CH652870A5 - Batterieblock mit mindestens einer elektrochemischen zelle. - Google Patents

Batterieblock mit mindestens einer elektrochemischen zelle. Download PDF

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CH652870A5
CH652870A5 CH710/80A CH71080A CH652870A5 CH 652870 A5 CH652870 A5 CH 652870A5 CH 710/80 A CH710/80 A CH 710/80A CH 71080 A CH71080 A CH 71080A CH 652870 A5 CH652870 A5 CH 652870A5
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cell
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CH710/80A
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Henry Rogers Mallory
Steven John Nichols
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Duracell Int
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Batterieblock mit einem Gehäuse und mindestens einer elektrochemischen Zelle.
Elektrochemische Zellen erzeugen eine bestimmte Spannung, die von dem Material, aus dem die Zellen aufgebaut sind, abhängt. Innerhalb ziemlich enger Grenzen kann von einer einzigen Zelle durch sinnvolle Auswahl der Materialien eine gewünschte Spannung erzeugt werden. Die maximale Spannung, die auf diese Weise von einer einzigen Zelle erreichbar ist, liegt wegen der begrenzten inhärenten Unterschiede in den Spannungspotentialen der Materialien, aus denen die Zelle aufgebaut ist, unterhalb 4 Volt. Die praktisch erzeugbaren Spannungen sind ferner durch die Tatsache begrenzt, dass nur wenige chemische Elemente erfolgreich kombiniert werden können, um eine brauchbare Zelle zu bilden.
Bisher wurden Batterien, die höhere Spannungen als die einer einzigen Zelle erzeugen, durch Reihenschaltung einer Mehrzahl von Zellen hergestellt. Die einzelnen Spannungen all dieser Zellen addieren sich zu einer Batteriespannung, so dass sich eine Vielzahl von Spannungen erzeugen lassen.
Eine Begrenzung beim Zusammenstellen von Hochspannungsbatterien liegt jedoch in dem Gewicht und den Abmessungen der fertigen Batterie. Eine 60-Volt-Batterie erfordert 40 Zink/Kohlenstoff-Zellen oder 20 Lithium/Schwefel-dioxyd-Zellen. Eine derartige Batterie ist wegen der grossen Anzahl von Zellen natürlich gross und schwer. Da ein beträchtlicher Anteil des Gewichtes und des Volumens auf , die Verpackung zurückzuführen ist und nicht auf die Energieerzeugung, besitzt eine Batterie mit einer grossen Anzahl kleiner Zellen ein niedrigeres Leistungsgewicht als eine Batterie ähnlicher Abmessungen mit einer kleineren Anzahl grösserer Zellen. Um Spannungen zu erhalten, die mit bekannten Zellen nicht zusammensetzbar sind, musste der Benutzer bisher sein Gerät so abändern, dass er es mit den erhältlichen Spannungen betreiben konnte.
Wenn eine Zelle ausfällt, kann die gesamte Batterie ausfallen, da die Zellen in Reihe geschaltet sind. Das setzt die Verfügbarkeit der Batterie herab. Das Problem wird um so schwerwiegender, je mehr die Anzahl der Zellen zunimmt. Die vollständige Entladung einer Zelle vor der Entladung der anderen Zellen in einer Batterie kann zu einer Umsteuerung der Zellen führen. Je nach dem chemischen Aufbau der Zelle kann sie eine Zerstörung der Batterie und eventuell des Gerätes, das mit der Batterie betrieben wird, zur Folge haben. Dieses Problem kann bei allen Zellentypen auftreten, aber es ist besonders schwerwiegend bei Zellen, die Lithium enthalten, da bei diesen Zellen die Umsteuerung der Zelle besonders grosse Probleme erwarten lässt. Zweifellos ist die Gefahr der Zellenumsteuerung um so geringer, je weniger Zellen in einer Batterie verwendet werden.
