DE4131704C2 - Verfahren zum Aufladen von Batterien sowie Anordnung hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen von Batterien mit flüssigem Elektrolyten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung zur Überwachung des Ladevorgangs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Batterien, insbesondere Bleibatterien, mit flüssigem Elektrolyten werden üblicherweise mit einem höheren Maß an elektrischer Energie aufgeladen, als ihnen während des Entladevorganges entnommen wurde. Der sogenannte Ladefaktor ist demnach größer als 1 und liegt etwa bei 1,2. Der Grund hierfür liegt in der sich während des Ladevorganges ändernden Dichte des Elektrolyten (der Batteriesäure). Dabei kommt es zu einer Schichtung innerhalb der Flüssigkeit mit unterschiedlichen Dichtewerten. Eine vollständige Ladung der Batterie wird nur bei einheitlicher Dichteverteilung des Elektrolyten erzielt. Die erwähnte Überladung mit dem Ladefaktor 1,2 bewirkt ein Gasen des Elektrolyten und damit eine Durchmischung desselben. Auf diese Weise kann die Batterie bis an den Rand ihrer Maximalkapazität geladen werden.

Zur Vermeidung von durch die Überladung entstehenden Energie- und Wasserverlusten werden statt dessen auch Begasungen der Batterien über eingebaute Leitungssysteme vorgenommen. Hierfür ist ein eigener Druckerzeuger, etwa eine Pumpe, vorgesehen, der Luft in die Batterie einbläst und eine Durchmischung des Elektrolyten bewirkt. Dadurch kann die Batterie mit einem kleineren Ladefaktor als 1,2 geladen werden. Größere Batterien setzen sich aus einzelnen Batteriezellen zusammen. So weist beispielsweise eine 80-Volt-Traktionsbatterie 40 Batteriezellen á 2 Volt auf. Jede der Zellen ist an das Leitungssystem angeschlossen. Das Leitungssystem ist dadurch sehr umfangreich. Entsprechend hoch ist die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers bzw. einer undichten Stelle. Zur Erkennung eines derartigen Fehlers kann beispielsweise ein Druckschalter vorgesehen werden, der bei einem Absinken des Drucks unter einen bestimmten Wert ein zugeordnetes Ladegerät auf einen höheren Ladefaktor umschaltet. Ein entsprechender Schwellwert hierfür darf nicht zu hoch angesetzt werden, da sonst eventuelle Druckschwankungen eine Schaltung auslösen, obwohl kein Fehler vorliegt. Andererseits führen bereits kleine Undichtigkeiten im Leitungssystem zum Ausfall der Begasung von einzelnen Zellen oder größeren Teilen der Batterie. Dabei fällt der Druck aber nur geringfügig ab, so daß der Druckschalter nicht anspricht und die entsprechenden Zellen bzw. Teile der Batterie nicht vollständig geladen und beim nächsten Entladevorgang tief entladen werden. Eine verkürzte Lebensdauer ist die Folge. Schließlich müssen die ausgefallenen Teile der Batterie erneuert werden.

Eine Drucksteuerung mit einem Druckschalter ist bekannt aus der EP 0 103 069 A2. Sobald ein Überdruck vorliegt, wird das Luftversorgungssystem mit erhöhtem Druck freigeblasen. Ein leckbedingtes Abfallen des Druckes wird nicht überwacht.

Aus der DE 38 15 001 A1 ist eine Drucküberwachung für Akkus ohne Elektrolytumwälzung, insbesondere für Nickel-Cadmium-Akkus bekannt. Es wird hier aber nur der Druck innerhalb der Batterie gemessen. Ein Luftversorgungssystem ist nicht angesprochen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen Fehler bzw. Undichtigkeiten im Leitungssystem der Batterie bzw. zwischen dieser und dem Druckerzeuger besser erkannt werden können, als dies mit dem bekannten Druckschalter möglich ist.

