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

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

Translated fromGerman

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

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

Wenn eine Kolonne von in Kette geschalteten Akkumulatorzellen übereinen Verbraucher entladen wird, so gibt es unvermeidlich eine Zelle mit der niedrigstenKapazität, welche zuerst total entladen ist. Dieser Zelle wird dann bei der weiterenEntladung der anderen Zellen ein umgekehrter Strom aufgezwungen, was insbesonderebei wartungsfreien Akkumulatorkolonnen mit hohen Entladungsströmen zu irreversiblenBeschädigungen der betreffenden Zellen führt. Die Spannung der gesamten Kolonnezu überwachen erwies sich zur Lösung dieses Problems aufgrund der kleinen Zellspannungenund ihrer starken Temperaturabhängigkeit als unwirksam, Versuche, die Spannung jedereinzelnen Zelle zu überwachen, stiess mit den bisher üblichen Spannungsmesseinrichtungenauf unlösbare technische Probleme und würde auch zu sc + tungstechnischtzu aufwendigeEinrichtungen führen. Auch Massnahmen zur gegenseitigen Entkopplung der Zellen sindzur Lösung des Problems nicht geeignet.When a column of accumulator cells connected in a chain overIf a consumer is discharged, there is inevitably a cell with the lowestCapacity which is completely discharged first. This cell is then used in the furtherDischarge of the other cells imposed a reverse current, which in particularin maintenance-free accumulator columns with high discharge currents to irreversible onesDamage to the cells concerned. The tension of the entire columnMonitor proved to solve this problem due to the small cell voltagesand their strong temperature dependence as being ineffective, attempts to relieve the tension of eachMonitoring individual cells came up against the usual voltage measuring devicesto unsolvable technical problems and would also be too costly in terms of sc + engineeringFacilities. Also measures for the mutual decoupling of the cells arenot suitable for solving the problem.

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

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

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich ausden Unteransprüchen.Further advantageous refinements of the invention emerge fromthe subclaims.

Bei der erfindungsgemässen Schaltung wird die Spannung jeder einzelnenZelle oder Zellengruppe durch einen einfachen Optokoppler überwacht, der über dengenau 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 positivenSpannungswert absinkt. Wird eine solche Spannungsabsenkung festgestellt, so wirdautomatisch über den zugeordneten Überwachungs kreis die Akkumulatorkolonne vomVerbraucher abgeschaltet. Durch die erfindungsgemässe Schaltung wird also mit Sicherheitvermieden, dass eine Zelle vollständig entladen wird und es kann daher auch nichtpassieren, dass einer solchen Zelle über die anderen Zellen ein umgekehrter-Stromaufgezwungen wird, der diese Zelle zerstören könnte. Der Einschaltspannungswertdes Lichtsenders solcher Optokoppler, meist Gallium-Arseni<t-Leuchtdioden, istfür den erfindungsgemässen Zweck ausreichend definiert, er beträgt bei Gallium-Arsenit-Leuchtdiodenetwa 1,2 V mit einer Streuung zwischen etwa 0,9 und 1,3 V. Wird dieser Einschaltspannungswertdes Lichtsenders unterschritten so wird der zugehörige Empfänger des Optokopplersausgeschaltet und liefert damit ein eindeutiges Abschaltkriterium.In the circuit according to the invention, the voltage of each individualCell or group of cells monitored by a simple optocoupler that is connected to theprecisely 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 positiveVoltage value drops. If such a voltage drop is detected, thenautomatically the accumulator column from the assigned monitoring circuitConsumer switched off. The circuit according to the invention therefore with certaintyavoids that a cell is completely discharged and therefore it cannothappen that such a cell has a reverse current over the other cellsthat could destroy this cell. The switch-on voltage valuethe light transmitter of such optocouplers, usually gallium arsenic light-emitting diodesSufficiently defined for the purpose according to the invention, in the case of gallium arsenite light-emitting diodesabout 1.2 V with a spread between about 0.9 and 1.3 V. This switch-on voltage valueof the light transmitter falls below the corresponding receiver of the optocouplerswitched off and thus provides a clear switch-off criterion.