Ein mit der Zellenumsteuerung verbundenes, aber nicht auf Vielzellen-Batterien beschränktes Problem ist das der Batteriewiederaufladung. Viele elektrische Geräte können unter gewissen Umständen eine Spannung erzeugen, deren Polarität der Zellenspannung entgegengesetzt ist. Diese umgekehrte Spannung kann zu einer Wiederaufladung der Zelle führen mit einer unerwünschten Wirkung, die der Umsteuerung einer Zelle in einer Batterie ähnlich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe s
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zugrunde, einen Batterieblock der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, dem Spannungen über einen weiten Bereich entnommen werden können und der gegen unbeabsichtigtes Wiederaufladen der Zelle abgesichert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Es hat sich gezeigt, dass beliebige Spannungen innerhalb eines weiten Bereiches bei Verwendung eines Batterieblockes erzeugt werden können, in dem ein Umrichter enthalten ist. Der Umrichter ist mit der Zelle oder den Zellen, die in dem Behälter angeordnet sind, elektrisch verbunden. Der Batterieblock kann eine elektrische Schaltungsanordnung zur Lastschaltung, beispielsweise als Teil des Umrichters, benutzen. Er kann so gestaltet werden, dass er mit den anderen bekannten Batterieblöcken unverwechselbar ist und kann in vielen Anwendungsfällen benutzt werden, in denen die bekannten Batterien nicht verwendet werden können.
Der erfindungsgemässe Batterieblock ist mit einem Umrichter ausgestattet, der vorteilhaft ein unerwünschtes Wiederaufladen durch externe Spannungen verhindert,
indem er den Stromrückfluss blockiert.
Der Umrichter kann einen Transformator mit einer angezapften Primärwicklung und einer mehrfach angezapften Sekundärwicklung, deren Windungszahl grösser als die der Primärwicklung ist, enthalten. Abhängig von dem angeschlossenen Schaltkreis kann das Verhältnis der Windungszahlen von Sekundär- zu Primärwicklung zwischen 2:1 und 50:1 oder zwischen 20:1 und 500:1 liegen.
Bevorzugte Ausführungsformen von Umrichterschaltkreisen sind in den abhängigen Ansprüchen 7 bis 10 angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Batterieblockes,
Fig. 2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Batterieblockes,
Fig. 3 das Schaltbild eines weiteren dritten Ausführungsbeispiels eines Batterieblockes, und
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Batterieblock mit einer einzigen Zelle.
Der Umrichter gemäss Fig. 1 weist einen ersten npn-Tran-sistor 10 und einen zweiten npn-Transistor 12 und einen im Sättigungsbereich betriebenen Transformator 14 mit einer mit Mittelanzapfung 30 versehenen Primärwicklung 16 und einer mit Anzapfungen 26,28 und 46 versehenen Sekundärwicklung 18 auf. Die Transistoren 10 und 12 sind Siliziumtransistoren mit niedrigem Verluststrom. Andere Transistoren mit höheren Verlustströmen, wie beispielsweise Germaniumtransistoren, können in Fällen benutzt werden, in denen der Verluststrom und die daraus resultierende Entladung der elektrochemischen Zelle während der Lagerung kein Problem darstellen.
Der Kollektor des Transistors 10 ist mit einem Wicklungsende 20 der Primärwicklung 16 und der Kollektor des Transistors 12 mit dem entgegengesetzten Wicklungsende 22 der Primärwicklung verbunden. Die Emitter der beiden Transistoren 10 und 12 sind mit der negativen Elektrode der Gleichstromquelle, hier also der elektrochemischen Zelle 24 verbunden. Zwischen die Emitter und die negative Elektrode der Zelle 24 kann noch eine Sicherung 25 geschaltet werden, die den Stromkreis unterbricht, wenn die Zelle 24 bis auf einen vorbestimmten Wert entladen ist.
Die Basis des Transistors 10 liegt an einer ersten Anzapfung 26 der Sekundärwicklung 18, diejenige des Transistors 12 an einer zweiten Anzapfung 28.
