DE1588681C

DE1588681C - Device for charging a tightly sealed alkaline battery

Info

Publication number: DE1588681C
Application number: DE19671588681
Authority: DE
Inventors: Lazaro J Philadelphia Pa Kosa Gabriel White Plains N Y Mandel, (V St A)
Original assignee: Marathon Manufacturing Co, Hous ton,Tex (VStA)
Priority date: 1966-02-14
Filing date: 1967-02-14
Publication date: 1973-05-10

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Laden einer dicht verschlossenen alkalischen Batterie, insbesondere Nickel-Cadmium-Batterie, aus einer eine konstante Spannung liefernden Ladestromquelle. The invention relates to a device for charging a tightly sealed alkaline Battery, in particular nickel-cadmium battery, from a charging current source which delivers a constant voltage.

Aus der Zeitschrift »Glückauf« 1960, S. 11 und 12, ist es bekannt, auf Akkumulatorlokomotiven Entladeanzeiger vorzusehen, die bei Erreichen der Vollstellung einen Hilfskontakt schließen, um den Ladevorgang zu beenden oder den Strom herabzusetzen. Ferner ist es aus der deutschen Patentschrift 615 142 bekannt, elektrolytische Zähler zum Messen der Lade- und Verbrauchsstrommenge zu verwenden und beim Erreichen einer bestimmten Entladung die Ladestromquelle hiermit selbsttätig wieder einzuschalten und nach der Aufladung dieselbe wieder abzuschalten. Solche Vorrichtungen gestatten es lediglich, den Ladevorgang an einem bestimmten Punkt zu beenden.From the magazine "Glückauf" 1960, pp. 11 and 12, it is known that discharge indicators on accumulator locomotives to be provided that close an auxiliary contact when full position is reached in order to end the charging process or to reduce the current. Further it is known from German patent specification 615 142, electrolytic counters for measuring the charging and the amount of consumption current to be used and, when a certain discharge is reached, the charging current source to switch it on again automatically and switch it off again after charging. Such devices only allow the charging process to be stopped at a certain point.

Aus der USA.-Patentschrift 2967 988 ist es bekannt, während der Aufladung einer Batterie die Temperatur derselben zu messen und in Abhängigkeit hiervon den Ladevorgang zu beenden.From US Pat. No. 2,967,988 it is known, while charging a battery, the To measure the temperature of the same and, depending on this, to terminate the charging process.

Aus der britischen Patentschrift 974492 ist eine Batterieladevorrichtung bekannt, bei der in den Ladekreis Schaltelemente geschaltet sind, deren Widerstand in nichtlinearem Zusammenhang mit der daran liegenden Spannung steht. Die Spannung an einer dicht verschlossenen Batterie fällt jedoch mit ansteigender Batterietemperatur ab und liefert kein geeignetes Maß für den Ladezustand der Batterie.
Beim Wiederaufladen dicht verschlossener Batteriezellen müssen geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um ein Überladen zu vermeiden, da dies zur Gasbildung führt". Ein solches »Gasen« kann bewirken, daß sich in der Batterie ein immer stärkerFrom British patent specification 974492 a battery charger is known in which switching elements are connected in the charging circuit, the resistance of which is in a non-linear relationship with the voltage applied to it. However, the voltage across a tightly sealed battery drops as the battery temperature rises and does not provide a suitable measure of the battery's state of charge.
When recharging tightly sealed battery cells, suitable precautionary measures must be taken to avoid overcharging, as this leads to the formation of gas

ίο werdender Druck aufbaut, der schließlich so stark wird, daß der Batteriebehälter explosionsartig aufreißt. Um die Gefahr einer solchen Überladung zu vermeiden, ist es bis jetzt üblich, dicht verschlossene Batteriezellen mit Hilfe einer einen konstanten Strom liefernden Stromquelle bei niedriger Ladegeschwindigkeit nachzuladen; als typisches Beispiel sei der Wert von einem Zehntel der Amperestundenkapazität der Batterie genannt. Es liegt auf der Hand, daß man bei der Benutzung solcher mit einem konstanten Ladestrom arbeitenden Schaltungen häufig eine übermäßig lange Zeitspanne benötigt, um die erschöpfte Batterie wieder bis zu ihrer vollen Kapazität aufzuladen. Ferner steht in vielen Fällen eine einen konstanten Ladestrom liefernde Stromquelle nicht ohne weiteres zur Verfügung. Dies gilt z. B. für Flugzeuge, wo nur eine relativ niedrige Spannung von z. B. 28 V verfügbar ist. Eine solche Strom- bzw. Spannungsquelle läßt sich nicht ohne weiteres in eine einen konstanten Strom liefernde Stromquelle verwandeln, die die Leistungsfähigkeit besitzt, welche zum Nachladen einer Batterie benötigt wird, wie sie in Flugzeugen verwendet wird.ίο pressure builds up, which eventually becomes so strong becomes that the battery container rips open explosively. To reduce the risk of such overload too To avoid it, up until now it has been customary to use tightly sealed battery cells a constant current recharge the supplying power source at low charging speed; a typical example is the Called the value of one tenth of the battery's ampere-hour capacity. It is obvious that one can when using such circuits operating with a constant charging current, there is often an excessive amount takes a long time to recharge the exhausted battery to its full capacity. Furthermore, in many cases, a power source delivering a constant charging current is not readily available to disposal. This applies e.g. B. for aircraft where only a relatively low voltage of z. B. 28 V available is. Such a current or voltage source cannot easily be converted into a constant one Transform a current supplying power source that has the capacity to recharge a Battery required as used in aircraft.

