DE69322452T2

DE69322452T2 - Einrichtung zur Detektion des Ausfallens von Zellen einer Batterie

Info

Publication number: DE69322452T2
Application number: DE69322452T
Authority: DE
Inventors: Jean-Noel F-38050 Grenoble Cedex 09 Fiorina; Patrick F-38050 Grenoble Cedex 09 Lailler
Original assignee: MGE UPS Systems SAS
Current assignee: Schneider Electric IT France SAS
Priority date: 1992-08-05
Filing date: 1993-07-13
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2013-07-14
Also published as: FR2694660A1; CA2101280C; CA2101280A1; JPH06167553A; CN1083594A; CN1034836C; JP3195130B2; HK1013143A1; US5432452A; ES2127801T3; EP0582527A1; FR2694660B1; EP0582527B1; DE69322452D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung eines Fehlers in Batterieblöcken, welche Mittel zur Messung der Spannung an den Klemmen der Batterie während der Entladung der Batterie umfaßt.
Akkumulatorbatterien, insbesondere solche, die in unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen eingesetzt werden, bestehen im allgemeinen aus einer bestimmten Anzahl von in Reihe geschalteten Blöcken. Bisher kann die Erfassung eines Fehlers eines oder mehrerer Batterieblöcke nur durch Überwachung der Einzelspannung an den Klemmen jedes Blocks erfolgen. Dies bedingt die Messung einer großen Anzahl von Spannungen sowie den Zugang zu den Klemmen der einzelnen Blöcke.
In der Druckschrift US-A-4.322.685 ist ein Batterieanalysator beschrieben, der vier aufeinanderfolgende Tests zur Erfassung des Fehlers in einem Batterieblock durchführt. Der vierte Test besteht darin, die Batterie 20 s lang mit einem festen, sehr kleinen Widerstand zu verbinden und die Spannung an den Klemmen der Batterie zu messen. Steigt diese Spannung über eine festgelegte Zeitdauer des Tests um mehr als 0,17 V an, wird die Batterie als fehlerhaft angesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erfassung eines Fehlers in einem oder mehreren Batterieblöcken zu schaffen, die einfacher ausgeführt ist und die oben beschriebenen Nachteile vermeidet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anordnung Mittel zur Berechnung einer, die zweite Ableitung der genannten Spannung abbildenden Größe, Mittel zum Vergleich der genannten, die zweite Ableitung abbildenden Größe mit einem festgelegten Schwellwert, welcher positiv oder null ist, sowie Mittel zur Anzeige eines Fehlers bei Überschreiten des genannten Schwellwerts durch die genannte Größe umfaßt.
Nach einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung speichert die Anordnung drei aufeinanderfolgende, in bestimmten Zeitintervallen gemessene Werte der Spannung an den Klemmen der Batterie ab und berechnet aus diesen drei Werten zwei aufeinanderfolgende Werte einer, die erste Ableitung der Spannung abbildenden Größe. Anschließend berechnet sie die, die zweite Ableitung abbildende Größe durch Berechnung der Differenz zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Werten der die erste Ableitung abbildenden Größe.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1 eine als Blockschaltbild dargestellte Installation mit einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 eine besondere Ausgestaltung eines Ablaufdiagramms zum Einsatz der Erfindung,
Fig. 3 und 4 den Kurvenverlauf der Spannung an den Klemmen einer Batterie bzw. der an den Klemmen einzelner Batterieblöcke gemessenen Spannungen in Abhängigkeit von der Zeit,
Fig. 5 eine Zusatzschleife gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung.
Fig. 1 zeigt die Anwendung einer Anordnung 1 zur Erfassung eines Fehlers in einem oder mehreren Batterieblöcken bei einer Batterie 2 einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage. Die nach herkömmlicher Bauart ausgeführte in der Zeichnung schematisch dargestellte, unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage wird über eine Wechselspannungsquelle 3 gespeist und umfaßt einen Gleichrichter 4, der mit einem Wechselrichter 5 und einer Last 6 in Reihe geschaltet ist, wobei die Batterie 2 an den Ausgang des Gleichrichters 4 angeschlossen ist.
Die Anordnung 1 umfaßt eine, mit einem Mikroprozessor bestückte, elektronische Verarbeitungsschaltung 7, die mit einer Anzeigevorrichtung 8 verbunden ist. Der Eingang der elektronischen Verarbeitungsschaltung 7 wird mit Signalen beaufschlagt, die die Spannung U an den Klemmen der Batterie abbilden.
Bei der Entladung der Batterie äußert sich ein Fehler in einem oder mehreren Batterieblöcken durch einen Knick im Verlauf der, die Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit abbildenden Kurve U(t). Ein solcher Kurvenknick kann durch Berechnung der zweiten Ableitung der Funktion U(t) nachgewiesen werden. Im Normalbetrieb ist im Verlauf einer Entladung der Batterie die zweite Ableitung der Spannung stets negativ. Wird die zweite Ableitung während der Entladung positiv, zeigt dies einen Fehler eines oder mehrerer Batterieblöcke an.