Die positive Elektrode der Zelle 24 ist mit der Mittelanzapfung 30 der Primärwicklung 16 und einer positiven Ausgangsklemme 32 der Schaltung verbunden. Ein Wicklungsende 34 der Sekundärwicklung 18 ist mit der positiven Elektrode einer ersten Diode 36 und das andere Wicklungsende 38 der Sekundärwicklung 18 mit der positiven Elektrode einer 5 zweiten Diode 40 verbunden. Die negativen Elektroden der beiden Dioden 36 und 40 liegen an einer negativen Ausgangsklemme 42 des Schaltkreises. Die beiden Ausgangsklemmen 32 und 42 dienen dem Anschluss einer in der Zeichnung nicht dargestellten Last an den Umrichter. Die Lastschaltung, d.h. io eine elektrische Schaltungsanordnung zur Verhinderung eines Stromflusses durch den Umrichterschaltkreis, wenn keine Last an dem Ausgang des Umrichters liegt, wird bei diesem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass der Umrichterschaltkreis als basisgesteuerter Schaltkreis ausgelegt ist. Wenn 15 keine Last an die Ausgangsklemmen 32 und 42 angeschlossen ist, ist der basisgesteuerte Schaltkreis offen und durch die Transistoren 10 und 12 kann nur ein Leckstrom von einigen Nanoampère fliessen. Wird die Last mit dem Umrichterschaltkreis verbunden, so ist der basisgesteuerte Schaltkreis 20 komplett. Die Transistoren 10 und 12 sind vorgespannt und durch den Schaltkreis fliesst Strom.
Die stromleitenden Transistoren 10 und 12 führen zu einem Schwingen des Schaltkreises und erzeugen über Teilstücken der Sekundärwicklung 18 eine Spannung. Diese 25 Spannung entsteht jeweils nur über demjenigen Teilstück der angezapften Sekundärwicklung 18, das mit dem Transistor 10 oder 12 verbunden ist, der gerade stromleitend ist, da während der Oszillation des Schaltkreises jeweils nur einer der Transistoren 10 und 12 stromleitend ist.
30 Die Schaltung der Dioden 36 und 40 ermöglicht es, dass die Ausgangsspannung von jeder der beiden stromführenden Teilwicklungen der Sekundärwicklung 18 den Ausgangsklemmen 32,42 zugeführt wird und somit eine Vollwellengleich-richtung erzielt wird. Die Ausgangsspannung wird wechsel-35 weise entweder zwischen der ersten Anzapfung 26 und dem Wicklungsende 38 der Sekundärwicklung 18 oder zwischen der zweiten Anzapfung 28 und dem zweiten Wicklungsende 34 der Sekundärwicklung abgenommen. Sie ist von dem Verhältnis zwischen der Windungszahl der einen Halbwicklung 4o der Primärwicklung 16 und der Windungszahl des stromleitenden, abgegriffenen Teilstückes der Sekundärwicklung 18 abhängig. Da die Zelle 24 in Reihe mit den Ausgangsklemmen 32, 42 liegt, muss ihre Spannung zu den in der Sekundärwicklung 18 erzeugten Spannungen addiert werden. In dem 45 Ausführungsbeispiel kann das Wicklungsverhältnis der Primärwicklung 16 zur Sekundärwicklung 18 ungefähr zwischen 1:2 bis 1:5 variiert werden.
Die Dioden 36 und 40 erlauben einen Spannungsabgriff jeweils nur an derjenigen Teilwicklung der Sekundärwicklung so 18, die während der Oszillation des Schaltkreises gerade stromleitend ist. Dadurch bleibt die Polarität der Ausgangsspannung während der Oszillation konstant, und eine weitere Gleichrichtung ist nicht erforderlich. Filteranordnungen, wie beispielsweise Kondensatoren, können an die Anschluss-55 klemmen 32, 42 geschaltet werden, um die Wechselstromwel-ligkeit zu reduzieren. Die Dioden 36 und 40 verhindern ferner ein Aufladen der Zelle 24, indem sie jede Lastspannung blok-kieren.