Einer der wichtigsten Faktoren, die bis jetzt die Verwendung von Ladestromquellen mit konstanter Spannung bei dicht verschlossenen Batteriezellen einschränken, wird durch die thermischen Eigenschaften dieser Zellen gebildet, die zu einer Erscheinung fiih-■ ren, welche in der Praxis als »thermisches Ausreißen« bezeichnet wird. Genauer gesagt wird bei den bis jetzt gebräuchlichen Systemen zum Nachladen von Batterien mit konstanter Spannung der Ladestrom durch den Spannungsunterschied zwischen der Ladestromquelle und der Batterie sowie durch den inneren Widerstand der Batterie bestimmt. Bei zunehmender Ladung der Batterie ist zu erwarten, daß sich die Batteriespannung erhöht und daß daher der Ladestrom zurückgeht. Bekanntlich zeigen jedoch die erwähnten dicht verschlossenen Batteriezellen eine umgekehrte Beziehung zwischen der Zellenspannung und der ZeI-lentemperatur. Mit anderen Worten, wenn sich die Zelle während des Nachladens erwärmt, wobei eine übermäßige Erwärmung eintreten kann, wenn ein zu starker Ladestrom zugeführt wird, geht die Klemmenspannung der Batterie zurück. Diese Verringerung der Klemmenspannung führt zu einer weiteren Verstärkung des Ladestroms, so daß eine noch weitere Erhitzung der Batterie stattfindet, die wiederum zu einer weiteren Herabsetzung der Zellenspannung führt. Diese Kettenreaktion führt häufig zu einer starken überladung der Batterie, so daß in den Zellen übermäßige Gasmengen entwickelt werden und sich ein gefährlicher Zustand einstellt, wobei die Zellen sogar explosionsartig zerstört werden können.One of the most important factors until now is the use of constant charging current sources Limiting voltage with tightly sealed battery cells is made possible by the thermal properties of these cells, which lead to a phenomenon which in practice is called "thermal tearing out" referred to as. More precisely, in the systems used up to now for recharging batteries with constant voltage the charging current due to the voltage difference between the charging current source and the battery as well as the internal resistance of the battery. With increasing When charging the battery, it is to be expected that the battery voltage will increase and therefore the charging current going back. It is known, however, that the aforementioned tightly sealed battery cells are reversed Relationship between cell voltage and cell temperature. In other words, if the Cell heated during recharge, excessive heating may occur if too If a strong charging current is supplied, the terminal voltage of the battery will decrease. This reduction in Terminal voltage leads to a further increase in the charging current, so that even further heating the battery takes place, which in turn leads to a further reduction in cell voltage. This chain reaction often leads to a severe overcharging of the battery, so that excessive in the cells Amounts of gas are developed and a dangerous state sets in, with the cells even can be destroyed explosively.

Eine weitere Schwierigkeit, aus der sich Einschränkungen bezüglich der Verwendung von Ladestromquellen mit konstanter Spannung ergeben, ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die einzelnen Zellen einer Batterie nicht miteinander abgeglichen sind. BeiAnother difficulty that gives rise to limitations regarding the use of charging current sources with constant voltage is based on the The fact that the individual cells of a battery are not balanced with one another. at

den bis jetzt bekannten Ladesystemen, bei denen der Ladestrom entsprechend der Zellenspannung geregelt wird, wird als Regel- oder Steuerspannung gewöhnlich die an den Klemmen der gesamten Batterie erscheinende Spannung verwendet. Bei einer Batterie, die sich aus mehreren hintereinandergeschalteten Einzelzellen zusammensetzt, ergeben sich jedoch häufig von einer Zelle zur anderen Spannungsunterschiede, die so groß werden können, daß man dieses bekannte Verfahren zum Bestimmen des Zeitpunktes, in welchem die Batterie voll nachgeladen ist, nur mit äußerster Vorsicht anwenden darf.the charging systems known up to now, in which the charging current is regulated according to the cell voltage is the regulation or control voltage that appears at the terminals of the entire battery Voltage used. In the case of a battery made up of several individual cells connected in series composed, however, there are often voltage differences from one cell to the other, which can be so large that this known method for determining the time in which the battery is fully charged, use it with extreme caution.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladevorrichtung anzugeben, die es gestattet, dicht verschlossene alkalische Batterien aus einer eine konstante Spannung liefernden Ladestromquelle aufzuladen. Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer Ladevorrichtung der eingangs genannten Art, dadurch daß im Ladestromkreis ein elektrochemisches Voltameter angeordnet ist, an dessen Klemmen eine während des Ladevorgangs normalerweise niedrige Klemmenspannung erscheint, die bei Erreichen eines vorbestimmten Werts der zugeführten Ladungsmenge plötzlich ansteigt, und daß der Ladestromkreis zwei Ladewege zwischen den Klemmen der Ladestromquelle und der Batterie umfaßt, daß im ersten Ladeweg ein erster Transistor in Reihe mit dem Voltameter angeordnet ist, während im zweiten Ladeweg ein zweiter Transistor in Reihe mit einer Strombegrenzungsvorrichtung angeordnet ist, und daß die Klemmen des Voltameters derart mit den Transistorklemmen verbunden sind, daß bei dem niedrigen Wert der Klemmenspannung des Voltameters nur der erste Transistor leitend ist, während nach dem Ansteigen der Klemmenspannung nur der zweite Transistor leitend ist.The present invention is based on the object of specifying a charging device which allows tightly sealed alkaline batteries from a constant voltage charging current source to charge. The invention solves this problem with a charging device of the type mentioned at the beginning Kind, in that an electrochemical voltameter is arranged in the charging circuit, at its terminals a terminal voltage, which is normally low during the charging process, appears when it is reached a predetermined value of the supplied amount of charge suddenly increases, and that the charging circuit comprises two charging paths between the terminals of the charging current source and the battery that im first charging path a first transistor is arranged in series with the voltameter, while in the second charging path a second transistor is arranged in series with a current limiting device, and that the Terminals of the voltameter are connected to the transistor terminals in such a way that at the low value the terminal voltage of the voltameter only the first transistor is conductive, while after the increase the terminal voltage only the second transistor is conductive.

