DD148845A5

DD148845A5 - Batterieeinheit mit dc zu dc konverter

Info

Publication number: DD148845A5
Application number: DD80218713A
Authority: DD
Inventors: Henry R Mallory; Steven J Nichols
Original assignee: Mallory & Co Inc P R
Priority date: 1979-01-29
Filing date: 1980-01-29
Publication date: 1981-06-10
Also published as: NO800193L; SE8000572L; ZA80522B; FR2447636B1; CA1138527A; GB2040609A; ES8103488A1; IT8019512A0; IL59109A; AU524499B2; SE444626B; DE3002912A1; JPS55103051A; GB2040609B; US4296461A; NL8000474A; IL59109A0; DK34280A; BR8000402A; CH652870A5

Abstract

Die Batterieeinheit besitzt ein Gehaeuse, das mindestens eine elektrochemische Zelle hat, die elektrisch mit einem GS/GS- Konverter verbunden ist. Ein Par elektrischer Verbindungen befindet sich am Gehaeuse, z.B. wie bei einer herkoemmlichen Zelle oder Batterie, zum Zwecke der elektrischen Verbindung der Batterieeinheit mit dem Verbraucher. Der Konverter leitet, und die Zelle entlaedt sich nur, wenn ueber die elektrische Verbindung ein Verbraucher angeschlossen ist. Der Konverter schuetzt die Zelle auch vor Wiederaufladung durch aeuszere Spanungen. Die Batterieeinheit kann durch Spannungserhoehung im Konverter viel hoehere Spannungen als die Zelle liefern.

Description

Berlin, 23- 5. 1980 56 948/17

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Batterieeinheit

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Batterieeinheit, die mindestens eine elektrochemische Zelle und einen GS/GS-Konverter besitzt; insbesondere solch eine Einheit, in der der Konverter Lastschaltvermögen besitzt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Elektrochemische Zellen produzieren eine bestimmte Spannung, die von den Materialien abhängt, aus denen die Zelle hergestellt ist· Innerhalb relativ geringer Grenzen kann durch eine geeignete Wahl des Materials durch eine einzelne Zelle eine gewünschte Spannung produziert werden* Die von einer einzelnen Zelle maximal erreichbare Spannung mittels dieser Methode beträgt weniger als 4 Volt, was auf die begrenzte Differenz der Spannungspotentiale der Materialien, aus denen die Zelle besteht, zurückzuführen ist.

Die praktische Zahl der erreichbaren Spannungen wird weiterhin durch die Tatsache begrenzt, daß nur wenige chemische Elemente eine geeignete Kombination zur Herstellung einer brauchbaren Zelle bilden. Viele theoretisch mögliche Zellen können aus verschiedenen Gründen nicht hergestellt werden, oder sie erfüllen nicht die Gebrauchsanforderungen des täglichen Lebens»

In der Vergangenheit sind Batterien, die höhere Spannungen als die einer Einzelzelle hervorbringen, dadurch hergestellt worden, daß man eine Vielzahl von Zellen in Reihe schaltet.

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Die Einzelspannungen aller Zellen werden dadurch zu einer Batteriespannung addiert, die gleich, der Summe der Teilzellspannungen ist· Durch die entsprechende Auswahl der Einzelzellen können viele gewünschte Spannungen erreicht werden·

Jedoch bilden das Gewicht und das Volumen einer derartigen Batterie Einschränkungen bei der Konstruktion von Hochspannungabatterien. Eine βΟ-Volt-Batterie erfordert 40 Zink/ Kohlenstoff-Zellen oder 20 Lithium/Schwefeldioxid-Zellen.

Solch eine Batterie ist aufgrund der großen Anzahl von Einzelzellen groß und schwer· Da ein Teil des Gewichts und Volumens für die Verpackung abgeht und nicht zur Energieproduktion dient, hat eine Batterie mit einer großen Anzahl kleiner Zellen eine geringere Energiedichte als eine Batterie ähnlicher Größe mit einer kleineren Anzahl großer Zellen· Um andere Spannungen als diejenigen der bekannten Zellen zu erreichen, mußte man in der Vergangenheit die Ausrüstungen verändern, um die erreichbare Spannung zu nutzen, oder man mußte einen Spannungskonverter in Verbindung mit der Ausrüstung benutzen·

Vielfach-Zellenbatterien haben andere eigene Probleme· Fällt eine Zelle aus, wird die ganze Batterie funktionsuntüchtig, da die Zellen in Reihe geschaltet sind. Das setzt die Zuverlässigkeit der Batterie herab· Das Problem wird mit steigender Anzahl der Zellen größer. Die vollständige Entladung einer Zelle, bevor sich die anderen Zellen in der Batterie entladen, kann eine Zellenumpolung hervorrufen.