Die Spannung zwischen der Basis und dem Emitter eines 60 jeden Transistors 10 bzw. 12 ist durch das Windungsverhältnis der einen Hälfte der Primärwicklung 16 zu der Teilwicklung der Sekundärwicklung 18 zwischen den beiden Abgriffen 26 und 28 bestimmt. Die Anzahl der Windungen in diesem angezapften Teilstück der Sekundärwicklung 18 ist durch 65 die Lage der Abgriffe 26 und 28 bestimmt und entspricht in keinem Fall der Gesamtzahl der Windungen der Sekundärwicklung. Dies ermöglicht, dass stets eine Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung erzeugt wird, solange eine Span
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nung zwischen dem Emitter und der Basis unterhalb der Zündspannung der Transistoren 10 und 12 aufrechterhalten wird. Die Fähigkeit der Schaltung, zwischen dem Emitter und der Basis der Transistoren 10 und 12 eine niedrige Spannung zu halten, ermöglicht die Verwendung von Siliziumtransistoren mit geringem Verluststrom anstelle der mit hohem Ver-lusstrom arbeitenden Germaniumtransistoren, die eine höhere Emitter-Basis-Zündspannung haben.
Es hat sich gezeigt, dass der Schaltkreis unter gewissen Bedingungen weiter oszilliert und Strom zieht, nachdem die Last vom Schaltkreis abgeschaltet worden ist. Durch Einschalten eines Kondensators 44 zwischen einem Mittelabgriff 46 an der Sekundärwicklung 18 und der negativen oder positiven Elektrode der Zelle 24 hört der Umrichter auf, Strom mit Ausnahme des Verluststromes zu ziehen, wenn die Last abgeschaltet ist. Der Schaltkreis gemäss Fig. 1, bei dem der Kondensator 44 mit der negativen Elektrode der Zelle 24 verbunden ist, besitzt einen Wirkungsgrad von 75-90% oder höher, abhängig von dem Transformatorverhältnis, der Komponentenauswahl, Frequenz usw.
Die Zelle oder Zellen und der Umrichterschaltkreis sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und bilden einen Batterieblock.
Der Schaltkreis gemäss Fig. 2 ist derselbe wie derjenige gemäss Fig. 1 mit der Ausnahme, dass der Transistor 10 durch erste gekoppelte Teiltransistoren 50 und 52 und der Transistor 12 durch zweite gekoppelte Teiltransistoren 54 und 56 ersetzt sind.
Jeder Satz der gekoppelten Teiltransistoren 50, 52 und 54, 56 kann in einem einzigen Chip angeordnet werden und bildet einen Darlington-Transistor. Alternativ kann jedes Paar aus zwei diskreten Transistoren bestehen, die in einer Dar-lington-Schaltung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, verbunden sind. In jeder dieser Anordnungen sind die Emitter der Transistoren 52 und 56 zusammengeschlossen.
Der Transistor 50 besteht üblicherweise aus einem kleinen Schalttransistor mit einem hohen Verstärkungsgrad und geringer Leistung, während der Transistor 52 ein Leistungstransistor ist, über den der grösste Teil des Stromes fliesst. Der Emitter des Transistors 50 ist mit der Basis des Transistors 52 verbunden. Entsprechendes gilt für die Transistoren 54 und 56. Die Kombination eines Schalt- mit einem Leistungstransistor erlaubt es, das Windungsverhältnis der Primärwicklung 16 zur Sekundärwicklung 18 des Transformators 14 gegenüber demjenigen im Schaltkreis gemäss Fig. 1 zu erhöhen. Das bevorzugte Verhältnis bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel zwischen der Windungszahl der Primärwicklung 16 zu derjenigen der Sekundärwicklung 18 variiert zwischen 1:20 und 1:500. Dadurch wird eine weitaus höhere Ausgangsspannung bei gleicher gegebener Eingangsspannung wie in dem Schaltkreis gemäss Fig. 1 erzeugt. Die beiden zusätzlichen Transistoren reduzieren den Gesamtwirkungsgrad des Schaltkreises gemäss Fig. 2 auf ungefähr 65%.
Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 sind die npn-Transistoren 10 und 12 in Fig. 1 durch pnp-Transistoren 70 und 72 ersetzt. Diese Substitution erfordert es, dass die Emitter der Transistoren 70 und 72 an die positive Elektrode der Zelle 24 angeschlossen werden. Die negative Elektrode der Zelle 24 ist nunmehr mit dem Mittelabgriff 30 der Primärwicklung 16 und der negativen Ausgangsklemme 42 verbunden. Die positive Ausgangsklemme 32 liegt jetzt an den positiven Elektroden der Dioden 36 und 40, deren negative Elektroden mit den Wicklungsenden 34 bzw. 38 der Sekundärwicklung 18 verbunden sind.
Die Verwendung der pnp-Transistoren 70 und 72 ermöglicht es, dass die negative Elektrode der Zelle 24, die bei vielen Batteriesystemen ein Metallbecher ist, in elektrischem Kontakt mit dem Gehäuse des Batteriebehälters 80 in Fig. 4
stehen kann. Die Verwendung von npn-Transistoren dagegen erfordert einen Isolator zwischen der Zelle 24 und dem Gehäuse des Batteriebehälters, wodurch Gewicht und Abmessungen des Batteriebehälters vergrössert werden.
Der Bereich möglicher Lasten, die zur Aktivierung des Umrichterschaltkreises gemäss Fig. 1, 2 oder 3 erforderlich sind, ist sehr gross. Die grösste Last wird zum einen durch die Fähigkeit der Batterie 24, den erforderlichen Strom zu erzeugen, und zum anderen durch die Fähigkeit des Schaltkreises, den Strom zu führen, bestimmt. Da der gesamte von der Zelle 24 erzeugte Strom durch die Schaltung fliesst, müssen die Transistoren 10, 12 oder 50, 52 und 54, 56 oder 70,72 in der Lage sein, den Strom zu leiten, ohne Schaden zu nehmen.
Die kleinste Last, die den Umrichter aktivieren kann,
kann im voraus bestimmt werden. Sie kann durch die Wahl der Transistoren, die Eingangsspannung des Umrichters, das Windungsverhältnis und den Ort der Anzapfungen festgelegt werden. Die Schaltung kann so ausgelegt werden, dass sie unterhalb einer im voraus festgelegten Lasthöhe nichtleitend bleibt. Der Schaltkreis beginnt dann bei der festgelegten Lasthöhe zu arbeiten und eine Spannung zu erzeugen. Diese Eigenschaft gab es bisher bei Batterien nicht. Batterien haben bisher, wenn sie nicht entladen waren, stets eine Spannung an ihren Klemmen gehabt.
Fig. 4 zeigt einen Batterieblock 80, in dem eine einzelne Zelle 82 und ein Umrichter 84 angeordnet sind. Die Schaltung des Umrichters 84 entspricht derjenigen gemäss Fig. 3. Selbstverständlich kann auch jede andere Umrichterschaltung, die mit der Zelle 82 kompatibel ist, wie diejenigen gemäss Fig. 1 und 2, verwendet werden. Die Zelle 82 kann jede beliebige elektrochemische Zelle sein; im Ausführungsbeispiel ist sie eine Lithium/Schwefeldioxyd-Zelle bekannter Bauart.
Der Umrichter 84 wirkt als Lastschalter. Dies ist jedoch für die Funktion des Batterieblockes 80 nicht erforderlich und muss nicht unbedingt in dem Umrichter 84 eingeschlossen sein. Falls die Wirkung jedoch vorhanden ist, verhindert sie wirkungsvoll den Leistungsabfall der Zelle 82 während Lagerung des Batterieblockes 80.
Die Zelle 82 und der Umrichter 84 sind elektrisch durch geeignete stromleitende Mittel miteinander verbunden, beispielsweise Flachstecker, Streifen oder Drähte 86 und 88, die an dem Umrichter und/oder der Zelle angeschweisst oder angelötet sind. Die Zelle 82 ist mit den Eingangsklemmen des Umrichters 84 verbunden. Die positive Elektrode der Zelle 82 ist durch einen Draht 88 über eine Sicherung 90 mit den Emittern der Transistoren 70 und 72 im Schaltkreis gemäss Fig. 3 verbunden. Die negative Elektrode der Zelle 82 liegt mittels eines Drahtes 86 an dem Mittelabgriff 30 der Primärwicklung 16 des Transformators 14 und an dem Behälter 92.