Während eines Ladevorgangs fließt also zunächst der Ladestrom über den ersten Ladeweg, nach Erreichen des vorbestimmten Werts der zugeführten Ladung steigt die Ausgangsspannung des Voltameters an, wodurch der Ladestrom auf den zweiten Ladeweg umgelenkt wird, in dem die Strombegrenzungsvorrichtung den Ladestrom auf einen gefahrlosen Wert begrenzt.During a charging process, the charging current initially flows via the first charging path after it has been reached the predetermined value of the supplied charge, the output voltage of the voltameter increases, whereby the charging current is diverted to the second charging path in which the current limiting device the charging current is limited to a safe value.

Vorteilhafterweise wird ein zwei reversible Cadmium- bzw. Cadmiumhydroxyd-Elektroden aufweisendes Voltameter zur Steuerung des Ladevorgangs verwendet.Advantageously, a two reversible cadmium or cadmium hydroxide electrodes exhibiting voltameter to control the charging process used.

Im ersten bzw. zweiten Ladeweg liegen zweckmäßigerweise die Emitter-Kollektor-Strecken des ersten bzw. zweiten Transistors.The emitter-collector paths of the first are expediently located in the first or second charging path or second transistor.

Es werden nun mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben.Several exemplary embodiments of the invention will now be described with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt die Schaltung einer Ausbildungsform der Erfindung und veranschaulicht den Ladestromweg während einer Anfangsperiode des Nachladens einer Batterie;Fig. 1 shows the circuit of an embodiment of the invention and illustrates the charging current path during an initial period of recharge a battery;

Fig.2 zeigt in einer graphischen Darstellung die Charakteristiken der Voltametereinrichtung, die in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Schaltung verwendet werden kann;2 shows in a graphic representation the Characteristics of the voltmeter device in connection with a circuit according to the invention can be used;

F i g. 3 zeigt die Schaltung nach F i g. 1 für den Fall, daß die Batterie einen vorbestimmten Ladungszustand erreicht hat, der durch den Ladezustand des Voltameters bestimmt wird, woraufhin die Batterie über einen anderen Ladestromweg nachgeladen wird;F i g. 3 shows the circuit according to FIG. 1 in the event that the battery has reached a predetermined state of charge, which is determined by the state of charge of the Voltameters is determined, whereupon the battery is recharged via a different charging current path;

Fig.4 veranschaulicht in einer graphischen Darstllung, auf welche Weise der Ladestrom bei der Schaltung nach Fi g. 1 und 3 entsprechend dem Ladezustand des Voltameters geregelt wird;Fig. 4 illustrates in a graphic representation, how the charging current in the circuit according to Fi g. 1 and 3 according to the state of charge the voltameter is regulated;

F i g. 5 zeigt in einem Schaltbild, auf welche Weise die Batterie entladen wird.F i g. 5 shows a circuit diagram in which way the battery is discharged.

Gemäß Fig. 1 umfaßt die nachladbare Batterie 10 mehrere Einzelzellen 10-1, 10-2 usw. bis 10-20. Die jeweilige Zahl der Einzelzellen, die in Reihe geschaltet werden, um die nachladbare Batterie 10 zu bilden, richtet sich in bekannter Weise nach dem Verwendungszweck bzw. der Art des Stromverbrauchers. Die einzelnen Zellen können als dicht verschlossene Nickel-Kadmium-Zellen ausgebildet sein.According to FIG. 1, the rechargeable battery 10 comprises a plurality of individual cells 10-1, 10-2, etc. to 10-20. the the respective number of individual cells that are connected in series to form the rechargeable battery 10, depends in a known manner on the intended use or the type of power consumer. the individual cells can be designed as tightly sealed nickel-cadmium cells.

Es sei jedoch bemerkt, daß sich die Erfindung auch bei anderen Arten von nachladbaren alkalischen Batteriezellen anwenden läßt, z.B. bei nachladbaren Nickel-Eisen-Zellen.It should be noted, however, that the invention also applies to other types of rechargeable alkaline battery cells can be used, e.g. with rechargeable nickel-iron cells.

