DE962995C - Vorrichtung zur Steuerung des Ladevorganges einer Batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung des Ladevorganges eines Sekundärelements oder einer aus derartigen Elementen bestehenden Batterie. Die Erfindung behandelt besonders die Steuerung der Ladung bei Annäherung an ihren Endzustand, während der vorangehende Teil des Ladevorganges von irgendeiner Konstantstrom- oder kompoundierten Strom-Spannungs-Anordnung gesteuert wird.

Es ist bekannt, den letzten Teil des Ladeprozesses, oder den gesamten Prozeß als -solchen .durch die Spannung zu steuern; sofern aber eine Batterie weitgehenden Änderungen der Temperatur des Elektrolyts und der umgebenden Luft ausgesetzt sein kann, ist eine Steuerung mittels der Spannung allein nicht ausreichend. Bei höheren Temperaturen ist die für die Ladung erforderliche Spannung geringer und bei niedrigen Temperaturen größer, als die. Durchschnittsverhältnisse für die der Spannungsregler eingestellt ist. Ein Ausgleich des Temperatureinflusses kann entsprechend der Eigenart des vorliegenden technischen Gegenstandes lediglich angenähert erreicht werden, da der Spannungstemperaturbeiwert einer Zelle vom Ladezustand abhängt, und es kann ein sicherer Nachladungszustand beträchtlich überschritten werden, wenn nicht der Ladestrom so gering eingestellt ist, daß die Ladezeit unzulässig ver-

längert wird. Die Schwierigkeit wird noch beträchtlich durch die Tatsache erhöht, daß es im allgemeinen unmöglich ist, den Regler oder auch das der Temperaturkompensation dienende Element innerhalb oder in der Nähe der Batteriemassen unterzubringen.

Beim Ladebeginn wird eine Batterie naturgemäß die gesamte zugeführte elektrische Energie aufnehmen und diese zur chemischen Änderung des ίο aktiven Materials verwenden bzw. in Wärme umsetzen. Der Energieteil, welcher zur Dissoziierung des im Elektrolyt enthaltenen Wassers in Gas auf elektrolytischem Wege verbraucht wird, ist anfänglich sehr gering bzw. gleich Null, wächst aber mit dem Fortschreiten des Ladeprozesses an. Vorausgesetzt, daß eine Temperatur nicht erreicht wird, bei welcher schädliche Reaktionen wie die Auflösung von Antimon aus den Platten gewisser Bleisäurezellen oder der Zusammenbruch höherer Oxyde von Nickel in einer Nickel-Alkali-Zelle eintreten, kann die Batterie mit einer hohen Stromstärke, d. h. innerhalb einer kurzen Zeit bis zur Erreichung eines solchen Zustandes geladen wer-, den, bei welchem der zur Dissoziierung des Wassers verbrauchte Teil der zugeführten Energie rasch anwächst. Dieser Zustand wird allgemein als »Gasungspunkt« bezeichnet, dessen Eintritt von der Temperatur des Elektrolyts und von der Ladestrommenge abhängt. Bei heftiger Gasentwicklung werden die Platten durch Austreibung des aktiven Materials mechanisch beschädigt. Dieser Schaden kann, sobald die Gasentwicklung ein gewisses Maß überschreitet, nur durch eine Einschränkung der Ladestrommenge oder ein Anhalten des Ladeprozesses verhindert werden. Sobald die Ladung mit der vollen Strommenge über den »Gasungspunkt« hinaus fortgesetzt wird, nimmt die Gasentwicklung sehr rasch zu. Daher kann ein ganz kleiner Fehler bezüglich des Zeitpunktes, bei welchem die Ladung eingeschränkt oder angehalten wird, einen ernstlichen Schaden zur Folge haben. Wie oben ausgeführt wurde, ist es nicht möglich, eine genügend genaue Steuerung unter Bezugnahme auf Spannung und Temperatur zu erhalten. Die Erfindung will Einrichtungen schaffen, mit denen eine hinreichend genaue Steuerung sichergestellt ist.

