DE1563564C - Uberladungs Schutzeinrichtung fur eine wiederaufladbare elektrische Sammlerzelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Überladungs-Schutzeinrichtung für eine wiederaufladbare elektrische Sammlerzelle, bestehend aus einer parallel zu dieser geschalteten Halbleiter-Diode, die jenseits einer ihr charakteristischen Spannung die Sammlerzelle nach erfolgter Aufladung überbrückt.

Bekanntlich werden bei der Wiederaufladung elektrischer Sammlerzellen die Elektroden rückformiert, was nach einer bestimmten Zeit abgeschlossen ist. Wird nach dieser Zeit der Ladevorgang fortgesetzt, dann können die Elektroden beschädigt werden und, falls die Sammlerzelle druckdicht versiegelt ist, kann deren Innendruck derart ansteigen, daß diese im Extremfall sogar platzen kann. Außerdem führt eine Überladung der Zelle zu Wärmeentwicklung. Steigt andererseits die Klemmenspannung der Zelle über einen vorgegebenen Wert an, wird Wasserstoffgas entwickelt, das innerhalb der Zelle nicht wieder gebunden werden kann.

Ohne besondere Einrichtungen und Kenntnisse ist es daher nicht möglich, insbesondere bei mehreren zu einer Batterie zusammengefaßten Zellen, den Entladungszustand jeder einzelnen Zelle zu ermitteln, sowie die für diese Zelle nötige Aufladezeit zu bestimmen und einzuhalten. Dies gilt insbesondere, wenn ein Laie Geräte mit wiederaufladbaren elektrischen Sammlerzellen benutzt.

Durch die britische Patentschrift 936 969 ist daher schon eine Überladungs^Schutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art bekannt, bei der jeder einzelnen Zelle einer wiederaufladbaren Batterie eine Halbleiter-Diode parallel geschaltet ist, um damit die unterschiedlichen Ladezeiten der einzelnen Zelle zu berücksichtigen und eine Überladung der Batterie zu verhindern. Dadurch ist die Gefahr einer Überladung der Zellen zwar ganz erheblich herabgesetzt, aber nicht vollständig ausgeschaltet, und außerdem bleibt die Wiederaufladezeit unangenehm lang, da die Aufladung nur mit verhältnismäßig geringen Stromstärken durchgeführt werden kann, weil sich die jeder Zelle parallelgeschaltete Halbleiter-Diode mit zunehmender Aufladung der Zelle und damit zunehmendem an ihr herrschenden Spannungsabfall erwärmt, wodurch die ihr charakteristische Durchlaßspannung . beeinflußt wird.

ä Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Uberladungs-Schutzeinrichtung für wiederaufladbare elektrische Sammler anzugeben, die die Verwendung normaler Dioden, deren Kennlinie verhältnismäßig flach verläuft, gestattet, wobei die Ausbildung so getroffen werden soll, daß ein Stromdurchgang möglichst lange unterdrückt wird, um dann möglichst schlagartig auf den maximalen Wert anzusteigen. Außerdem soll die Überladungs-Schutzeinrichtung ohne Nachteil die Verwendung von gegenüber dem bekannten wesentlich höheren Ladeströmen und damit eine Verkürzung der Ladezeit erlauben.

Ausgehend von einer Überladungs-Schutzeinrichtung der eingangs beschriebenen Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die HaIb-

ao leiter-Diode, in Durchlaßrichtung gepolt, wärmeleitend mit einem ebenfalls vom Diodenstrom durchflossenen metallischen Trägerelement verbunden ist, das eine bei steigender Temperatur zunehmende Widerstandscharakteristik aufweist, daß das Trägerelement mit dem größten Teil seiner Oberfläche der Umgebungstemperatur ausgesetzt und so bemessen ist, daß der Spannungsabfall an der Diode und dem Trägerelement z-usammen einen vorbestimmten Maximalwert nicht überschreitet, und daß die Diode und das Trägerelement von der Sammlerzelle thermisch getrennt sind.

Durch die Zeitschriften ETZ-B, Bd. 11, 1959, S. 227 und 228 und Elektronische Rundschau, 1959, S. 378 bis 381 ist zwar ein Halbleiter-Bauelement bekannt, bei dem der Halbleiter innen auf dem Boden eines ebenfalls stromdurchflossenen Kupfertopfes angeordnet ist, wobei der Kupfertopf im übrigen weitestgehend mit Gießharz ausgefüllt ist. Hier dient aber der Kupfertopf nur als gleichzeitiger Aufnahme- und Schutzbehälter für den Halbleiter und soll im übrigen eine möglichst kleine Kühlfläche abgeben, damit man bei der Kennung des Halbleiters jenseits der Zündspannung zu einer möglichst steilen Kennlinie kommt. Außerdem hat hier der Halbleiter gegenüber normalen Dioden einen wesentlich höheren Prozentsatz an Unreinheiten, was den sogenannten Zener- oder Tunneleffekt ergibt und zu einem steilen Kennlinienverlauf führt, im übrigen aber die Gestehungskosten eines solchen Halbleiter-Bauelementes erhöht.