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

Fig. 1 zeigt die Anwendung einer erfindungsgemässen Schaltung beieiner Kolonne von Bleiakkumulatorzellen 1. Die Spannung jeder einzelnen Akkumulatorzelle1 beträgt etwa 2 V. Jeder einzelnen Zelle 1 ist ein Optokoppler 2 zugeordnet, derjeweils aus einem Lichtsender 3und einem zugeordneten Lichtempfänger4 besteht. Bei handelsüblichen Optçkopplern dieser Art besteht der Lichtsender 5beispielsweise aus einer Gallium-Arseni-Leuchtdiode und der Lichtempfänger 4 auseinem Fototransistor. Der Lichtsender 3 jedes einzelnen Optokopplers 2 ist übereinen Widerstand 5 an die zu überwachende Zelle 1 angeschaltet während die zugehörigenLichtempfänger 4 zu einem Überwachungskreis zusammengeschaltet sind. Der Überwachungskreismuss die Eigenschaft besitzen, dass dann, wenn einer der Lichtempfänger hier wegenNichtbeleuchtung ausschaltet, gleichzeitig auch der Verbraucher 6 von der Akkumulatorkolonneabgeschaltet wird.1 shows the use of a circuit according to the inventiona column of lead accumulator cells 1. The voltage of each individual accumulator cell1 is about 2 V. Each individual cell 1 is assigned an optocoupler 2, theeach from a light transmitter 3and an associated light receiver4 exists. In the case of commercially available optical couplers of this type, there is the light transmitter 5for example from a gallium arseni light-emitting diode and the light receiver 4a phototransistor. The light transmitter 3 of each individual optocoupler 2 is overa resistor 5 connected to the cell 1 to be monitored while the associatedLight receiver 4 are interconnected to form a monitoring circuit. The monitoring circlemust have the property that if one of the light receivers is here because ofNon-lighting switches off, at the same time also the consumer 6 from the accumulator columnis switched off.

Hierfür gibt -es die verschiedenartigsten bekannten Lösungen beispielsweisedurch entsprechende Verknüpfung der einzelnen Lichtempfänger über logische Schaltungen.Die einfachste Lösung ist, im Sinne der Fig. 1 sämtliche Lichtempfänger 4 der einzelnenOptokoppler 2 in Kette zu schalten, so dass durch die Fototransistoren 4 sämtlicherOptokoppler gemeinsamer Strom fliesst, der durch einen zugeordneten Stromdetektor7 überwacht wird. Dieser Detektor 7 ist vorzugsweise als Schwellwertschalter ausgebildet,der beim Unterschreiten eines vorbestimmten Stromes der Fototransistorkette öffnetund dann über einen zugeordneten Schalter 8 den Verbraucher 6 von der Akkumulatorkolonnetrennt.There are a wide variety of known solutions for this purpose, for exampleby 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 individualTo connect optocoupler 2 in a chain, so that through the phototransistors 4 allOptocoupler common current flows through an associated current detector7 is monitored. This detector 7 is preferably designed as a threshold switch,which opens when the phototransistor chain falls below a predetermined currentand then the consumer 6 from the accumulator column via an assigned switch 8separates.

Solange die Spannung der einzelnen Zelle 1 grösser als die Einschaltspannungdes Lichtsenders 5 ist, ist dieser eingeschaltet und beleuchtet den zugehörigenLichtempfänger 4. Solange sämtliche in Kette geschalteten Zellen 1 grössere Spannungenals die Einschaltspannung des Lichtsenders, bei Gallium-Arsenit-Leuchtdioden etwa1,2 V, liefern, sind also sämtliche Kollektor-Emitter-Strecken der Fototransistoren4 leitend und über den Detektor 7 wird ein ausreichender Stromfluss festgestellt.Sinkt dagegen die Spannung an einer der Zellen 1 unter diesen Einschaltspannungswertdes zugehörigen Optokopplers, so wird der zugehörige Fototransistor 4 nicht mehrbeleuchtet und seine Kollektor-Emitter-Strecke wird nichtleitend,es fliesst also kein Strom mehr in der Kettenschaltung der Lichtempfänger und derDetektor 7 öffnet den Schalter 8 und schaltet damit den Verbraucher von der Kolonneab, 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 voltageof the light transmitter 5 is, this is switched on and illuminates the associatedLight receiver 4. As long as all cells connected in a chain 1 have higher voltagesthan the switch-on voltage of the light transmitter, for example in the case of gallium arsenite light-emitting diodes1.2 V, are all the collector-emitter paths of the phototransistors4 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 valueof the associated optocoupler, the associated phototransistor 4 is no longerlit and its collector-emitter route won'tconductive,So there is no more current flowing in the chain circuit of the light receivers and theDetector 7 opens switch 8 and thus switches the consumer off the columnso that a further discharge of the cells is prevented.

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

Jede? dieser Zellengruppen 12 ist wieder ähnlich wie nach Fig. 1 eingesonderter Optokoppler 2 zugeordnet. Zur Anpassung des Einschaltspannungswertes,beispielsweise 1,2 V, des Lichtsenders 5 dieses Optokopplers 2 kann die höhere Gesamtspannungder Zellengruppe 12 (2,4 V) ist dem Lichtsender 3 zusätzlich zum Strombegrezungswiderstand5 noch eine weitere Diode 13 vorgeschaltet. Übliche Dioden besitzen eine Einschalt#pannungvon etwa 0,7 V, so ~ass durch die vorgeschaltete Diode 15 insgesamt der Einschaltspannungswertdes Optokopplers 2 etwa 1,9 V beträgt. Damit wird mit Sicherheit ausgeschlossen,dass eine der beiden Zellen 10 oder 11 einer Zellengruppe unter einen vorbestimmtenpositiven Spannungswert von beispielsweise etwa 0,9 V absinkt, ohne dass auch gleichzeitigder zugeordnete Optokoppler anspricht. Die eigentliche Überwachungsschaltung desAusführungsbeispiels nach Fig. 2 entspricht derjenigen nach Fig. 1.Every? this cell group 12 is again similar to that of FIGseparate 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 voltagethe cell group 12 (2.4 V) is the light transmitter 3 in addition to the current limiting resistance5 still another diode 13 connected upstream. Usual diodes have a switch-on voltageof about 0.7 V, the switch-on voltage value as a whole due to the upstream diode 15of the optocoupler 2 is about 1.9 V. This definitely excludesthat one of the two cells 10 or 11 of a cell group is below a predeterminedpositive voltage value of, for example, about 0.9 V drops without also at the same timethe assigned optocoupler responds. The actual monitoring circuit of theThe 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 angeschaltetenOptokoppler die einzelnen Zellen allmählich entladen, obwohl die Ströme sehr kleinsind. Um dies zu vermeiden, kann im Sinne der Fig. 3 jedem einzelnen Optokoppler2 ein zusätzlicher weiterer Optokoppler 14 zugeordnet werden, und zwar so, dassder Lichtempfänger 15 dieses zusätzlichen Optokpplers 14 jeweils inReihemit dem Lichtsender 5 des eigentlichen Überwachungs-Kopplers 2 liegt und der zugehörigeLichtsender 16 parallel zum Verbraucher 6 geschaltet ist. Damit wird der Lichtsender3 nur dann an die zugehörige Akkumulatorzelle bzw. Zellengruppe angeschaltet, wennauch dem Lichtsender 16 ausreichender Strom zugeführt wird, also beispielsweiseder Verbraucher 6 angeschaltet ist. Die Lichtsender 16 sämtlicher zusätzlicher Optokoppler14 können wieder in Kette zu einem entsprechenden Überwachungskreis beispielsweisean 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 connectedOptocouplers gradually discharge the individual cells, although the currents are very smallare. To avoid this, in the sense of FIG. 3, each individual optocoupler2 an additional further optocoupler 14 can be assigned in such a way thatthe light receiver 15 of this additional optocoupler 14 each inlinewith the light transmitter 5 of the actual monitoring coupler 2 and the associatedLight transmitter 16 is connected in parallel to consumer 6. This becomes the light transmitter3 is only switched on to the associated accumulator cell or cell group ifSufficient current is also supplied to the light transmitter 16, that is to say for examplethe consumer 6 is switched on. The light transmitters 16 of all additional optocouplers14 can again be linked to a corresponding monitoring circuit, for examplebe connected to the consumer.

Wenn nach dem Abschalten des Verbrauchers bei Feststellung einer allzugrossen Spannungsabsenkung an einer der Zellen sich diese Zelle wieder erholt undden Einschaltspannungswert des zugehörigen Optokopplers überschreitet, so würdeder Verbraucher 6 erneut zugeschaltet werden. Um dies zu verhindern, werden im Sinneder Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 und 2 die einzelnen Lichtsmpfänger 4 parallelzum Verbraucher 6 geschaltet. Tritt der geschilderte Effekt der frühzeitigen Wiedereinschaltungein, so kann trotzdem der Überwachungskreis nicht die Wiedereinschaltung bewirken,da der Verbraucher 6 infolge Kurzschluss der erholten Akkumulatorspannung keinenStromfluss durch die Lichtempfängerkette ermöglicht. Der gleiche Effekt kann beider Schaltung nach Fig. 5 dadurch erreicht werden, dass die Lichtsender 16 der zusätzlichenOptpkoppler 14 parallel zum Verbraucher geschaltet sind. Diese Schaltungen habenden zusätzlichen Vorteil einer automatischen Kurzschlußsicherung.LeerseiteIf after switching off the consumer on finding an all toolarge voltage drop on one of the cells, this cell recovers andexceeds the switch-on voltage value of the associated optocoupler, thenthe consumer 6 can be switched on again. To prevent this, be in mindof the embodiments according to FIGS. 1 and 2, the individual light receivers 4 in parallelswitched to consumer 6. If the described effect of early restart occurson, 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 voltageAllows current to flow through the light receiver chain. The same effect can be achieved withthe circuit according to FIG. 5 can be achieved in that the light transmitter 16 of the additionalOptpkoppler 14 are connected in parallel to the consumer. These circuits havethe additional advantage of an automatic short-circuit protection.Blank page

Claims (6)

Translated fromGerman

Patentansprüche Schaltung zum Überwachen der Entladung einzelnerZellen oder Zellengruppen einer Kolonne von Akkumulatorzellen, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, dass den einzelnen Zellen (1) oder Zellengruppen (12) jeweilsein Optokoppler (2) zugeordnet ist, dessen Lichtsender (3) durch die zu überwachendeZelle (1) bzw. Zellengruppe (12) gespeist ist, und die Lichtempfänger (4) sämtlicherOptokoppler (2) zu einem Überwachungskreis zusammengeschaltet sind, der art, dassdurch diesen die Kolonne vom Verbraucher (6) abgeschaltet wird, wenn die Spannungan einem der Lichtsender (3) unter dessen Einschaltspannungswert absinkt. Circuit for monitoring the discharge of individualCells or cell groups of a column of accumulator cells, d u r c h g eit is not indicated that the individual cells (1) or cell groups (12) respectivelyan optocoupler (2) is assigned, its light transmitter (3) by the to be monitoredCell (1) or cell group (12) is fed, and the light receivers (4) allOptocouplers (2) are interconnected to form a monitoring circuit, of the kind thatby this the column is switched off by the consumer (6) when the voltageon one of the light transmitters (3) drops below its switch-on voltage value.2. Schaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c hn e t, dass sämtliche Lichtempfänger (4) der Optokoppler (2) in Kette geschaltetsind und dieser Kettenschaltung ein Spannungs- oder Stromdetektor (7) zugeordnetist, über den ein Verbraucherschalter (8) schaltbar ist.2. A circuit according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c hn e t that all light receivers (4) of the optocouplers (2) are connected in a chainare and this chain circuit is assigned a voltage or current detector (7)is, via which a consumer switch (8) can be switched.3. Schaltung nach Anspruch 2, d a d uir c h g e k e n n -z e i c hn e t, dass die in Kette geschalteten Lichtempfänger (4) der Optokoppler (2) parallelzum Verbraucher (6) geschaltet sind.3. A circuit according to claim 2, d a d uir c h g e k e n n -z e i c hn e t that the light receivers (4) connected in a chain to the optocoupler (2) in parallelare switched to the consumer (6).4. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass jedem Lichtsender ()) der Optokoppler(2) ein weiterer Optokoppler (14) vorgeschaltet ist, über dessen Lichtempfänger(16) der Überwachungs-Optokoppler (2) ein- und ausschaltbar ist.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. Schaltung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c hn e t, dass die Lichtempfänger (16) der zusätzlichen Optokoppler (14) in Reihe parallelzum Verbraucher (6) geschaltet sind.5. A circuit according to claim 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c hn e t that the light receivers (16) of the additional optocouplers (14) in parallel in seriesare switched to the consumer (6).6. Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüchefür in Kolonne geschaltete Nickel-Cadmium-Akkumulatorzellen, d a d u r c h g e ke n n z e i c h -n e t, dass jeweils zwei Zellen (7,11) zu einer Zellengruppe (12)zusammengeschaltet und dieser ein gemeinsamer Optokoppler (2) zugeordnet ist (Fir.2).6. Circuit according to one or more of the preceding claimsfor nickel-cadmium accumulator cells connected in a column, d a d u r c h g e ke 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).