Abhängig von der chemischen Beschaffenheit können die Batterie und die von der Batterie gespeiste Anlage beschädigt

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werden. Das kann für jeden Zelltyp zum ernsten Problem werden, besonders aber für lithium enthaltende Zellen, bei denen eine Zeilenumpolung ein ernstzunehmendes Problem darstellt. Je weniger Zellen in der Batterie verwendet werden, desto geringer ist die Möglichkeit der Zellenumpolung und des Versagens der Batterie*

Ein Problem, das sich auf die Zellenumpolung bezieht, aber nicht auf Multizellenbatterien begrenzt ist, ist das der Batteriewiederaufladung. Viele elektrische Anlagen können unter bestimmten Bedingungen eine Spannung mit einer Polarität entwickeln, die der Polarität der Zelle entgegengesetzt ist. Solche Umkehrspannungen neigen dazu, die Zelle mit einem ime:nvünschten Effekt wiederaufzuladen, der der Umpolung der Zelle in einer Batterie ähnlich ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, diese unerwünschten Erscheinungen und die damit verbundenen Nachteile zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einer Zelle oder mehreren Zellen eine Spannungsquelle zu schaffen, die in der Lage ist, gewünschte Spannungen in einem weiten Bereich zu liefern und das Problem der Wiederaufladung von Zellen auszuschalten.

Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch eine Batterieeinheit erreicht, die ein Gehäuse mit mindestens einer elektrochemischen Zelle enthält, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse einen GS/GS-Konverterstromlcreis besitzt,

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der mit der Zelle bzw· den Zellen elektrisch, verbunden ist, daß Mittel zur elektrischen Verbindung des Ausgangs des Konverters mit dem Verbraucher und Mittel zur wesentlichen Verhinderung des Stromflusses durch den Konverterstromkreis vorhanden sind, wenn der Verbraucher nicht mit dem Ausgang des Konverterstromkreises verbunden ist, wobei sich die Zelle bzw· Zellen nur dann entladen, wenn der Verbraucher an den Konverterstromkreis angeschlossen ist, und daß der Konverterstromkreis dort angepaßt wird, dieser eine Aus— gangsspannung liefert, die im wesentlichen die Nennspannung der Zelle oder Zellen in der Einheit überschreitet und/oder die Wiederaufladung einer gegen Bedienungsfehler empfindlichen Zelle bzw· Zellen verhindert·

Es ist möglich, gewünschte Spannungen innerhalb eines weiten Bereichs durch die Verwendung einer Batterieeinheit mit einem GS/GS-Konverter innerhalb der Batterieeinheit zu erhalten· Der Konverter ist mit den innerhalb der Einheit befindlichen Zellen elektrisch verbunden· In der Batterieein— heit können elektrische Mittel zur Lastschaltung benutzt v/erden, die auch einen Teil des Konverters beinhalten können· Die Batterieeinheit der vorliegenden Erfindung kann so konstruiert werden, daß sie mit den meisten herkömmlichen bekannten Batterien austauschbar ist und auch dort benutzt werden kann, wo bekannte Batterien nicht eingesetzt werden können.

Vorteilhaft kann der Konverterstromkreis durch das Abblocken des Rückstromflusses ein unerwünschtes Wiederaufladen durch äußere Spannungen verhindern·

Dieses Merkmal ist sehr wertvoll, wenn die Zelle bzw· Zellen empfindlich gegen falsche Behandlung sind_? z« B· Zellen mit Lithiumarioden und mit Schwefeldioxid als Katodenpolarisator·

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Das kann durch den Einbau einer oder mehrerer Dioden mit der entsprechenden Polarität erreicht werden· Die Spannung am Konverterausgang ist vorzugsweise ein festgesetztes Vielfaches der Zellenspannung« Erfindungsgemäß enthält die Batterieeinheit mindestens eine gegen Bedienungsfehler empfindliche Zelle, und der Konverterstromkreis verhindert das Wiederaufladen derselben durch Rückstrom· Der Konverter kann einen Invertertransformator mit einer angezapften Primärwicklung und einer vielfach angezapften Sekundärwicklung mit mehr Windungen als die Primärwicklung enthalten· Abhängig von den angeschlossenen Stromkreisen kann das Verhältnis Sekundär/Primärwicklung ungefähr 2:1 bis 50:1, oder bis zu 20:1 und 500:1 sein·

Der Konverterstromkreis besitzt mindestens eine Diode, die in Durchlaßrichtung zwischen einer positiven Elektrode der Zelle und dem positiven Anschluß des Konverters angeordnet ist, wodurch die Wiederaufladung der Zelle verhindert wird· Ein Mittelanschluß der Primärwicklung ist mit der positiven Klemme der elektrochemischen Zelle verbunden sowie mit dem positiven Ausgang des Konverters· Weiterhin ist die Primärwicklung mit einem oszillierenden Stromkreis mit einem Paar Transistoren verbunden, wobei die Kollektorelektrodenmit den äußeren gegenüberliegenden Enden der Primärwicklung verbunden sind« Die Basiselektroden sind mit getrennten Anzapfungen der Sekundärwicklung des Invertertransformators verbunden und die Emitterelektroden mit der negativen Klemme der elektrochemischen Zellen· Es sind zwei Dioden vorhanden, deren Anoden mit dem negativen Ausgang des Konverters verbunden sind und deren Katoden mit den gegenüberliegenden äußeren Anschlüssen der sekundären Wicklung des Invertertransformators verbunden sind, derart, daß die Durchlaßrichtung der Dioden zu den Enden der Sekundärwicklung hinführt·

