Wiederaufladbare
Batterien, sogenannte „Akkumulatoren" oder „Akkus" dürfen nur
mit einer bestimmten maximalen Spannung geladen werden, welche beispielsweise
bei Lithium-Ionen-Batterien etwa
4.2V beträgt.
Wird diese maximal zulässige
Ladespannung für
längere
Zeit überschritten,
so kommt es in der Batterie zunehmend zur Zersetzung des Elektrolyten
und der Elektrodenmaterialien. Bei Lithium-Ionen-Batterien kann
sich insbesondere auch metallisches Lithium bilden, welches äußerst reaktiv ist.
Im
Laufe der zunehmenden Elektrolytzersetzung kommt es zur Freisetzung
von Gasen und daher zu einem Anschwellen des Batteriekörpers oder der
Zelle. Dies kann zum Öffnen
eines Sicherheitsventils führen,
wobei die möglicherweise
brennbaren Gase aus der Zelle entweichen können und so unter Umständen zu
einem Brand führen.
Bei
extremer Überladung
und dem Versagen des Sicherheitsventils kann es auch zur Explosion der
Zelle kommen. Aus Sicherheitsgründen
muss daher bei Anschwellen der Batterie, beispielsweise durch das
Anlegen einer zu hohen Spannung, der Stromfluss in der Zelle stark
verringert beziehungsweise möglichst
ganz unterbrochen werden.
Zum
Auftreten einer zu hohen Spannung an der Batterie während des
Aufladens kann es beispielsweise folgendermaßen kommen: Eine Möglichkeit,
die Batterien zu laden, besteht darin, einen konstanten Ladestrom
fließen
zu lassen. Um das zu erzielen, muss die Spannung an der Zelle variiert
werden, da, sobald sich eine Gegenspannung in der Batterie aufgebaut
hat, diese überwunden
werden muss, damit es überhaupt
zu einem Stromfluss kommt.
Eine
gängige
Lösung,
das Entzünden
oder gar das Explodieren einer Batterie zu verhindern, besteht darin,
dass die zu schützende
Batterie, beispielsweise eine Lithium- oder eine Lithium-Ionen-Batterie,
nur in Kombination mit einer elektronischen Schutzschaltung in einen
Batteriepack, also einem Set aus zumindest einer elektrochemischen Zelle,
eingebaut wird. Diese Schutzschaltung erfüllt unter anderem die Aufgabe,
beim Anlegen einer Spannung oberhalb der maximalen Spannung den Kontakt
zwischen dem Gerät
beziehungsweise dem Ladegerät
und der elektrochemischen Zelle oder auch bereits zwischen Ladegerät und der
Batterie, zu unterbrechen. Die Details der Ausführung der Schutzschaltungen
unterscheiden sich natürlich
je nach Hersteller und verwendetem Batterietyp, beispielsweise bezüglich Ansprechzeiten
oder Spannungsgrenzen.
Eine
weitere gängige
Möglichkeit
besteht darin, entsprechende elektronische Hardware-Schutzschaltungen
oder auch entsprechende einzelne Bauelemente außerhalb des Batteriepacks anzuordnen, wobei
die Batterie in diesem Fall natürlich
nur geschützt
ist, wenn sie in dem entsprechenden Gerät eingebaut ist.
Wesentliche
Nachteile einer derartigen Schutzschaltung bestehen beispielsweise
in
- 1) den zusätzlichen Kosten für den IC
(Integrated Circuit) und die weiteren Bauteile;
- 2) dem Platzbedarf, den dieser IC in Verbindung mit weiteren
notwendigen Bauelementen zuzüglich
einer entsprechenden Platine im Batteriepack oder im Gerät benötigt;
- 3) einer unter Umständen
eingeschränkten
Verfügbarkeit
der entsprechenden Bauelemente;
- 4) dem Stromverbrauch der Schutzschaltung, der typischerweise
im Bereich einiger μA
liegt;
- 5) Problemen, welche die Schutzschaltung bei ESD- und EMV-Tests verursachen
kann, das heißt
bei der Entladung von elektrostatischer Aufladung durch Beeinflussung
der vom Gerät
abgestrahlten elektromagnetischen Wellen (EMV = Elektromagnetische
Verträglichkeit,
ESD = Electrostatical Discharge).