Die Sicherung 90, die den Schaltkreis öffnet, wenn die Zelle 82 bis zu einem bestimmten Mass entladen ist, kann aus einem Sicherungsdraht oder einem dünner gemachten Abschnitt des Drahtes 88 bestehen. Die Sicherung 90 ist so ausgelegt, dass sie schmilzt und damit das System schützt,
falls die Entladung der Zelle 82 einen vorgegebenen Punkt erreicht, der jenseits des vorbestimmten Entladungsmasses liegt. Ein derartiges Mass kann erreicht werden, wenn der Batteriebehälter 80 kurzgeschlossen wird.
Die Sicherung 90 schmilzt durch die Wirkung des erhöhten Stromes, der während der ungewünscht hohen Entladung fliesst. Die Sicherung 90 ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich, aber eine zu starke Entladung kann bei vielen Zellentypen ernste Beschädigungen hervorrufen.
Die positive Ausgangsklemme des Umrichters 84 ist durch einen Draht 94 mit einem Aussenanschluss 96 elektrisch verbunden. Die vom Mittelabgriff 30 kommende negative Anschlussklemme 42 ist mit dem Behälter 92 verbunden, der
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den zweiten elektrischen Anschluss der Zelle 82 darstellt. Im Gebrauch verbinden die Anschlüsse 92 und 96 den Umrichter 84 elektrisch mit der Last. Im Ausführungsbeispiel dient der positive Aussenanschluss 96 gleichzeitig als Deckel für den Batteriebehälter 80. Der Deckel 96 und der Behälter 92 bilden das Gehäuse für den Batterieblock 80.
Die Aussenanschlüsse 92 und 96 sind durch eine Isolierscheibe 98 elektrisch voneinander getrennt. Die Zelle 82 und der Umrichter 84 sind durch eine Vergiessmasse 100 gegen den Batterieblock 80 isoliert und an ihrem Platz gehalten. Die Vergiessmasse 100 wird durch zwei Löcher 102 und 104 eingefüllt. Sie kann ein Wachs, ein Epoxydharz oder ein anderes geeignetes und gebräuchliches Vergiessmittel sein, das sich mit den anderen Bestandteilen des Batterieblocks 80 verträgt.
Zwischen dem Boden der Zelle 82 und dem Behälter 92 ist eine Unterlagscheibe 106 angeordnet, die für einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Zelle und dem Behälter sorgt. Die Unterlagscheibe 106 schafft ferner einen freien Raum zwischen der Zelle 82 und dem Behälter 92 für Gase, die im unwahrscheinlichen Fall eines Undichtwerdens der Zelle entstehen.
Die Aussenanschlüsse 92 und 96 sind als Bestandteile des Batterieblockes 80 dargestellt. Sie können auch als diskrete Anschlüsse, beispielsweise als Steck- und Buchsenverbindungen ausgebildet sein. Der Batterieblock 80 kann in jeder Grösse und Form hergestellt werden. Das einzige Erfordernis ist, dass er genügend Platz für den Umrichter 84 und die Zelle 82 bietet, die ihrerseits eine ausreichende Kapazität zur Versorgung des Gerätes, für das der Batterieblock vorgesehen ist, aufweisen muss. Die Möglichkeit, jede Art von Anschluss mit jeder möglichen Grösse und Form des Batterieblockes 80 zu kombinieren, erlaubt die Herstellung eines Batterieblockes, der mit den bekannten Batterien unverwechselbar ist.
Der Batterieblock 80 gemäss Fig. 4 enthält lediglich eine einzige Zelle 82. Das macht eine Umsteuerung der Zelle, die auftreten kann, wenn Zellen in Reihe miteinander verbunden sind, unmöglich.
