DE1513496C3 - Vorrichtung zum Schutz einer Akkumulatorenzelle einer aus mehreren Akkumulatorenzellen bestehenden Akkumulatorenbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Schutz einer Akkumulatorenzelle einer aus mehreren Akkumulatorenzellen bestehenden Akkumulatorenbatterie gegen einen über die Akkumulatorenzelle fließenden Störstrom, bestehend aus einem mit den Klemmen der Akkumulatorenzelle verbundenen zweipoligen Halbleiterbauteil.

Durch die französische Patentschrift 1025 137 ist es bekannt, daß bei einer Anordnung zum Inbetriebsetzen von gasdichten Akkumulatoren von den Akkumulatorenzellen selbst auf geeignete Weise polarisierte Dioden dauernd in Nebenschluß mit diesen angeordnet sind und daß diese Dioden leitend werden, wenn sich die Polarität der Akkumulatorenzellen umkehrt. Zu diesem Zweck ist die der Akkumulatorenzelle im Nebenschluß liegende Diode so gerichtet, daß sie den Stromdurchgang vom negativen Pol zum positiven Pol der Akkumulatorenzelle zuläßt. Unter diesen Umständen steuert die Akkumulatorenzelle selbst durch den Wert der Spannung an den Klemmen das Öffnen oder Schließen des von der Diode gebildeten Stromkreisteilstückes. Auf diese Weise erlaubt die Parallelschaltung von Akkumulatorenzelle und Diode immer den Stromdurchgang im Sinne der Entladung. Soweit es sich um eine normale Entladung handelt, d. h., solange der Akkumulator von selbst in den äußeren Stromkreis Strom liefert, stellt die Akkumulatorenzelle den Stromdurchgang durch die als Ganzes gesehene Batterie sicher. Wenn die in Frage stehende Akkumulatorenzelle aufhört Strom abzugeben, d. h., wenn sie vollständig entladen ist und wenn dadurch wenigstens einer ihrer Pole umgekehrt wird, was eine Umkehrung der Spannung an den Klemmen zur Folge hat, wird die Diode durch diese umgekehrte Polarität leitend, und die Fortsetzung des Fließens des Stroms durch die gesamte Batterie wird dann durch sie sichergestellt, ohne daß der Strom durch die Akkumulatorenzelle fließt. Diese ist dann den schädlichen elektrochemischen Veränderungen entzogen, die während dieser Umkehrung durch Ansammlung von Gasen seine Zerstörung bewirken können.

Durch die deutsche Auslegeschrift 1 100 149 ist es bekannt, zwischen eine Klemme eines Ladegerätes und einer Klemme einer Akkumulatorenzelle einen Widerstand zu legen, wobei eine Diode, die in Reihe

ίο mit einem Widerstand liegt, der Akkumulatorenzelle parallel geschaltet ist. Diese Maßnahme dient dem Schutz der Akkumulatorenzellen gegen das Anlegen einer übermäßigen Ladespannung.

Die bekannten Kombinationen von Akkumulatorenzellen und Dioden bieten somit nur jeweils einen Schutz, der entweder gegen negative Spannungen oder bei übermäßig großen positiven Spannungen an den Akkumulatorenzellen gegeben ist.

Um einen Schutz des Elementes einerseits gegen einen Umkehrstrom und andererseits auch gegen einen Uberladungsstrom zu erhalten, wenn die Ladespannung einen bestimmten Wert übersteigt, wäre es an sich naheliegend, in Anwendung der in dieser französischen Patentschrift beschriebenen Erfindung zwei bekannte Schutzvorrichtungen parallelzuschalten, und zwar die eine in »Entlade«-Richtung und die andere in »Lade«-Richtung.

Eine derartige Schaltung ist weder in technischer noch in wirtschaftlicher Hinsicht zufriedenstellend.