Zur Lösung der Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

• - Mittels des Druckerzeugers wird ein Gasstrom erzeugt,
• - die Erzeugung des Gasstromes wird zeitweilig, das heißt während einer bestimmten Zeitspanne (eine Pause), eingestellt,
• - der am Druckerzeuger ausgangsseitig vorhandene Druck wird zu Beginn der Pause oder innerhalb eines bestimmten Zeitraums vor Beginn der Pause ermittelt und als Anfangsdruck definiert,
• - während der Pause wird der zeitliche Verlauf des Drucks bzw. die Abweichung vom Anfangsdruck ermittelt.

Der genannte Zeitraum zur Ermittlung des Anfangsdrucks kann sich auch von einer vorangegangenen Pause bis zur nächsten erstrecken. Es wird während des Aufladevorganges der Druckerzeuger insbesondere periodisch stillgesetzt und in der anschließenden Pause der Druckverlauf gemessen. An Hand des Druckverlaufs innerhalb der Pause läßt sich erkennen, ob ein Fehler im Leitungssystem vorhanden ist. Ein solcher Fehler kann vorliegen und wird auch als solcher erkannt, obwohl der Druck während der Druckerzeugung möglicherweise nur geringfügig unterhalb des Normalwertes liegt. Die erfindungsgemäße Anordnung ist entsprechend durch ausgangsseitig des Druckerzeugers vorgesehene Mittel zum Erfassen und Weitergeben von im Zeitverlauf sich ändernder Druckwerte gekennzeichnet.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Ladegerät, Druckerzeuger, Batterie und Rechner,

Fig. 2 bis 7 grafische Darstellungen von Druckverläufen.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens weist gemäß Fig. 1 ein mit einer Batterie 10 über ein Starkstromkabel 11 verbundenes Ladegerät 12 auf. Letzte­ rem zugeordnet ist eine Druckerzeugereinheit 13 mit einem Druckerzeuger 14, einem Drucksensor 15 und Anzeigeinstrumen­ te 16. Die Batterie 10 weist ein Leitungssystem 17 auf, durch welches jede einzelne Batteriezelle (nicht gezeigt) mit Luft versorgt wird. Einzelne Punkte 18 symbolisieren in einzelne Batteriezellen abgehende Leitungsenden. Das Leitungssystem 17 gliedert sich in eine mit der Druck­ erzeugereinheit 13 verbundene Hauptleitung 19 sowie zwei zueinander parallele Leitungsstränge 20, 21, von deren Zweigen 22, 23 jeweils die obengenannten Leitungsenden an den Punkten 18 abgehen. Andere Konstellationen mit mehreren Hauptleitungen, etwa zwei oder vier, oder weiteren paralle­ len Leitungssträngen, sind möglich. Der Drucksensor 15 ist ausgangsseitig des Druckerzeugers 14 angeordnet und erfaßt den anstehenden Druck vor Eintritt in die mit einer Leitungsverbindung 24 angeschlossene Hauptleitung 19.

Der Druckerzeuger 14 ist in diesem Fall als Doppelmembran­ pumpe ausgebildet und pumpt gegebenenfalls über nicht ge­ zeigte Filtersysteme gereinigte Umgebungsluft in das Leitungssystem 17. Ein Austreten der Luft über den abge­ stellten Druckerzeuger 14 ist nicht möglich. Gegebenenfalls sind im Bereich desselben entsprechende Ventile vorgesehen.

Zur Auswertung der über den Drucksensor 15 ermittelten Werte ist eine Rechnereinheit 25 mit einer nicht gezeigten Auswerteschaltung vorgesehen, die Meß- und/oder Steuer­ leitungen 26, 27, 28 zum Drucksensor 15, zur Druckerzeuger­ einheit 13 und zum Ladegerät 12 aufweist.