Auch ein Wiederaufladen der Zelle von einer ausserhalb des Batterieblockes befindlichen Quelle, die zu ähnlichen Ergebnissen wie die Zellenumsteuerung führen kann, kann durch die Verwendung eines Umrichters nach den Fig. 1,2 oder 3 ausgeschlossen werden. Bei den Schaltungen gemäss Fig. 1 und 2 wird das Wiederaufladen durch die Dioden 36 und 40 verhindert, deren Durchlassrichtung von der positiven Elektrode der Zelle 24 zum Transformator 14 und dann zu den Basen der Transistoren 10, 12 oder 50, 52, 54, 56 zeigt. Die Verhinderung der Zellenumsteuerung und des Wiederaufladens sind wichtige Sicherheitsfaktoren bei vielen Batterien, insbesondere bei denen mit einer negativen Lithiumelektrode.
Die Verwendung nur einer einzigen Zelle 82 garantiert einen Batterieblock 80 mit viel höherer Betriebssicherheit als die bisher bekannten Vielzellenbatterien. Das kommt daher,
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dass der lastschaltende Umrichter 84 und die meisten anderen Umrichter weitaus betriebssicherer als die bekannten elektrochemischen Zellen sind. Der erfindungsgemässe Batterieblock 80 mit nur einer einzigen Zelle 82 und dem Umrichter 84 ist betriebssicherer als eine Zweizellenbatterie und weitaus betriebssicherer als Vielzellenbatterien mit 5, 10 oder 100 Zellen.
Ein Batterieblock 80 mit nur einer einzigen Zelle 82, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Fähigkeit des Umrichterschaltkreises gemäss Fig. 1,2 und 3, über einen weiten Bereich verändert zu werden, ermöglicht eine grosse Variation der Ausgangsspannungen von einer einzigen Zelle 82. Bei Verwendung einer Lithium/Schwefeldioxyd-Zelle bekannter Bauart mit einer Ausgangsspannung von ungefähr 3 Volt kann man eine Ausgangsspannung des Batterieblockes von ungefähr 6 bis 1500 Volt erhalten.
In manchen Fällen mag ein Batterieblock mit mehreren Zellen wünschenswert sein. Dies kann durch Reihen- oder Parallelschaltung der Zellen erreicht werden, was von der erforderlichen Eingangsspannung und dem Strom abhängt. Eine höhere Eingangsspannung durch Verwendung von 2 oder mehr Zellen kann den Wirkungsgrad der Schaltungen gemäss Fig. 1, 2 und 3 erhöhen.
Beispiel:
Der Schaltkreis gemäss Fig. 1 wurde mit 2 Silizium-Leistungstransistoren 10 und 12 bestückt. Die Transistoren 10 und 12 wurden mit einem im Sättigungsbereich betriebenen Transformator 14 verbunden, der eine mit Mittelabgriff versehene Sekundärwicklung 16 mit 12 Windungen und eine mit Mittelabgriff versehene Sekundärwicklung 18 mit 130 Windungen besass. Die Sekundärwicklung 18 war ausserdem mit Abgriffen 26 und 28 bei 6 Windungen nach jeder Seite vom Mittelabgriff 46 aus gesehen ausgerüstet. Die Primärwicklung 16 und die Sekundärwicklung 18 waren auf eine Plastikspule mit einem Ferritkern gewickelt.
Die Gleichstromquelle 24 war eine elektrochemische Zelle mit einer negativen Lithiumelektrode und einer positiven Schwefeldioxyd-Depolarisatoreleketrode. Die Zelle 24 versorgte den Schaltkreis mit einer Eingangsspannung von 2,66 Volt.
Parallel zu den Ausgangsklemmen 32 und 42 des Schaltkreises waren zwei Kondensatoren geschaltet, die die Ausgangsspannung filterten. Die Kondensatoren waren ein 10 ^F Elektrolytkondensator mit einer Nennspannung von 35 Volt und ein 0,1 jj.F Keramikkondensator mit einer Nennspannung von 25 Volt.
Bei Anschluss einer Last von 392 £1 zog der Schaltkreis 0,955 A bei 2,66 V. Dies entsprach einer Leistungsabgabe von 2,54 W. Die Ausgangsspannung des Schaltkreises an der Last betrug 28,4 V bei 0,0705 A, also eine Leistung von 2,0 W. Der Gesamtwirkungsgrad betrug somit 80%.
