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Die
Erfindung betrifft in erster Linie eine Vorrichtung zur Kontrolle
des Ladevorgangs bei einem wiederaufladbaren galvanischen Element
sowie ein galvanisches Element, das eine solche Vorrichtung aufweist.
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Bei
wiederaufladbaren galvanischen Elementen, insbesondere bei sogenannten
Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Polymer-Zellen, ist es sehr wichtig,
den Ladevorgang zu kontrollieren. Es muß dabei insbesondere ein Überladen
der Elemente durch Anlegen einer zu hohen Ladespannung vermieden
werden. Werden bestimmte Spannungsgrenzwerte beim Ladevorgang überschritten,
insbesondere dauerhaft überschritten,
so kann das entsprechende galvanische Element beschädigt oder zerstört werden.
Insbesondere bei den genannten Lithium-Zellen besteht sogar die
Gefahr, daß diese
in Brand geraten.
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Deshalb
sind derzeit bei wiederaufladbaren galvanischen Elementen, insbesondere
bei wiederaufladbaren Lithium-Zellen, elektronische Schaltungen
(integrierte Schaltkreise, IC) als Überladeschutz bzw. Überspannungsschutz
vorgesehen. Solche Schaltungen prüfen dabei aktiv und kontinuierlich
definierte Parameter, wie z. B. die Ladespannung, und schalten im
Falle einer Überschreitung
bestimmter Grenzwerte bestimmte Bauteile der Schaltung, z. B. in
Reihe geschaltete Halbleiterelemente (z. B. MOS-FET) definiert aus.
Das entsprechende galvanische Element, das dem Ladevorgang unterworfen ist,
wird dadurch aktiv von der Ladespannung getrennt.
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Die
genannten elektronischen (Schutz-)Schaltungen sind jedoch zum einen
vergleichsweise störanfällig. Zum
anderen sind sie vergleichsweise teuer und nehmen auch ein großes Volumen
ein, was bei vielen Anwendungen für galvanische Elemente, insbesondere
Lithium-Zellen, nicht akzeptabel ist.
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Dementsprechend
stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine neue Möglichkeit
für einen Überladeschutz
bzw. Überspannungsschutz
für galvanische Elemente
bereitzustellen. Die entsprechende Vorrichtung soll dabei insbesondere
für eine
Anwendung bei Lithium-Ionen-Zellen oder Lithium-Polymer-Zellen geeignet
sein. Darüber
hinaus soll sie in Ausführungen
bereitgestellt werden können,
die aus vergleichsweise billigen Bauteilen bestehen und/oder ein
vergleichsweise geringes Volumen einnehmen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die eingangs genannte Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1. Bevorzugte Ausführungsformen
dieser Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8
beschrieben.
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Darüber hinaus
umfaßt
die Erfindung ein wiederaufladbares galvanisches Element, das mindestens
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
aufweist, sowie ein Verfahren, das mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durchführbar
ist.
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Der
Wortlaut sämtlicher
Ansprüche
wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
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Erfindungsgemäß umfaßt die beanspruchte Vorrichtung
zur Kontrolle des Ladevorgangs bei einem wiederaufladbaren galvanischen
Element
- – mindestens
ein erstes Element, das in Abhängigkeit
von der Ladespannung Wärme
erzeugt, und
- – mindestens
ein zweites Element, das in Abhängigkeit
von der Wärme,
die vom ersten Element erzeugt wird, den Ladestrom verringert oder
abschaltet,
wobei das erste Element und das zweite Element derart
zueinander angeordnet sind, daß eine
Wärmeübertragung
vom ersten Element auf das zweite Element stattfinden kann.
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Die
Erfindung beruht also auf der überraschenden
Erkenntnis, daß die
zum Laden/Wiederaufladen des galvanischen Elements benutzte Ladespannung
auch gezielt zur Erzeugung von Wärme genutzt
werden kann, wobei diese Wärme
wiederum zum Verringern oder zum Abschalten des Ladestroms einsetzbar
ist. Die dazu verwendeten (Bau-)Elemente der Vorrichtung sind dabei
so zueinander angeordnet, daß die
vom ersten Element erzeugte Wärme
auf das zweite Element, das den Ladestrom verringert oder abschaltet, übertragen
werden kann.
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Durch
die Erfindung wird dementsprechend eine Vorrichtung zur Kontrolle
des Ladevorgangs bereitgestellt, bei der nicht aktiv irgendwelche
Parameter kontrolliert werden müssen,
sondern die sich von selbst (passiv) auslöst, um den Ladestrom zu verringern
oder ganz abzuschalten.
