PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19611544A1 02.10.1996
Titel Verfahren und Schaltungsanordnung zum Prüfen einer Einrichtung zum Speichern elektrischer Energie
Anmelder Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH, 60596 Frankfurt, DE
Erfinder Dustert, Jörg, Dipl.-Ing., 59494 Soest, DE;
Reuschel, Klaus, 33142 Büren, DE
DE-Anmeldedatum 23.03.1996
DE-Aktenzeichen 19611544
Offenlegungstag 02.10.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.10.1996
IPC-Hauptklasse H02H 7/18
IPC-Nebenklasse G01R 31/36   H01M 10/42   H02J 7/00   
Zusammenfassung Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit einer technischen Anlage mit hintereinander geschalteten Batterien ist es erforderlich, daß der ordnungsgemäße Betriebszustand der Batterien überwacht wird.
Zur zuverlässigen und sicheren Überwachung des Batteriezustandes wird eine kurze Testentladung der Batterien über die angeschlossene Last vorgenommen. Dazu wird ein bestimmter Teststrom (ITest) als Entladestrom eingestellt. Die Entladung wird von der Steuerung (Stg) eines die Batterien und die Last speisenden Gleichrichters (1) gesteuert.
Während der Entladung wird die Spannung an den Batterien überwacht, beispielsweise durch eine Brückenschaltung (B), die bei ordnungsgemäßen Batterien im abgeglichenen Zustand ist. Wenn die Brückenschaltung (B) nicht mehr abgeglichen ist, wird ein Fehler bei den Batterien angenommen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Einrichtung zum Speichern elektrischer Energie nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Schaltungsanordnung für eine Überwachung einer Batterieanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

Ein derartiges Verfahren zur Prüfung ein er Einrichtung zum Speichern elektrischer Energie ist aus der EP 0 336 381 A2 bekannt. Die Einrichtung besteht aus einem einzelnen Akkumulator. Das bekannte Verfahren läuft stets während einer Unterbrechung eines Ladezyklus ab und enthält verschiedene Meßphasen mit kurzen Entladeintervallen. Aus Werten von Spannungsabweichungen zu einem definierten abgeglichen Zustand des Systems und aus Stromwerten werden zu verschiedenen Betriebszuständen gehörige Innenwiderstände berechnet. Nach Weiterverarbeitung der Ergebnisse werden verschiedene Angaben zum Zustand des Akkumulators erhalten. Das Verfahren ist mit recht aufwendigen Steuerungs-, Meß- und Verarbeitungsschritten verbunden.

Eine Schaltungsanordnung der eingangs erwähnten Art ist aus der WO 93 10 590 A1 bekannt. Die dort beschriebene Schaltungsanordnung dient einer Steuerung und Überwachung von Batterien bei Auf- und Entladevorgängen; es sollen damit stets für die Batterie günstige Betriebsbedingungen eingestellt werden. Die Batterien sind in parallel liegenden Reihen verschaltet, wobei zwei derartiger Parallelschaltungen hintereinander angeordnet sind. In der Mitte zwischen diesen Parallelschaltungen und vor unter hinter ihnen ist jeweils ein Spannungsabgriff zur Erfassung der Spannungen vorhanden.

An einer Reihenschaltung aus Batterien oder Batteriezellen Spannungsabgriffe vorzusehen, von denen einer in der Mitte angeordnet ist, und diese zur Spannungsüberwachung mit einer Brückenschaltung zu verbinden, ist aus den Offenlegungsschriften DE-OS 18 14 210 und DE-OS 21 48 628 bekannt.

Eine Batterieüberwachung ist beispielsweise in einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) sinnvoll, die mit stationären aufladbaren Batterien ausgerüstet ist. Die Batterien sind zur Aufladung und Ladungserhaltung an einen Gleichrichter angeschlossen. Bei einem Ausfall der Versorgung durch den Gleichrichter steht sofort die in den Batterien gespeicherte Energie zur Nutzung zur Verfügung. Der Verbraucher ist bei einer derartigen Anlage sowohl an den Batterien als auch an dem Gleichrichter angeschlossen.