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale ist die Halbleiter-Diode derart mit einem Trägerelement verbunden, daß sich in diesem Element bei steigender Temperatur eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes ergibt, womit der abnehmende Widerstand des Halbleiters zumindest teilweise durch den zunehmenden Widerstand des Trägerelementes sowie durch dessen Wärmeabstrahiung kompensiert wird, so daß die erfindungsgemäße Überladungs-Schutzeinrichtung einen sehr scharfen Übergang vom nichtleitenden in den leitenden Zustand aufweist. Dadurch können höhere Aufladeströme bei vollkommener Sicherheit gegen Überladung verwendet werden, womit sich die Aufladezeit erheblich herabsetzen läßt. Andererseits besteht die Möglichkeit, normale, im Handel erhältliche Halbleiter trotz deren verhältnismäßig flach verlaufender Kennlinie zu verwenden, womit sich unterschiedlichen Anforderungen an die

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Ladespannung leicht Rechnung tragen läßt, ohne daß Batterie über einen Lastwiderstand 23 entladen wer-

es dazu durch Verunreinigungen in ganz bestimmter den. Während des Wiederaufladevorganges fließt der

Weise präparierten Halbleiter bedürfte. '.. Ladestrom von der Spannungsquelle 20 in Richtung

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand eines des Pfeiles A zur positiven Seite der Sammlerzellen.

Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der 5 Wenn die Klemmenspannung der Zellen über einen

Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt bestimmten Wert ansteigt, wird die der jeweiligen

F i g. 1 eine Draufsicht auf das mit einer Halblei- Zelle parallelgeschaltete Halbleiter-Diode leitend

ter-Diode verbundene Trägerelement, und überbrückt diese, wie dies durch den Pfeil B an-

F i g. 2 eine Seitenansicht von F i g. 1, gedeutet ist, so daß die betrachtete Zelle nicht über-

F i g. 3 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen io laden werden kann.

Überladungs-Schutzeinrichtung und Das Trägerelement 12 ist außerdem thermisch

Fig.4 ein Strom-Spannungsdiagramm der erfin- von der Sekundärzelle getrennt, so daß von dieser

dungsgemäß mit einem Trägerelement kombinierten Seite aus keine zusätzliche Erwärmung erfolgen

Halbleiter-Diode im Vergleich mit einer üblichen kann.

Halbleiter-Diode. 15 In Fig.4 sind auf der Abszisse Spannungen und

In F i g. 1 ist die Halbleiter-Diode mit Trägerele- auf der Ordinate Ströme aufgetragen. Die Kurve C

ment ganz allgemein mit der Bezugsziffer 10 gekenn- bezieht sich auf eine Überbrückungsdiode ohne

zeichnet. Etwa in der Mitte des Trägerelementes 12 Trägerelement und die Kurve D auf eine Überbrük-

ist eine kleine Scheibe 11 aus einem Halbleiter-Mate- kungsdiode mit Trägerelement gemäß der vorliegen-

rial, z. B. Silizium oder Germanium, so angeordnet, 20 den Erfindung.

daß die Scheibe mit einer ihrer beiden größeren Man sieht, daß in beiden Fällen zunächst der

Oberflächen mechanisch und elektrisch mit dem Diodenstrom praktisch gleich Null ist. Im Fall einer

Trägerelement 12 verbunden ist. Die Halbleiter- Überbrückungsdiode ohne Trägerelement (Kurve C)

Diode ist in geeigneter Weise am Trägerelement be- fließen mit zunehmender Spannung zunehmend grö-

festigt, z.B. angelötet. Das Trägerelement 12 besteht 25 ßer werdende Ströme über die Diode,

aus einem geeigneten, wärmeleitenden Material wie Bei Verwendung einer Halbleiter-Diode mit

z. B. eloxiertem Aluminium. Eine geflochtene Kup- Trägerelement gemäß der Erfindung (Kurve D) wird

ferlitze 13 ist mit der anderen großen Oberfläche des die Diode bei Annäherung an die der vollständigen

scheibenförmigen Trägerelementes verbunden und Wiederaufladung entsprechende Spannung nahezu

bildet mit diesem eine Sperrschicht. Das Trägerele- 30 schlagartig leitend, überbrückt deshalb die Sammler-

ment 12 ist außerdem mit einem Befestigungsbolzen zelle und verhindert so deren Überladung. Auch hier

14 direkt verbunden. Der Befestigungsbolzen kann ist der Diodenstrom praktisch gleich Null, bis die

aus einem geeigneten Metall wie beispielsweise Alu- Klemmspannung der Sammlerzelle den Wert von

minium hergestellt sein und kann außerdem mit etwa 1,5 V erreicht hat, der im betrachteten Beispiel

einem edlen Metall plattiert sein, um eine etwaige 35 dem vollständig wiederaufgeladenen Zustand der

Korrosionsgefahr auszuschalten. Zelle zugeordnet ist. Bei dieser Spannung geht die

Ein Gehäuse 15 mit Seitenflächen 16 ist mit Halbleiter-Diode praktisch schlagartig vom nicht leieinem seiner Enden mit dem Trägerelement 12 fest tenden in den leitenden Zustand über, wobei ihr dyverbunden. Die Seitenflächen 16 bestehen aus einem namischer Widerstand zu Null wird,
geeigneten Metal wie z. B. Kupfer. Die Kupferlitze 40 Die erfindungsgemäße Überladungs-Schutzein-13 erstreckt sich durch das Gehäuse 15 etwa in richtung erhöht wesentlich die Anzahl der möglichen gleichmäßigem Abstand von den Seitenflächen 16 Wiederaufladungen einer Sammlerzelle bzw. einer und wird in dieser Lage durch Ausfütterung des aus mehreren in Serie geschalteten Sammlerzellen geHohlraumes des Gehäuses 15 mit einem elektrisch bildeten. Batterie.

isolierenden Stoff gehalten, z.B. durch Ausgießen 45 Nickel-Cadmiumzellen mit einer Kapazität von mit einem Epoxyharz, das die Kupferlitze 13 gegen- 1,2 Ah wurden unter Benutzung der erfindungsgemäüber den Seitenflächen 16 des Gehäuses 15 isoliert ßen Halbleiter-Dioden mit Trägerelement wiederholt und zugleich die Kupferlitze in der gewünschten zwei Stunden lang geladen und anschließend wäh-Lagehält. rend 38 Minuten mit 0,5 A entladen. Eine Anzahl F i g. 3 zeigt eine Anzahl von in Serie geschalteten 50 anderer Nickel-Cadmiumzellen mit einer Kapazität Sammlerzellen 17, 18 und 19, die eine Batterie bil- von 1,2 Ah wurden in gleicher Weise wiederholt geden, deren Anschlußklemmen mit einer Spannungs- laden und entladen, waren aber durch Halbleiterquelle 20 für das Wiederaufladen verbunden sind. In Dioden ohne Trägerelement überbrückt. Bei den F i g. 3 ist diese Spannungsquelle als Gleichspan- erstgenannten Sammlerzellen trat eine Verminderung nungsquelle dargestellt. Parallel zu den Sammlerzel- 55 der Kapazität von 3 % nach 345 Aufladungen und len 17, 18 und 19 ist je eine Halbleiter-Diode mit Entladungen ein, während die zweitgenannten Zellen Trägerelement 10, 10' und 10" geschaltet. Ein Drei- nach der gleichen Anzahl von Ladungen und Entlafachschalter 21 liegt in Reihe mit den Sammlerzellen, düngen einen hundertprozentigen Kapazitätsverlust so daß diese aufgeladen werden können, wenn der aufweisen. Nach 615 Aufladungen und Entladungen Dreifachschalter mit der Anschlußklemme 22 der 60 unter Benutzung einer Halbleiter-Diode mit Träger-Spannungsquelle 20 verbunden ist. element gemäß der Erfindung zeigte sich ein Kapazi-Wird durch den Dreifachschalter 21 eine Verbin- tätsverlust von 7%, während die Vergleichs-Sammdung mit der Klemme 24 hergestellt, dann kann die lerzellen einen Kapazitätsverlust von 100% zeigten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Überladungs-Schutzeinrichtung für eine wiederaufladbare elektrische Sammlerzelle, bestehend aus einer parallel zu dieser geschalteten Halbleiter-Diode, die jenseits einer ihr charakteristischen Spannung die Sammlerzelle nach erfolgter Aufladung überbrückt, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiter-Diode (11), in Durchlaßrichtung gepolt, wärmeleitend mit einem ebenfalls vom Diodenstrom durchflos-? senen metallischen Trägerelement (12) verbunden ist, das eine bei steigender Temperatur zunehmende Widerstandscharakteristik aufweist, daß das Trägerelement (12) mit dem größten Teil seiner Oberfläche der Umgebungstemperatur aus^ gesetzt und so bemessen ist, daß der Spannungsabfall an der Diode und dem Trägerelement zusammen einen vorbestimmten Maximalwert nicht überschreitet, und daß die Diode und das Trägerelement (12) von der Sammlerzelle thermisch getrennt sind.