In
vielen Geräten
wird das Ladeverfahren und damit auch die maximal an der Batterie
anliegende Spannung in Abhängigkeit
vom Batterietyp über ein
bestimmtes Programm gesteuert. Der Nachteil einer Softwarelösung besteht
darin, dass bei einem gelegentlichen Ausfall der Software ein Sicherheitsproblem
eintreten kann.
Solche
Softwareprobleme sind bei komplexeren Geräten keine Seltenheit. Sollte
zudem die Batterie falsch erkannt werden, also ein falscher Batterietyp
angenommen werden, wird natürlich
auch mit falschen Parametern und deshalb unter Umständen mit
einem falschen Algorithmus geladen.
Zusammenfassend
ergeben sich als die hauptsächlichen
Nachteile des bisher verwendeten Überladungsschutzes die mangelnde
Zuverlässigkeit einer
reinen Software-Lösung „im Ernstfall", sowie zusätzlicher
Kostenaufwand und Platzbedarf bei einer Lösung mittels zusätzlicher
Schaltungen.
Weiterer
Stand der Technik wird in den 1 bis 3 dargestellt.
Das
Dokument
De 696 05002
T2 offenbart weiterhin einen Dehnmessstreifen in einem
Messkreis, welcher ein Ausdehnen der Batterie detektiert. Über diesen
Messkreis wird ein Ladekreis gesteuert, so dass das Laden bei Detektion
einer Ausdehnung unterbrochen wird.
Nachteilig
daran ist, dass ein Messkreis und ein Ladekreis erforderlich sind.
Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein sicheres Aufladen
einer Batterie mit einfachen Mitteln zu gewährleisten.
Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird die
Zuleitung, mittels der eine Spannung an die Batterie angelegt wird,
aufgrund einer Ausdehnung des Batteriekörpers unterbrochen.
Der
Batteriekörper,
in dem sich auch der Elektrolyt befindet, dehnt sich aus, wenn für längere Zeit
eine zu hohe Spannung zwischen den Elektroden anliegt, da dann der
Elektrolyt dazu neigt, sich zu zersetzen, was beispielsweise unter
Bildung von Gasen geschieht.
Die
Erfindung basiert also auch auf dem Gedanken ein gefährliches
Anwachsen des Innendrucks aufgrund einer zu hohen anliegenden Spannung
zu verhindern beziehungsweise zu begrenzen, indem der Kontakt zur
Spannungsquelle unterbrochen wird.
Die
Erfindung weist den Vorteil auf, dass durch eine zu hohe anliegende
Spannung verursachte Schäden,
wie etwa das Entweichen von brennbaren Gasen oder Explosionen, vermieden
werden.
Hierbei
ist es vorgesehen, dass die Zuleitung zumindest teilweise aus elastischem
Material besteht, dessen Widerstand sich bei Dehnung wesentlich ändert. Aufgrund
des höheren
Widerstandes fällt dann
in diesem Bereich bereits Spannung ab, so dass an der Batterie selbst
eine geringere Spannung anliegt.
Eine
entsprechende Vorrichtung zum Laden einer Batterie mit einem Batteriekörper, in
der sich Elektroden und Elektrolyt befinden weist zumindest eine
Zuleitung aus zumindest teilweise elektrischem Material zum Anlegen
von Spannung auf, die derart mit dem Batteriekörper zusammenwirkt, dass bei
einer Veränderung
der Form des Batteriekörpers
die Zuleitung unterbrochen wird, indem im elastischen Bereich der
Zuleitung aufgrund des höheren
Widerstandes die Spannung abfällt
und an der Batterie selbst eine geringere Spannung anliegt.