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    2
    PATENTANSPRÜCHE
    1. Batterieblock mit einem Gehäuse und mindestens einer darin angeordneten elektrochemischen Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (92) ein mit der Zelle (82) elektrisch verbundener Umrichter (84), eine elektrische Verbindung (94) zwischen den Ausgangsklemmen (32,42) des Umrichters und Anschlüssen (92,96) des Blockes zum Verbinden mit einer Last und Mittel (36,40) vorgesehen sind, die einen Stromfluss durch den Umrichter verhindern, wenn keine Last am Ausgang des Umrichters liegt, wobei der Umrichter eine grössere Ausgangsspannung als die Nennspannung der Zelle liefert.
  2. 2. Batterieblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung des Umrichters (84) ein Vielfaches der Zellenausgangsspannung ist.
  3. 3. Batterieblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (84) einen Transformator (14) aufweist, der eine angezapfte Primärwicklung (16) und eine mehrfach angezapfte Sekundärwicklung (18) besitzt, die eine grössere Windungszahl als die Primärwicklung hat.
  4. 4. Batterieblock nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Windungszahlen der Sekundär-zur Primärwicklung zwischen 2:1 und 50:1 liegt.
  5. 5. Batterieblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (84) wenigstens eine Diode (36,40) aufweist, deren Durchlassrichtung von der positiven Elektrode der Zelle (24) zur positiven Ausgangsklemme (32) des Umrichters weist.
  6. 6. Batterieblock nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzapfung (30) der Primärwicklung (16) elektrisch mit der positiven Elektrode der Zelle (24) und der positiven Ausgangsklemme (32) des Umrichters verbunden ist, dass eine Oszillatorschaltung mit einem Transistorenpaar (10,12; 50, 54) vorgesehen ist, deren Kollektoren mit den entgegengesetzten Wicklungsenden der Primärwicklung, deren Basen mit getrennten Anzapfungen (26, 28) der Sekundärwicklung (18) und deren Emitter mit der negativen Elektrode der Zelle verbunden sind, und dass zwei Dioden (36, 40) mit ihren negativen Elektroden an die negative Ausgangsklemme (42) des Umrichters und mit ihren positiven Elektroden an die entgegengesetzten Wicklungsenden der Sekundärwicklung angeschlossen sind (Fig. 1 und 2).
  7. 7. Batterieblock nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzapfung (30) der Primärwicklung (16) elektrisch mit der negativen Elektrode der Zelle (24) und der negativen Ausgangsklemme (42) des Umrichters verbunden ist, dass eine Oszillatorschaltung mit einem Transistorenpaar (70, 72) vorgesehen ist, deren Kollektoren mit den entgegengesetzten Wicklungsenden der Primärwicklung, deren Basen mit getrennten Anzapfungen (26,28) der Sekundärwicklung
    ( 18) und deren Emitter mit der positiven Elektrode der Zelle verbunden sind, und dass zwei Dioden (36,40) mit ihren positiven Elektroden an die positive Ausgangsklemme (32) des Umrichters und mit ihren negativen Klemmen an die entgegengesetzten Wicklungsenden der Sekundärwicklung angeschlossen sind (Fig. 3).
  8. 8. Batterieblock nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Transistor zwei gekoppelte Teiltransistoren (50, 52; 54,60) aufweist, wobei der Emitter des ersten der beiden gekoppelten Transistoren mit der Basis des zweiten gekoppelten Transistors verbunden ist.
  9. 9. Batterieblock nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Windungszahlen der Primärwicklung (16) zu der angezapften Teilwicklung (26-34 bzw. 28-38) der Sekundärwicklung (18), an die die Basis des Transistors (10, 12, 50, 54, 70, 72) angeschlossen ist, so bemessen ist, dass die in dieser Teilwicklung erzeugte Spannung niedriger als die Zündspannung zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors ist.
  10. 10. Batterieblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle (82) an der positiven Elektrode einen Depolarisator aus Schwefeldioxyd aufweist.
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