Generell besteht für eine aussagekräftige Batterieüberwachung bei der zuvor beschriebenen Anlage folgende Schwierigkeit:

Sowohl im Ladeerhaltungsbetrieb als auch im Ladebetrieb bei voll geladener Batterie wird die Energie dem Verbraucher ausschließlich vom Gleichrichter, der gleichzeitig das Ladegerät für die Batterien ist, zur Verfügung gestellt. Der Strom durch die Batterien ist verhältnismäßig klein (ca. 20-50 mA/100 Ah) und erlaubt daher keine zuverlässigen Rückschlüsse über die Brauchbarkeit der Batterien.

Außerdem ist die Batteriespannung bei Aufladung und Ladeerhaltung kein zuverlässiges Kriterium für den Zustand der Batterien im Hinblick auf mögliche Störungen durch Alterung oder durch einen Kurzschluß in der Batterie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine Batteriekreisüberwachung zu schaffen, mit Hilfe dessen zuverlässig sowohl getestet wird, ob der Batteriekreis geschlossen ist, als auch ob Störungen der Batterien durch einen Kurzschluß, durch Alterung der Batterien oder durch Korrosion aufgetreten sind. Ferner soll eine Schaltungsanordnung zur Verfügung gestellt werden, mit Hilfe derer eine Batteriekreisüberwachung möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 5.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Schaltungsanordnung dienen einer Überwachung des ordnungsgemäßen Betriebszustandes einer stationären Batterieanlage.

Insbesondere folgende Störungen werden mit dem Verfahren bzw. mittels der Schaltungsanordnung erkannt:

  • - Unterbrechung einer oder beider Ladeleitungen, die von einem Gleichrichter zu den in Reihe geschalteten Batterien führen;
  • - Bruch einer oder mehrerer Batteriesicherungen, die in Zuleitungen zu den Batterien liegen;
  • - Bruch einer oder mehrerer Verbinder zwischen hintereinander geschalteten Batterien;
  • - Kurzschluß einer oder mehrerer Batterien;
  • - Hochohmigkeit einer Batterie;
  • - Kapazitätsverlust einer Batterie oder einer Gruppe von Batterien und
  • - Unterbrechung einer oder mehrere Anschlußleitungen zu der Steuerungseinrichtung für das Prüfverfahren.


Die Batterien können in einer oder (zur Erhöhung der Redundanz und zum Sicherstellen der Verfügbarkeit) in mehreren parallel angeordneten Reihenschaltungen (Batteriesträngen) verschaltet sein.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand einer Figur näher beschrieben.

Die Fig. zeigt einen Gleichrichter 1, an den ausgangseitig zwei (oder mehr) Reihenschaltungen 2 und 3 von aufladbaren Batterien (Bleiakkumulatoren) angeschlossen sind. Alle Reihenschaltungen 2 und 3 weisen die gleiche Anzahl von baugleichen Batterien auf. In Reihe zu diesen Reihenschaltungen 2 und 3 liegt ein gemeinsamer Batterieshunt 4, der eine Verbindung herstellt von den Reihenschaltungen 2 und 3 zu einem Wechselrichter 5 und zu dem Gleichrichter 1. Der Wechselrichter 5 bildet zusammen mit angeschlossenen (nicht dargestellten) Verbrauchern die Last und wird eingangsseitig von einem Laststrom IL durchflossen. Durch den Shunt 4 fließt der Ladestrom für die Batterien oder im Falle einer Entladung der Entladestrom IB.

In dem Stromkreis von dem Gleichrichter 1 zu den Reihenschaltungen 2 und 3 liegt ein Geräteshunt 6, der von dem Gleichrichterstrom IGR durchflossen wird.

Entladestrom IB und Gleichrichterstrom IGR werden bei einem weiter unten beschriebenen Test zur Batterieüberwachung von einer Steuerung Stg, die mit dem Batterieshunt 4 und dem Geräteshunt 6 verbunden ist, erfaßt.

Der Strom in dem eingangsseitigen Stromkreis des Wechselrichters 5 wird als Laststrom IL bezeichnet.

In jeder Reihenschaltung 2 und 3 sind die Batterien jeweils in zwei Gruppen (mit jeweils hintereinander verschalteten Batterien) aufgeteilt. Im Falle einer geraden Anzahl von Batterien in einer Reihenschaltung 2 bzw. 3 ist ihre Anzahl in beiden Gruppen gleich, andernfalls ist sie um Eins in den beiden Gruppen voneinander verschieden.