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Es kann auch die Mittelanzapfung der Primärwicklung elektrisch mit der negativen Klemme der elektrochemischen Zelle und mit dem negativen Ausgang der Konverters verbunden sein· Dann sind die Kollektorelektroden der Transistoren des oszillierenden Stromkreises mit dem gegenüberliegenden äußeren Anschlüssen der Primärwicklung des Invertertransforinators verbunden, die Basiselektroden mit den getrennten Anzapfungen der Sekundärwicklung des Invertertransformators und die Emitterelektroden mit einer positiven Klemme der elektrochemischen Zelle. Die Katoden der Dioden sind dann mit dem positiven Teil des Ausgangs des Konverters verbunden und die Anoden mit den gegenüberliegenden äußeren Anschlüssen der Sekundärwicklung, derart, daß die Durchlaßrichtung der Dioden zum positiven Ausgang des Konverters verläuft·

Jeder Transistor kann mit je einem zweiten Transistor verbunden sein, wobei die Emitter der ersten beiden Transistoren jeweils mit der Basis des entsprechenden zweiten Transistors verbunden sind·

Das Verhältnis der Primärwicklung zu dem Teil der abgegriffenen Sekundärwicklung, der mit den Basiselektroden der Transistoren verbunden ist, ist derart, daß die Spannung in dem abgegriffenen Teil der Sekundärwicklung geringer ist als die Durchschlagsspannung zwischen den Basis- und Emitterelektroden der Transistoren· .

Vorteilhaft besitzt die Zelle eine Lithium enthaltende Anode und einen Katodendepolarisierer, der Schwefeldioxid enthält.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung von bevorzugten Beispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert» Es zeigen:

Pig» 1 : einen ersten GS/GS-Konverter mit npn-Transistören;

Fig. 2: einen zweiten GS/GS-Konverter, bei dem Transistoren des Darlingtontyps benutzt werden;

Pig. 3: einen dritten Konverter mit pnp-Transistören und

Pig· 4: einen teilweisen Querschnitt einer Ausführung der Erfindung, wobei eine einzelne Zelle in die Batterieeinheit eingeschlossen ist.

Der GS/GS-Konverterstromkreis nach Pig# 1 beinhaltet einen ersten und zweiten Transistor 10 bzw. 12 des npn-Typs sowie einen sättigungsfähigen Invertertransformator 14, der eine in der Mitte angezapfte Primärwicklung 16 und eine vielfach angezapfte Sekundärwicklung 18 hat. Die Transistoren 10, sind vorzugsweise Siliziumtransistoren mit geringem Leckstrom. Andere Transistoren mit höheren Leckströmen, wie z. B. Germaniumtransistören, können angewandt werden, wenn der Leckstrom und die resultierende Entladung der Zelle während der Lagerung kein Problem sind.

Die Kollektcrelektrode des ersten Transistors 10 ist mit dem einen Ende 20 der Primärwicklung 16 und die Kollektorelektrode des zweiten Transistors 12 mit dem entgegengesetzten Ende 22 der Primärwicklung 16 verbunden. Die Emitterelektrode jedes Transistors 10, 12 ist mit der negativen Anschlußklemme der direkten Stromquelle verbunden, hier mit einer elektrochemischen Zelle 24<,

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Eine Sicherung 25 kann zwischen die Emitterelektroden und die negative Anschlußklemme der Zelle 24 geschaltet werden· Die Sicherung 25 ist so ausgelegt, daß sie den Stromkreis unterbricht, wenn die Zelle 24 stärker entladen wird, als vorgesehen ist·

Die Basiselektrode des ersten Transistors 10 ist mit der ersten Anzapfung 26 der Sekundärwicklung 18 verbunden· Eine positive Anschlußklemme der Zelle 24 ist mit einer zentralen Anzapfung 30 der Primärwicklung 16 und auch mit dem positiven Ausgang 32 des Stromkreises verbunden. Ein Ende 34 der Sekundärwicklung 18 ist mit der Katode der ersten Diode 36 und das andere Ende 38 der Wicklung 18 mit der Katode der zweiten Diode 40 verbunden. Die Anoden der zwei Dioden 36, 40 sind mit dem negativen Ausgang 42 des Stromkreises verbunden. Die zwei Ausgänge 32, 42 stellen die elektrische Verbindung des Ausgangs des Konverters zum Verbraucher dar (nicht gezeigt)· Lastschaltungen, d· h. elektrische Mittel zur Verhinderung des Stromflusses durch den Konverterstromkreis, wenn der Verbraucher nicht mit dem Ausgang des Konverters verbunden ist, werden in der Erfindung so realisiert, daß der Konverterstromkreis so aufgebaut ist, daß der Verbraucher während der Benutzung des Stromkreises in der Basisschaltung verbunden wird.

In der gezeigten Darstellung ist der Verbraucher an die Ausgangsverbindungen 32 und 42 angeschlossen.