Zum Aufladen der einen flüssigen Elektrolyten enthaltenden Batterie 10 wird üblicherweise diese an das Ladegerät 12 mit dem Starkstromkabel 11 und dem Leitungssystem 17 ange­ schlossen. Der Ladevorgang erfolgt nach Maßgabe einer zuvor bestimmten Ladekennlinie und einem sogenannten Ladefaktor, der etwas über 1, beispielsweise bei 1,05, liegt. Während des Ladens werden die einzelnen Batteriezellen zum Zwecke der Elektrolytumwälzung begast. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren bzw. die beschriebene Anordnung soll nun eventuell auftretende Fehler erkennen, diese diagnostizieren, lokali­ sieren und signalisieren sowie möglicherweise für den Lade­ vorgang festgelegte Parameter ändern.

Eine Batterie, wie sie beispielsweise als Traktionsbatterie in Gabelstaplern verwendet wird, kann mit einer Spannung von etwa 80 V arbeiten und über eine Kapazität von 1050 Ah verfügen. Das Leitungssystem 17 ist an die Batterie ange­ paßt und wird zusammen mit dieser geliefert. Die während des Ladevorgangs ermittelten Druckwerte werden mit be­ stimmten vorgegebenen Normwerten verglichen. Diese sind hersteller- und batteriespezifisch und liegen in der Regel als Erfahrungswerte vor. Möglich ist aber auch eine anfangs durchzuführende Abgleichung zur Ermittlung spezifischer Werte, die weiter unten näher beschrieben wird.

Es wird zunächst davon ausgegangen, daß der Druckerzeuger 14 einen Überdruck von etwa 80 mbar erzeugt. Die von den Punkten 18 abgehenden Leitungsenden erstrecken sich in der Batterie bis in eine Tiefe von 40 cm, so daß der Flüssig­ keitsgegendruck bei einer Elektrolytdichte von 1,25 g/cm³ ca. 50 mbar beträgt.

Fortwährend oder zu Beginn des Ladevorgangs und in regel­ mäßigen Abständen während desselben werden Druckmessungen nach folgendem Schema durchgeführt:

Der bei normaler Leistung des Druckerzeugers 14 anstehende Druck wird vom Drucksensor 15 ermittelt und - beispiels­ weise als elektrische Spannung oder in Form von Impulsen - der Rechnereinheit 25 übermittelt. Dieser Druck wird im folgenden Anfangsdruck genannt. Der Druckerzeuger wird stillgesetzt, und im daran anschließenden Zeitraum wird der Druckverlauf gemessen und an die Rechnereinheit 25 übermit­ telt. In dieser wird nun eine Abklingzeit t_a berechnet. Es wird die Zeit ermittelt, die verstreicht, bis der Druck von einem größeren Bruchteil auf einen kleineren Bruchteil abgesunken ist. Beispielsweise wird die Zeit ermittelt, die verstreicht, bis der Systemdruck p_s - Anfangsdruck - vom 0,9fachen der eingangs genannten 80 mbar auf das 0,1fache abgesunken ist. Aufgrund der ermittelten Werte sind verschiedene Aussagen möglich. Vorteilhaft ist auch eine permanente Messung des Drucks mit einer Änderung von Ladeparametern unterhalb eines bestimmten Drucks, etwa zur Erkennung plötzlich auftretender Fehler, wie einer Beschädi­ gung des Leitungssystems.

Fall 1 (Fig. 2): Der gemessene Systemdruck liegt bei 80 mbar. Die Zeit für das Absinken vom 0,9fachen auf das 0,1fache des Systemdrucks ist sehr lang - größer 30 sek. Eine undichte Stelle im Leitungssystem einschließlich der Hauptleitung 19 der Verbindung 24 sowie im Bereich der Druckerzeugereinheit 13 liegt nicht vor. Der Ladevorgang wird wie zuvor festgelegt fortgesetzt.