Um die Beschreibung der Schaltung zu erleichtern, sind diejenigen Schaltungselemente, welche beim Entladen der Batterie zur Wirkung kommen, mit gestrichelten Linien angedeutet; bei der Anordnung nach F i g. 1 und 3 kommen diese Schaltungselemente beim Nachladen der Batterie nicht zur Wirkung. Die positive Ausgangsklemme 12 der Batterie 10 ist durch eine Leitung 14 mit der positiven Klemme 16 einer insgesamt mit 20 bezeichneten Gleichstromquelle von konstanter Spannung verbunden. Bei der konstanten Gleichspannungsquelle 20 kann es sich um eine beliebige Spannungsquelle bekannter Art handeln, z.B. um einen Gleichstromgenerator oder um einen mit einer geeigneten Gleichrichtungsschaltung ausgerüsteten Wechselstromgenerator. Die negative Klemme 18 der Stromquelle 20 ist über Kontakte B und A eines einpoligen Umschalters 5-1 an die gemeinsame Verbindungsstelle 22 des Kollektors 34 eines Transistors 30, eines Endes eines Widerstandes 35 und der Anode einer Diode 60 angeschlossen. Der Emitter 32 des Transistors 30 ist an die gemeinsame Verbindungsstelle 47 der Kathoden von zwei Dioden 60 und 45 angeschlossen. Der Knotenpunkt 47 ist außerdem mit einer der Klemmen 52 eines Voltameters 50 verbunden, dessen andere Klemme 54 an die gemeinsame Verbindungsstelle 49 der negativen Batterieklemme 13 und des Emitters des Transistors 40 angeschlossen ist'. Die Basis 36 des Transistors 30 ist mit dem Knotenpunkt 38 verbunden, an den der Kollektor 44 des Transistors 40 und das andere Ende des Widerstandes 35 angeschlossen sind. Die Basis 46 des Transistors 40 ist mit der Anode der Diode 45 verbunden. Die Dioden 60 und 62 sind in F i g. 1 und 3 gestrichelt eingezeichnet, da sie gemäß Fig.4 nur beim Entladen der Batterie zur Wirkung kommen.In order to facilitate the description of the circuit, those circuit elements which come into effect when the battery is discharged are indicated with dashed lines; in the arrangement according to FIG. 1 and 3, these circuit elements do not come into effect when the battery is recharged. The positive output terminal 12 of the battery 10 is connected by a line 14 to the positive terminal 16 of a direct current source, denoted as a whole by 20, of constant voltage. The constant DC voltage source 20 can be any voltage source of a known type, for example a DC generator or an AC generator equipped with a suitable rectifying circuit. The negative terminal 18 of the current source 20 is connected via contacts B and A of a single-pole changeover switch 5-1 to the common connection point 22 of the collector 34 of a transistor 30, one end of a resistor 35 and the anode of a diode 60. The emitter 32 of the transistor 30 is connected to the common junction 47 of the cathodes of two diodes 60 and 45. The node 47 is also connected to one of the terminals 52 of a voltmeter 50, the other terminal 54 of which is connected to the common junction 49 of the negative battery terminal 13 and the emitter of the transistor 40 '. The base 36 of the transistor 30 is connected to the node 38 to which the collector 44 of the transistor 40 and the other end of the resistor 35 are connected. The base 46 of the transistor 40 is connected to the anode of the diode 45. Diodes 60 and 62 are shown in FIG. 1 and 3 drawn in dashed lines, since according to FIG. 4 they only come into effect when the battery is discharged.

Der anfängliche Ladestromweg von der konstanten Gleichspannungsquelle 20 zu der Batterie 10 verläuft gemäß F i g. 1 entsprechend der strichpunktierten Linie 90, d. h. von der positiven Klemme 16 der Spannungsquelle 20 aus über die Leitung 14, die positive Klemme 12 der Batterie 10, durch die Batterie 10, die negative Klemme 13, die Klemme 54 des Voltameters 50, das Voltameter 50 selbst, die Voltameterklemme 52, den Emitter-Kollektor-Übergang 32 bis 34 des Transistors 30 und über den Schalter 5-1 zurück zur negativen Klemme 18 der Spannungsquelle 20. Da der Ladestromweg über das Voltameter 50 verläuft, wird dem Voltameter eine elektrische Ladung zugeführt, die in einer betriebsmäßigen Beziehung zu der der Batterie 10 zugeführten elektrischen Ladung steht.The initial charging current path from constant DC voltage source 20 to battery 10 is according to FIG. 1 corresponding to the dash-dotted line 90, i.e. H. from the positive terminal 16 of the voltage source 20 from on line 14, the positive terminal 12 of the battery 10, through the battery 10, the negative terminal 13, the terminal 54 of the voltameter 50, the voltameter 50 itself, the voltameter terminal 52, the emitter-collector junction 32 to 34 of the transistor 30 and via the switch 5-1 back to negative terminal 18 of the voltage source 20. Since the charging current path runs through the voltameter 50, is the voltameter is supplied with an electrical charge which is in an operational relationship to that of the Battery 10 supplied electrical charge is.