Eine
Batterie mit einem entsprechenden Ladeschutz weist eine derartig
mit ihrem Batteriekörper gekoppelte
Zuleitung mit zumindest einem elastischen Bereich auf, dass eine
Formveränderung
des Batteriekörpers
ein Unterbrechen der Zuleitung zum Anlegen der Spannung an den Elektroden
bewirkt.
Eine
Batterie mit einer derartigen Vorrichtung eignet sich aufgrund ihrer
Sicherheit und der geringen zusätzlichen
Produktionskosten für
die "Schutzschaltung" insbesondere Batterien
in mobilen Geräten.
Die
Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele, die teilweise
auch in den Figuren gezeigt sind, näher erläutert.
Es
zeigen zunächst
die 1 bis 3 Ausführungsformen
gemäß dem Stand
der Technik
1a,
b eine Batterie im nicht ausgedehnten Zustand in Seitenansicht (1a)
und in Draufsicht (1b);
2a,
b eine Batterie in ausgedehntem Zustand in Seitenansicht und in
Draufsicht;
3a, 3b das Öffnen eines
Schalters bei Ausdehnen der Batterie,
und
die 4 eine Ausführung gemäß der Erfindung.
4a, 4b, 4c, 4d das
Verschieben zweier Kontaktflächen
gegeneinander bei Ausdehnung eines Batteriekörpers, welches zu einer Widerstandserhöhung führt, in
Seitenansicht und Draufsicht.
Stand der Technik:
In 1a ist
eine Batterie in Seitenansicht gezeigt. Am Batteriekörper 1 befindet
sich ein Pluspol 3 sowie eine Zuleitung 5 welche
vom Minuspol wegführt.
In 1b ist
diese Batterie nun in Draufsicht aus der Richtung A zu sehen. Die
Zuleitung 5 ist dabei als schraffierte Fläche dargestellt,
welche am Batteriekörper 1 angebracht
ist.
In
den 2a und 2b ist
diese Batterie nun in ausgedehntem Zustand in Seitenansicht beziehungsweise
Draufsicht zu sehen. In der 2a hat
sich der Batteriekörper 1 über die
ursprünglichen Abmessungen 7 hinaus
ausgedehnt. Dies führt
zu einer derartigen Dehnung der Zuleitung 5, dass diese durch
Abreißen
unterbrochen wird. Dies ist deutlicher in 2b, welche
die Batterie in Draufsicht zeigt, zu sehen. Somit wird ein weiteres
Anschwellen aufgrund einer zu hohen anliegenden Spannung vermieden.
Um
ein sicheres Unterbrechen der Zuleitung 5 zu gewährleisten,
dehnt sich der Batteriekörper 1 vorzugsweise
an der Stelle oder dem Bereich, wo die Zuleitung 5 sich
befindet. Dazu kann der Batteriekörper 1 auch aus verschiedenen
Materialien hergestellt sein, welche sich unterschiedlich leicht
dehnen lassen. Als Material für
den Batteriekörper 1 werden
beispielsweise Stahl, Aluminium oder auch laminierte Kunststoffe,
in denen Metallpartikel eingelagert sind, verwendet. Natürlich kann
eine inhomogenen Ausdehnung auch durch die Wahl der geometrischen
Abmessungen der Batterie erreicht werden: So dehnt sich die Batterie
unter Umständen
leichter an Seitenflächen
mit einer größeren Ausdehnung.
Damit
die Zuleitung bei Dehnung zuverlässig reißt, wird
die Zuleitung oder zumindest ein Teil davon zweckmäßigerweise
aus sprödem
Material gefertigt, welche sich nicht oder kaum dehnen lässt.
Zur
Verwendung bietet sich beispielsweise Nickel oder ein auf einem
spröden
Material aufgetragener Leiter an; ebenso sind galvanisch auf den
Batteriekörper
aufgetragene Metalle geeignet.
Des
Weiteren besteht die Möglichkeit,
dass die Zuleitung eine Sollbruchstelle aufweist, welche beispielsweise
aus sprödem,
nicht dehnbarem Material gefertigt ist. Die Sollbruchstelle kann
auch mechanisch herbeigeführt
werden, beispielsweise durch eine Perforation der Zuleitung oder/und
eine Verengung oder/und eine Verdünnung des Materials an der Sollbruchstelle.
