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PATENTANSPRÜCHE
1. Ladbare Batterie, aus einer Anzahl miteinander in Reihe verbundener, ladbarer Zellen, gekennzeichnet durch eine Entladungschaltung, die mit je einer der in Reihe geschalteten Zellen verbunden ist und Mittel umfasst, welche die Entladeströme bei einem vorbestimmten Spannungspegel unterbinden.
2. Ladbare Batterie nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Entladungsschaltungen, welche nichtlineare Widerstandselemente oder Halbleiterdioden oder Reihenschaltungen aus beiden umfassen.
Die Erfindung betrifft eine ladbare Batterie aus einer Anzahl miteinander in Reihe verbundener ladbarer Zellen.
Bei derartigen Batterien, insbesondere bei solchen, die aus NiCd-Zellen aufgebaut sind, ist das Problem bekannt, dass sich einzelne Zellen infolge geringer Kapazitätsunterschiede beim wiederholten Lade- und Entlade-Betrieb schneller entladen, als andere Zellen dieser Batterie. Ein unterschiedlicher Ladezustand der einzelnen Zellen bis herab zur Ladung Null ergibt sich auch insbesondere bei der Lagerhaltung oder beim Nichtgebrauch der Batterie infolge unterschiedlicher Selbstentladung, welche auch temperaturabhängig ist. Diese Tatsachen ziehen dann eine Reihe weiterer Probleme nach sich. So werden einzelne, beim Entladebetrieb frühzeitig entladene Zellen rückwärts geladen und dabei umgepolt. Will man beim anschliessenden Ladevorgang alle Zellen voll aufladen, so werden einzelne Zellen, die noch nicht ganz entladen waren, nunmehr überladen.
Zellüberladung kann durch Gasaustritt, Auslauf und Überhitzung zu inneren Kurzschlüssen führen. Alle Effekte machen sich letzten Endes durch Kapazitätsverlust der ladbaren Batterie bemerkbar.
Um eine Rückwärtsladung einzelner Zellen zu verhindern, ist es bekannt, parallel zu jeder Zelle eine Diode derart zu schalten, dass sie von der aufgeladenen Zelle in Sperrichtung vorgespannt wird. Als Schutz gegen Überladung einzelner Zellen ist es ebenfalls bekannt, jeder Zelle mindestens eine Halbleiterdiode mit einer solcher Polung parallelzuschalten, dass die Diode - vor Erreichen einer schädlichen Überspannung der Zelle - den Ladestrom übernimmt.
Zur Beseitigung von vor einer Aufladung der Batterie möglicherweise vorhandenen Unterschieden zwischen den Ladungen der einzelnen Batteriezellen ist bereits ein Batterieladungsausgleichsgerät aus DE-C 2 416 897 bekannt. Hierbei handelt es sich um ein spezielles Ladegerät, welches von aussen zugängliche Kontaktanschlüsse der einzelnen Zellen der Batterie voraussetzt. Das Ladegerät besitzt dann seinerseits mehrere Kontaktanschlüsse, die mit den in Reihe geschalteten Zellen verbindbar sind, ferner zwischen die Kontaktanschlüsse geschaltete Entladungsschaltungen, über die sich die Zellen in mit den Kontaktanschlüssen verbundenem Zustand entladen können.
Die Entladungsschaltungen können Siliziumdioden und bzw. oder Widerstandselemente enthalten, durch die der Entladestrom bei einem vorbestimmten Spannungspegel unterbunden wird bis alle zu ladenden Zellen denselben Ladungszustand aufweisen.
Derartige spezielle Ladegeräte erfordern infolge der vorangehenden Entladephase eine verlängerte Ladezeit. Ferner ist zur Umschaltung von Entladen auf Laden eine komplizierte Bedienung oder aufwendige Steuerschaltung nötig. Weiterhin benötigt man sowohl spezielle Batterien mit von aussen zugänglichen Einzelzellenanschlüssen als auch besondere Ladegeräte mit Ladungsausgleichsschaltungen .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine ladbare Batterie aus einer Anzahl miteinander in Reihe verbundener ladbarer Zellen derart auszuführen, dass während der Zeit zwischen den Ladevorgängen alle Einzelzellen automatisch denselben Entladezustand annehmen. Die Ladevorgänge sollen in üblicher Zeit mit handelsüblichen einfachen Ladegeräten möglich sein, und nach jedem Ladungsvorgang soll im wesentlichen die volle Batteriekapazität zur Verfügung stehen.
Diese Aufgabe wird bei einer ladbaren Batterie der eingangs genannten Art gelöst durch je eine Entladungsschaltung, die mit je einer der in Reihe geschalteten Zellen verbunden ist und Mittel umfasst, welche die Entladeströme bei einem vorbestimmten Spannungspegel unterbinden. Die Entladeströme und der Restspannungspegel lassen sich dabei so dimensionieren, dass einerseits die Batteriekapazität nicht wesentlich vermindert wird und andererseits alle Einzelzellen während der Ruhezeit bis zum nächsten Ladungsvorgang zuverlässig denselben Entladezustand annehmen. Dazu können die Entladungsschaltungen nicht-lineare Widerstandselemente oder Halbleiterdioden oder Reihenschaltungen aus beiden umfassen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
Die Figur zeigt das elektrische Schaltbild einer erfindungsgemässen ladbaren Batterie mit Entladungsschaltungen.