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Grundsätzlich können in
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
alle Bauteile als erstes Element verwendet werden, die eine Wärmeerzeugung
in Abhängigkeit
von der Ladespannung ermöglichen.
Dies wird in der Re gel vorzugsweise so ablaufen, daß die Wärmeerzeugung
ab einer bestimmten Ladespannung einsetzt und mit steigender Ladespannung
zunimmt. Besonders geeignet sind hier Dioden mit ihrem charakteristischen
Strom-Spannungs-Verhalten.
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Erfindungsgemäß besonders
bevorzugt einsetzbar sind die sogenannten Zener-Dioden (auch genannt
Z-Dioden), die dem Fachmann ohne weiteres bekannt sind. Ab einer
bestimmten Spannung, die durch Wahl der Zener-Diode ausgewählt werden kann,
wird die Diode niederohmig, d. h. die Stromstärke steigt (stark) an. Dadurch
wird von dieser Diode (als erstem Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung)
Wärme erzeugt.
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In
Weiterbildung ist das erste Element, insbesondere die Diode/Zener-Diode bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorzugsweise so angeordnet, daß es
beim Ladevorgang parallel zu dem (zu ladenden) galvanischen Element
geschaltet ist. Wie später
noch erläutert
wird, öffnet
das Element auf diese Weise bei steigender Ladespannung und leitet
so einen Teil des Ladestroms an dem zu ladenden galvanischen Element
vorbei. Dabei wird, wie oben bereits dargestellt, Wärme erzeugt.
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Bei
dem zweiten Element der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es sich
grundsätzlich
um jedes beliebige Bauteil handeln, das in Abhängigkeit von der Temperatur,
d. h. in Abhängigkeit
von der auf das Bauteil übertragenen
Wärme,
den Ladestrom verringern oder abschalten kann.
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Dementsprechend
handelt es sich bei dem zweiten Element vorzugsweise um mindestens
einen sogenannten Thermoschalter (oder auch Temperaturschalter).
Bei der Erfindung wird es sich hier in der Regel um sogenannte Bimetallschalter
handeln. Dies sind Streifen oder Plättchen aus Bimetall, einem
Verbund aus zwei Metallen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten.
In Abhängigkeit
von der Temperatur verbiegt sich der Streifen und betätigt einen
Sprungschalter, der ein Off nen/Schließen des Stromkreises bewirkt.
Derartige Thermoschalter bzw. Temperaturschalter sind dem Fachmann
bekannt.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können
auch sogenannte PTC-Widerstände als
zweites Element eingesetzt werden. Solche auch als PTC-Thermoschalter
oder als Kaltleiter bezeichneten Widerstände reagieren auch auf den
sie durchfließenden
Strom. Es handelt sich hierbei um stromleitende Materialien, die
bei tieferen Temperaturen den Strom besser leiten können als
bei hohen. Dementsprechend vergrößert sich
ihr elektrischer Widerstand bei steigender Temperatur. Auch solche PTC-Widerstände sind
dem Fachmann bekannt.
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In
Weiterbildung ist das zweite Element bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorzugsweise so angeordnet, daß es
beim Ladevorgang in Reihe zu dem galvanischen Element geschaltet
ist. Auf diese Weise führt
die bei steigender Temperatur eintretende Erhöhung des Widerstands zu einer
Verringerung des Ladestroms und damit zu einer Begrenzung der Spannung,
die an dem aufzuladenden galvanischen Element anliegt.
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Wie
bereits erläutert,
ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erforderlich, daß eine Wärmeübertragung
vom ersten Element auf das zweite Element stattfinden kann. Dabei
ist es bevorzugt, wenn das erste Element und das zweite Element
direkt miteinander in Kontakt stehen, um eine Wärmeleitung zwischen dem ersten
Element und dem zweiten Element zu ermöglichen. In diesen Fällen kann
zur Verbesserung der Wärmeübertragung (hier:
Wärmeleitung)
zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element mindestens ein
wärmeleitfähiges Material
vorgesehen sein. Dabei handelt es sich insbesondere um sogenannte
Wärmeleitpasten, wie
sie dem Fachmann beispielsweise aus dem Gebiet der Elektronik bekannt
sind. Derartige Materialien werden von verschiedenen Herstellern
kommerziell angeboten.
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Wie
bisher erläutert,
umfaßt
die Erfindung die beschriebene Vorrichtung zum Überladeschutz/Überspannungsschutz
für wiederaufladbare galvanische
Elemente. Eine solche Vorrichtung kann dabei selbstverständlich als
separates Bauteil vorliegen und gegebenenfalls auch kommerziell
vertrieben werden. Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch
auch einem Ladegerät
für ein
wiederaufladbares galvanisches Element oder auch einem entsprechenden
wiederaufladbaren galvanischen Element zugeordnet sein. Beide Anwendungen
sollen ebenfalls von der Erfindung umfaßt sein. Dabei ist es bevorzugt,
wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung dem
wiederaufladbaren galvanischen Element selbst zugeordnet ist.