Nach der Erfindung ist bei einem Batterieladegerät mit einer Vorrichtung zur Steuerung des Ladevorganges mit einer auf die elektrolytische Gasentwicklung in der Batterie ansprechenden und den Ladestrom bei Erreichung einer vorbestimmten Gasentwicklung vermindernden druckempfindlichen Anordnung die Einrichtung so getroffen, daß die druckempfindliche Anordnung auf eine Vorsteuervorrichtung wirkt, welche die Funktion eines elektromagnetischen Reglers, ■ eines Ladereglers oder eines Überladebegrenzers beeinflußt bzw. steuert, und welche die Regelung eines geregelten oder eigengeregelten Ladegenerators im Sinne einer Verminderung des Ladestromes bei Erreichung eines vorbestimmten Gasungsgrades beeinflussen kann. Hierzu können die Zelle oder eine oder mehrere Zellen der Batterie gasdicht abgeschlossen werden, so daß durch das entwickelte Gas im Gehäuse der Zelle oder Zellen ein Überdruck erzeugt wird. Die druckempfindliche Anordnung kann eine Druckkammer mit einer einstellbaren Sickeröffnung enthalten, oder aber eine vollständig dichte Druckkammer, in welcher der Überdruck nur durch Betätigung einer Rückstelleinrichtung beseitigt werden kann.

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung sind in den einzelnen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Hieraus sind weitere vorteilhafte Erfindungsmerkmale zu entnehmen. Es zeigt
Fig. ι einen Grundriß,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des druckempfindlichen Gerätes im größeren Maßstab, wobei gleichzeitig eine Vorsteuersäule, welche von dem genannten Gerät beeinflußt wird, mit eingezeichnet ist,

Fig. 3 und 4 abgewandelte Teile des gemäß Fig. ι und 2 gezeigten Gerätes im Schnitt, Fig. 5 ein Schaltschema,

Fig. 6 und 7 den Ladevorgang erläuternde Schaubilder,

Fig. 8 und 9 Schaltschemen.

Dem in Fig. 1 und 2 gezeichneten druckempfindliehen Gerät wird von einer oder mehreren abgedichteten Zellen einer Batterie über einen Einlaß 1 der Gasdruck in die Druckkammer 2 zugeführt, welche ihrerseits an der einen Seite durch eine Gummimembran 3 begrenzt ist. Die Kammer 2 besitzt in der Grundplatte 5 eine geeichte Sickeröffnung 4, so daß der Druck in dieser Kammer ein Maß für den Grad der in der Batterie stattfindenden Gasentwicklung ist. Im praktischen Betrieb kann auch ein Sicherheitsventil vorgesehen sein, welches die Anordnung gegen die Auswirkungen eines anormal hohen Druckes schützt. Die Membran 3 ist mittels des Klemmringes 6 an der Grundplatte 5 befestigt und in der Mitte zwischen den zwei Platten 7 eingeklemmt. Die Membran wird durch die Druckfedern 8 belastet, welche sich gegen Querstücke 9 legen. Diese Querstücke sind verstellbar an den mit Schraubgewinden versehenen Bolzen 10 angebracht, so daß die Federbelastung entsprechend den jeweiligen Anforderungen eingestellt werden kann. Um den auf die Membran ausgeübten Druck auf eine Kohlensäule oder Relais- oder Schaltmittel zu übertragen — wie es später noch beschrieben wird — ist ein Knopf ι r in der Mitte der Platten 7 angebracht.

Fig. 2 zeigt die Anordnung des Gerätes, um den Knopf 11 auf einen Stumpf 11' einwirken zu lassen, welcher mit dem beweglichen Widerlager 12 einer Kohlesäule 13 verbunden ist. Das Widerlager 12 ist mittels einer biegsamen Stütze 14 auf einer Grundplatte 15 befestigt, auf welcher das verstellbare Widerlager 16 fest angebracht ist. Anfänglich ist ein geringer Spielraum zwischen den Teilen 11, ri¹ vorhanden; aber bei Anstieg des Druckes in der Kammer 2 über einen vorher bestimmten Wert wird der Knopf 11 die Säule 13 zusammendrücken

und damit deren elektrischen Widerstand verringern.

Ein derartiges druckempfindliches Gerät kann entweder bekannte Ausführungsformen empfindlicher Relais oder Schalterkontakte betätigen, wie z. B. Schnappschaltkontakte. Oder es können andere Formen eines druckempfindlichen Gerätes angewendet werden, wie z. B. eine Druckmeßdose, eine Wellrohreinrichtung od. dgl. mehr.