Die ladbare Batterie umfasst eine Reihe von Einzelzellen, von denen drei Stück mit 1, 2 und 3 bezeichnet sind. Jeder Zelle 1, 2 und 3 ist als Entladeschaltung eine Serienschaltung aus einem Widerstand 4, 4', 4'' und einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode 5, 5', 5'' parallelgeschaltet. Aufgrund der Durchlasscharakteristik der Dioden 5, 5', 5'' fliesst durch jede Entladeschaltung praktisch kein Strom mehr, sobald die jeweilige Zellenspannung der Zellen 1, 2 oder 3 unter etwa 300 mV abgesunken ist.
Besteht also infolge Betrieb, Lagerhaltung oder Nichtgebrauch der Batterie zwischen den Einzelzellen 1, 2 und 3 eine gewisse Differenz der Restladungen, so wird sich jede Zelle auf denselben Spannungspegel von etwa 300 mV entladen. Durch die Grösse der Widerstände 4, 4' und 4' ' werden dabei die Entladeströme so dimensioniert, dass einerseits die Gesamtkapazität der Batterie nicht wesentlich vermindert wird, andererseits aber alle Einzelzellen während der Ruhezeit bis zum nächsten Ladungsvorgang zuverlässig denselben Restspannungspegel und damit Restladungspegel annehmen. Beim anschliessenden Ladevorgang nehmen dann alle Zellen in der gleichen Ladezeit die gleiche Ladungsmenge auf, so dass keine Überladung einzelner Zellen auftritt und für den Arbeitsbetrieb die volle Batteriekapazität verfügbar ist.
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PATENT CLAIMS
1. A chargeable battery, comprising a number of chargeable cells connected to one another in series, characterized by a discharge circuit which is connected to each of the cells connected in series and comprises means which prevent the discharge currents at a predetermined voltage level.
2. Chargeable battery according to claim 1, characterized by discharge circuits, which comprise non-linear resistance elements or semiconductor diodes or series circuits of both.
The invention relates to a chargeable battery comprising a number of chargeable cells which are connected to one another in series.
In batteries of this type, in particular in those which are composed of NiCd cells, the problem is known that individual cells discharge more quickly than other cells of this battery due to small capacity differences in the repeated charging and discharging operation. A different state of charge of the individual cells down to zero charge also results in particular when storing or not using the battery as a result of different self-discharge, which is also temperature-dependent. These facts then pose a number of other problems. In this way, individual cells that were discharged early during the unloading operation are charged backwards and reversed. If you want to fully charge all cells during the subsequent charging process, individual cells that have not yet been completely discharged are now overloaded.
Cell overload can lead to internal short circuits due to gas leakage, leakage and overheating. In the end, all effects become noticeable through loss of capacity of the chargeable battery.
In order to prevent reverse charging of individual cells, it is known to connect a diode in parallel with each cell in such a way that it is reverse-biased by the charged cell. As protection against overcharging individual cells, it is also known to connect each cell in parallel with at least one semiconductor diode with such polarity that the diode takes over the charging current before a harmful overvoltage of the cell is reached.
A battery charge compensation device from DE-C 2 416 897 is already known for eliminating any differences between the charges of the individual battery cells that may exist before the battery is charged. This is a special charger that requires externally accessible contact connections of the individual cells of the battery. The charger in turn then has a plurality of contact connections which can be connected to the cells connected in series, and also discharge circuits connected between the contact connections, via which the cells can discharge in the state connected to the contact connections.
The discharge circuits can contain silicon diodes and / or resistance elements, by means of which the discharge current is prevented at a predetermined voltage level until all cells to be charged have the same charge state.
Such special chargers require an extended charging time due to the preceding discharge phase. Furthermore, a complicated operation or complex control circuit is necessary to switch from unloading to charging. You also need special batteries with externally accessible single cell connections as well as special chargers with charge equalization circuits.
The object of the invention is to design a chargeable battery from a number of chargeable cells connected in series in such a way that all the individual cells automatically assume the same discharge state during the time between the charging processes. Charging should be possible in the usual time with commercially available simple chargers, and after each charging process essentially the full battery capacity should be available.
In a chargeable battery of the type mentioned at the outset, this object is achieved by a respective discharge circuit which is connected to one of the cells connected in series and comprises means which prevent the discharge currents at a predetermined voltage level. The discharge currents and the residual voltage level can be dimensioned such that on the one hand the battery capacity is not significantly reduced and on the other hand all individual cells reliably assume the same discharge state during the rest period until the next charging process. For this purpose, the discharge circuits can comprise non-linear resistance elements or semiconductor diodes or series circuits of both.
The invention is described below with reference to an embodiment shown in the drawing.
The figure shows the electrical circuit diagram of a chargeable battery according to the invention with discharge circuits.
The chargeable battery comprises a series of individual cells, three of which are labeled 1, 2 and 3. Each cell 1, 2 and 3 is connected in series as a discharge circuit comprising a resistor 4, 4 ', 4' 'and a diode 5, 5', 5 '' connected in the forward direction. Due to the forward characteristic of the diodes 5, 5 ', 5' ', practically no current flows through each discharge circuit as soon as the respective cell voltage of cells 1, 2 or 3 has dropped below approximately 300 mV.
If there is a certain difference in the residual charges between the individual cells 1, 2 and 3 as a result of operation, storage or non-use of the battery, each cell will be discharged to the same voltage level of approximately 300 mV. The size of the resistors 4, 4 'and 4' 'means that the discharge currents are dimensioned in such a way that on the one hand the overall capacity of the battery is not significantly reduced, but on the other hand all individual cells reliably assume the same residual voltage level and thus residual charge level during the rest period until the next charging process. During the subsequent charging process, all cells then take up the same amount of charge in the same charging time, so that there is no overcharging of individual cells and the full battery capacity is available for work.