Wenn kein Verbraucher vorhanden ist, ist der Basisstromkreis geöffnet, und durch die Transistoren 10 und 12 fließt nur ein Ableitstrom von wenigen Nanoampere. Wenn der Verbraucher an den Stromkreis angeschlossen ist, ist ein Basisstrom vorhanden. Die Transistoren 10 und 12 sind durchgesteuert, und durch den Stromkreis fließt Strom.

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Die durchgesteuerten Transistoren 10, 12 verursachen die Oszillierung des Stromkreises und erzeugen eine Spannung innerhalb von Teilen der Sekundärwicklung 18· Eine Spannung tritt nur dann in den Teilen der angezapften Sekundärwicklung 18 auf, wenn, sie mit den Transistoren 10 oder 12, die zu dieser Zeit durchgesteuert sind, verbunden sind, da während der Stromkreisoszillierung nur jeweils ein Transistor 10 oder 12 durchgesteuert ist»

Die Dioden 36 und 40 ermöglichen, daß die Ausgangsspannung von jedem leitenden Teil der Sekundärwicklung weitergeleitet wird, auf diese Weise wird eine volle We11engleichrichtung erreicht· Die Ausgangsspannung wird entweder zwischen der ersten Anzapfung 26 und dem Ende 38 der Sekundärwicklung 18 oder zwischen der zweiten Anzapfung 28 und dem zweiten Ende 34 der Sekundärwicklung 18 abgenommen· Die Ausgangsspannung des Stromkreises hängt von dem Verhältnis zwischen einer Hälfte der Primärwicklung 16 und dem angezapften Teil der Sekundärwicklung 18, der leitet, ab· Da die Zelle 24 mit ^dem Ausgang 32 in Serie geschaltet ist, muß deren Spannung zu den von der Sekundärwicklung 18 produzierten Spannungen addiert werden. Bei der bevorzugten Darstellung variiert das Verhältnis von Primärwicklung 16 zu Sekundärwicklung 18 von 1 : 2 bis 1 : 50·

Da die Dioden 36, 40 ermöglichen, die Ausgangsspannung von nur dem Teil der Sekundärwicklung 18 abzunehmen, der jeweils durchgesteuert ist, bleibt die Polarität der Ausgangsspannung während der Oszillation des Stromkreises konstant· Es ist keine weitere Gleichrichtung notwendig· Piltereinrichtungen., wie Kondensatoren (nicht gezeigt), können über die Ausgangsverbindungen angeschlossen werden, um StromrestSchwankungen zu reduzieren* Die Dioden 36, 40 verhindern weiterhin das

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Aufladen der Zelle 24, indem jedes zellaufladende Potential abgebaut wird»

Die Spannung, die zwischen der Basis und dem Emitter jedes Transistors 10, 12 angelegt wird, wird von dem Verhältnis der V/indungen einer Hälfte der Primärwicklung 16 und der Zahl der Windungen der zweiten Sekundärwicklung 18 zwisehen der ersten und der zweiten Anzapfung bestimmt« Die Zahl der Windungen in diesem angezapften Teil der Sekundärwicklung 18 wird von der Position der. Anzapfungen 26, 28 und nicht von der Gesamtanzahl der Windungen der Sekundärwicklung 18 bestimmt« Das gestattet, fast jede Ausgangsspannung über die Sekundärwicklung 18 herzustellen, während die Spannung zwischen dem Emitter und der Basis unter der Durchschlagsspannung der Transistoren 10 und 12 bleibt·

Es wurde festgestellt, daß der Stromkreis unter bestimmten Bedingungen weiter oszilliert und Strom führt, nachdem der Verbraucher vom Stromkreis entfernt worden ist.

Wenn man einen Kondensator 44 an die mittlere Anzapfung 46 der Sekundärwicklung 18 und die negative oder positive Anschlußklemme der Zelle 24 anschließt, führt der Stromkreis keinen Strom mehr, außer dem Leckstrom, wenn der Verbraucher entfernt wird· In Pig· 1 ist der Kondensator 44 mit der negativen Anschlußklemme verbunden· Ein Stromkreis, wie in Pig. 1 gezeigt, hat eine Effektivität von ungefähr 75 bis 90 % oder sogar eventuell höher, abhängig vom Übersetzungsverhältnis, der Auswahl der Komponenten, der Frequenz usw.

Die Zelle bzw. Zellen und der Konverterstromkreis sind in einem gemeinsamen«Gehäuse untergebracht, um eine Batterieeinheit zu bildend Der in Pig. 2 gezeigte Stromkreis ist der gleiche wie in Fig. 1, außer, daß der erste Transistor 10 durch zwei gekoppelte Transistoren ersetzt worden ist,

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50 und 52, und daß der zweite Transistor 12 ebenfalls durch zwei gekoppelte Transistoren 54 und 56 ersetzt worden ist« Jede Einheit der gekoppelten Transistoren 50 und 52 und 54 und 56 kann auf einein einzelnen Plättchen placiert werden und so einen Darlington-Transistor bilden. Andererseits kann jedes Paar aus zwei nach der Darlingtonschaltung miteinander verbundenen Transistoren bestehen, wie in Pig. 2 gezeigt. In jeder der Anordnungen sind die Emitter der Transistoren 52 und 56 miteinander verbunden.