ίο An Stelle einer immer geöffneten Sickeröffnung4 kann eine ventilgesteuerte Öffnung, welche normalerweise geschlossen ist, Verwendung finden. Dies ist dann ganz besonders zweckmäßig, wenn ein Relais oder ein Schalter vorgesehen ist, wie es später noch beschrieben werden soll, das oder der den Ladevorgang unterbricht oder den Ladestrom auf einen sicheren Wert verringert, bis ein von Hand oder automatisch vorgenommener Rückstellvorgang vollzogen ist. Diese Rückstellung kann durch das Auslassen des angesammelten Druckes erfolgen.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung dieser Art, in der die Öffnung4¹ durch ein Kugelventil 17 geschlossen ist, welches von dem Kern eines Solenoides 19 betätigt wird. Das Ventil ist so lange geschlossen, wie das Solenoid von einem bestimmten elektrischen Strom durchflossen ist, und fällt beim Abschalten des Solenoides ab, wobei die genannte Wirkung der Rückstellung eintritt. Für den Fall, daß eine Batterie von einem Generator geladen wird, kann das Solenoid an die Generatorspannung gelegt sein, so daß immer dann, wenn de^ beispielsweise zu einer Zugbeleuchtungsanlage gehörende Generator keine Energie mehr erzeugt, die Rückstellung bewirkt wird. Es ist auch möglich, das Solenoid in Abhängigkeit von der Betätigung eines gebräuchlichen Einschalters einer derartigen Anlage mit Strom zu versehen. Das Ventil kann auch zum Ablassen eines Drucküberschusses geeignet sein und damit die zusätzliche Aufgabe eines Sicherheitsventils erfüllen. Der Strom des Solenoides ist hierbei derart bemessen, daß das Ventil 17 sich bei Erreichung eines vorher bestimmten Druckes öffnet.

Eine andere Ausführungsform des Sicherheitsventils besitzt eine Kugel 17, die von einer Feder 20 beaufschlagt ist, deren Belastung mittels einer Schraube 21 eingestellt wird (Fig. 4).

Das druckempfindliche Gerät kann die Ladeanordnung auf verschiedene Weise steuern.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, wie sie in einer Reihe von Zugbeleuchtungsanlagen vorgesehen ist, bei welcher eine Batterie 22 durch einen Generator 23 geladen wird, der eine Nebenschlußerregerwicklung 24 besitzt, welche ihrerseits in Reihe mit der Säule 25 eines kompoundierten oder doppelt beaufschlagten elektromagnetischen Kohlesäulenreglers geschaltet ist. Der Regler besitzt eine Stromwicklung 26, welche vom Ladestrom durchflössen wird, und eine Spannungswicklung 27, welche in Reihe mit einem veränderlichen Widerstand an die Klemmen des Generators 23 gelegt ist. Der veränderliche Widerstand besteht aus einem einstellbaren Teil 28 und einem Teil 29A Zum letzteren ist die Kohlesäule 29 parallel geschaltet, die von einem Gerät (Fig. 2), das in bezug auf den Druck in der Batterie empfindlich ist, betätigt wird. In dieser Anordnung dient die Säule 29 als Vorsteuervorrichtung der Leistungszufuhr zur Spannungswicklung 27 des Hauptreglers.

Der durch diese Anordnung bewirkte Ladevorgang soll an Hand der Fig. 6 erläutert werden. In diesem Schaubild sind die Kurven 30¹, 30² typische Ladespannungskurven einer Ladung mit konstantem Strom bei niedriger bzw. hoher Batterietemperatur. Die Kurven sind über der Ladezeit aufgetragen. Die Kurve 31 stellt in typischer Weise den Grad der Gasentwicklung dar, 32 bezeichnet den oben schon erwähnten Gasungspunkt und 32¹ eine gewünschte, bestimmte Menge der Gasentwicklung. 33 stellt die freie Spannungseinstellung des Reglers 25 bis 27 dar. Die Vorsteuervorrichtung 29 ist äußerst empfindlich auf die Zunahme des Druckes, und zwar sobald die Gasentwicklung einen bestimmten Wert überschritten hat, so daß beim Zusammendrücken des Teiles 29 und der hieraus entstandenen Verringerung der wirksamen Drosselung des veränderlichen Widerstandes der Hauptregler 25 bis 27 schnell betätigt wird, um dessen Einstellung herunterzusetzen. Hiermit wird der Ladestrom auf einen sicheren Wert beschränkt. In diesem Fall, bei welchem das druckempfindliche Gerät auf einen Vorsteuerwiderstand einwirkt, wird dadurch die entwickelte Gasmenge im wesentlichen auf einem konstanten und sicheren Wert gehalten, und zwar von dem Augenblick an, bei welchem der genannte Vorsteuerwiderstand /^i arbeiten beginnt, bis zur Vollendung des Ladevorganges.