Eine solche Schaltung bietet einen ungenügenden Schutz; sie unterbricht nämlich den Strom eines Batterieelementes nur dann, wenn die an seinen Klemmen liegende Spannung einen Wert von — 0,3 V erreicht. Diese Vorrichtung könnte also in dem Zeitabschnitt zwischen der Polaritätsumkehrung und dem Erreichen der Spannung von — 0,3 V keinen Schutz gewährleisten. Die Schutzverzögerung wäre nicht sehr groß, wenn die beiden Elektroden einer Zelle die gleiche Ladung hätten. Dieser Fall kommt jedoch in der Praxis selten vor. Die Verzögerung kann jedoch groß sein, wenn die Elektroden nicht die gleiche Ladung haben, was in der Praxis im allgemeinen der Fall ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die be-■45 kannte, eingangs beschriebene Vorrichtung so zu verbessern, daß ein lückenloser Schutz einer einzelnen j Akkumulatorenzelle gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Halbleiterbauteil eine Backward-Diode ist, die so dimensioniert ist, daß sie einen hohen Strom durchlassen kann, wenn an den Klemmen entweder eine der Polarität der Akkumulatorenzelle entgegengesetzte oder eine zwar gleichgerichtete, aber einen bestimmten Schwellwert übersteigende Spannung auftritt und die einen vernachlässigbar kleinen Strom durchlassen kann, wenn die an den Klemmen anliegende Spannung zwischen Null und dem genannten Schwellwert liegt.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. 1 den Aufbau eines erfindungsgemäß geschützten Akkumulators,

Fig. 2 den grundsätzlichen Verlauf der Strom-Spannungs-Kennlinie der erfindungsgemäß verwendeten Backward-Diode,

Fig. 3 den tatsächlichen Verlauf dieser Strom-

Spannungs-Kennlinie, und

F i g. 4 zwei für unterschiedliche Zwecke geeignete Strom-Spannungs-Kennlinien.

InFig. 1 ist A eine positive Elektrode, B eine negative Elektrode, C ein Verschluß des dichten oder durchlässigen Akkumulators, beispielsweise ein Ventil, D eine Diode, deren Kathode mit dem negativen Pol verbunden ist, E der Elektrolyt, der unbeweglich oder frei, ohne Überschuß oder im Überschuß vorhanden sein kann.

Fig. 2 zeigt die Kennlinie der verwendeten Backward-Diode. Diese Kennlinie umfaßt drei verschiedene Abschnitte:

Abschnitt AB, in dem die Diode für die negative Spannung frei leitend wird, d. h., wenn die Spannung an den Klemmen des Akkumulators umgekehrt wird. Das bewirkt, daß der der genannten Diode zugeordnete Akkumulator während der Umkehr seiner Polarität den elektrochemischen Wirkungen des Stroms entzogen wird, der ihn normalerweise durchfließt, wenn der betreffende Akkumulator beispielsweise einen Teil einer Batterie bildet.

Abschnitt BC, in dem die Diode nicht oder in vernachlässigbar kleinem Maß leitend ist. Auf diese Weise wird während der Entladung oder in Ruhelage die Selbstentladung des Akkumulators verhindert.

Abschnitt CD, in dem die Diode von einer bestimmten positiven Spannung an frei leitend wird; auf diese Weise kann der Akkumulator der Wirkung des ihm schädlichen Stromes am Ende der Ladung und während der Überladung entzogen werden.

In der Praxis kann die vorstehend beschriebene Kennlinie ABCD durch Verwendung bestimmter Typen von Dioden erzielt werden. Bei diesen Dioden wird der dem nicht leitenden Bereich entsprechende Abschnitt BC durch Verbindung der beiden Abschnitte AB und CD erzielt, die in Wirklichkeit nicht in Form einer gebrochenen Linie verbunden sind.

Fig. 3 zeigt den Verlauf der tatsächlichen Kennlinie. Hier unterscheidet man die folgenden Abschnitte:

Abschnitt AB, in dem die Diode für die negativen Spannungen frei leitend wird.

Abschnitt CD, der praktisch eine Gerade ist, in der die Diode von einer gewissen Polarisation Vo an, die man durch Überschneiden des geraden Abschnitts CD mit der Achse der Spannung am Punkt Co erhält, frei leitend wird.

Abschnitt BST, in dem die Diode für bestimmte positive Spannungen, die niedriger sind als Vo schwach leitend wird.

Es ist ersichtlich, daß der verlängerte Abschnitt CD der Kennlinie die Spannungsachse am Punkt Co schneidet, der im wesentlichen von der Art des die Verbindung bildenden Hauptkörpers und nicht von der Dotierung von Unreinheiten abhängt. Der Spannungswert am Punkt Co liegt für eine Siliziumdiode in der Größenordnung von 0,7 V und für eine Germaniumdiode in der Größenordnung von 0,5 V.

Dagegen kann der Abschnitt AB so eingestellt werden, daß er eine mehr oder weniger starke Steigung aufweist. Je größer der absolute Wert dieser Steigung ist, desto kleiner ist der Wert der Spannung, für den man eine Polarisation zu erhalten wünscht, die einen bestimmten Strom von / Ampere über die Verbindung der Diode abgibt. Je geringer andererseits der absolute Wert der Steigung des Abschnittes AB ist, desto flacher ist der Abschnitt BT. Wenn man folglich eine Verringerung des Leckstroms zu erhalten wünscht, muß die Gerade AB eine Steigung aufweisen, die so

" gering wie möglich ist. Dagegen wird der Spannungswert der negativen Polarisation für einen bestimmten Strom größer.