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Dementsprechend
umfaßt
die Erfindung auch ein wiederaufladbares galvanisches Element, das
die bisher beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist. Insbesondere
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
dabei mit dem galvanischen Element zu einem Bauteil zusammengefaßt, insbesondere
auch in dieses galvanische Element integriert sein.
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Bei
den zuletzt genannten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen galvanischen
Elements ist es bevorzugt, wenn das galvanische Element und die
erfindungsgemäße Vorrichtung
derart zueinander angeordnet sind, daß eine Wärmeübertragung zwischen ihnen stattfinden
kann. Dabei soll insbesondere eine Wärmeübertragung vom dem galvanischen
Element auf die erfindungsgemäße Vorrichtung
stattfinden. Auf diese Weise kann die Wärmeentwicklung, die bei einem
Ladevorgang im galvanischen Element auftritt, zusätzlich genutzt
werden, um, sofern erwünscht,
eine Verringerung des Ladestroms oder dessen Abschaltung zu bewirken.
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Wie
bereits beschrieben, können
in den zuletzt genannten Fällen
auch hier das galvanische Element und die Vorrichtung direkt miteinander
in Kontakt stehen, wobei auch hier zusätzlich wärmeleitfähige Materialien, insbesondere
Wärmeleitpasten,
zwischen dem galvanischen Element und der Vorrichtung vorgesehen
sein können.
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Wie
bereits erläutert,
handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen galvanischen Element, das
zusätzlich
mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung
aufweist, vorzugsweise um eine Lithium-Ionen-Zelle oder um eine
Lithium-Polymer-Zelle.
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Schließlich verwirklicht
sich die erfindungsgemäße Erkenntnis
auch in dem in Anspruch 12 dargestellten Verfahren. Dementsprechend
wird bei einem Verfahren zur Kontrolle des Ladevorgangs bei einem
wiederaufladbaren galvanischen Element, insbesondere bei einer Lithium-Ionen-Zelle oder einer Lithium-Polymer-Zelle,
Wärme,
die von einem ersten Element in Abhängigkeit von der Ladespannung
erzeugt wird, auf ein zweites Element übertragen. Dieses zweite Element
verringert dann den Ladestrom beim Ladevorgang in Abhängigkeit
von der übertragenen
Wärme oder
schaltet diesen Ladestrom ab.
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Im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird hiermit
ausdrücklich
auf die bisherigen Ausführungen
Bezug genommen und verwiesen.
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Wie
aus den bisherigen Erläuterungen
hervorgeht, ist die Erfindung unter anderem mit dem Vorteil verbunden,
daß ein
effektiver Überlade- bzw. Überspannungsschutz
ohne integrierte Schaltungen bereitgestellt werden kann. Außerdem läßt sich
die Erfindung mit vergleichsweise preisgünstigen Bauteilen, wie Dioden
oder Thermoschaltern, realisieren. Solche Bauteile nehmen auch wesentlich
weniger Volumen ein, als die bei integrierten Schaltungen der Fall
ist. Diese Vorteile sind von entscheidender Bedeutung für viele
Anwendungen von wiederaufladbaren galvanischen Elementen, beispielsweise
auf dem Gebiet der Elektronik, insbesondere Unterhaltungselektronik
und dergleichen.
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Die
genannten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nun folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der Abbildungen
in Verbindung mit den Unteransprüchen.
Dabei können
die einzelnen Merkmale der Erfindung für sich allein oder in Kombination
miteinander verwirklicht sein. Die im folgenden beschriebenen Ausführungsformen
dienen lediglich zur Erläuterung
und zum besseren Verständnis
der Erfindung und sind in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
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In
den Zeichnungen zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung, die
in vergleichsweise allgemeiner Weise das Funktionsprinzip der Erfindung
darstellt.
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2 eine
konkrete Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer Zener-Diode als erstem Element und einem PTC-Widerstand als
zweitem Element, und
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3 eine
weitere konkrete Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einer Zener-Diode als erstem Element und einem Thermoschalter
als zweitem Element.
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In 1 ist
das schematische Schaltungsbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Dabei repräsentieren
die Kontakte 1 die Stromversorgung durch ein nicht dargestelltes
Ladegerät. Das
zu ladende galvanische Element (Batterie), das ebenfalls nicht dargestellt
ist, wird an die Kontakte 2 angeschlossen.
