DE2100011B2 - Verfahren und vorrichtung zur messung und anzeige des ladezustandes von nickel-cadmium-akkumulatoren - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung und anzeige des ladezustandes von nickel-cadmium-akkumulatorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und Anzeige des Ladezustandes von Nicke'-Cadmium-Akkumulatoren
mittels einer zusätzlichen Elektrode, die über einen Widerstand mit der positiven
Elektrode während des Ruhe- und Entladevorganges leitend verbunden ist.
Die Kenntnis des Ladezustandes eines Akkumulators ist für den Benutzer insofern von Eledeutiing, als
er nur nach dessen genauer Kenntnis den Akkumulator rechtzeitig aufladen lassen kann. Ist der Ladezustand
nicht bekannt, so kann es zu Ausfällen infolge lu spät festgestellter Entladung kommen. Beabsichtigt
man, derartige Ausfälle sicher zu vermeiden, muß man im allgemeinen einen für die Ladung teilweise überflüssigen
Aufwand treiben.
In der Literatur werden verschiedene Methoden zur Ermittlung des Ladezustandes alkalischer Akkumulatoren
beschrieben. So wurde beispielsweise die Zellenspannung oder die Elektrolytdichte als Funktion
des Ladezustandes zur Bestimmung des Ladezustandes herangezogen. Auch wurde mit einem Strommengenmesser
die entnommene Elektrizitätsmengc registriert und dadurch der Ladezustand des Akkumulators
ermittelt. Diese Verfahren sind jedoch nur bedingt zur Ladezustandsanzeige geeignet, weil die
betrachteten meßbaren Eigenschaften des Akkumulators bei Ladung und Entladung nicht eindeutig genug
verändert werden oder weil ein komplizierter elektronischer Aufwand erforderlich ist.
Es ist weiterhin bekannt, unter Verwendung von Hilfselektroden den Endpunkt von Ladung bzw. Entladuna
von Akkumulatoren zu bestimmen. Solche HilfseTektroden können z.B. einfache Nickelbieche
sein (britische Patentschrift 1 141518), welche über
einen Widerstand mit der positiven oder negativen Elektrode verbunden sind, oder Gasverzehrelektroden
mit einem Katalysator (französische Patentschrift
1 333 521), oder zusätzliche positive Flektroden, welehe
über einen Widerstand mit der positiven Hauptelektrode verbunden sind (deutsche Offenlegungsschrift
1496237).
Es ist auch bekannt (französische Offenlegungsschrift 2 008 054), eine Elektrode der Zelle in zwei
Teilelektroden unterschiedlicher Größe aufzuteilen, wobei beide Teile über einen Widerstand verbunden
sind und der Spannungsabfall an diesem Widerstand als Schaltkriterium bei Ende der Ladung bzw. Entladuno
dient.
Schließlich ist es bekannt (USA.-Patentschrift
2 998 590), eine Hilfselektrode vorzusehen, deren Material identisch ist mit dem der positiven Hauptelektrode,
diese mit der positiven Hauptelektrode und über ein Anzeigegerät mit der anderen Hauptelek-
a5 trode zu verbinden.
Alle diese Anordnungen gestatten es jedoch nur,
den Endpunkt der Ladung bzw. eine beginnende Überladung und den Endpunkt der Entladung bzw.
eine beginnende Umpolung der Zelle festzustellen.
Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, welches insbesondere dazu geeignet ist,
den Ladezustand eines Nickel-Cadmium-Akkumuiators bzw. eine Teilentladung eines solchen Akkumulators
in einem vorher bestimmten Umfange anzuzei-
gen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mit Hilfe der als Bezugselektrode ausgebildeten
und andere positi·-s aktive Masse enthaltenden zusätzlichen Elektrode, deren Ruhepotential unterhalb
des Ruhepotentials der positiven Elektrode liegt, die Potentialdifferenz unter Belastung zwischen
der positiven Elektrode und der Bezugselektrode gemessen wird und daß mit Hilfe des Absinkens des Potentials
der positiven Elektrode unterhalb des Ruhepotentials der Bezugselektrode ein vorgebbarer
Zustand der Teilentladung angezeigt wird.