F i g. 4 zeigt die verschiedenen möglichen Anordnungen, die es erlauben, die vorteilhafteste Lösung für jeden besonderen Fall zu finden,
ίο In Fig. 4 sind zwei Anordnungen der Kennlinie dargestellt:

AlBSlTCD und AlBSlTCD;

die beiden Kennlinien unterscheiden sich praktisch nur in der Stellung, die die Charakteristik AB einnimmt, die variabel sein kann. Die Stellung der Charakteristik CD bleibt praktisch unverändert.

Wenn also eine an ihrem Maximum S sehr flache Kennlinie gewünscht wird, zieht dies zwangläufig eine in bezug auf die Stromachse / stärkere Neigung des Abschnitts AB nach sich. Wenn der Abschnitt AB mehr senkrecht sein soll, ergibt sich daraus eine größere Ordinate des Maximums S.

Daher muß die Kurve AlBSlCD bevorzugt verwendet werden, wenn der über die Diode fließende Strom bei Falschpolung stark ausgeprägt sein soll. Wenn man jedoch sehr verminderte Leckströme während der Ruhelage oder während des ersten Teils der Ladung wünscht, ist es von Nutzen, die Kurve AlBSlCD zu verwenden.

Man kann auch die Steigung der Geraden AB durch Verwendung einer geeigneten Diode beeinflussen, um einen vorteilhaften Spannungswert der negativen Polarisation unter Berücksichtigung der über die Verbindung laufenden Stromabgabe zu erhalten.

Es ist weiterhin zu bemerken, daß, wenn es besonders vorteilhaft erscheint, eine Diode einer solchen Kennlinie zu verwenden, bei der der Abschnitt BSC mit Rücksicht auf die Leckströme, die sich im Maximum 5 zeigen können, sehr flach ist, der Maximalwert dieser Leckströme, der durch die Ordinate des Maximums S bestimmt ist, praktisch nur solche Akkumulatorenzellen beeinflußt, die bereits entladen sind und deren Spannung an den Klemmen weniger als 1 Volt beträgt. Um dies zu erreichen, muß jedoch der durch den Punkt T bestimmte Bereich durchlaufen werden, dessen Ordinate praktisch Null ist. Der Punkt T hält dann die Leckströme fest, die nicht auftreten können, obwohl die Diode in der Akkumulator-Diode-Einheit in Nebenschluß zur Akkumulatorenzelle liegt. Wichtig ist es, daß der Punkt T in dem Spannungsbereich einer geladenen unbelasteten Akkumulatorenzelle liegt.

Es können auch mehrere Dioden in Reihe angeordnet werden.

Man kann beispielsweise vier in Reihe geschaltete Dioden vorsehen, von denen zwei aus Silizium (2 X 0,7 =1,4 V) und zwei aus Germanium (2 X 0,5 = 1,0 Volt) bestehen, was eine Gesamtspannung von 2,4 Volt ergibt, bei der die Einheit der vier Dioden am Ende der Ladung leitend werden.

Man wählt in diesem Fall Dioden, deren Kennlinie AB durch eine Gerade mit sehr starker Steigung dargestellt ist, damit die Summe der Steigungen der vier Dioden einen zufriedenstellenden Abschnitt der resultierenden Kurve AB ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunsen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Schutz einer Akkumulatorenzelle einer aus mehreren Akkumulatorenzellen bestehenden Akkumulatorenbatterie gegen einen über die Akkumulatorenzelle fließenden Störstrom, bestehend aus einem mit den Klemmen der Akkumulatorenzelle verbundenen zweipoligen Halbleiterbauteil, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter eine Backward-Diode ist, die so dimensioniert ist, daß sie einen hohen Strom durchlassen kann, wenn an den Klemmen entweder eine der Polarität der Akkumulatorenzelle entgegengesetzte oder eine zwar gleichgerichtete, aber einen bestimmten Schwellwert übersteigende Spannung auftritt und die einen vernachlässigbar kleinen Strom durchlassen kann, wenn die an den Klemmen anliegende Spannung zwischen Null und dem genannten Schwellwert liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Backward-Dioden in Reihe angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung des Schwellwertes Backward-Dioden aus verschiedenen Halbleitermaterialien in Reihe angeordnet sind.