DE1100739B - Anordnung zum Messen der Elektrolyt-dichte und des Elektrolytstandes bei Bleiakkumulatoren - Google Patents

Description

• Anordnung zum Messen der Elektrolytdichte und des Elektrolytstandes bei Bleiakkumulatoren Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, bei denen die Fahrmotoren aus einer Akkumulatorenbatterie gespeist werden, war es bislang schwierig oder unmögloch, während des Betriebes den jeweiligen Ladezustand jeder Einzelzelle zu erkennen bzw. die Elektrolytdichte und den Elektrolytstand einwandfrei und leicht zu überwachen. Da es einerseits für den Fahrer sehr wichtig ist, jederzeit über die noch vorhandene Batteriekapazität unterrichtet zu sein und es andererseits aus Gründen der Pflege und Erhaltung der Batterie unerläßlich ist, sowohl Tiefentladungen lals auch ein zu tiefes Absinken des Elektrolytspiegels zu verhüten, hat es bisher nicht an Vorschlägen zum Erreichen dieser Ziele gefehlt. Eine völlig befriedigende Lösung ist indessen nicht gefunden worden.
• Die primitivste Art der Feststellung des Ladezustandes einer Batterie ist die des Messens der Elektrolytdichte mittels Aräometer. - Der Elektrolyt eines Bleiakkumulators besteht aus Schwefelsäure und gereinigtem Wasser in einem [bestimmten Mischungsverhältnis. Im geladenen Zustand der Bleizelle ist Idie Elektrolytdichte praktisch immer gleich hoch. Bei Sitromentnahme wird von beilden Elektrodenarten der Bleizelle Schwefelsäure aus dem Elektrolyten gebunden, wodurch die Elektrolt,tdichte geringer wird. Die Dichte des Elektrolyten ist somit eine Funktion der entnommenen Strommenge und damit ein Maß für den Grad der Auflradung des Akkumulators. Zur Schonung der Batterie wird von den Batterieherstellern meist eine untere Elektrolytdichte angegeben, die bei der Entladung nicht unterschritten werden soll.
• Das Messen der Elektrolytdichte mittels Aräometer ist sehr zeitraubend, besonders wenn sich die Prüfung - um ein möglichst genaues Bild von dem Gesamtzustand der Batterie zu erhalten - auf alle oder ein Großteil der Zellen beziehen soll. Hierbei müssen die Zellenverschlüsse abgenommen und nach erfolgter Säuremessung wieder festgeschraubt werden. Erschwerend kommt hinzu, daß die Batterien bei Elektrokarren, Elektroschleppern, Gabelstaplern und anderen Elektrofahrzeugen schwer zugänglich sind und es umständlicher Handhabungen, wie Öffnen der Batterieraumhaube und Abheben des Batteriedeckels bedarf, um die Zellen freizulegen. Da diese Handlungen -und das Messen der Säuredichte nur bei Stillstanid des Fahrzeuges vorgenommen werden können, ist der Fahrer während des Betriebes über den jeweiligen I adezustand der Batterie stets im unklaren, so daß häufig zu tief entladen wird und die Batterie Schaden nimmt. - Außerdem kann es vorkommen, daß das Fahrzeug weit weg von einer Laldestation mit erschöpfter Batterie stehen bleibt.
• Man hat versucht, diesen Übelständen Dadurch Einbau eines Amperestunden-Zählers am Führerstand oder Führersitz des Elektrofahrzeuges abzuhelfen.
• Eine der bekannten Ausführungen dieser Zähler.besteht im wesentlichen aus -einem Motor-Systern, bei welchem die Umdrehungen des in Quecksilber schwimmenden Ankers über ein kleines Schneckengetriebe auf den Zeiger eines Zähl-Ziffernblattes übertragen werden. Ein roter Zeiger, der fest eingestellt wird, bezeichnet auf dem Ziffernblatt den Punkt, bis zu welchem sich der Zählzeiger während der Entladung von.7dern Wert der Volladung aus bewegen darf. Bei der ~Wiederaufladung bewegt sich der Zeiger in entgegengesetzter Richtung, wobei der Laldefaktor der Batterie durch Einschaltung eines veränderlichen Widerstandes berücksichtigt wird.
• Diese Geräte sind in ihrem Aufbau sehr kompliziert und--daher entsprechend teuer. Ferner haftet ihnen der Mangel an, daß sie gegen fortwährende Erschütterungen, wie sie im Fahrbetrieb auftreten, empfindlich sind. Das Quecksilber ändert unter der Einwirkung von Vibrationen, besonders bei erhöhter Temperatur, sehr bald seine Struktur, so daß ungenaue Anzeige die Folge ist. - Auch gibt das Gerät keinen Aufschluß über die Dichte un4l aden Stand des Elektrolyten in den einzelnen Zellen und damit über Iden elektrochemischen Zustand der Batterie.
• Ein anderes Gerät beruht auf einer Kombination von Spannungs- und Strommessung. Es zeigt auf einer Skala den Entladezustand der Batterie in Prozenten an. Von Nachteil ist bei dem Gerät, daß die Anzeige int Rühezustand nicht einwåndfrei- ist und es ebenfalls den elektrochemischen Zustand der Batterie nicht erkennen läßt.
• Mit Ider Anordnung nach der Erfindung lassen sich Säuredichte und Säurestand einfach bestimmen und an einem beliebigen Ort ablesen. In diesen beiden Werten spiegeln sich alle physikalischen Größen-wider,-die zur Prüfung eines Akkumulators beobachtet werden müssen. Die Anordnung hat u. a. dem besonderen Vorteil, daß an dem Akkumulator praktisch keine Veränderungen vorgenommen werden müssen und auch ein nachträglicher Einbau möglich ist.
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zwei in der elektrochemischen Spannungs reihe an verschiedenen. Stellen stehende Stoffe beim Eintauchen in einen Elektrolyten eine Spannung abgeben, und daß diese Spannung vom Zustand des Elektrolyten, Id. h. bei einem Akkumulator von Wider Dichte der Säure abhängig ist. Die Spannungsdifferenz ist jedoch sehr klein. Aus der gemessenen Spannung läßt sich dann ohne weiteres auf den Ladezustand des Akkumulators schließen. In der praktischen Ausführung werden zwei aus solchen Stoffen bestehende Hilfselektroden unterhalb des normalen Säurestandes in den Akkumulator eingebaut. Die Hilfselektroden sind kleine Platten, tdie sich ohne weiteres in faden Akkumulator einsetzen lassen, ohne dabei dessen elektrisches Gleichgewicht zu beeinflussen. Die Hilfselektroden sind über Leitungen mit einer Brücke verbunden, an deren Diagonale eine Anzeigevorrichtung angeschlossen ist. In den Brückenzweigen liegen Festwiderstände, ein Regelwiderstand und ein ader mehrere nichtlineare Widerstände, z. B. Dioden. Die Anzeigevorrichtung kann ein Galvanometer sein, dessen Skala auf Säuredichte geeicht ist. Die Brücke wird dann so ausgelegt, daß das Galvanometerfbei geringsterDichte etwa auf Nuill steht und bei höchster Dichte etwa Vollaussehlag hat. Der Brückenstrom ist praktisch proportional der Spannung an den Hilfselektroden und gleichzeitig der Elektrolytdichte. Weiter kann an die Diagonale ein Signalkreis angeschlossen werden, der bei zu stark abgesunkener Dichte ein Warnsignal auslöst oder den Akkumulator an einen Ladekreis zur Wiederaufladung anschalten In diesem Fall wird die D-ilgonalspahnung einem Transistorverstärker zugeführt, der diese so weit verstärkt, daß sie zum Erregen eines Relais ausreicht.
• Die Hilfselektrdden können in gleicher oder verschiedener Höhe in den Akkumulator eingebaut werden. Setzt man eine Elektrode tief er als die andere, so wird dann, wenn, die Säure unter die Unterkante der oberen Elektrode fällt, die Spannung zusammen--brechen. Dies ist dann ein eindeutiges Warnsignal dafür, daß Säure nachgefüllt werden muß.
• Für einen einfacheren Aufbau ist es möglich, die Anordnung so zu schalten, daß in bekannter Weise eine der üblichen Elektroden des Akkumullators als Hilfselektrode verwendet wird. Der B'atteriestromkrei's und der Meßkreis sind dann einpolig miteinander ge -koppelt.
• Ist das Messen des Elektrolytstandes besonders wichtig, so - werden mehrere in ve-rschiedener - Höhe liegende Hilfselektroden über einen Wähischalter an eine der zu der Brücke führenden Leitungen ange schlossen. Bei schwankendem Säurestand wird über den Wählschalter immer die obere der noch in der Säure befindlichen Hilfselektroden angeschaltet, und man kann damit erkennen, wie weit die Säure schon abgesunken ist.
• Die in der Brücke liegen'den Dioden verringern ihren Widerstand mit steigender Spannung. Dies be deutet, daß bei sinkender Säuredichte und damit steigender Spannung feder durch die Dioden gebotene Widerstand kleiner und damit das Brüekengleichgewicht stärken gestört wird. Die Anzeige des Meßgerätes im Bereich geringer Säuredichte wird dadurch gedehnt. - In Iden Zeichnungen zeigt -Abb. 1: die grundsätzliche Schaltung der erfinldungsgemäßen Anordnung, Abb. 2 die Brücke mit nachgeschaltetem Transistorverstärker, Abb. 3 zwei in dem Akkumulator übereinanderliegende Hilfselektroden und Abb. 4 mehrere in dem Akkumulator übereinanderliegende Hilfselektroden.
• Der Akkumulator ist mit 1 und die in ihm angeordnetten Platten mit 2 bezeichnet. Der Säurespiegel ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Unterhalb des Säurespiegeis liegen die Elektroden 3 und 4, die uber Leitungen mit leder Brücke verbunden sind. Diese Brücke enthält einen nichtlinearen Widerstand 5, zwei Festwidserstämde 6, einen Regelwiderstand 7 und ein Galvanometer 8. Da die Brücke hochohmig ist, werden die Hilfselektroden 3 und 4 praktisch nicht belastet, und der dadurch die Leitungen fließende Strom ist gering. Die Leitungen können deshalb recht lang ge--macht- werden, ohne daß dadurch das Meßergebnis verfälscht wird. Dies ermöglicht, die Beobachtungsstation weit entfernt vom Akkumulator anzuordnen.
• Das gleiche gilt besonders für die in Abb. 2 gezeigte Anordnung, bei feder die in Icler Diagonale abgenommene Brückenspannung dadurch reinen Transistorverstärker verstärkt wird. Diese Brücke kann noch hochohmiger ausgebilldet werden als die nach Abb. 1. Der Transistorverstärker speist ein Relais R, in dessen Arbeitskreis ein Kontakt liegt.
• Bei Ausführung nach Abb. 3 ist im gezeigten Beispiel die Säure unter die obere Elektrode gefallen.
• Die Spannung bricht deshalb in diesem Augenblick zusammeln, und das Galvanometer zeigt keinen Ausschlag.
• Bei der Ausführung nach Abb. 4 sind an eine Leitung wahlweise mehrere übereinanderliegende Hilfselektroden anschaltbar. Die. drei oberen Hilfselektroden sind an einen nicht dlargestellten Wählschalter angeschlossen, über den sie mit einem Pol der Brücke verbunden werden.
• Wird' die Anordnung in Kraftfahrzeuge eingebaut, wird der Bereich des Galvanometers zweckmäßig in drei Abschnitte unterteilt, die mit »Geladen«, »halbentladen« und »Sofort laden« beschriftet sind.
• Die Erfindung beschränkt sich nicht auf Fchrzeug-I>atterien aller Art, sondern kann mit Vorteil auch bei stationär aufgestellten Batterien zur Fernüberwachung der Säuredichte und des Säurestandes in den einzelnen Zellen angewendet werden. In diesem Fall kann das Galvanometer in Einheiten der Säuredichte geeicht werden.
• Die Anordnung nach der Erfindung läßt sich billig herstellen, da die in den Akkumulator einzu'setzenden Platten sehr klein sind und die in idee Brücke verwendeten Schaltelemente zu niedrigen Preisen im Handel erhältlich sind. Die Anordnung ermöglicht deshalb nicht nur eine einfache, sondern auch eine billige dauernde Beobachtung Ides Ladezustandes eines Akkumulators, die Messung der Säuredichte und der Schlufisäuredichte sowie eine Messung des Säurestandes.
• Der zu Der Erfindung kommt deshalb besondere Bedeutung zu, da Bestrebungen im Gange sind, möglichst viele heute noch mit Verbrennungsmotoren angetriebene Kraftiahrzeuge durch mit Elektromotoren angetriebene Kraftfahrzeuge zu ersetzen, um das Verpesten der Luft durch Abgase einzudämmen. Die Beobachtung und die Überprüfung der Akkumulatoren wird deshalb immer wichtiger.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Anordnung zum Messen der Elektrolytdichte und -höhe in einem Blei-Akkumulator mit aus verschiedenen Stoffen bestehenden Hilfselektroden, von denen eine oder beide die Elektroden des Akkumulators sein können, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Hilfselektroden (3, 4) in den Akkumulator (1) unterhalb des normalen Elektrolytstandes eingebaut sind und die Hilfselektroden (3, 4) über Leitungen eine Brücke speisen, bei der Fest- (6, 6) und Regelwiderstände (7) vorgesehen sind, in mindestens einem Zweig ein nicht linearer Widerstand (5) liegt und an deren Diagonale eine Anzeigevorrichtung (8) angeschlossen ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (8) ein Galvanometer ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtung (8) ein Transistorverstärker mit nachgeschaltetem Relais (R) und Signalkreis ist.

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4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektroden (3, 4) auf gleicher Höhe liegen.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektroden auf verschiedener Höhe liegen.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Leitung mehrere auf verschiedener Höhe liegende Hilfselektroden über einen Wählschalter anschaltbar sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 193 736; französische Patentschrift Nr. 922 818; britische Patentschrift Nr. 285 622; USA.-Patentschrift Nr. 1 954 435.