Um zu erläutern, auf weiche Weise das Voltameter bzw. die Ladungssummierungsmittel 50 dazu dienen,In order to explain the way in which the voltameter or the charge summation means 50 serve to

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eine Regelung entsprechend der Größe der Ladung zu der Voltameterzelle 50 ein übermäßiger Gasdrucka regulation according to the size of the charge to the voltameter cell 50 an excessive gas pressure

bewirken, die der Batterie 10 von der Spannungs- aufbaut.cause the battery 10 from the voltage builds up.

quelle 20 aus zugeführt wird, wird im folgenden auf Wegen ihrer symmetrischen Konstruktion arbeitet F i g. 2 Bezug genommen, wo die Ausgangsspannung die Voltameterzelle 50 reversibel. Mit anderen Worin Beziehung zu der Ladung dargestellt ist, die dem 5 ten, wenn die Batterie 10 einen Strom an einen Ver-Voltameter über die Klemmen 52 und 54 zugeführt braucher abgibt, fließt durch das Voltameter ein wird. Strom in der entgegengesetzten Richtung, währendsource 20 is supplied from, will work in the following on ways of their symmetrical construction F i g. 2, where the output voltage makes the voltameter cell 50 reversible. With other something Relationship to the charge is shown, which is the 5th when the battery 10 supplies a current to a ver-voltameter Consumer delivers via terminals 52 and 54, flows in through the voltameter will. Current in the opposite direction while

Eine solche elektrochemische Voltameterzelle um- einer anfänglichen Entladungsperiode, die gemäßSuch an electrochemical voltameter cell around an initial discharge period, which according to

faßt zwei reversible Elektroden, die z. B. aus Kad- F i g. 2 zwischen den Punkten 82 und 84 liegt, hat dieholds two reversible electrodes, the z. B. from Kad- F i g. 2 lies between points 82 and 84, has the

mium-II-Hydroxyd (Cd(OH)₂) bzw. aus metalli- io Ausgangsspannung des Voltameters den gleichen nie-mium-II-Hydroxyd (Cd (OH) ₂ ) or from metallic io output voltage of the voltameter the same low

schem Kadmium (Cd) bestehen. Wenn mit Hilfe eines drigen Wert wie zwischen den Punkten 70 und 72, je-Shem cadmium (Cd) exist. If with the help of a third value as between points 70 and 72, each

äußeren Stromkreises ein Strom in einer bestimmten doch in der entgegengesetzten Richtung. Sobald dieexternal circuit a current in a certain but in the opposite direction. As soon as the

Richtung durch eine solche Zelle geleitet wird, wird Kapazität des Voltameters erreicht ist, d. h. am PunktDirection is passed through such a cell, the capacitance of the voltameter is reached, i. H. at the point

das Kadmium der einen Elektrode oxydiert bzw. in 84, wobei der größte Unterschied zwischen den Volta-the cadmium of one electrode is oxidized or in 84, with the greatest difference between the voltages

Kadmiumhydroxyd verwandelt, während das Kadmi- 15 meterelektroden besteht, steigt die AusgangsspannungCadmium hydroxide is converted while the cadmium electrode is in place, the output voltage increases

umhydroxyd der anderen Elektrode zu Kadmium re- des Voltameters plötzlich in Richtung auf den PunktUmhydroxyd the other electrode to cadmium re des voltameters suddenly in the direction of the point

duziert wird. Solange jede der Elektroden sowohl 86 an, doch wird diese Ausgangsspannung vorzugs-is dued. As long as each of the electrodes is both on, this output voltage is preferred.

Kadmium als auch Kadmiumhydroxyd enthält, ist bei weise so begrenzt, daß sie gemäß F i g. 2 den Punkt 85Contains cadmium as well as cadmium hydroxide is limited in wise so that it is according to FIG. 2 point 85

einer solchen Zelle die Spannung zwischen den Elek- nicht überschreitet.of such a cell the voltage between the elec-