Die Basis des ersten Transistors 50 der gekoppelten Transistoren 50, 52, der zweckmäßig ein kleiner Signal-Silizium-Transistor mit hoher Leistungsverstärkung und geringer Stromkapazität ist, ist an einem Ende der Primärwicklung 16 angeschlossen. Der Emitter des Transistors 50 ist mit der Basis des Transistors 52 verbunden.

Der Transistor 52 ist zweckmäßig ein Leistungstransistor, der den größten Teil des Stromes, der durch die gekoppelten Transistoren 50, 52 fließt, führt. Der Emitter des Transistors 52 ist an die negative Anschlußklemme der Zelle 24 angeschlossen.

Die zweite Einheit der gekoppelten Transistoren 54» 56 ist auf die gleiche Art wie das erste Paar 50, 52 geschaltet. Die Kombination der Signal- und Leistungstransistoren gestattet es, daß das Verhältnis von Primärwicklung 16 und Sekundärwicklung 18 des Transformators 14 größer ist als bei dem in Pig. 1 gezeigten Stromkreis« In dem in Pig. 2 dargestellten Stromkreis schwankt das Verhältnis zwischen Primärwindungen 16 zu Sekundärwindimgen 18 zwischen 1 : 20 und 1 : 500. Das wiederum bringt eine viel höhere Ausgangsspannung aus einer bestimmten Eingangsspannung hervor als der Stromkreis in

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Pig· 1· Die zu dem Stromkreis in Fig. 1 zugeschalteten Transistoren reduzieren die Gesamteffektivität des Stromkreises in Pig· 2 auf ungefährt 65 Prozent·

In Pig· 3 sind die npn-Transistoren durch. pnp-Transistören ersetzt worden. Deshalb sind die Emitter der Transistoren 70 und 72 mit der positiven Anschlußklemme der Zelle 24 verbunden· Die negative Anschlußklemme der Zelle ist jetzt mit der Wicklung 16 und dem negativen Ausgang der Schaltung 42 verbunden· Der positive Ausgang der Schaltung 32 ist jetzt mit den Katoden der Dioden 36 und 40 verbunden. Die Anoden der Dioden 36 und 40 sind mit der Sekundärwicklung 18 bzw· mit den Anzapfungen 34 und 38 verbunden·

Der Gebrauch des pnp-Transistors 70, 72 gestattet es, daß sich die negative Elektrode der Zelle 24» die in vielen Batteriesystemen eine Metallhaube ist (abgebildet in Abb· 4), in elektrischem Kontakt mit der Batterieeinheit 80 befindet (Abb. 4)·

Der Gebrauch von npn-Transistoren bei Zellen, bei denen Hauben die negative Elektrode bilden, würde einen Isolator (nicht gezeigt) zwischen der Zelle 24 und dem Gehäuse der Batterieeinheit erfordern, was Gewicht und Volumen der Batterieeinheit vergrößert·

Der Bereich möglicher Verbraucher, die erforderlich sind, um den Konverterstromkreis zu aktivieren, gezeigt in den Pig· 1, 2 und 3, ist sehr groß· Die maximale Belastung wird sowohl von der Fähigkeit der Zelle, den erforderlichen Strom zu leiten, als auch von der Fähigkeit des Stromkreises, den Strom zu führen, bestimmt. Da der gesamte von der Zelle 24 abgegebene Strom den Stromkreis passiert, müssen die Tran-

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sistoren 10, 12 oder 50, 52 und 54, 56 oder 70, 72 in der Lage sein, den Strom fehlerlos zu übertragen.

Die kleinste Belastung, die fähig ist, den Konverter zu aktivieren, kann vorher bestimmt v/erden. Sie kann durch die Auswahl der Transistoren, der Konvertereingangsspannung, durch das Windungsverhältnis und die Anordnung der Anzapfungen bei der Konstruktion des Stromkreises berücksichtigt werden. Der Stromkreis kann so konstruiert werden, daß er unter einem, vorher festgelegten Belastungsniveau nichtleitend bleibt. Der Stromkreis wird aktiviert und beginnt bei dieser vorher bestimmten Belastung eine Spannung zu produzieren. Dieses Merkmal ist in Batterien nicht zu finden. Punktionstüchtige Batterien haben zwischen ihren Anschlußklemmen immer eine Spannung.

In Fig. 4 ist eine Batterieeinheit grafisch dargestellt, die eine einzelne Zelle 82 und einen GS/GS-Konverter 84 beinhaltet. Der GS/GS-Konverter 84 ist der in Fig. 3 gezeigte Stromkreis oder jeder andere GS/GS-Konverter, der mit der Zelle 82 vereinbar ist, wie z. B. die in den Fig. und 2 gezeigten Konverterstromkreise. Die Zelle 82 kann jede elektrochemische Zelle verkörpern, aber vorzugsweise werden Lithium/Schwefeldioxid-Zellen in bekannter Bauweise verwendet. In der Darstellung der vorliegenden Erfindung kann der Konverter 84 Lastschaltungen ausführen. Drei dieser Konverterstromkreise sind in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt. Für die Batterieeinheit 80 ist zur Funktionstüchtigkeit keine Lastschaltung erforderlich, und so braucht sie im Konverter 84 nicht vorhanden zu sein. Sollte sie doch vorhanden sein, schaltet sie während der Lagerung der Batterieeinheit 80 im wesentlichen die Ableitung der Zelle 82 aus.