Um
ein sicheres Abreißen
zu gewährleisten, sollte
des Weiteren berücksichtigt
werden, dass eine metallische Zuleitung sich bei Wärme ausdehnt.
Eine wesentliche Erwärmung
der Batterie findet aber gerade beim Überladen der Batterie statt.
Deswegen sollte das Material der Zuleitung 5 im entsprechenden
Temperaturbereich einen nur geringen Ausdehnungskoeffizienten vorweisen.
Eine
alternative Ausführung
der Überladungssicherung
ist in den 3a und 3b zu
sehen. Hier wird durch die Ausdehnung des Batteriekörpers 1 ein
Schalter 9 geöffnet,
welcher die Zuleitung unterbricht. Dazu befindet sich am Batteriekörper 1 eine
Ausstülpung 11.
Bei normalem Innendruck im Batteriekörper 1 ist die Ausstülpung 11 nach
innen gerichtet. Die Erhöhung
des Innendrucks bewirkt, wie in 3b zu
sehen, das Herausklappen der Ausstülpung 11, wodurch
dann der Schalter 9 geöffnet
wird, welcher die Zuleitung unterbricht. Ebenso kann dieser Schalter
einen Kreis schließen,
welcher einen gegenüber
dem Widerstand der Batterie (beispielsweise dem Innenwiderstand)
kleinen Widerstand aufweist, so dass der Stromkreis außerhalb
der Batterie im Wesentlichen kurzgeschlossen ist.
In
den 4a und 4b ist
zu sehen, wie sich durch die Ausdehnung des Batteriekörpers ein Kontakt "öffnet", das heißt in diesem Fall, dass der Widerstand
des Kontaktes heraufgesetzt ist. Der Kontakt weist in diesem Fall
eine aus zwei Teilen bestehende Zuleitung auf, einem ersten Teil 13 und
einem zweiten Teil 15. Erster Teil 13 und zweiter
Teil 15 der Zuleitung überlappen
sich in einem Überlappungsbereich 17.
Bei Ausdehnung reduziert sich dieser Überlappungsbereich 17,
wie in 4b zu sehen ist. In den 4c und 4d ist
dieser Sachverhalt in Seitenansicht zu sehen. In 4c ist
der Batteriekörper
nicht ausgedehnt, erster Teil der Zuleitung 13 und zweiter
Teil der Zuleitung 15 überlappen
sich im Überlappungsbereich 17.
Zwischen den beiden Zuleitungen befindet sich eine leitende Masse 19,
beispielsweise aus einem PTC-Material (PTC: Positive Temperature
Coefficient). PTC-Material besteht aus einem elastischen Polymer,
in welches elektrisch leitende Partikel, beispielsweise aus Metall
oder Kohlenstoff, eingelagert sind. Dehnt sich nun diese elastische
Masse, so nimmt der Abstand zwischen den Metallpartikeln zu, wodurch
sich der Widerstand der leitenden Masse 19 vergrößert. Bei
einer Ausdehnung des Batteriekörpers 1 verkleinert
sich der Überlappungsbereich 17,
was in der Seitenansicht in 4d gezeigt
wird. Dadurch, dass sich erster Teil 13 und zweiter Teil 15 der
Zuleitung voneinander wegbewegen, wird die leitende Masse 19 gedehnt. Dadurch
vergrößert sich
der Widerstand dieses Kontakts, weshalb dann eine größere Spannung
an diese Widerstand abfällt,
wodurch letztlich die an der Batterie anliegende Spannung reduziert
wird. Auch keramische Dehnungsmesstreifen sind unter Umständen anstelle
des PTC-Materials einzusetzen. Ebenso wie PTC lässt sich auch eine leicht abreißbare leitende Masse
einsetzen, wodurch die Zuleitung dann im Falle der Ausdehnung vollständig unterbrochen
wird.