troden ziemlich niedrig, z.B. zwischen 0,05 bis 0,1 V. 20 Im folgenden wird an Hand von Fig. 3 erläutert, Wenn jedoch eine bestimmte Elektrizitätsmenge die auf welche Weise das an den Klemmen 52 und 54 des Zelle passiert hat, die ausreicht, um das gesamte Kad- Voltameters 50 erscheinende elektrische Ausgangssi- f mium einer der Elektroden zu oxydieren bzw. in Kad- gnal dazu dient, den Ladestrom von dem in Fig. 1 ge- V miumhydroxyd zu verwandeln, und wenn eine Ände- zeigten ersten Leitungsweg 90 auf den in F i g. 3 gerung des elektrochemischen Prozesses an einer Elek- 25 zeigten zweiten Leitungsweg 97 umzuschalten, wähtrode oder an beiden Elektroden eintritt, z. B. das Ein- rend des einleitenden Teils des Ladezyklus zwischen setzen der Entwicklung von Gas, so ist diese Ände- den Punkten 70 und 72 in Fig.2 tritt zwischen den rung von einer plötzlichen und erheblichen Änderung Klemmen des Voltameters ein sehr kleiner Spander Spannung zwischen den Elektroden begleitet, d. h. nungsunterschied von weniger als 0,1 V auf; somit erdie Spannung steigt auf einen Wert in der Größenord- 30 scheint praktisch die volle Spannung zwischen der Lanung von 1,5 V an. Dieser Wert kann auf einen Wert destromquelle 20 und der Batterie 10 zwischen dem in der Größenordnung von 0,7 V begrenzt werden, Emitter 32 und dem Kollektor 34 des Transistors 30. um zu verhindern, daß sich ein übermäßiger Gasdruck Man kann jedoch annehmen, daß dieser Spannungsauf baut. Da beide Elektroden von gleicher Konstruk- unterschied zwei Komponenten umfaßt, und zwar dietion sind, arbeitet das elektrochemische Voltameter 35 jenige zwischen dem Emitter 32 und der Basis 36 und 50 reversibel. Wenn sich die chemische Reaktion in diejenige zwischen der Basis 36 und dem Kollektorder entgegengesetzten Richtung abspielt, sind die VoI- 34. Dieser letztere Spannungsunterschied dient als tameterspannungen negativ, und nachdem die gleiche Quelle für den Basisstrom, wie es in F i g. 1 bei 95 an-Ladungsmenge das Voltameter in der entgegengesetz- gedeutet ist, wobei der Basisstrom durch den Widerten Richtung passiert hat, nimmt die Ausgangsspan- 40 stand 35 begrenzt wird. Daher befindet sich der Trannung auf ähnliche Weise plötzlich bis aus 1,5 V zu. sistor 30 gemäß Fig. 1 in einem Zustand erheblicher Gemäß der Erfindung ist die Ladungsmenge, die er- Leitfähigkeit.Trode fairly low, for example between 0.05 to 0.1 V. 20 In the following it will be explained with reference to FIG to the entire KAD voltameter f 50 appearing electrical Ausgangssi- to oxidize mium one of the electrodes or gnal serves in KAD to convert the charging current of the overall in Fig. 1 V miumhydroxyd, and when a first showed amendments Line path 90 to the one shown in FIG. 3 the electrochemical process at one electrode is shown to switch over to the second conduction path 97, when electrode or at both electrodes occurs, e.g. B. the end of the introductory part of the charging cycle between sets of the development of gas, this change occurs between points 70 and 72 in FIG accompanied between the electrodes, ie voltage difference of less than 0.1 V; thus the voltage rises to a value in the order of magnitude - practically the full voltage between the 1.5 volts appears to be at. This value can be limited to a value of the power source 20 and the battery 10 between that of the order of 0.7 volts, emitter 32 and the collector 34 of transistor 30. To prevent excessive gas pressure from building up, however, it can be assumed that this builds up tension. Since both electrodes have the same construction difference and comprise two components, namely dietion, the electrochemical voltameter 35 works reversibly between the emitter 32 and the base 36 and 50. If the chemical reaction is in the opposite direction between the base 36 and the collector, the VoI-34. This latter voltage difference serves as the parameter voltages, and after the same source of base current as shown in FIG. 1 at 95 an amount of charge the voltameter is interpreted in the opposite direction, with the base current having passed through the opposite direction, the output voltage increases to 35 is limited. Therefore, in a similar way, the voltage is suddenly up to 1.5V. sistor 30 according to FIG. 1 in a state of considerable size. According to the invention, the amount of charge, the conductivity.

forderlich ist, um diese plötzliche Spannungsänderung Während dieser Zeit bleibt der Transistor 40 ausis necessary to this sudden voltage change. During this time, the transistor 40 remains off

zu bewirken, als vorbestimmter Wert festgelegt, der in den nachstehend erläuterten Gründen abgeschaltet.to effect is set as a predetermined value, which is turned off for the reasons explained below.

einer betriebsmäßigen Beziehung zu der der Batterie 45 Der Emitter 42 des Transistors 40 ist mit der negati-an operational relationship to that of the battery 45. The emitter 42 of the transistor 40 is connected to the negative

10 zuzuführenden Ladung steht. ven Klemme der Batterie 10 an dem Knotenpunkt 4910 load to be supplied is available. ven terminal of battery 10 at node 49