Fig. 2 zeigt eine vorzugsweise Ausgestaltung eines durch den Mikroprozessor 7 steuerbaren Ablaufdiagramms. Gemäß Fig. 2 beginnt die Fehlererfassung in einem Schritt F1 mit einer ersten Messung U3 der Spannung U an den Klemmen der Batterie 2 durch den Mikroprozessor 7. Auf diesen Schritt F1 folgt ein Schritt F2, der in einer zweiten Messung U2 der Spannung U an den Klemmen der Batterie nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervalls Δt besteht. Anschließend berechnet (F3) der Mikroprozessor die Differenz D2 zwischen U2 und U3. Da das Zeitintervall Δt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen festgelegt und konstant ist, bildet die Differenz D2 die Ableitung der Funktion U(t) ab.
Der Mikroprozessor führt anschließend (F4) eine dritte Messung U1 der Spannung U an den Klemmen der Batterie 2 durch, wobei zwischen den Messungen U1 und U2 das Zeitintervall iM liegt. Danach (F5) berechnet er die Differenz D1 zwischen U1 und U2 sowie (F6) die Differenz D zwischen D1 und D2. Die Differenz D ist ein Abbild der zweiten Ableitung der Kurvenfunktion U(t), die durch drei, in bestimmten konstanten Zeitintervallen Δt durchgeführte und beispielsweise in einem RAM 9 abgespeicherte, aufeinanderfolgende Messungen U3, U2 und U1 von U gebildet wird. In einem Schritt F7 wird D anschließend mit einem Schwellwert verglichen, der vorzugsweise null ist.
Liegt D unter dem Schwellwert (Ausgang N von F7) werden die Batterieblöcke als störungsfrei angesehen. Der zweite Meßwert U2 ersetzt dann (F8) im Speicher 9 der elektronischen Verarbeitungsschaltung 7 den Wert U3. Danach (F9) ersetzen im Speicher 9 der erste Meßwert U1 den Wert U2 und die Differenz D1 den Wert D2. Auf diese Weise werden die letzten beiden Meßwerte sowie ihre Differenz abgespeichert, und der Mikroprozessor kann durch erneute Messung von U1 mit einem neuen Zyklus zur Bestimmung der zweiten Ableitung D in Schritt F4 beginnen, wobei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen von U1 das Zeitintervall Δt liegt. Das Zeitintervall Δt kann beispielsweise etwa 20 oder 30 s betragen.
Auf diese Weise wird bei jeder neuen Messung von U1 die zweite Ableitung automatisch berechnet.
Liegt D über dem Schwellwert (Ausgang O bei F7) erfolgt (F10) beispielsweise über die Anzeige 8 eine Fehlermeldung.
Die Meldung kann selbstverständlich auch über jedes andere, akustische oder optische, lokale oder dezentrale Mittel geeigneter Art erfolgen.
Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausgestaltung ist der einem Fehler entsprechende Schwellwert gleich null. Um in bestimmten Fällen unbeabsichtigte Alarmmeldungen zu vermeiden, kann es günstiger sein, einen geringfügig über null liegenden Schwellwert festzulegen.
Es läßt sich experimentell nachweisen, daß die zweite Ableitung D einen Fehler zuverlässig abbildet. Fig. 3 zeigt das Beispiel einer Entladekurve U(t), die experimentell durch Messung an den Klemmen einer aus 29 Einzelblöcken gebildeten USV-Batterie gewonnen wurde.
Die in Zeitintervallen Δt von 1 min gemessenen, aufeinanderfolgenden Werte von U sowie die aufeinanderfolgenden, berechneten Werte von D1 und D sind nachstehend aufgeführt.
An folgenden Stellen lassen sich Anomalien (D > 0) erkennen: nach 6 - 8 - 10 - 12 - 13 - 18 und 20 min.
In Fig. 4 sind Kurven für Ue(t) dargestellt, die den Verlauf der Spannungen an den Klemmen von 5 Einzelblöcken während der Entladung wiedergeben. Es sind deutliche Spannungsabfälle (Ue < 10 V) an mindestens einem Einzelblock zu folgenden Zeitpunkten erkennbar: nach 5 - 11 - 12 - 17 - 19 und 20 min. Die Spannungen (nicht dargestellt) an den Klemmen der übrigen Blöcke wiesen keine wesentlichen Spannungsfälle auf.
Bei größeren Änderungen der von der Batterie abgegebenen Leistung kann die Berechnung der zweiten Ableitung zu falschen Fehlermeldungen führen. In solchen Fällen ist es daher günstiger, die Meldung zu unterdrücken. Hierzu kann eine zusätzliche Unterdrückungsschleife wie in Fig. 5 dargestellt in das Ablaufdiagramm aus Fig. 2, beispielsweise nach Schritt F5 oder F6 integriert werden. Diese Unterdrückungsschleife besteht in der; mit Hilfe eines Stromwandlers 10 durchgeführten Messung (F11) des von der Batterie gelieferten Stroms Ib. Anschließend berechnet (F12) der Mikroprozessor die abgegebene Leistung P1 = U1 · Ib und berechnet (F13) die Differenz Δp zwischen dieser Leistung und der im vorhergehenden Meßzyklus gemessenen Leistung. Dann wird Δp mit einem bestimmten Schwellwert A verglichen (F14). Übersteigt Δp den Schwellwert nicht (Ausgang N bei F14), setzt der Mikroprozessor das Ablaufdiagramm aus Fig. 2 normal fort und geht zu Schritt F7 weiter. Übersteigt Δp jedoch den Schwellwert (Ausgang O bei F14), werden die Schritte F7 und F10 übersprungen, der Mikroprozessor geht direkt zu Schritt F8 weiter und unterdrückt so jegliche Fehlermeldung. Schritt F9 wird dann durch Ersetzen von P2 durch P1 im Speicher zur Vorbereitung des nächsten Zyklus' abgeschlossen.
Die oben beschriebene Erfassungsanordnung kann gegebenenfalls mit einer Mikroprozessoranordnung zur Bestimmung der Batterie-Autonomiezeit kombiniert werden. Eine solche Anordnung bestimmt nämlich die Autonomiezeit einer Batterie durch Messung der Batteriespannung U und des von der Batterie gelieferten Stroms Ib sowie durch Berechnung der abgegebenen Leistung. Das vorhandene Ablaufdiagramm muß also lediglich durch eine Berechnung der zweiten Ableitung und deren Vergleich mit einem festgelegten Schwellwert ergänzt werden, um die Anzeige eines Fehlers eines oder mehrerer Batterieblöcke zu ermöglichen.