Die Aufteilung jeder Reihenschaltung 2 und 3 in zwei Gruppen von Batterien ist durch einen Spannungsabgriff M bewirkt, der zwischen zwei unmittelbar benachbarten Batterien herausgeführt ist. Mittels dieses Spannungsabgriffs M und der Spannungsabgriffe an den beiden Enden der Reihenschaltungen 2 und 3 sind die Gesamtspannungen an beiden Gruppen abgreifbar. In jeder Reihenschaltung 2 und 3 sind die Spannungen an den beiden Gruppen zu jeweils einer eigenen Brückenschaltung B geführt ist. Vor dem Beginn eines Prüfungsvorgangs sind die Brückenschaltungen B abgeglichen.

Verfahren zur Batteriekreisüberwachung A) Vollständige Prüfung bei ILast > ITest

Eine erfindungsgemäße vollständige Prüfung ist nur möglich, wenn der Entladestrom (IB) aus den Batterien während einer vorgebbaren Testzeit ununterbrochen zumindest einen Minimalwert erreicht. Dazu ist ein geräteabhängiger Teststrom ITest festzulegen, der über diesem Minimalwert liegen muß. Bei einem kleineren Strom sind keine zuverlässigen Aussagen über den Zustand der Batterie möglich. Außerdem liefert bei einem so niedrigen Strom eine Überwachung der abgeglichenen Brückenschaltung B keine aussagekräftigen Ergebnisse.

Mittels der Steuerung Stg, die mit dem Gleichrichter 1 verbunden ist und die gezielt den Steuerwinkel des Gleichrichters 1 verstellt, wird zu Beginn des Tests ein fester definierter (durch den Batterieshunt 4 fließender) Entladestrom ITest eingestellt. Es gilt dann

IB = ITest.

Der Teststrom ITest wird eingestellt, indem die Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters 1 verstellt wird, wobei dazu die Werte des Stroms IB durch den Batterieshunt 4 von der Steuerung Stg aufgenommen werden. Bei Senken der Gleichspannung wird ein Anstieg des Entladestroms IB hervorgerufen.

Unter Berücksichtigung der Pfeile in der Fig. gilt für den Laststrom:

IL = IGR + IB.

Aus dem Gleichrichterstrom IGR und dem Batteriestrom IB kann also die Steuerung Stg den Laststrom berechnen.

Wenn der Laststrom IL größer ist als der definierte feste Entladestrom/Teststrom ITest kann die vollständige Prüfung vorgenommen werden. Nach Ablauf einer Zeitdauer von 45 Sekunden (zum Erzeugen eines "stabilen" Verhaltens der Batterien) bei festem Teststrom ITest wird mittels der Brückenschaltungen B erfaßt, ob dort - bei fließendem Teststrom ITest - eine Abweichung von dem abgeglichenen Zustand auftritt. Bei einer derartigen Abweichung wird ein Signal zur Erzeugung einer Fehlermeldung hervorgerufen. Es liegt dann eine Störung bei einer Batterie in der betreffenden Reihenschaltung 2 oder 3 vor (z. B. Kurzschluß oder hochohmiges Verhalten durch Alterung).

Wenn während einer Dauer von insgesamt 2 Minuten (nach Testbeginn) kein Abweichen vom abgeglichenen Zustand feststellbar ist, wird davon ausgegangen, daß die Batterien in der betreffenden Reihenschaltung 2 oder 3 in Ordnung sind. Die Zeit ist verstellbar, allerdings reagieren die Batterien etwas träge auf Laständerungen, so daß die Zeit nicht beliebig verkürzt werden kann.

Statt der Verwendung einer Brückenschaltung B könnten auch die Spannungen an den Gruppen ständig erfaßt und mittels eines Programms in einem Computer für die Prüfung ausgewertet werden.

Wenn das Verhältnis der Spannungen an den beiden Gruppen einer Reihenschaltung 2 bzw. 3 sich gegenüber dem Verhältnis im störungsfreien Betrieb ändert, wird dann vom Programm eine Fehlermeldung ausgegeben.

B) Verkürzte Prüfung bei ILast < ITest

Wenn zu Beginn des Tests der festgelegte Teststrom ITest größer ist als der gerade fließende Laststrom IL (d. h. es kann wegen zu geringer augenblicklich er Verbraucherleistung kein ausreichend großer Entladestrom eingestellt werden), dann ist nur eine verkürzte Prüfung der Batterien ("Notverfahren") möglich.