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Weiter
sind als erstes Element (wärmeerzeugendes
Element) eine Zener-Diode 4 vorgesehen und ein zweites
Element 3, das durch den griechischen Buchstaben Theta
symbolisiert ist und das den Ladestrom verringern oder abschalten
kann. Zweites Element 3 und Zener-Diode 4 sind
miteinander wärmegekoppelt
und liegen dicht beieinander, was durch die rechteckförmige Umfangslinie
in der 1 dargestellt ist. In der tatsächlichen Ausführung sind
das zweite Element 3 und die Zener-Diode 4 mit Hilfe einer nicht
dargestellten Wärmeleitpaste
verbunden.
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Die
Zener-Diode 4 wird so gewählt, daß sich der durch sie fließende Strom
stark erhöht,
wenn die Ladespannung erhöht
wird und sich der maximalen Endspannung (Ladeschlußspannung)
annähert
oder diese erreicht. Zu diesem Zweck ist die Zener-Diode der zu
ladenden Batterie parallel geschaltet.
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Mit
der Erhöhung
der Stromstärke
ist eine Wärmeentwicklung
verbunden, die durch die Wärmekopplung
zum großen
Teil auf das zweite Element 3 übertragen wird. Wird an diesem
zweiten Element 3 eine bestimmte, vorher ausgewählte Temperatur überschritten,
reagiert dieses zweite Element dadurch, daß es entweder seinen Widerstand
erhöht oder
den Stromfluß vollständig unterbricht
(„abschaltet").
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Auf
diese Weise wird bei der Ausführung
gemäß 1 der
erforderliche Überladungsschutz
gewährleistet.
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In 2 ist
eine Ausführung
mit einer Zener-Diode 4 als erstem Element und einem PTC-Widerstand
als zweitem Element 3 dargestellt. Auch hier sind die Elemente 3 und 4 durch
direktem Kontakt und über
eine Wärmeleitpaste
miteinander wärmegekoppelt
(Darstellung durch die rechteckförmige Umrandung).
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Gemäß 2 fließt der Ladestrom
vom Pluspol 1 über
den PTC-Widerstand 3 zum Pluspol 2. Der Stromkreis
wird insgesamt über
die Batterie (Kontakte 2) und die Minuspole, die miteinander
verbunden sind, geschlossen.
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Zunächst fließt der Ladestrom
aufgrund der normalen (niedrigen) Temperatur nahezu ungestört. Wenn
die Ladespannung den Bereich von 4,2 V (beispielsweise maximale
Spannung bei Lithium-Zellen) erreicht, beginnt ein Strom durch die
Zener-Diode 4 zu fließen.
Die Zener-Diode 4 ist entsprechend ausgewählt. Dadurch
entsteht eine Verlustleistung an der Zener-Diode 4, die
diese und durch die Wärmekopplung
auch den PTC-Widerstand 3 erwärmt. Bei ansteigender und schließlich hinreichender
Erwärmung
erhöht
sich der Widerstand des entsprechend ausgewählten PTC-Widerstands 3 stark
und führt
somit zu einer Verringerung des Ladestroms. Dadurch wird der durch
die Batterie fließende
Ladungsstrom sehr stark reduziert.
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Auf
diese Weise wird der erfindungsgemäß erwünschte Effekt des Überladeschutzes
erreicht.
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In
entsprechender Weise zeigt 3 eine Ausführung mit
einer Zener-Diode
als erstem Element 4 und einem Thermoschalter als zweitem
Element 3. Auch diese sind unter Wärmekopplung mit einer Wärmeleitpaste
entsprechend zusammengeschaltet.
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In
vergleichbarer Weise wie in 2 fließt auch
hier der Ladestrom vom Pluspol 1 über den Thermoschalter 3 zum
Pluspol 2. Auch hier ist der Stromkreis über die
Batterie bei den Kontakten 2 und die Minuspole, die miteinander
verbunden sind, geschlossen. Auch hier fließt der Ladestrom zunächst ungestört, bis
durch Erhöhung
der Ladespannung (Bereich 4,2 V) ein Strom durch die Zener-Diode 4 zu fließen beginnt.
Auch hier entsteht dann durch die Verlustleistung an der Zener-Diode 4 Wärme, die über die
Wärmekopplung
den Thermoschalter erwärmt.
Nach Erreichen der durch die Ausgestaltung des Thermoschalters gewählten Temperatur
schaltet der Thermoschalter um und unterbricht in diesem Fall den
Ladestrom vollständig.
Es fließt
dann gar kein Ladestrom mehr durch die Batterie.