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Zelle 82 und der Konverter 84 sind durch geeignete Leitungsmittel elektrisch miteinander verbunden, z· B· durch Laschen, Leitungen oder Drähte 86, 88 vom Konverter, die an die Zelle 82 angeschweißt oder angelötet sind. Die Zelle 82 ist mit dem Eingang des Konverters 84 verbunden· Der positive Teil der Zelle 82 ist mittels einer Lasche 86 durch die wahlweise Sicherung 90 mit den Emittern der Transistoren 70, 72 verbunden, wie in dem Stromkreis in Pig· 3 gezeigt· Der negative Teil der Zelle 82 ist mittels einer Lasche 88 mit der in der lütte liegenden Lasche 30 der Primärwicklung 16 des Invertertransformators 14 verbunden, und ebenfalls mit der H_aub_e 92, wie in Pig· 3 gezeigt·

Die Sicherung 90, die so ausgelegt ist, daß sie den Stromkreis öffnet, wenn sich die Zelle 82 bei einer Oberbelastung entlädt, kann aus Sieherungsdraht oder einem dünnen Teil der Lasche 88 zwischen der Zelle 82 und dem Konverter 84 bestehen. Die Sicherung 90 ist als Sicherung konstruiert und schützt das System, falls das Entladeniveau der Zelle 82 einen vorbestimmten Punkt erreicht, der außerhalb des vor-⁷ gesehenen Bereiches liegt. So ein Bereich kann entstehen, wenn die Batterieeinheit 80 kurzgeschlossen wird. Die Sicherung 90 wirkt durch den überschüssigen Strom, der während der unerwünschten hohen Entladungsrate entsteht. Der durch die Sicherung 90 fließende Strom heizt die Sicherung auf und verursacht so, daß ein Teil der Sicherung 90 schmilzt und dabei den Stromkreis zwischen der Zelle 82 und dem Konverter 84 öffnet. Die Sicherung 90 ist bei der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt wesentlich, aber das Entladen vieler Zellentypen (einschließlich Lithium/Schwefeldioxid-Zellen) zu hohen Strömen kann die Zellen ernsthaft schädigen·.

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Der positive Ausgang des Konverters 84 ist durch entsprechende Leitungsmaterialien vile z. B. Streifen, Laschen oder Draht mit einem äußeren elektrischen Verbindungsmittel 96 elektrisch verbunden.

Der negative Ausgang 30 ist mit der Haube 92 verbunden, die ein zweites elektrisches Verbindungsmittel durch den negativen Teil der Zelle 82 darstellt. Bei Gebrauch verbinden die elektrischen Verbindungsmittel 92, 96 den Ausgang des Konverters 84 mit dem Verbraucher. In der in Pig. 4 gezeigten Darstellung dienen die positiven Verbindungsmittel 96 auch als obere Bedeckung für die Batterieeinheit 80. Die obere Bedeckung 96 und die Haube 92 bilden das Gehäuse der Batterieeinheit 80.

Die Verbindungsmittel 92, 96 sind mittels einer Gummidichtung voneinander elektrisch getrennt. Die Zelle 82 und der Konverter 84 sind von der Batterieeinheit 80 isoliert und werden in der Batterieeinheit 80 mittels einer Gußmasse an ihrem Platz befestigt. Die Gußmasse 100 wird mittels zweier Löcher 102, 104 eingebracht. Die Gußmasse 100 kann aus Wachs, Epoxidharz oder anderen geeigneten herkömmlichen Gußmaterialien, die mit den anderen Komponenten der Batterieeinheit 80 verträglich sind, bestehen. Zwischen dem Boden der Zelle 82 und der Haube 92 ist eine Dichtungsscheibe gezeigt. Die Dichtungsscheibe sichert einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Zelle 82 und der Haube 92. Weiterhin schafft die Dichtungsscheibe 106 einen offenen Raum zwischen Zelle und Haube, für den Pail, daß bei der Belüftung der Zelle unerwünechterweise Gase entstehen. Die Verbindungsmaterialien 92, 96 der in der Pig* 4 gezeigten Darstellung sind als Teile der Batterieeinheit gezeigt. Sie könnten ebenso getrennte Anschlußklemmen jeglichen Typs, so z. B. Stecker und Buchsen oder Schnappverbindungen sein.