Das Verfahren beruht auf der Verschiebung des Arbeitspotentials der positiven Elektroden in negativer
Richtung unter Belastung der Elektrode. Die Potentialsverschiebung ist um so größer, je höher die
Belastung und je weiter die Entladung der Elektrode fortgeschritten sind. Die Verschiebung wird gemäß
der Erfindung als Maß für den Umfang der stattgefundenen Entladung einschließlich der Selbstentladung,
also als Maß für den Ladezustand benutzt.
Die Verschiebung wird mit einer Ag2O/Ag-Elektrode
(Bezugselektrode) gemessen. Eine besondere Vorrichtung gibt bei Überschreitungeines Grenzwertes
der Verschiebung ein Signal, das einen definierten Lade/Entladezustand anzeigt.
Die Erfindung beruht vor allem auf der Tatsache, daß der innere Widerstand der Elektrode, d.h. die
Leitfähigkeit der aktiven Masse im geladenen und im entladenen Zustand deutlich unterschiedlich ist. Es
wurde experimentell gefunden, daß ungeladenes Nikkelhydroxid einen spezifischen Widerstand von 103 bis
10* Ω cm, geladenes Nickelhydroxid einen entsprechenden
Wert von ΙΟ2 Ω cm aufweist. Unter einer
definierten Strombelastung tritt an dem inneren Widerstand
(abgesehen von einer Polarisation) ein Spannungsabfall auf, der das Ruhepotential der Nickelhydroxidelektrode
in negativer Richtung verschiebt. Mit zunehmender Entladung der Elektrode vergrößert
sich somit ihr innerer Widerstand; dementsprechend verschiebt sich unter definierter Beladung das Elektrodenpotential
in negativer Richtung. Die Höhe des Arbeitspotentials der Nickelhydroxidelektrode wird
im Gegensatz zu den meisten anderen Meßgrößen des Nicr-d-Cadmium-Akkumulators besonders deutlich
vom Ladezustand beeinflußt. Das Potential der positiven Elektrode, die im allgemeinen auch die kapazitätsbegrenzende
Elektrode ist, hängt üblicherweise (z. B. in Taschen , Masse- und Sinterelektroden) von
der Höhe des Entladestromes und vom ϊ aoezusrand
der Elektrode p.b.
In Fig. 1 ist die Abhängigkeit des Potentials ε von der entnommenen Strommenge Q schematisch daroc-tcllt.
Die obere Kurve α stellt den Verlauf des Po-K-ntiaK
bei geringer, die untere Kurve b den Verlauf K-i hoher Belastung dar.
Auf Grund dieser Eigenschaii der Elektrode be-
·.;_ !■; die Möglichkeit, innerhalb gewisser Grenzen an
.;.-: positiven Elektrode jedes beliebige Potential einzuteilen.
Es bedarf dazu der Anlegungeines definierte ί I ntladcstromes und der Einstellung eines passenden
Ladezustandes der Elektrode. Legt man den Fniladestrom in seiner Stärke fest, so ist das sich ein-Ni.iiendt:
Potential eine Funktion des Ladezustandes. S.-iit besteht grundsätzlich eine Kenngröße zur Err.iiTilung
des Ladezu.standes.
Oa*, Ruhepotential der geladenen Nickelhydroxid-Λ.-kirode
liegt bei 1320 mV gegen Wasserstoff im dachen Medium Bei Entladung mit I, bis zu einer
Fm nähme von 70 c/c der Kapazität liegt das Potential
ir Elektrode bei 1100 mV, unter Belastung gemesser;
Hei Überschreitung eines Grenzwertes des Potenu.iK
kann ein Signal gegeben werden. Das Signal kann entweder während des Betriebs des Akkumulators bei
der Entladung oder bei Einschaltung eines Teststro-ΓΠ'·*-
ausgelöst werden. Es macht den erreichten I ;.,ie-(Entiade-)zustand von außen erkennbar, wor-
A, fur die erforderlich gewordene Aufladung Vorsorge
getroffen werden kann.