Claims

1. Anordnung zur Erfassung eines Fehlers in Batterieblöcken, welche Mittel zur Messung der Spannung (U1, U2, U3) an den Klemmen der Batterie während der Entladung der Batterie umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung Mittel zur Berechnung einer, die zweite Ableitung der genannten Spannung abbildenden Größe (D), Mittel zum Vergleich der genannten, die zweite Ableitung abbildenden Größe mit einem festgelegten Schwellwert, welcher positiv oder null ist, sowie Mittel (8) zur Anzeige eines Fehlers bei Überschreiten des genannten Schwellwerts durch die genannte Größe (D) umfaßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Messung der Spannung Mittel zur Messung der Spannung in bestimmten Zeitintervallen (Δt) sowie Mittel (9) zur Abspeicherung von drei aufeinanderfolgenden Werten (U3, U2, U1) umfassen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Berechnung der die zweite Ableitung abbildenden Größe (D) Mittel zur Berechnung einer, die erste Ableitung der Spannung abbildenden Größe (D1, D2) umfassen.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Berechnung der die erste Ableitung abbildenden Größe (D1, D2) Mittel zur Berechnung der Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spannungswerten (U1, U2) umfassen.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Berechnung der die zweite Ableitung abbildenden Größe (D) Mittel zur Berechnung der Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Werten (D1, D2) der die erste Ableitung abbildenden Größe umfassen.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsmittel einen Mikroprozessor (7) umfassen.

7. Anordnung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (10) zur Messung des Entladestroms (Id) der Batterie, Mittel zur Berechnung der von der Batterie abgegebenen Leistung (P1, P2), Mittel zur Abspeicherung der zuvor von der Batterie abgegebenen Leistung (P2), Mittel zur Berechnung der Differenz (ΔP) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Leistungswerten (P1, P2), Mittel zum Vergleich der Leistungsdifferenz (ΔP) mit einem festgelegten Leistungs- Schwellwert (A) sowie Mittel zur Unterdrückung der Anzeige eines Fehlers bei Überschreiten des genannten Leistungs-Schwellwerts (A) durch die Leistungsdifferenz (ΔP) umfaßt.