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Die Einheit 80 kann in fast jeder Größe hergestellt und so gestaltet werden, daß sie sich jeder speziellen Anwendung anpaßt· Es ist nur erforderlich, daß innerhalb der Einheit 80 ausreichend Platz für den Konverter 84 und für die Zelle 82 ist und daß die Kapazität der Zelle ausreicht, um eine Vorrichtung (nicht gezeigt) beim Benutzen der Batterieeinheit zu speisen· Die Möglichkeit, fast jede Anschlußklemme in Kombination mit vielen möglichen Größen und Formen der Batterieeinheit zu nutzen, gestattet, daß die Batterieeinheit 80 so hergestellt werden kann, daß sie mit herkömmlichen Batterietypen direkt austauschbar ist·

Die in Abb· 4 gezeigte Batterieeinheit 80 enthält nur eine einzige Zelle 82· Das macht eine Zellenumpolung, die bei Serienschaltung von Zellen auftreten kann, unmöglich· Eine Zellenwiederaufladung von einer außerhalb der Batterieeinheit befindlichen Quelle, die ein ähnliches Ergebnis wie die Zellenumpolung hervorrufen kann, kann durch die Anwendung eines Konverterstromkreises 84, wie in den Pig· 1,2 oder gezeigt, ausgeschaltet werden. Bei den in den Fig. 1 und 2 gezeigten Stromkreisen wird die Wiederaufladung durch die Anwendung von Dioden 36, 40 verhindert, deren Durchlaßrichtung von der positiven Anschlußklemme der Zelle 24 zum Transformator 14 und dann zu den Basen der Transistoren 10, 12 oder 50, 52, 54, 56 verläuft· Die Verhinderung von Zellenumpolung und Wiederaufladen sind wichtige Sicherheitsfaktoren bei vielen Batterien, einschließlich derer, die eine Lithiumanode besitzen·

Die Anwendung nur einer einzigen Zelle 82 erzeugt eine Batterieeinheit 80 von viel größerer Funktionstüchtigkeit als herkömmliche Viel-Zellenbatterien· Das wird dadurch hervorgerufen, daß der Lastschaltungskonverter 84 und die

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meisten GS/GS-Konverter viel zuverlässiger sind als herkömmliche elektrochemische Zellen. Die Batterieeinheit 80 der vorliegenden Erfindung, die nur eine einzige Zelle 82 und den Konverter 84 besitzt, ist zuverlässiger als Zweizellenbatterien und viel zuverlässiger als Viel-Zellenbatterien mit 5, 10 oder 100 Zellen.

Eine Batterieeinheit 80, die nur eine Zelle 82 enthält, wie in Pig. 4 gezeigt, ist die bevorzugte Darstellung der vorliegenden Erfindung. Die Fähigkeit des Konverterstromkreises, gezeigt in den Pig· 1, 2 oder 3» die innerhalb eines großen Bereichs variiert werden kann, gestattet eine große Variation der Ausgangsspannungen von einer einzigen Zelle 82. Bei der Anwendung einer Idthium/Schwefeldioxid-Zelle herkömmlicher Bauart mit einer Spannung von ungefähr 3 Volt kann im Vergleich dazu eine Spannung von 6 bis zu 1500 Volt erhalten werden, wenn man eine Batterieeinheit der vorliegenden Erfindung unter Benutzung ausgewählter Stromkreisparameter anwendet· In einigen Pällen ist eine Viel-Zellenbatterieeinheit wünschenswert (nicht gezeigt)·

Das kann dadurch erreicht v/erden, daß man die Einzelzellen in Serie oder parallel schaltet, abhängig: von der Eingangsspannung und dem erforderlichen Strom·

Eine höhere Eingangsspannung, die durch die Parallelschaltung von zwei oder mehr Zellen erhalten wird, kann die Effektivität der in den Pig. 1, 2 und 3 gezeigten Stromkreise erhöhen· Der Aufbau und die Effektivität des Stromkreises in Pig. 1 der vorliegenden Erfindung werden von dem folgenden Beispiel noch weiter veranschaulicht:

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Der Stromkreis in Pig« 1 wurde unter Verwendung von 2 Siliziumtransistoren 10, 12 hergestellt. Die Transistoren 10, 12 wurden an den sättigungsfähigen Transformator 14 angeschlossen· Der Transformator 14 besitzt eine in der Mitte angezapfte Primärspule 16 mit 12 Windungen und eine in der Mitte angezapfte Sekundärwicklung 18 mit 130 Windungen·

Die Sekundärspule 18 wurde auch bei 26, 28. bei 6 Windungen auf jeder Seite der Mittelanzapfung 46 angezapft. Die Primär- und Sekundärv/icklungen wurden auf einen Plastespulenkb'rper und einen Ferritkern gewiekelt.

Die direkte Stromquelle ist eine elektrochemische Zelle mit einer Lithiumanode und einem Schwefeldioxidelektrolyten und einem Depolarisator. Die Zelle 24 liefert 2,66 Volt zum Eingang des Stromkreises.

Am Ausgang sind zwei Kondensatoren parallel geschaltet worden, um die Ausgangsspannung zu filtern. Die Kondensatoren waren ein 10-Mikrofarad-Elektrolytkondensator von 35 Volt und ein 0,1-Mikrofarad-Keramikkondensator für Volt.

