DE2827479A1

DE2827479A1 - Battery cell discharge monitoring circuit - uses opto-electronic coupler on each cell to switch off load

Info

Publication number: DE2827479A1
Application number: DE19782827479
Authority: DE
Inventors: Reiner Szepan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-06-22
Filing date: 1978-06-22
Publication date: 1980-01-17

Abstract

Individual cells (1) or groups of cells are allocated to an optoelectronic coupler (2). Its light transmitter (3) is supplied by the monitored cell (1) or group of cells, and the receiver (4) of all couplers (2) are connected in a monitoring circuit, so that the battery can be disconnected from the load when the voltage across one of the transmitters (3) falls below its switching-on value. The system gives reliable indication of impending complete discharge of the battery, and also indicte if any one of the cells is damaged and not holding its charge.

Description

Schaltung zum Überwachen der Entladung einzelner ZellenCircuit for monitoring the discharge of individual cells

oder Zellengruppen einer Kolonne von Akkumulatorzellen Die Erfindung betrifft eine Schaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.or cell groups of a column of accumulator cells. The invention relates to a circuit according to the preamble of the main claim.

Wenn eine Kolonne von in Kette geschalteten Akkumulatorzellen über einen Verbraucher entladen wird, so gibt es unvermeidlich eine Zelle mit der niedrigsten Kapazität, welche zuerst total entladen ist. Dieser Zelle wird dann bei der weiteren Entladung der anderen Zellen ein umgekehrter Strom aufgezwungen, was insbesondere bei wartungsfreien Akkumulatorkolonnen mit hohen Entladungsströmen zu irreversiblen Beschädigungen der betreffenden Zellen führt. Die Spannung der gesamten Kolonne zu überwachen erwies sich zur Lösung dieses Problems aufgrund der kleinen Zellspannungen und ihrer starken Temperaturabhängigkeit als unwirksam, Versuche, die Spannung jeder einzelnen Zelle zu überwachen, stiess mit den bisher üblichen Spannungsmesseinrichtungen auf unlösbare technische Probleme und würde auch zu sc + tungstechnischtzu aufwendige Einrichtungen führen. Auch Massnahmen zur gegenseitigen Entkopplung der Zellen sind zur Lösung des Problems nicht geeignet.When a column of accumulator cells connected in a chain over If a consumer is discharged, there is inevitably a cell with the lowest Capacity which is completely discharged first. This cell is then used in the further Discharge of the other cells imposed a reverse current, which in particular in maintenance-free accumulator columns with high discharge currents to irreversible ones Damage to the cells concerned. The tension of the entire column Monitor proved to solve this problem due to the small cell voltages and their strong temperature dependence as being ineffective, attempts to relieve the tension of each Monitoring individual cells came up against the usual voltage measuring devices to unsolvable technical problems and would also be too costly in terms of sc + engineering Facilities. Also measures for the mutual decoupling of the cells are not suitable for solving the problem.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfache und sichere Schaltung zum Überwachen der Entladung einzelner Zellen oder Zellengruppe einer Kolonne von Akkumulatorzellen zu schaffen, die eine Spannungsumkehr einzelner Zellen oder Zellengruppe einer solchen Kolonne bei der Kolonnenentladung verhindert.It is therefore the object of the invention to provide a simple and safe circuit for monitoring the discharge of individual cells or groups of cells in a column of To create accumulator cells that reverse the voltage of individual cells or groups of cells such a column prevented during the column discharge.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.This task is based on a circuit according to the preamble of the main claim solved by its characterizing features.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous refinements of the invention emerge from the subclaims.

Bei der erfindungsgemässen Schaltung wird die Spannung jeder einzelnen Zelle oder Zellengruppe durch einen einfachen Optokoppler überwacht, der über den genau festgelegten Einschaltspannungswert seines an der zu überwachenden Zelle bzw. Zellengruppe liegenden Lichtsender ohne störende Belastung der Zelle feststellt, wann die Spannung einer Zelle bzw. Zellengruppe unter einen vorbestimmten positiven Spannungswert absinkt. Wird eine solche Spannungsabsenkung festgestellt, so wird automatisch über den zugeordneten Überwachungs kreis die Akkumulatorkolonne vom Verbraucher abgeschaltet. Durch die erfindungsgemässe Schaltung wird also mit Sicherheit vermieden, dass eine Zelle vollständig entladen wird und es kann daher auch nicht passieren, dass einer solchen Zelle über die anderen Zellen ein umgekehrter-Strom aufgezwungen wird, der diese Zelle zerstören könnte. Der Einschaltspannungswert des Lichtsenders solcher Optokoppler, meist Gallium-Arseni<t-Leuchtdioden, ist für den erfindungsgemässen Zweck ausreichend definiert, er beträgt bei Gallium-Arsenit-Leuchtdioden etwa 1,2 V mit einer Streuung zwischen etwa 0,9 und 1,3 V. Wird dieser Einschaltspannungswert des Lichtsenders unterschritten so wird der zugehörige Empfänger des Optokopplers ausgeschaltet und liefert damit ein eindeutiges Abschaltkriterium.In the circuit according to the invention, the voltage of each individual Cell or group of cells monitored by a simple optocoupler that is connected to the precisely defined switch-on voltage value of its on the cell to be monitored resp. Detects the light transmitter lying in the cell group without disturbing the cell, when the voltage of a cell or group of cells falls below a predetermined positive Voltage value drops. If such a voltage drop is detected, then automatically the accumulator column from the assigned monitoring circuit Consumer switched off. The circuit according to the invention therefore with certainty avoids that a cell is completely discharged and therefore it cannot happen that such a cell has a reverse current over the other cells that could destroy this cell. The switch-on voltage value the light transmitter of such optocouplers, usually gallium arsenic light-emitting diodes Sufficiently defined for the purpose according to the invention, in the case of gallium arsenite light-emitting diodes about 1.2 V with a spread between about 0.9 and 1.3 V. This switch-on voltage value of the light transmitter falls below the corresponding receiver of the optocoupler switched off and thus provides a clear switch-off criterion.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is described below with reference to schematic drawings Embodiments explained in more detail.

Fig. 1 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemässen Schaltung bei einer Kolonne von Bleiakkumulatorzellen 1. Die Spannung jeder einzelnen Akkumulatorzelle 1 beträgt etwa 2 V. Jeder einzelnen Zelle 1 ist ein Optokoppler 2 zugeordnet, der jeweils aus einem Lichtsender 3 und einem zugeordneten Lichtempfänger 4 besteht. Bei handelsüblichen Optçkopplern dieser Art besteht der Lichtsender 5 beispielsweise aus einer Gallium-Arseni-Leuchtdiode und der Lichtempfänger 4 aus einem Fototransistor. Der Lichtsender 3 jedes einzelnen Optokopplers 2 ist über einen Widerstand 5 an die zu überwachende Zelle 1 angeschaltet während die zugehörigen Lichtempfänger 4 zu einem Überwachungskreis zusammengeschaltet sind. Der Überwachungskreis muss die Eigenschaft besitzen, dass dann, wenn einer der Lichtempfänger hier wegen Nichtbeleuchtung ausschaltet, gleichzeitig auch der Verbraucher 6 von der Akkumulatorkolonne abgeschaltet wird.1 shows the use of a circuit according to the invention a column of lead accumulator cells 1. The voltage of each individual accumulator cell 1 is about 2 V. Each individual cell 1 is assigned an optocoupler 2, the each from a light transmitter 3 and an associated light receiver 4 exists. In the case of commercially available optical couplers of this type, there is the light transmitter 5 for example from a gallium arseni light-emitting diode and the light receiver 4 a phototransistor. The light transmitter 3 of each individual optocoupler 2 is over a resistor 5 connected to the cell 1 to be monitored while the associated Light receiver 4 are interconnected to form a monitoring circuit. The monitoring circle must have the property that if one of the light receivers is here because of Non-lighting switches off, at the same time also the consumer 6 from the accumulator column is switched off.

Hierfür gibt -es die verschiedenartigsten bekannten Lösungen beispielsweise durch entsprechende Verknüpfung der einzelnen Lichtempfänger über logische Schaltungen. Die einfachste Lösung ist, im Sinne der Fig. 1 sämtliche Lichtempfänger 4 der einzelnen Optokoppler 2 in Kette zu schalten, so dass durch die Fototransistoren 4 sämtlicher Optokoppler gemeinsamer Strom fliesst, der durch einen zugeordneten Stromdetektor 7 überwacht wird. Dieser Detektor 7 ist vorzugsweise als Schwellwertschalter ausgebildet, der beim Unterschreiten eines vorbestimmten Stromes der Fototransistorkette öffnet und dann über einen zugeordneten Schalter 8 den Verbraucher 6 von der Akkumulatorkolonne trennt.There are a wide variety of known solutions for this purpose, for example by corresponding connection of the individual light receivers via logic circuits. The simplest solution is, in the sense of FIG. 1, all light receivers 4 of the individual To connect optocoupler 2 in a chain, so that through the phototransistors 4 all Optocoupler common current flows through an associated current detector 7 is monitored. This detector 7 is preferably designed as a threshold switch, which opens when the phototransistor chain falls below a predetermined current and then the consumer 6 from the accumulator column via an assigned switch 8 separates.

Solange die Spannung der einzelnen Zelle 1 grösser als die Einschaltspannung des Lichtsenders 5 ist, ist dieser eingeschaltet und beleuchtet den zugehörigen Lichtempfänger 4. Solange sämtliche in Kette geschalteten Zellen 1 grössere Spannungen als die Einschaltspannung des Lichtsenders, bei Gallium-Arsenit-Leuchtdioden etwa 1,2 V, liefern, sind also sämtliche Kollektor-Emitter-Strecken der Fototransistoren 4 leitend und über den Detektor 7 wird ein ausreichender Stromfluss festgestellt. Sinkt dagegen die Spannung an einer der Zellen 1 unter diesen Einschaltspannungswert des zugehörigen Optokopplers, so wird der zugehörige Fototransistor 4 nicht mehr beleuchtet und seine Kollektor-Emitter-Strecke wird nicht leitend, es fliesst also kein Strom mehr in der Kettenschaltung der Lichtempfänger und der Detektor 7 öffnet den Schalter 8 und schaltet damit den Verbraucher von der Kolonne ab, so dass eine weitere Entladung der Zellen unterbunden wird.As long as the voltage of the individual cell 1 is greater than the switch-on voltage of the light transmitter 5 is, this is switched on and illuminates the associated Light receiver 4. As long as all cells connected in a chain 1 have higher voltages than the switch-on voltage of the light transmitter, for example in the case of gallium arsenite light-emitting diodes 1.2 V, are all the collector-emitter paths of the phototransistors 4 conductive and a sufficient current flow is detected via the detector 7. If, on the other hand, the voltage at one of the cells 1 falls below this switch-on voltage value of the associated optocoupler, the associated phototransistor 4 is no longer lit and its collector-emitter route won't conductive, So there is no more current flowing in the chain circuit of the light receivers and the Detector 7 opens switch 8 and thus switches the consumer off the column so that a further discharge of the cells is prevented.

Fig. 2 zeigt die Anwendung der erfindungsgemässen Schaltung zur Überwachung der Entladung einer Kolonne von Nickel -Cadmium-Akkumulatorzellen. Die Spannung einer Nickel-#Cadmium-Zelle beträgt etwa 1,2 V. Da diese gerade die Einschaltspannung des Lichtsenders von üblichen Optokopplern ist, werden nach Fig. 2 jeweils zwei Akkumulatorzellen 10 und 11 zu einer Zellengruppe 12 zusammengeschaltet.2 shows the use of the circuit according to the invention for monitoring the discharge of a column of nickel-cadmium accumulator cells. The voltage a nickel # cadmium cell is about 1.2 V. As this is just the switch-on voltage of the light transmitter is from conventional optocouplers, two are in each case according to FIG Accumulator cells 10 and 11 interconnected to form a cell group 12.

Jede? dieser Zellengruppen 12 ist wieder ähnlich wie nach Fig. 1 ein gesonderter Optokoppler 2 zugeordnet. Zur Anpassung des Einschaltspannungswertes, beispielsweise 1,2 V, des Lichtsenders 5 dieses Optokopplers 2 kann die höhere Gesamtspannung der Zellengruppe 12 (2,4 V) ist dem Lichtsender 3 zusätzlich zum Strombegrezungswiderstand 5 noch eine weitere Diode 13 vorgeschaltet. Übliche Dioden besitzen eine Einschalt#pannung von etwa 0,7 V, so ~ass durch die vorgeschaltete Diode 15 insgesamt der Einschaltspannungswert des Optokopplers 2 etwa 1,9 V beträgt. Damit wird mit Sicherheit ausgeschlossen, dass eine der beiden Zellen 10 oder 11 einer Zellengruppe unter einen vorbestimmten positiven Spannungswert von beispielsweise etwa 0,9 V absinkt, ohne dass auch gleichzeitig der zugeordnete Optokoppler anspricht. Die eigentliche Überwachungsschaltung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 entspricht derjenigen nach Fig. 1.Every? this cell group 12 is again similar to that of FIG separate optocoupler 2 assigned. To adapt the switch-on voltage value, for example 1.2 V, the light transmitter 5 of this optocoupler 2 can have the higher total voltage the cell group 12 (2.4 V) is the light transmitter 3 in addition to the current limiting resistance 5 still another diode 13 connected upstream. Usual diodes have a switch-on voltage of about 0.7 V, the switch-on voltage value as a whole due to the upstream diode 15 of the optocoupler 2 is about 1.9 V. This definitely excludes that one of the two cells 10 or 11 of a cell group is below a predetermined positive voltage value of, for example, about 0.9 V drops without also at the same time the assigned optocoupler responds. The actual monitoring circuit of the The embodiment according to FIG. 2 corresponds to that according to FIG. 1.

Wenn eine Akkumulatorkolonne nach Fig. 1 oder 2 nicht entladen wird, also beispielsweise kein Verbraucher 6 angeschaltet ist, so könnten die angeschalteten Optokoppler die einzelnen Zellen allmählich entladen, obwohl die Ströme sehr klein sind. Um dies zu vermeiden, kann im Sinne der Fig. 3 jedem einzelnen Optokoppler 2 ein zusätzlicher weiterer Optokoppler 14 zugeordnet werden, und zwar so, dass der Lichtempfänger 15 dieses zusätzlichen Optokpplers 14 jeweils in Reihe mit dem Lichtsender 5 des eigentlichen Überwachungs-Kopplers 2 liegt und der zugehörige Lichtsender 16 parallel zum Verbraucher 6 geschaltet ist. Damit wird der Lichtsender 3 nur dann an die zugehörige Akkumulatorzelle bzw. Zellengruppe angeschaltet, wenn auch dem Lichtsender 16 ausreichender Strom zugeführt wird, also beispielsweise der Verbraucher 6 angeschaltet ist. Die Lichtsender 16 sämtlicher zusätzlicher Optokoppler 14 können wieder in Kette zu einem entsprechenden Überwachungskreis beispielsweise an den Verbraucher angeschaltet sein.If an accumulator column according to Fig. 1 or 2 is not discharged, So, for example, no consumer 6 is connected, the connected Optocouplers gradually discharge the individual cells, although the currents are very small are. To avoid this, in the sense of FIG. 3, each individual optocoupler 2 an additional further optocoupler 14 can be assigned in such a way that the light receiver 15 of this additional optocoupler 14 each in line with the light transmitter 5 of the actual monitoring coupler 2 and the associated Light transmitter 16 is connected in parallel to consumer 6. This becomes the light transmitter 3 is only switched on to the associated accumulator cell or cell group if Sufficient current is also supplied to the light transmitter 16, that is to say for example the consumer 6 is switched on. The light transmitters 16 of all additional optocouplers 14 can again be linked to a corresponding monitoring circuit, for example be connected to the consumer.

Wenn nach dem Abschalten des Verbrauchers bei Feststellung einer allzu grossen Spannungsabsenkung an einer der Zellen sich diese Zelle wieder erholt und den Einschaltspannungswert des zugehörigen Optokopplers überschreitet, so würde der Verbraucher 6 erneut zugeschaltet werden. Um dies zu verhindern, werden im Sinne der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2 die einzelnen Lichtsmpfänger 4 parallel zum Verbraucher 6 geschaltet. Tritt der geschilderte Effekt der frühzeitigen Wiedereinschaltung ein, so kann trotzdem der Überwachungskreis nicht die Wiedereinschaltung bewirken, da der Verbraucher 6 infolge Kurzschluss der erholten Akkumulatorspannung keinen Stromfluss durch die Lichtempfängerkette ermöglicht. Der gleiche Effekt kann bei der Schaltung nach Fig. 5 dadurch erreicht werden, dass die Lichtsender 16 der zusätzlichen Optpkoppler 14 parallel zum Verbraucher geschaltet sind. Diese Schaltungen haben den zusätzlichen Vorteil einer automatischen Kurzschlußsicherung. LeerseiteIf after switching off the consumer on finding an all too large voltage drop on one of the cells, this cell recovers and exceeds the switch-on voltage value of the associated optocoupler, then the consumer 6 can be switched on again. To prevent this, be in mind of the embodiments according to FIGS. 1 and 2, the individual light receivers 4 in parallel switched to consumer 6. If the described effect of early restart occurs on, the monitoring circuit can still not cause reclosing, since the consumer 6 does not have any due to a short circuit of the recovered battery voltage Allows current to flow through the light receiver chain. The same effect can be achieved with the circuit according to FIG. 5 can be achieved in that the light transmitter 16 of the additional Optpkoppler 14 are connected in parallel to the consumer. These circuits have the additional advantage of an automatic short-circuit protection. Blank page

Claims

Circuit for monitoring the discharge of individual Cells or cell groups of a column of accumulator cells, d u r c h g e it is not indicated that the individual cells (1) or cell groups (12) respectively an optocoupler (2) is assigned, its light transmitter (3) by the to be monitored Cell (1) or cell group (12) is fed, and the light receivers (4) all Optocouplers (2) are interconnected to form a monitoring circuit, of the kind that by this the column is switched off by the consumer (6) when the voltage on one of the light transmitters (3) drops below its switch-on voltage value.

2. A circuit according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that all light receivers (4) of the optocouplers (2) are connected in a chain are and this chain circuit is assigned a voltage or current detector (7) is, via which a consumer switch (8) can be switched.

3. A circuit according to claim 2, d a d uir c h g e k e n n -z e i c h n e t that the light receivers (4) connected in a chain to the optocoupler (2) in parallel are switched to the consumer (6).

4. Circuit according to one or more of the preceding claims, d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that each light transmitter ()) the optocoupler (2) a further optocoupler (14) is connected upstream via its light receiver (16) the monitoring optocoupler (2) can be switched on and off.

5. A circuit according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the light receivers (16) of the additional optocouplers (14) in parallel in series are switched to the consumer (6).

6. Circuit according to one or more of the preceding claims for nickel-cadmium accumulator cells connected in a column, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t that two cells (7, 11) form a cell group (12) interconnected and this is assigned a common optocoupler (2) (Fir. 2).