Wegen des niedrigen Entladestromes liefern die Werte an den Brückenschaltungen B keine brauchbaren Ergebnisse.

Es wird die Gleichrichterspannung rampenförmig so weit herabgesetzt, bis ein Entladestrom IB durch den Shunt 4 meßbar ist. Der Wert der Gleichrichterspannung wird während der Dauer der verkürzten Prüfung ständig überwacht. Die verkürzte Prüfung wird sofort abgebrochen, wenn der im Mittel auf jede Zelle der Batterien in den Reihenschaltungen 2 und 3 entfallende Anteil der Gleichrichterspannung auf einen Wert von 1,9 V gefallen ist. Bei einer solchen Spannung setzt nämlich in den Zellen von Bleiakkumulatoren eine Entladung ein; 1,9 V ist die Entladespannung bei Bleizellen. Bei Erreichen eines so niedrigen Wertes wird das Prüfungsverfahren mittels der Steuerung Stg unverzüglich abgebrochen und eine Fehlermeldung ausgegeben.

Nach Ablauf einer fest vorgebenen Testzelt, während der ein Entladestrom fließt und gleichzeitig die Spannung pro Zelle im Mittel größer als 1,9 V ist, wird der Test beendet und der ordnungsgemäße Zustand der Batterien der Reihenschaltungen angenommen.

Zahlenwerte als Beispiele:

  • - Teststrom ITest (Entladestrom): 1/10 INenn (I&sub1;&sub0;) für jede Batterie (INenn nach Herstellerangaben);
  • - Zeitdauer der weiter oben beschriebenen vollständigen Prüfung: 120 s = 1/30 h.


Es gilt mit diesen Zahlenwerten:

1/10 INenn* 1/30 h = 1/300 INennh

Demnach beträgt bei jedem Test die Entladung 0,33%, bezogen auf die gesamte Kapazität der jeweiligen Batterie.

Bei einer vollständigen Prüfung pro Woche ergibt sich als Entladung für das ganze Jahr (bei 52 Wochen):

52 * 0,33% INennh = 17,49% INennh (pro Jahr).

Für die Prüfzwecke werden also die Batterien in einem ganzen Jahr nur um 17,49% entladen. Das Prüfverfahren trägt praktisch nicht zur Alterung der Batterien bei.

Bei 365 vollständigen Prüfungen der Batterien im Jahr (einmal täglich) ergibt sich eine Entladung von:

365 * 0,33% INennh = 120,45% INennh (pro Jahr).

In diesem Fall werden also die Batterien innerhalb eines Jahres für Prüfzwecke etwas mehr als einmal vollständig entladen.

Üblicherweise halten derartige Batterien 200 bis 300 vollständige Entladungen aus; die Alterung der Batterien durch das erfindungsgemäße Prüfen ist also selbst dann vernachlässigbar, wenn jeden Tag eine vollständige Prüfung durchgeführt wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Prüfen einer Einrichtung zum Speichern elektrischer Energie, bei dem ein fester Entladestrom als Teststrom während einer vorgebbaren Zeit eingestellt und die Spannung an der Einrichtung abgegriffen wird, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Einrichtung mindestens eine Reihenschaltung (2, 3) aus jeweils mindestens zwei Batterien ist, daß die Batterien in jeder Reihenschaltung (2, 3) in mindestens zwei Gruppen aufgeteilt sind und