An 392 0hm Belastung angeschlossen, produzierte der Stromkreis 0,955 Ampere bei 2,66 Volt, die von der Zelle 24 produziert worden sind. Das ergab eine Gesamteingangsleistung von 2,54 Watt. Der Ausgang des Stromkreises betrug bei einer Belastung von 28,4 Volt und 0,0705 Ampere eine Gesamtleistung von 2,0 Watt. Das ergab eine Gesamteffektivität des Stromkreises von 80 %*

Claims

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1· Batterieeinheit, die ein Gehäuse mit mindestens einer elektrochemischen Zelle aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß das Gehäuse auch einen GS/GS-Konverterstromkreis besitzt, der elektrisch mit der Zelle bzw· den Zellen, mit dem Ausgang des Konverters, mit dem Verbraucher und den Teilen, die zur Verhinderung des Stromflusses ,durch den Konverterstromkreis dienen, wenn kein Verbraucher mit dem Ausgang des Konverterstromkreises verbunden ist, wobei sich die Zelle bzw« die Zellen nur dann entladen, wenn der Verbraucher an den Konverterstromkreis angeschlossen ist, wobei der Konverterstromkreis derart ausgelegt ist, daß er eine Ausgangsspannung liefert, die im wesentlichen über der Nennspannung der Zelle bzw. den Zellen der Einheit liegt·

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Erfindungsanspruch

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mit den gegenüberliegenden äußeren Anschlüssen der Primärwicklung des Konvertertransformators verbunden sind, daß die Basiselektroden mit getrennten Anzapfungen der Sekundärwicklung des Invertertransformators und die Emitterelektroden mit einer positiven Klemme der elektrochemischen Zelle verbunden sind, daß ein Paar Dioden vorhanden ist, deren Katoden mit dem positiven Ausgang des Konverters verbunden sind und deren Anoden mit den gegenüberliegenden äußeren Anschlüssen der Sekundärwicklung verbunden sind·

2. Batterieeinheit nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Ausgangsspannung des Konverterstromkreises ein festgesetztes Vielfaches der Zellenausgangsspannung ist·

3· Batterieeinheit nach den Punkten 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß sie mindestens eine gegen Bedienungsfehler empfindliche Zelle aufweist und daß der Konverterstromkreis so angepaßt ist, daß er das Wiederaufladen der Zelle bzw. der Zellen verhindert·

4« Batterieeinheit nach den Punkten 1, 2 oder 3» gekennzeichnet dadurch, daß der GS/GS-Konverter einen Invertertransformator besitzt, der mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung mit Anzapfungen und mit mehr Wicklungen als die Primärwicklung versehen ist.

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5. Batterieeinhe.it nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis der Sekundärwicklungen zu den Primärwicklungen ungefähr 2 : 1 bis 50 : 1 beträgt,

6. Batterieeinheit nach jedem der vorherigen Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß der Konverterstromkreis mindestens eine Diode besitzt, die in Durchlaßrichtung zwischen einer positiven Elektrode der Zelle und dem positiven Anschluß des Konverters angeordnet ist, derart, daß die Wiederaufladung der Zelle verhindert wird.

7· Batterieeinheit nach den Punkten 4 und 5> gekennzeichnet dadurch, daß ein Mittelanschluß der Primärwicklung mit der positiven Klemme der elektrochemischen Zelle verbunden ist, sowie mit dem positiven Ausgang des Konverters; daß ein oszillierender Stromkreis mit einem Paar Transistoren vorhanden ist, wobei die Kollektorelektroden mit den gegenüberliegenden äußeren Enden der Primärwicklung verbunden sind, die Basiselektroden mit den getrennten Anzapfungen der Sekundärwicklung des besagten Invertertransfonnators und die Emitterelektroden mit der negativen Klemme der elektrochemischen Zelle, daß ein Paar Dioden vorhanden sind, deren Anoden mit dem negativen Ausgang des Konverters verbunden sind und deren Katoden mit den gegenüberliegenden äußeren Anschlüssen der sekundären Wicklung des Invertertransfonnators verbunden sind.

8. Batterieeinheit nach den Punkten 4 oder 5» gekennzeichnet dadurch, daß die· Mittelanzapfung der Primärwicklung elektrisch mit der negativen Klemme der elektrochemischen Zelle und mit dem negativen Ausgang des Konverters verbunden ist, daß die Transistoren des oszillierenden Stromkreises so angeordnet sind, daß die Kollektorelektroden

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9· Batterieeinheit nach den Punkten 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß jeder Transistor mit einem zweiten Transistor verbunden ist, wobei der Emitter der ersten beiden Transistoren jeweils mit der Basis des entsprechenden zweiten Transistors verbunden ist„

10. Batterieeinheit nach den Punkten 7, 8 oder 9, gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis der Primärwicklung zu dem Teil der abgegriffenen Sekundärwicklung, der mit den Basiselektroden der Transistoren derart verbunden ist, daß die Spannung in dem abgegriffenen Teil der Sekundärwicklung geringer ist als die Durchschlagsspannung zv/ischen den Basis- und den Emitterelektroden der Transistoren·

11· Batterieeinheit nach jedem der vorhergehenden Punkte, gekennzeichnet dadurch, daß die Zelle eine Lithium enthaltende Anode besitzt·

12· Batterieeinheit nach Punkt 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Zelle einen Katodendepolarisierer besitzt, der Schwefeldioxid enthält.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen