen werden kann. Die Batteriekapazität kann über die offene Zellspannung (OCV) der Batterie im abgeklemmten Zustand abgeschätzt werden. Die Genauigkeit der auf diesem Weg berechneten Kapazitätsabschätzung hängt von der Zeit ab, in der die Batterie ohne Ladung oder Entladung gewesen ist, weil die OCV proportional zur Säuredichte der Batterie und damit zum Ladezustand der Batterie ist. Nach ungefähr 24 Stunden kann die Kapazität nur grob geschätzt werden (±20%), wogegen die Genauigkeit nach 120 Stunden +5% beträgt.

Somit ist gemäß der vorliegenden erfinderischen Idee die Computereinheit 9 des UPS in Fig. 2 daran angepaßt, die Kapazität der Batterie 1 auf der Grundlage der Batteriespan nung und den Zustand der Batterie auf der Basis der Abfall rate der Spannung nach der Ladung abzuschätzen, und eine Warnung an den Benutzer des angeschlossenen Systems auszulö sen, wenn eine gegebene Abfallrate der Batteriespannung während einer gegebenen Zeitdauer überschritten wird.

Der Fachmann versteht, daß die Erfindung nicht auf die oben genannten Beispiele beschränkt ist, sondern daß ihre ver schiedenen Ausführungsformen im Rahmen der folgenden Ansprü che variieren können.

Claims

1. Ein Verfahren zur Kontrolle und Aufrechterhaltung der Ladung in einer Akkumulatorenbatterie (1) in einer unterbrechungsfreien Leistungsversorgung, wobei die Batterie unter normalen Bedingungen von der Last abge klemmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an der abgeklemmten Batterie (1) gemessen wird und vergli chen wird mit einem vorbestimmten unteren Grenzwert (U1), daß die Batterie geladen wird, wenn ihre Spannung auf den unteren Grenzwert abgefallen ist, und daß die Ladung unterbrochen wird, wenn die Batterie einen gewis sen Ladezustand erreicht hat.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung unterbrochen wird durch Absenkung der Ladereferenz des Ladegerätes (7) auf ein Niveau, auf dem die Batterie (1) nicht mehr mit Strom versorgt wird.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Aufladung der Batterie (1) in zwei Schritten erreicht wird, wobei der erste Aufladeschritt bei einer höheren Ladereferenz (Ux) auf einen vorbe stimmten Wert (Uy) der Batteriespannung ausgeführt wird, und der zweite Ladeschritt mit einer niedrigeren Lade referenz (Uz) während einer vorbestimmten Zeit (th) ausgeführt wird.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zustand der Batterie (1) auf der Basis der Abfallrate der Batteriespannung nach dem Aufladen abgeschätzt wird, wobei das Überschreiten einer gegebe nen Abfallrate während einer gegebenen Zeitdauer eine Warnung an den Benutzer des angeschlossenen Systems auslöst.

5. Eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung mit einer Akkumulatorenbatterie (1), einem Wechselrichter (2) für die Umkehrung der Batteriespannung, Schaltmitteln (4, 6) zum Wechsel der Leistungsversorgung zur Last, einem Ladegerät (7) zur Aufladung der Batterie, und einem Logik-Baustein (9) zur Ausführung verschiedener Kon trollfunktionen, dadurch gekennzeichnet, daß der Logik- Baustein (9) daran angepaßt ist, die Batteriespannung im abgeklemmten Zustand zu überwachen und sie zu verglei chen mit einem vorbestimmten unteren Grenzwert (U1), die Batterie auf zuladen, wenn ihre Spannung auf den unteren Grenzwert abgefallen ist, und die Aufladung zu unterbre chen, wenn die Batterie einen gewissen Ladezustand erreicht hat.

6. Eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die UPS daran angepaßt ist, die Ladung durch Absenken der Ladereferenz des Ladegerätes (7) auf ein Niveau, bei dem die Batterie (1) nicht mit Strom versorgt wird, zu unterbrechen.

7. Eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die UPS daran angepaßt ist, die Ladung der Batterie (1) in zwei Schritten zu kontrollieren, von denen der erste Lade schritt mit einer höheren Ladereferenz (Ux) auf einen vorbestimmten Wert (Uy) der Batteriespannung ausgeführt wird, und wobei der zweite Ladeschritt mit einer niedri geren Ladereferenz (Uz) während einer vorbestimmten Zeit (th) ausgeführt wird.

8. Eine unterbrechungsfreie Leistungsversorgung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Batterie (1) auf der Basis der Abfallrate der Batteriespannung nach der Ladung abgeschätzt wird und eine Warnung an den Benutzer des angeschlossenen Systems veranlaßt wird, wenn eine gegebene Abfallrate der Batteriespannung während einer gegebenen Zeitdauer überschritten wird.