DiVse Vorrichtung besteht aus einer in den Akkumulator
eingebauten Bezugselektrode von nicht zu geringer Kapazität, die im üblichen Elektroden des
Nickel-Cadmium-Akkumulators verwendet werden
kann und deren Ruhepotential etwas niedriger, ü.h. in negativer Richtung unter dem Ruhepotential der
Nickelhydroxidelektrode liegt. Beispielsweise ist die Ag.O/Ag-Elektrode, evtl. auch die Hg. HgO-Eiektrode
zu diesem Zweck geeignet. Das Potential der Ag,O, Ag-Elektrode liegt bei 1170 mV gegen Wasserstoff,
also 150 mV niedriger als das der Nickelhydroxidelektrode
und damit in einem besonders günstigen Bereich. Deshalb sei die Erfindung am Beispiel
Ag,O/Ag-Elektrode erläutert.
Die Bezugselektrode und ihre Arbeitsweise im Akkumulator seien an Hand Fig. 2 wie folgt beschrieben:
Der Akkumulator enthält in üblicher Weise eine Anzahl positiver Wickelhydroxidelektrodcn 1 und negativer
Cadmium- oder Eisenelektrodcn 2, die mit Ableitern 3,4 versehen werden und zu den Anschlußstellen
5. 6 führen. In der Nähe einer der positiven Elektroden wird die Bezugselektrode 7 montiert. Sie
wird mittels eines Ableiters 8 mit einem Widerstand 9 und mittels einer weiteren Verbindung 10 über einen
Schalter 11 mit der Anschlußklemme der positiven Elektrode 5 verbunden. Der Widerstand ist an seiner
einen Anschlußstelle 9r mit der Bezugselektrode, mit der zweiten Anschlußstelle 9b mit dem automatischen
Schalter 11 verbunden. An den Anschlußstellen 9a und 9b ist ein Spannungsmesser 12 mit einem Signalgeber
13 angeschlossen. Wird nun der voll aufgeladene Akkumulator nach der vorstehenden Beschreibung
in Betrieb genommen und entladen, wobei Schalter 11 geschlossen ist. so liegt zunächst das Po-
J5 tential der positiven Elektrode in positiver Richtung
über dem der Bezugselektrode. Zu diesem Zeitpunkt der Entladung wird das am Widerstand gemessene
Potential bei 9a gleich dem Potential bei 9b oder negativ
gegenüber 9b sein.
Är Im allgemeinen werden die Potentiale bei 9a und
9b gleich sein, weil anu-τ Bezugselektrode das Potential
des einwertigen Silbers herrscht und eine weitere Aufladung zum zweiwertigen Silber durch das Ruhepotential
der Nickelhydroxidelektrode nicht erfolgt.
S5 L:nter Umständen ist das Potential bei 9a negativ gegenüber
9b. weil ein sehr geringer Strom zur Ladungscrhaltung
der Bezugselektrode fließt. Der dadurch auftretende Spannungsabfall /wischen 9a und
9h durfte unmeßbar klJn sein
1st nun nach einer bestimmten Zen eine gewisse, genau definierte Entladung der positiven Elektrode
erfolgt.so unterschreitet ihr Potential im Falle der Belastung
(durch einen definierten Entladestrom oder durch Anlegen eines Teststromes) das Potential der
Bezugselektrode d. h da»· Potential der positiven
Elektrode wird negativ gegenüber dem Potential der Bezugselektrode. Von diesem Zeitpunkt an wird neben
der Nickei(III. tV)-h\dro.\idstufe der positiven
Elektrode auch die Stufe des einwertigen Silbers an der Bezugselektrode entladen. Es fließt ein Strom von
7 über 9. 11 nach 5. der an den Anschlußstellen 9a
und 9b des Widerstandes 9 einen Spannungsabfall bewirkt, wobei Jas Potential bei 9« positiv gegenüber
9b ist. In der Praxis wird die doit angezeigte Spannungsdifferenz
etwa zwischen 10 und 100 mV, vorzugsweise bei 511 mV, liegen, also gut meßbar sein.