Der Bereich der Steuerung, muß genügend groß sein, um beide Spannungen des Gasungspunktes der Batterie bei der kleinsten und höchsten Temperatur, welcher im Betrieb begegnet wird, zu umfassen. Das heißt, beim größten Wert des Vorsteuerwiderstandes im Stromkreis muß die freie Einstellung des Hauptreglers genügend hoch sein, um der Batterie die Erreichung ihres Gasungspunktes bei der niedrigsten vorkommenden Temperatur zu gestatten, bevor die Einstellung des Reglers verringert wird. Dagegen muß die niedrigere Einstellung des Reglers bei kleinstem Wert des Vorsteuerungswiderstandes im Stromkreis genügend niedrig sein, um die Gasentwicklung der Batterie bei der höchstmöglichen Temperatur zu steuern. ■

Es ist ersichtlich, daß die von der druckempfindlichen Vorsteuervorrichtung hervorgerufenen Maßnahmen der sich einstellenden Spannungslinie des Hauptreglers eine ausgeprägte negative Neigung 36 von Beginn der Gasentwicklung an geben. Folglich 3.30 • ist trotz der Schnelligkeit, mit welcher die Gasentwicklung anwächst und sogar im Falle eines auftretenden Fehlers im Hauptregler, welcher die Spannungskennlinie zu hoch (33¹ in Fig. 7), oder zu niedrig, 33², ansetzt, jeder Fehler beim Einstellen des Zeitpunktes der Senkung der Regler-

einstellung bezüglich des Ladezustandes der Batterie und der Gasentwicklung außerordentlich klein. Es ist ferner zu ersehen, daß ein Schutz gegen eine Unterladung bei hoher Batterietemperatur vorgesehen ist, da eine allein auf die Spannung empfindliche Anordnung den Ladevorgang auf einen sehr niedrigen Zustand der Nachladung beschränkt. Dies tritt nicht bei Verwendung einer druckempfindlichen Vorsteuervorrichtung ein, da der Regler ίο entsprechend seiner eigenen hohen Spannungskennlinie zur Verfugung steht, bis diese im geeigneten Zustand der Nachladung durch den Einfluß der Vorsteuerung gesenkt wird. Dies ist besonders vorteilhaft bei modernen Batterien, welche einen geringen inneren Widerstand und geringe Ladeunterschiede besitzen, so daß eine niedrige oder auch negative Neigung an gewissen kritischen Punkten in der Spannungskennlinie besonders bei hohen Batterietemperaturen eintritt. Die Kombination einer druckempfindlichen Vorsteuerung mit einem elektromagnetischen Regler ist geeignet zur Unterscheidung zwischen einer während des .ersten Teiles des Ladeprogramms erreichten hohen Spannung, bei welchem eine Verminderung des Ladestromes vorschnell ist und derselben, später erreichten Spannung, wenn eine derartige Verringerung des Stromes für den Schutz der Batterie notwendig ist.

Fig. 8 zeigt eine andere Anordnung in Verbindung mit einem Dreibürstengenerator 23¹, welcher eine Nebenschlußerregerwicklung 24¹ besitzt, welche zwischen einer Hauptbürste und der dritten Bürste angeordnet ist. Ferner ist eine zusätzliche Wicklung 242 vorgesehen. Der Regler, welcher zuweilen als ein Batterieladesteuergerät bekannt ist, ist mit seiner Säule 25 zusammen mit den beiden Erregerwicklungen 24¹ und 24^s in einem Stromkreis angeordnet und besitzt nur eine Spannungswicklung 27. Der Teil 29¹ des veränderlichen Widerstandes kann unter der Steuerwirkung eines Vorsteuergerätes, welches durch ein druckempfindliches Gerät (Fig. 1 und 2) schließbare Kontakte 36 besitzt, kurzgeschlossen werden. Wie aus der Zeichnung zu entnehmen ist, enthält dieses Gerät ein Halterelais, dessen Wicklung 37 über die Kontakte 36 erregt wird und welches zusätzlich zu den - Kurzschlußkontakten 38 des' Widerstandes 29¹ Haltekontakte 39 besitzt, welche gewährleisten, daß der Widerstand 29¹ auch dann kurzgeschlossen bleibt, nachdem die Gasentwicklung unter den Punkt gefallen ist, bei welchem das Vorsteuerrelais schließt. Die Wirkung dieser Anordnung in bezug auf die Verringerung der Einstellung des Reglers 25 bis 27 ist der Anordnung gemäß Fig. 5 sehr ähnlich, nur daß eine derartige Verringerung augenblicklich eintritt und der Steuerbereich denselben Erfordernissen genügen muß. Die Anordnung besitzt im Hinblick auf die Ausschaltung der Wirkungen von Fehlern im Hauptregler beim Abschaltpunkt ähnliche Vorteile, da die Verringerung der Reglereinstellung infolge der Wirkung des Vorsteuerrelais zustande gebracht wird. Falls es erwünscht ist, kann die Kurzschließung des Widerstandes 29¹ so wirken, daß der Ladestrom im wesentlichen vollständig abgeschaltet wird.