Die vorstehend beschriebene Wirkungsweise des verbunden, während die Basis 46 dieses Transistors Voltameters 50 ist in Fi g. 2 graphisch dargestellt. Der über die Diode 45 an die entgegengesetzte Klemme 52 Punkt 70 entspricht einem im wesentlichen ungelade- des Voltameters angeschlossen ist; somit wird die an nen Zustand des Voltameters 50, bei dem beide Elek- 5° den Voltameterklemmen 54-52 erscheinende Spantroden erhebliche Mengen sowohl von Kadmium als nung an die Diode 45 und den damit in Reihe geschalauch von Kadmiumhydroxyd enthalten. Wenn die La- teten Emitter-Basis-Übergang des Transistors 40 andungszufuhr zu dem Voltameter vom Punkt 70 in gelegt. Bei dem Transistor 40 handelt es sich nor-Richtung auf den Punkt 72 fortschreitet, enthalten malerweise um einen Transistor, bei dem eine Spanbeide Elektroden immer noch Kadmium und Kadmi- 55 nung in der Größenordnung von 0,3 V zwischen dem umhydroxyd, und die Ausgangsspannung des Volta- Emitter und der Basis zur Wirkung gebracht werden meters ist ziemlich niedrig und konstant, d. h. sie liegt muß, um den Transistor leitfähig zumachen. Entsprein der Größenordnung von 0,1V. Der Punkt 72 ent- chend kann man eine Diode 45 wählen, an deren spricht der Zufuhr einer Ladung, bei der der Aus- Klemmen eine Spannung von 0,6 V angelegt werden gleich im wesentlichen erreicht ist, so daß die Zufüh- 60 muß, um die Diode leitfähig zu machen. Daher bleibt rung einer weiteren Ladung eine plötzliche Änderung der Transistor 40 abgeschaltet, bis sich die Spannung derAusgangsspannung bewirkt, die dann am Punkt 76 an den Voltameterklemmen 54-52 einem Wert in der auf einen Wert von etwa 1,5 V ansteigt, so daß ein Größenordnung von 0,9 V nähert. Gemäß F i g. 2 elektrisches Ausgangssignal zur Verfügung steht, das entspricht dieser Zustand einem Zustand des Voltabei dem erfindungsgemäßen System dazu dient, den 65 meters, bei dem sich die Ausgangsspannung des Ladestrom zu regeln. Es ist zweckmäßig, dafür zu sor- Voltameters plötzlich und erheblich ändert, wodurch gen, daß der Ladestrom beim Erreichen des Punktes angezeigt wird, daß die gewünschte bestimmte Menge 74 unterbrochen wird, um zu verhindern, daß sich in an elektrischer Energie das Voltameter passiert hat.The above-described operation of the connected while the base 46 of this transistor Voltameter 50 is shown in FIG. 2 shown graphically. Via the diode 45 to the opposite terminal 52 Point 70 corresponds to an essentially uncharged voltmeter connected; thus the on n state of the voltameter 50, in which both electrodes appear to the voltmeter terminals 54-52 significant amounts of both cadmium and voltage to diode 45 and connected in series with it Contains cadmium hydroxide. When the lateten emitter-base junction of transistor 40 and application feed to the voltameter from point 70 in. The transistor 40 is in the nor direction Progressing to the point 72, sometimes included a transistor in which one chip both Electrodes still have cadmium and cadmium on the order of 0.3 V between the umhydroxyd, and the output voltage of the volta emitter and the base are brought into effect meters is quite low and constant, i.e. H. it must be in order to make the transistor conductive. Corresponding of the order of 0.1V. Corresponding to point 72, a diode 45 can be selected speaks of the supply of a charge, in which the off terminal a voltage of 0.6 V is applied the same is essentially reached, so that the feeder 60 must in order to make the diode conductive. Hence remains tion of another charge a sudden change of the transistor 40 is switched off until the voltage the output voltage, which then at point 76 at the voltmeter terminals 54-52 has a value in the rises to a value of about 1.5 volts, so approaching a magnitude of 0.9 volts. According to FIG. 2 If an electrical output signal is available, this state corresponds to a state of the Volta the system according to the invention serves to measure the 65 meter, in which the output voltage of the Regulate charging current. It is convenient to care for this to change the voltameters suddenly and significantly, causing gen that the charging current is displayed when the point is reached that the desired certain amount 74 is interrupted to prevent electrical energy from passing through the voltameter.

F i g. 3 veranschaulicht den Zustand, der dann gegeben ist, wenn das Voltameter ein elektrisches Ausgangssignal in Form einer Spannung von 0,9 V erzeugt hat, um anzuzeigen, daß der Batterie 10 die gewünschte elektrische Ladungsmenge erneut zugeführt worden ist. Der Transistor 40 befindet sich jetzt im leitfähigen Zustand, und der Ladestrom fließt entsprechend der strichpunktierten Linie 97 durch den Emitter-Kollektor-Übergang 42—44 des Transistors 40 und den Widerstand 35. Wenn der Transistor 40 leitfähig wird und dem Widerstand 35 einen Strom zuführt, nimmt der Basisstrom des Transistors 30 allmählich ab. Wird der Basisstrom des Transistors 30 geschwächt, wird auch der über den Emitter zum Kollektor fließende Strom so weit verringert, daß der Transistor 30 abgeschaltet wird und der Hauptleitungsweg für den Ladestrom der Linie 97 in F i g. 3 entspricht. Es sei bemerkt, daß dieser Leitungsweg den Widerstand 35 enthält. Dieser Widerstand wird so gewählt, daß der längs der Linie 97 fließende Ladestrom einen genügend kleinen Wert erhält, damit die Batterie auch während einer längeren weiteren Ladezeit nicht überladen wird. Diese niedrigere Ladegeschwindigkeit, bei der die Ladung der Batterie 10 ergänzt werden kann, kann in einem typischen Fall in der Größenordnung eines Zehntels der Amperestundenkapazität der Batterie 10 liegen und somit dem Wert entsprechen, mit dem eine Ladestromquelle bekannter Art mit konstantem Strom arbeitet.F i g. 3 illustrates the condition that exists when the voltameter has generated an electrical output signal in the form of a voltage of 0.9 V to indicate that the battery 10 has been supplied again with the desired amount of electrical charge. The transistor 40 is now in the conductive state, and the charging current corresponding to the dash-dotted line 97 through the emitter-collector junction 42- 44 of the transistor 40 and the resistor 35. When the transistor becomes conductive 40 and the resistor 35 a current to , the base current of the transistor 30 gradually decreases. If the base current of transistor 30 is weakened, the current flowing via the emitter to the collector is also reduced to such an extent that transistor 30 is switched off and the main conduction path for the charging current of line 97 in FIG. 3 corresponds. It should be noted that this conduction path includes resistor 35. This resistance is chosen so that the charging current flowing along the line 97 has a sufficiently small value that the battery is not overcharged even during a longer further charging time. This lower charging rate, at which the charge of the battery 10 can be supplemented, can in a typical case be on the order of a tenth of the ampere-hour capacity of the battery 10 and thus correspond to the value with which a charging current source of known type operates with constant current.