Diese Spannungsdifferenz kann nun durch ein bei 9a und 9b angeschlossenes Spannungsmeßgerät 12, das
entweder vorübergehend zum Zwecke der Prüfung angeschlossen ist oder standig als Bestandteil des Akkumulators
vorhanden ist. angezeigt werden. Auch kann hierdurch ein Signalgeber 13 ausgelöst werden,
welcher die notwendig gewordene Wiederaufladung meldet. Der Energieverbraucl. dieses Signalgebers
könnte aus dem zu prüfenden Akkumulator entnommen verden.
Somit wird vom Akkumulator rechtzeitig gemeldet, wenn ein gewisser, genau definierter Teil seiner Kapaziiäi
entladen ist.
Um die Funktionsfähigkeit dtr Bezugselektrode zu bewahren, ist diese vor jeder Aufladung des Akkumulators
mit Hilfe des automatischen Schalters 11 abzuschalten.
Die Abschaltung ist deshalb erforderlich, weil die positive Elektrode des Akkumulators während der
Ladung, vorzugsweise gegen Ende der Ladung, in der Gasung, bei einem erhöhten Potential geladen wird,
welches das Polential des Übergangs Ag2CVAgO
überschreitet. Bei dieser Ladung würde das SiI-ber(I)-oxid
in der Bezugselektrode wenigstens teilweise zu Silber(li)-oxid oxidiert. Das Potential der
Bezugselektrode würde damit starker positiv werden als gemäß der Beschreibung der firfindung erwünscht
ist. Aus diesen Gründen wird die Bezugselektrode eist
nach Abschluß der Aufladung des Akkumulators wieder mittels des Schalters 11 eingeschaltet.
Die Bezugselektrode unterliegt naturgemäß der Selbstentladung. Während der Zeit der Signalgabe
findet auch eine Entladung der Bezugselektrode statt. Die notwendige Aufladung der Bezugselektrode bis
zum Potential des Silbcr(l)-oxids findet, nach Schließen
des Schalters 11, durch die Nickelhydroxidelektrode statt, deren Ruhepotential 150 mV über dem
Ruhepotential der Ag2O/Ag-Elcktrode liegt.
Claims (3)
1. Verfahren zur Messung und Anzeige des Ladezustande?
von Nickel-Cadmium-Akkurrsulatoren mittels einer zusätzlichen Elektrode, die über
einen Widerstand mit der positiven Elektrode während des Ruhe- und Entladevorganges leitend
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß mit Hilfe der als Bezugselektrode ausgebildeten und andere positive aktive Masse enthaltenden
zusätzlichen Elektrode, deren Ruhepotential unterhalb des Ruhepotentials der positiven Elektrode
liegt, die Potentialdifferenz unter Belastung zwischen der positiven Elektrode und der Bezugs
elektrode gemessen wird und daß mit Hilfe des Absinkens des Potentials der positiven Elektrode
unterhalb des Ruhepotentials der Bezugselektrode ein vorgebbarer Zustand der Teilentladung
angezt i/,t wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die in den Akkumulator in der ?>iähe der positiven Elektrode (1) eingebaute Bezugselektrode
(7) mittels eines Abkiters (8) mit einem Widerstand (9) und mittels eii.es weiteren Leiters (10)
über eircn Schalter (11) mit der Anschlußklemme (5) der positiven Elektrode (1) verbunden ist.
während im Nebenschluß zum Widerstand ein Spannungsmesser (12) angeordnet ist, der mit einem
Signalgeber (13) verbunden st.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet.
daC die Bezugselektrode eine Ag2O Ag-Elektrode ist.
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