Falls es vorgezogen wird, kann eine Vorsteuerrelaisanordnung, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, zusammen mit dem Generator und Hauptregler nach Fig. 5 gebraucht werden, oder die Anordnung einer Vorsteuersäule nach Fig. 5 kann zusammen mit dem Generator und Hauptregler gemäß Fig. 8 Verwendung finden. Der veränderliche Widerstand kann auch anderweitig verringert werden, z. B. durch Relaisanordnungen, welche in mehr als einem Schritt arbeiten, oder der Widerstand selber kann ein unterteilter oder veränderlicher Widerstand wie eine Kohlesäure sein, deren Wert auf direktem Wege durch das druckempfindliche Gerät verringert wird. Ferner können im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen spannungsgesteuerter oder stromgesteuerter Regler ähnliche Anordnungen Verwendung finden.

Falls ein Halterelais nicht als Vorsteuerrelais verwendet wird, kann — oder auch nicht — die während der niedrigeren Einstellung des Hauptreglers beim Laden entstehende Gasmenge in Abhängigkeit von der genannten Einstellung wieder den Wert erreichen, bei welchem das Vorsteuerrelais arbeitet.

Fig. 9 zeigt den Fall eines Dreibürstengenerators, welcher von einem Überladerelais gesteuert wird. Wie in der Zeichnung dargestellt, sind die Relaiskontakte 40 in Reihe mit der zusätzlichen Wicklung 24² des Generators geschaltet. Die Wicklung 41 ist in Reihe mit einem veränderlichen Widerstand an die Generatorklemmen gelegt. Ein Teil 42 des Widerstandes kann mittels der Kontakte 43 eines druckempfindlichen Vorsteuerrelais kurzgeschlossen werden. Bei Erreichung einer vorher bestimmten Gasentwicklung bewirkt das letztgenannte Relais die Öffnung des Überladerelais, so daß die vom Generator abgegebene Leistung gesenkt und der Ladestrom vermindert wird. Eine gleiche Einrichtung ist auf andere, regelbare Maschinen anwendbar.

In Einrichtungen mit einem Überladerelais ist die Verwendung eines Halterelais nicht notwendig, da das Spiel des Überladerelais so groß gemacht werden kann, daß eine Rückstellung nur bei Aufhören der Energieerzeugung des Generators eintritt.

Je nach der verwendeten Schaltung kann eine durch ein druckempfindliches Gerät betätigte Vorsteuerungsanordnung ihre Kontakte normalerweise offen oder geschlossen halten.

In ähnlicher Weise kann ein so betätigter Regler normalerweise seine Kohlesäule im entspannten oder zusammengedrückten Zustand halten.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Batterieladegerät mit einer Vorrichtung zur Steuerung des Ladevorganges mit einer druckempfindlichen Anordnung, die auf das in der Batterie elektrolytisch erzeugte Gas anspricht und den Ladestrom bei Erreichung einer vorbestimmten Gasentwicklung vermindert, da-

   durch gekennzeichnet, daß die druckempfindliche Anordnung auf eine Vorsteuervorrichtung wirkt, welche einen elektromagnetischen Regler, einen Batterieladeregler oder einen Überladungsbegrenzer beeinflußt bzw. steuert und welche die Regelung eines geregelten oder eigengeregelten Ladegenerators beeinflussen kann, so daß der Ladestrom vermindert wird.
2. 2. Batterieladegerät nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor steuervorrichtung als ein Kohledruckwiderstand ausgeführt ist, der von der druckempfindlichen Anordnung beeinflußt wird.
3. 3. Batterieladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsteuervorrichtung als ein Relais ausgeführt ist, das von der druckempfindlichen Anordnung betätigt wird.
4. 4. Batterieladegerät nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die druckempfindliche An- ao Ordnung oder die Vorsteuervorrichtung Steuermittel enthält, durch welche wenigstens die Vorsteuervorrichtung in dem Zustand gehalten wird, in welchen sie durch das Ansprechen der druckempfindlichen Anordnung nach Erreichen der vorbestimmten Gasung in der Batterie gebracht wird, wobei dieser Zustand nur mittels eines Rückstellvorganges aufgehoben werden kann.
5. 5. Batterieladegerät nach einem der An-Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die druckempfindliche Anordnung in einer Druckkammer eine einstellbare Sickeröffnung enthält.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschrift Nr. w\ 023;
   französische Patentschrift Nr. 973 602.

   Hierzu r Blatt Zeichnungen

   ©«09 706/312 10.56. (609 873 4.57) «