Fall 2 (Fig. 3): Der gemessene Systemdruck p_s liegt nur geringfügig unter 80 mbar. Die Abklingzeit t_a ist sehr kurz, etwa 2 sek. Es ist mit einem größeren Leck im Bereich der Batterie 10 zu rechnen. Die bisher eingestellten Lade­ parameter, insbesondere der Ladefaktor, werden nach An­ steuerung durch die Rechnereinheit 25 geändert und bei­ spielsweise mit einem Ladefaktor von 1,2 fortgesetzt. Darüber hinaus wird der vorliegende Fehler zur Anzeige ge­ bracht, die Größe des Lecks, insbesondere die ausströmende Gasmenge, in der Rechnereinheit 25 berechnet und ebenfalls angezeigt.

Fall 3 (Fig. 4): Der Systemdruck p_s liegt etwas weiter als beim Fall 2 unter den 80 mbar. Die Abklingzeit t_a ist ebenfalls kurz. Es liegt ein Leck oder eine Fehlfunktion im Bereich der Druckerzeugereinheit 13 vor. Auch hier ist eine Umstellung des Ladefaktors sinnvoll.

Fall 4 (Fig. 5): Der Systemdruck p_s liegt im Bereich der 80 mbar. Die Abklingzeit t_a liegt bei etwa 5 sek. Es liegt ein kleineres Leck im Batteriebereich vor. Auch hier sollte eine Änderung der Ladeparameter vorgenommen werden, da bereits die Fehlfunktion der Begasung einer Batteriezelle zu irreversiblen Schädigungen führen kann.

Fall 5 (Fig. 6): Der Systemdruck p_s liegt wesentlich unter 80 mbar. Die Abklingzeit t_a ist sehr kurz. Es ist mit einem größeren Leck im Bereich des Druckerzeugers 14 zu rechnen. Die Ladeparameter werden wie in den Fig. 3 bis 5 auf einen Aufladevorgang ohne Begasen umgestellt, insbesondere der Ladefaktor.

Fall 6 (Fig. 7): Der Systemdruck p_s liegt erheblich unter 80 mbar. Die Abklingzeit t_a ist aber sehr lang. Das Luftsystem weist kein Leck auf. Der Druckerzeuger fördert zuwenig Gas, was durch ein Dichtsetzen des Ausgangssystems verursacht sein kann. In diesem Fall muß der Ladefaktor auf 1,2 umgeschaltet werden, der Druckerzeuger stillgelegt und über die Anzeige eine Wartung gefordert werden.

Die Ermittlung und Auswertung des Systemdrucks p_s und der Abklingzeit t_a ermöglicht somit eine Aussage über einen Fehler im Leitungssystem, obwohl der ausgangsseitige Druck des Druckerzeugers 14 nur gering (Fig. 3) oder nicht meßbar (Fig. 5) vom Sollwert abweicht. Zugleich ist anhand der Länge der Abklingzeit eine Berechnung der Größe der undichten Stelle möglich. So ist das Leck im Bereich des Druckerzeugers im Fall 5 (Fig. 6) größer als im Fall 3 (Fig. 4).

In den Fig. 2 bis 6 kommt der erste, fast vertikale Druck­ abfall durch den Austritt der Luft über die Leitungsenden und die Flüssigkeitssäule zustande. Der Druckabfall ver­ ringert sich, das heißt die Kurve wird flacher, sobald der Flüssigkeitsspiegel als Gegendruck die Leitungsenden ver­ schließt. Die Luft kann dann nur noch über undichte Stellen austreten. Der durch den Druckerzeuger 14 erzeugte Druck muß deshalb in jedem Falle über dem Flüssigkeitsdruck liegen, damit es überhaupt zu einer Begasung kommt.

Wie eingangs ausgeführt, ist der Vergleichswert 80 mbar ab­ hängig vom Druckerzeuger und von dem der Batterie 10 zuge­ ordneten Leitungssystem 17. Eine automatische Anpassung an unterschiedliche Typen ist durch folgende Verfahrens­ schritte möglich. Vor dem eigentlichen Aufladevorgang wird zunächst das Leitungssystem 17 an die Druckerzeugereinheit 13 angeschlossen. Der Druckerzeuger 14 wird in Betrieb ge­ nommen und es wird das oben beschriebene Verfahren durchge­ führt. Sofern die Abklingzeit t_a über einem bestimmten Grenzwert - beispielsweise 30 sek - liegt und der System­ druck p_s einen unteren Grenzwert nicht unterschreitet (Fig. 7), wird der gemessene Systemdruck p_s als Sollwert, entsprechend den obengenannten 80 mbar angenommen. Falls die Bedingungen nicht erfüllt sind, liegt bereits eine Störung vor, so daß keine gültigen Sollwerte ermittelt werden können. In diesem Fall wird der Ladevorgang gar nicht erst aufgenommen oder aber mit Ladeparametern durch­ geführt, die einer Aufladung ohne Begasung entsprechen, und ein Fehler signalisiert.

Weiterhin können bestimmte Grenzwerte im eingangs beschrie­ benen Verfahrensablauf und/oder in der eben beschriebenen Ermittlung eines Normwertes für den Systemdruck zur Beein­ flussung des Ladevorgangs herangezogen werden. So wird beispielsweise bei einem Druck von weniger als 20 mbar oder mehr als 150 mbar von einen korrekten Ladevorgang aus­ schließenden Fehlfunktionen ausgegangen, dieser angezeigt und der Ladefaktor automatisch auf eine Ladung ohne Begasen umgestellt.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird ein besonders empfindlicher Drucksensor bzw. eine entsprechende Meßschaltung verwendet. Zweck ist dabei die Messung periodi­ scher Druckschwankungen. Wie eingangs ausgeführt, ist der Druckerzeuger 14 als Doppelmembranpumpe ausgeführt. Der erzeugte Druck schwankt in Abhängigkeit vom jeweiligen Membranhub. Bei Über- oder Unterschreiten bestimmter Periodendauern sind Fehlfunktionen im Bereich des Druck­ erzeugers 14 zu vermuten. Der Ladefaktor wird entsprechend automatisch umgestellt. Insbesondere gilt dies bei einer tolerierbaren Abklingzeit t_a und einem unterhalb eines be­ stimmten Grenzwertes liegenden Systemdruck.

Gemäß Fig. 1 ist die Druckerzeugereinheit 13 dem Ladegerät 12 zugeordnet bzw. Teil desselben. In einer anderen bevor­ zugten Ausführungsform erfolgt die Druckerzeugung im Bat­ teriebereich, so daß auch die verbindende Hauptleitung 19 sowie die Leitungsverbindung 24 entfällt. Die Druckerzeuger­ einheit 13 ist dann Teil der Batterie 10 oder externes Bau­ teil. Gleichwohl bleibt die Meßleitung 26 zur Rechnerein­ heit 25 bestehen.

In jedem Falle kann eine Anzeige der ermittelten Ergebnisse über die Anzeigeinstrumente 16 erfolgen, etwa durch Auf­ leuchten unterschiedlicher Symbole, gegebenenfalls in Ver­ bindung mit der numerischen Anzeige der Leck-Größe.

Bezugszeichenliste

10 Batterie
11 Starkstromkabel
12 Ladegerät
13 Druckerzeugereinheit
14 Druckerzeuger
15 Drucksensor
16 Anzeigeinstrumente
17 Leitungssystem
18 Punkte
19 Hauptleitung
20 Leitungsstrang
21 Leitungsstrang
22 Leitungszweige
23 Leitungszweige
24 Leitungsverbindung
25 Rechnereinheit
26 Meßleitung
27 Steuerleitung
28 Steuerleitung

Claims (13)

1. Verfahren zum Aufladen von Batterien mit flüssigem Elektrolyten, wobei durch Einbringen eines Gasstromes in Batteriezellen mittels eines Druckerzeugers (14) und eines im Bereich der Batterie (10) vorgesehenen Leitungssystems (17) eine Zwangselektrolytumwälzung erfolgt und wobei zumindest zeitweise eine Drucküberwachung vorgesehen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - mittels des Druckerzeugers (14) wird ein Gasstrom erzeugt,
• - die Erzeugung des Gasstromes wird zeitweilig, das heißt während einer bestimmten Zeitspanne (einer Pause) eingestellt,
• - der am Druckerzeuger (14) ausgangsseitig vorhandene Druck wird zu Beginn der Pause oder innerhalb eines bestimmten Zeitraumes vor Beginn der Pause ermittelt und als Anfangsdruck definiert,
• - während der Pause wird der zeitliche Verlauf des Drucks bzw. die Abweichung vom Anfangsdruck ermittelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom Anfangsdruck und vom Druckverlauf eine Änderung der Ladeparameter eines zugeordneten Lade­ gerätes (12) vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Abhängigkeit vom Anfangsdruck und vom Druckverlauf der Zustand des Leitungssystems (17) und des Druckerzeugers (15), insbesondere mögliche Fehler, nach Art, Ort und Umfang auf einer Anzeige in digitaler oder analoger Form oder unter Verwendung von Symbolen ausgegeben werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitspanne t_a zwischen dem Auf­ treten verschiedener Druckwerte ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeitspanne t_a zwischen dem Auftreten des 0,9fachen vom Anfangsdruck und des 0,1fachen ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für ein bestimmtes t_a, das kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist, eine Änderung der Ladeparameter eines zugeordneten Ladegerätes vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall zu ändernder Ladeparameter der Ladefaktor am zugeordneten Ladegerät (12) auf insbeson­ dere 1,2 gesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer ersten Einstellung oder Pause der Druckerzeugung zunächst eine Überprüfung des System­ drucks erfolgt, derart, daß der zuletzt anstehende Druck p_s sowie der zeitliche Verlauf des Druckes zur Ermittlung einer Systemstörung verwendet werden, wobei bei einem Druck p_s oberhalb eines bestimmten Grenzwertes und einem bestimmten Druckabfall in einer Zeit t_a größer als eine vorgegebene Zeit der ermittelte Druck p_s allen weiteren Berechnungen als Anfangsdruck zugrunde gelegt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodendauer von Druckschwankungen ausgangsseitig des Druckerzeugers (14) ermittelt wird.

10. Anordnung zur Überwachung des Ladevorgangs einer Batterie mit flüssigem Elektrolyten, insbesondere zur Durch­ führung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Ladegerät (12), einem der Batterie (10) zugeord­ neten Leitungssystem (17) zur Zwangselektrolytumwälzung und mit einer Druckerzeugereinheit (13) zum Einbringen von Gas, insbesondere Luft, in das Leitungssystem (17), gekennzeich­ net durch ausgangsseitig des Druckerzeugers (14) vorge­ sehene Mittel zum Erfassen von im Zeitverlauf sich ändern­ der Druckwerte.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ausgangsseitig des Druckerzeugers (14) ein Drucksensor, vorzugsweise ein einen Drucksensor enthaltender Druckauf­ nehmer, angeordnet ist, dessen Ausgangsgröße eine elektri­ sche Größe, insbesondere eine Spannung, ist.

12. Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ladegerät (12) und/oder der Druckerzeuger (14) in Abhängigkeit vom Ausgangswert des Druckwandlers (Drucksensor 15) steuerbar sind.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekenn­ zeichnet durch eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige bzw. Aus­ gabe von Betriebszuständen des Leitungssystems (17) und/oder des Druckerzeugers (14), insbesondere von Fehlern, nach Art, Ort und Umfang, mit analogen, digitalen oder symbolischen Anzeigen.