    daß als eine Störung gewertet wird, wenn das Verhältnis der Spannungen an den Gruppen einer Reihenschaltung (2, 3) von ihrem Verhältnis bei störungsfreiem Zustand der Batterien abweicht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Batterien einer jeden Reihenschaltung (2, 3) in genau zwei Gruppen aufgeteilt sind und daß die Anzahl der Batterien in beiden Gruppen gleich oder um Eins voneinander verschieden ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterien Akkumulatoren sind, daß im Falle mehrerer Reihenschaltungen (2, 3) alle parallel geschaltet sind, daß an die Reihenschaltung(en) (2, 3) eine regelbare Gleichspannungsquelle zur Versorgung und eine von einem Laststrom (IL) durchflossene Last angeschlossen ist/sind, daß zu Beginn der Prüfung festgestellt wird, ob der gerade fließende Laststrom (IL) größer ist als der Teststrom (ITest),
    1. - daß in diesem Fall eine vollständige Prüfung mit der Überwachung des Verhältnisses der Spannungen an den Gruppen bei gleichzeitig fließendem, festem Teststrom (ITest) durchgeführt wird,
    2. - daß andernfalls eine verkürzte Prüfung vorgenommen wird, daß während dieser verkürzten Prüfung ständig überwacht wird, ob der mittlere auf jede Batterie entfallende Anteil der Gleichspannung unterhalb eines Grenzwertes, bei dem eine Entladung der Batterie einsetzt, gesunken ist, daß bei Unterschreiten dieses Grenzwertes die Prüfung sofort abgebrochen wird, daß für die verkürzte Prüfung die an der/den Reihenschaltung(en) (2, 3) anliegende Gleichspannung rampenförmig oder stufenförmig so weit gesenkt wird, bis ein aus den Batterien herausfließender Entladestrom (IB) feststellbar ist, daß nur dann ein störungsfreier Zustand der Batterien angenommen wird, wenn während einer fest vorgegebenen Testzeit festgestellt wird, daß ein solcher Entladestrom, erforderlichenfalls durch weitere Senkung der Gleichspannung, aufrechterhalten werden kann.
  4. 4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach Einstellen des festen Entladestroms (ITest) erst nach Verstreichen einer vorgegebenen Verzögerungszeit mit der Überwachung des Verhältnisses der Spannungswerte begonnen wird.
  5. 5. Schaltungsanordnung für eine Überwachung einer Batterieanlage mit aufladbaren, in Reihe verschalteten Batterien, die mittels Spannungsabgriffen in Gruppen aufgeteilt sind, mit einer Einrichtung zur Erfassung des durch alle Batterien fließenden Gesamtstromes, mit einer Energieversorgungseinrichtung für die Batterien, einer zugleich mit allen Reihenschaltungen verbundenen gemeinsamen Last und mit einer den Gesamtstrom erfassenden elektronischen Steuerung, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Energieversorgungseinrichtung ein Gleichrichter (1) ist,

    daß im Falle mehrerer Reihenschaltungen (2, 3) mit Batterien alle Reihenschaltungen (2, 3) parallel miteinander verbunden sind,

    daß die Steuerung (Stg) zusätzlich den durch die Ausgangsleitungen des Gleichrichters (1) fließenden Strom (IGR) erfaßt,

    daß, für jede Reihenschaltung (2, 3) getrennt, bei Fließen eines vorgebbaren Entladestromes (IB) als Teststrom (ITest) das Verhältnis der Spannungswerte an den Gruppen bei einem Prüfungsvorgang überwacht wird und

    daß als eine Störung der Batterieanlage gewertet wird, wenn bei Fließen des Teststroms (ITest) das Verhältnis der Spannungen an den Gruppen einer Reihenschaltung (2, 3) von ihrem Verhältnis bei störungsfreiem Zustand der Batterieanlage abweicht.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß genau zwei Gruppen von hintereinander geschalteten Batterien in jeder Reihenschaltung (2, 3) vorhanden sind, daß mittels der Abgriffe die Spannungen an den Gruppen, für jede Reihenschaltung (2, 3) getrennt, an eine der Reihenschaltung (2, 3) zugeordnete Brückenschaltung (B) geführt werden, daß die Brückenschaltung (B) bei störungsfreiem Zustand der Batterieanlage abgeglichen ist und daß es als eine Störung gewertet wird, wenn beim Prüfungsvorgang eine Abweichung vom abgeglichenen Zustand der Brückenschaltung (B) festgestellt wird.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Reihenschaltung(en) (2. 3) von Batterien und durch einen gemeinsamen, mit der Steuerung (Stg) verbundenen Batterieshunt (4) eine Serienschaltung gebildet ist und daß diese Serienschaltung an den Gleichrichter (1) angeschlossen ist.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in eine der beiden Ausgangsleitungen des Gleichrichters (1) ein mit der Steuerung (Stg) verbundener Geräteshunt (6) geschaltet ist.
  9. 9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Last ein Wechselrichter (5) mit mindestens einem daran angeschlossenen Wechselstromverbraucher ist.
  10. 10. Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 in einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com