DE1588237A1

DE1588237A1 - Kleinladersystem mit zugehoerigem Nickel-Kadmium-Akkumulator

Info

Publication number: DE1588237A1
Application number: DE19671588237
Authority: DE
Inventors: Van Marter Charles Wesley
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1966-05-27
Filing date: 1967-05-24
Publication date: 1970-05-21
Also published as: US3421068A; GB1156403A; NL6705060A

Description

L-lng. Lcthcr MidiaeSiS Patentanwalt

Patentanwalt 6 F:ankfurf/Main 1 1588917

6 Frankfurf/Main 1 Posifcch 3O11 ^Iyvtf*^()/

Posffach 3011 697-36-69D-2762

General Electric Company, 1 River Road, Schenectady, N.Y.,USA

Kleinladersystem mit zugehörigem Nickel-Kadmium-Akkumulator

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kleinladersystem für Nickel-Kadmium-Akkumulatoren sowie auf einen Nickel-Kadmium-Akkumulator für ein solches Kleinladersystem. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf ein Kleinladersystem, in dem Siliciumdioden elektrisch über jede Akkumulatorzelle gelegt sind, um den Akkumulator vor einer zu hohen Aufladung zu schützen. Die Dioden sind so angeordnet, daß sie die gleiche Temperatur wie die Akkumulatorzelle annehmen, mit der sie verbunden sind, so daß Änderungen in den Überladungseigenschaften der Akkumulatorzellen kompensiert werden können, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden.

Das langsame Aufladen von Akkumulatoren wird dann angewendet, wenn den Akkumulatoren nur kurzzeitig Strom entnommen wird und anschließend eine lange Zeit zur Verfügung steht, um den Akkumulator die Ladung wieder zuzuführen, die im kurzzeitig entnommen wurde. In vielen Fällen sind auch Akkumulatoren, die als Notbatterien verwendet werden, mit KLeinladern verbunden, um den.Ladungsverlust der Akkumulatoren auszugleichen, der bei

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langem Nichtgebrauch der Akkumulatoren auftritt. Der Ilauptvorteil der Verwendung von Kleinladern gegenüber der Verwendung von Schnelladern besteht darin, daß KLeinlader wesentlich billiger als Schnellader sind, da KLeinlader nur einen wesentlich geringeren Strom abzugeben brauchen. Da auf der anderen Seite ein Kleinlader viel länger als ein Schnellader und manchmal immer im Betrieb ist, ist es außerordentlich günstig, wenn das Laden mit einem Kleinlader ohne Wartung durchgeführt werden kann. Im besonderen kann der Akkumulator durch Überladen beschädigt werden, so daß ein Kleinlader Maßnahmen enthalten sollte, um den Ladestrom für die Batterie zu sperren oder wesentlich zujvermindern, wenn die Batterie vollständig aufgeladen ist.

Ob ein Akkumulator voll aufgeladen ist, kann man gewöhnlich dadurch feststellen, daß man die Klemmenspannung der Batterie mißt. Eine spannungsabhängige Sperrung des Ladestroms zur Vermeidung des Überladens dines Akkumulators ist daher scheinbar eine gute Lösung. Bei Nickel-Kadmium-Akkumulatoren, mit denen sich die Erfindung befaßt, ändert sich die Überladungsspannung jedoch merklich mit der Temperatur des Akkumulators, so daß eine übliche spannungsempfindliche Stromsperrung nicht zufriedenstellend ist.

Man könnte auch den Ladestrom kontinuierlich aufrechterhalten und den Wert des Ladestroms so niedrig einstellen, daß eine Beschädigung der Batterie durch Überladung nicht mehr auftritt.

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Diese Lösung führt jedoch auf eine Entladung des Akkumulators,

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wenn der Batterie nennenswerte Ladung entnommen wird.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Kleinladersystems nach der Erfindung.

Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine Akkumulatorklemme und zeigt, wie die Halbleiterdioden aus Fig. 1 montiert werden können.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung und zeigt die Temperaturabhängigkeit der Überladungsspannunp einer Nickel-Kadmium-Zelle sowie die Tenperaturabhängigkeit des Spannungsabfalles einer Siliciumdiode in Durchlaßrichtung.

Fig. 4 zeigt schematisch einen Akkumulator mit mehreren Zellen nach der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird vom Spannungsabfall an einer Halbleiterdiode in Durchlaßrichtung Gebrauch gemacht, um ein Überladen eines Nickel-Kadmium-Akkumulators zu vermeiden. Hierzu werden die Anschlüsse einer Akkumulatorzelle durch eine oder durch mehrere in Reihe geschaltete Dioden miteinander verbunden, die so gepolt

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sind, daß die Dioden den Ladestrom für die Zelle durchlassen, d.h. den Entladestrom aus der Zelle sperren. Wenn eine Nickel-Kadmiumzelle vollständig aufgeladen ist, ruft ein weiterer Ladestrom in der Zelle eine chemische Reaktion hervor, die von den Reaktionen bei normaler Ladung und lint ladung verschieden ist, Insbesondere wird beim Überladen Sauerstoff aus den Elektrolyten freigesetzt. Dieses findet jedoch erst bei einem Potential statt, das merklich höher als das NOrmalpotential der Zelle ist.

Eine Halbleiterdiode weist eine SChwellenspannung auf, die überwunden werden muß, bevor durch die Halbleiterdiode in Durchlaßrichtung ein merklicher Strom fließen kann. Legt man in Durchlaßrichtung ein etwas höheres Potential an, dann kann bereits ein wesentlich größerer Strom durch die Diode hindurchgeführt werden und tatsächlich kann man solche Halbleitardioden mit einem sehr niedrigen inneren Widerstand herstellen, so daß bereits bei Potentialen, die nur etwas über der Schwellenspannung der Halbleiterdioden liegen, bereits große Ströme durch die Diode fließen können. Über die Akkumulatorzelle werden soviele in Reihe geschaltete Dioden gelegt, daß sich eine Gesamtschwellenspannung ergibt, die etwas geringer als dasjenige Potential ist, das zur Entwicklung von Sauerstoff nötig ist. Wenn somit die Zelle vollständig aufgeladen ist und die Spannung der Zelle ansteigt, so überschreitet die Zellenspannung die Summe der Schwellenspannung aller Dioden, bevor die Überladungsspannung erreicht wird. Die Dioden leiten daher und übernehmen praktish den gesamten

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Ladestrom, so daß der Ladestrom an der Akkumulatorstelle vorbeigeführt und eine Überladung der Zelle vermieden wird.

Wie bereits erwähnt, ändert sich die Überladespannung mit der Temperatur. Nun wurde gefunden, daß der Spannungsabfall in Vor- \irärtsrichtung eine Halbleiterdiode (nebst dem SChwellwertpotential) beim Führen eines Stromes, der in der Größenordnung der üblichen Kleinladerströme liegt, in der gleichen Weise iiie das Überladungspotential einer Nickel-Kadmium-Zelle von der Temperatur abhängt. ( Im besonderen wurde gefunden, daß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung einer Siliciumdiode und die Überladungsspannung fast identisch von der Temperatur abhängen. Die Dioden können daher eine Nickel-Kadmium-Zelle innerhalb eines erheblichen Temperaturbereiches gegen Überladung schützen, und gleichzeitig ermöglichen die Dioden ein vollständiges Aufladen der Zelle innerhalb dieses Temperaturbereiches.

In der Fig. 1 ist ein Ladesystem für eine einzige Zelle dargestellt.

In diesem System ist eine Nickel-Kadmium-Zelle mit 10 bezeichnet, die von einem Kleinlader 12 aufgeladen wird. Die Klemmen 18 und 20 der Zelle 10 sind durch 2 hintereinander geschaltete Siliciumdiodai 14 und 16 miteinander verbunden. Die Durchlaßrichtung der Dioden 14 und 16 entspricht der Polarität der Zelle. Die Dioden sind also derart gepolt, daß sie Strom aus dem Kleinlader 12 durchlassen und Strom aus der Zelle 10 sperren.

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Die Dioden 14 und 16 sind so dicht an den Klemmen 18 und 20 der Zelle 10 angeordnet, daß die Diodentemperaturen im wesentlichen gleich der Temperatur der Zelle ist, so daß sich die Diodentemperaturen direkt mit der Zellentemperatur ändern, iiine hierfür mögliche Anordnung ist in der Fig. 2 dargestellt, in der die Dioden in einem Hohlraum 22 der Zellenklemme 18 angeordnet ist. Bin Anschlußdraht 14 der Dioden läuft vom Hohlraum 22 aus durcn die Klemme hindurch und ist an der äußeren Oberfläche der Klemme angelötet oder angeschweißt. Um die Diode 14 herum ist eine dünne Plastikmuffe 24 ange ordnet, die einerseits die Diode 14 gegenüber der Klemme 18 elektrisch isoBert, andererseits jedoch den Wärmeaustausch zwischen der Klemme und der Diode ermöglicht. Diese Plastikmuffe 24 kann jedoch weggelassen werden, wenn Dioden verwendet werden, die sowohl in Vorwärtsrichtung als auch in Rückwärtsrichtung einen Knickpunkt haben.

Für einen Ladestrom von einem Ampere zeigte sich, daß eine Nickel-Kadmiumzelle mit 2 Siliciumdioden 14 und 16 der Typen A44F und A45F wirksam gegenüber Ladungen geschützt werden konnte und zwar innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 0 und 40 ⁰C. Dieser Temperaturbereich ist vermutlich noch größer. Ein Ladestrom von 1 Ampere ist ein verhältnismäßig hoher Ladestrom, der erheblich über dem IvErt liegt, mit dem sich die Zelle im Ruhebetrieb entlädt.

Die Fig. 3 zeigt nun, wie das αberspannungspotential der Zelle 10 von dem ab Sauerstoff erzeugt wird, und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an den Dioden 14 und 16 bei einem verhältnismäßig großen

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Ladestrom von der Temperatur abhängt. Man sieht, daß der Spannungsabfall an den Dioden in Durchlaßrichtung etwas niedriger als das Sauerstoffpotential der Zelle ist. Bevor somit das Sauerstoffpotential erreicht wird, hat der Spannungsabfall an den Dioden 14 und •16 (Fig. 1) in Durchlaßrichtung einen WErt angenommen, mit dem der gesamte Strom aus dem Kleinaer 12 durch die Dioden hindurchgeführt werden kann. Der Kleihnlader 12 ist in den meisten Fällen für die Abgabe eines konstanten Stromes ausgelegt, das heißt, sein Innenwiderstand ist wesentlich größer als der Innenwiderstand der Zelle 10. Für diesen vorgegebenen Ladestrom kann der Spannungsabfall an den Dioden nicht höher werden, und daher wird die Zelle 10 auch nicht mehr überladen, wenn der Strom aus dem Kleinlader weiterfließt. Es ist günstig, wenn die Dioden so gefertigt sind, daß ihr Stromeinsatzpunkt an einem Spannungswert liegt, der nur geringfügig unter den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung!iegt, der vom Strom aus dem Kleinlader 12 hervorgerufen wird. DAnn wird während eines normalen Aufladevorgangs nur ein vernachlässigbar kleiner Bruchteil des Stromes aus dem Kleinlader von den Dioden übernommen.

Wie in der Fi«. 3 gezeigt ist, sind die Temperaturabhängigkeiten des Spannungsabfalles an den Dioden in Durchlkaßrichtung und des Sauerstoffpotentials der Zelle 10 praktisch identisch. Daher können die Dioden so gefertigt werden, daß sie den gesamten Laderstrom bei einen Spannungsabfall leiten können, der nur geringfügig unter dem Sauerstoffpotential der Zelle lejigt, ohne daß die Gefahr einer Überladung besteht. Dieses bedeutet, daß die beiden Dioden über den gesamten Temperaturbereich eine vollständige Aufladung der Zelle 10 ermöglichen. V.'enn die TemperaturafeHäncigkeiten des Spannungsabfalls

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an den Dioden in Durchlaßrichtung und des Sauerstoffpotentials der Zelle nicht so gut übereinstimmen würden, dürfte die Zelle innerhalb eins Teils des Temperaturbereiches nicht vollständig aufgeladen werden, um sicherzustellen, daß die Zelle 10 im istlichen Temperaturbereich nicht überladen werden kann.

In der Fig. 4 ist ein Kleinlader 12a dargestellt, der mit einem Akkumulator verbunden ist, dessen Zellen 10a, 10b und 10c ähnlich' aufgebaut sind, wie die Zelle 10 aus Fig. 1. Die Klemmen des Akkumulators sind mit 26,28,30 und 32 bezeichnet. Hierbei sind die Klemmen 28 und 30 innere Anschlußklemmen, die -den Zellen 10a und 10b bzw. 10b und 10c gemeinsam sind. V/Eiterhin sind Dioden 14 und 16 vorgesehen, die hintereinander geschaltet über jede einzelne Zelle gelegt sind. Diese Dioden sind so dicht an den Klemmen der einzelnen Zellen angeordnet, daß sie den Temperaturschwankungen innerhalb der Zelle folgen können.

V/ährend des Betriebs schützen die Dioden,die über jede Zelle aus Fig. 4 gelegt sind, diese ZEllen in der gleichen KEise, wie es in Verbindung mit Fig. 1 bereits beschrieben wurde. WEnn also jede Zelle vollständig aufladen worden ist, leiten die Dioden, die über diese Zellen gelegt sind, den Ladestrom an der Zelle vorbei, so daß eine Oberladung der einzelnen Zellen vermieden wird.

Es wurde vorstehend ein Kleinladersyster. beschrieben, mit den es möglich ist, einen Akkumulator innerhalb eines großen Temperaturbereiches vollständig aufzuladen, ohne daß die Gefahr von Überladungen besteht. Dieser Überladungsschutz wird durch Dioden bewirkt, die so

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geschaltet sind, daß sie den Ladestrom an den Batterizellen vorbeileiten, wenn die Klemmenspannung der Zellen einen Wert überschreitet, der über den SChwellwertspannungen der Dioden in Durchlaßrichtung liegt, und dieser Wert wird niedriger als das Überladungspotential der Zellen gewählt. Die Dioden sind billige Bauelemente und können leicht in den Batterieklemmen untergebracht werden, so daß sie die Temperaturen der Batterie annehmen. Dadurch wird erreicht, daß Temperaturschwankungen des Überladungspotentials kompensiert werden und der Schutz gegen Überladungen temperaturunabhängig gemacht wird. Diese Temperaturkompensation ist besonders wirksam, wenn zum SChutz von Nickel-Kadmium-Zellen gegen Überladungen Siliciumdioden verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche ■

y IQeinladersystem mit einem mindestens eine Zelle aufweisenden elektrochemischen Akkumulator und einem Kleinlader, der mit dein Akkumulator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine halbleiterdiode als Nebenschluß über die Akkumulatorzelle gelegt ist, so daß der Iadestrom an der Akkumulatorzelle vorbeiführbar ist und daß der vom Ladestrom an der Diode hervorrufbare Spannungsabfall geringer als die Überladungsspannung der Zelle ist, über die die Diode als Nebenschluß gelegt ist.
2. KLeinladersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Klemmen der Akkumulatorzelle direkt durch mindestens eine Halbleiterdiode miteinander verbunden sind, und daß die Stromleitung durch die Diode bei einer Spannung einsetzt, die niedriger als die Überladungsspannung der Zelle ist.
3. Kleinladersystem nach Anspruch 1 oder 2, mit einem aus mehreren Zellen aufgebauten Akkumulator, dadurch gekennzeichnet , daß die Klemmen einer jeden Zelle durch mindestens eine Halbleiterdiode miteinander verbunden sind. ,
4. Kleinladersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmen einer jeden Zelle durch zwei hinterinander geschaltete Halbleierdioden miteinander verbunden sind,

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5. KLeinladersystem nach Anspruch 3, dadurch gek. en nzeichnet, daß die Klemmen jeder einzelnen Zelle durch mehr a Is zwei hintereinander geschaltete Dioden verbunden sind.
6. Kleinladersyster. nach eurem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch' gekennzeichnet, daß die Halbleiterdioden so gepolt sind, daß ein Strom in Richtung des Hntladungsstromes gesperrt ist.
7. Kleinladersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrochemische Akkumulator ein Nickel-Kademium-Akkumulator ist.
S. Kleinladersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dioden Siliciumdioden sind.

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9. KLeinladersystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, da du rc h gekennzeichnet, daß die Dioden so dicht an den Zellen angeordnet sind, daß ihre Temperatur gleich der Temperatur der Zellen ist, mit denen sie verbunden sind.

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