Fig.4 veranschaulicht graphisch, auf welche Weise der Ladestrom bei der vorstehend beschriebenen Schaltung geregelt wird. Zwischen den Punkten 110 und 112 folgt der Ladestrom gemäß F i g. 1 dem Leitungsweg 90. Hierbei nimmt der Ladestrom anfänglich einen hohen Wert an, der allmählich zurückgeht, wenn die gegenelektromotorische Kraft der Batterie 10 zunimmt. Am Punkt 112 erzeugt das Voltameter sein elektrisches Ausgangssignal, so daß die Schaltung auf den Leitungsweg 97 nach Fig. 3 umgeschaltet wird; hierbei wird der Ladestrom plötzlich auf den in Fig.4 bei 114 angedeuteten erheblich schwächeren, im wesentlichen konstanten Wert verringert. 4 graphically illustrates the manner in which the charging current is regulated in the circuit described above. The charging current according to FIG. 1 follows between points 110 and 112. 1 to the conduction path 90. Here, the charging current initially assumes a high value, which gradually decreases as the counter electromotive force of the battery 10 increases. At point 112 , the voltameter produces its electrical output signal, so that the circuit is switched to the conduction path 97 of FIG. 3; in this case the charging current is suddenly reduced to the considerably weaker, essentially constant value indicated at 114 in FIG.

F i g. 5 zeigt den Entladungsstromweg, der vorgesehen werden kann, wenn die Batterie 10 einen Strom an einen Verbraucher 100 abgeben soll. Die Kontakte des Schalters S-I werden so betätigt, daß die gemeinsame Klemme A jetzt mit der Klemme C verbunden ist, an die der Stromverbraucher 100 angeschlossen ist. Die Diode 60 überbrückt den Transistor 30 während der Entladung, und die Diode 62 bildet einen Nebenschluß, durch den das Voltameter 50 geschützt wird. Somit fließt der Entladungsstrom von der Batterie 10 zu dem Stromverbraucher 100 von der Batterieklemme 12 aus über die Leitung 14, den Stromverbraucher 100, die Kontakte C-A des Schalters S-I, F i g. 5 shows the discharge current path that can be provided when the battery 10 is to deliver a current to a load 100. The contacts of the switch SI are operated so that the common terminal A is now connected to the terminal C to which the power consumer 100 is connected. Diode 60 bypasses transistor 30 during discharge and diode 62 shunts voltameter 50. The discharge current thus flows from the battery 10 to the power consumer 100 from the battery terminal 12 via the line 14, the power consumer 100, the contacts CA of the switch SI,

ίο den Knotenpunkt 22, die Überbrückungsdiode 60, den Knotenpunkt 47, das Voltameter 50 (und zwar entgegengesetzt zur Richtung des Ladestroms nach Fig. 1 und 3) und schließlich zur anderen Klemme 13 der Batterie 10. Man erkennt somit, daß derEntladungsweg zwischen der Batterie und dem äußeren Stromverbraucher den Voltameterkreis umfaßt, der so geschaltet ist, daß der Strom beim Entladen der Batterie das Voltameter entgegengesetzt zu dem Strom passiert, der während des Nachladens der Batterie durch das Voltameter fließt, und daß daher der Ladungszustand des Voltameters entsprechend dem Ladungszustand der Batterie variiert. Für den Fall, daß die Batterie weiter bis zu einem übermäßigen Entladungszustand entladen wird, ist zu erwarten, daß das Voltameter überschüssige Gase entwickelt, wenn seine Spannung über einen Wert in der Größenordnung von 0,6 V hinaus zunimmt, wie es in Fig. 2 durch den Punkt 85 angedeutet ist. Die Diode 62, bei der ein Spannungsabfall von etwa 0,6 V erforderlich ist, um die Diode leitfähig zu machen, dient bezüglich des Voltameters als schützender Nebenschluß, durch den verhindert wird, daß sich in dem Voltameter ein übermäßiger Gasdruck aufbaut.ίο the node 22, the bypass diode 60, the node 47, the voltameter 50 (opposite to the direction of the charging current according to FIGS. 1 and 3) and finally to the other terminal 13 of the battery 10. It can thus be seen that the discharge path between the battery and the external power consumer comprises the voltmeter circuit which is connected so that the current when discharging the battery passes the voltameter opposite to the current that flows through the voltameter during recharging of the battery, and that therefore the state of charge of the voltameter corresponds to the state of charge of the Battery varies. In the event that the battery continues to be discharged to an excessive state of discharge, the voltameter is expected to develop excess gases as its voltage increases beyond a value on the order of 0.6 volts, as shown in FIG is indicated by the point 85. Diode 62, which requires a voltage drop of about 0.6 volts to render the diode conductive, acts as a protective shunt with respect to the voltameter which prevents excessive gas pressure from building up in the voltameter.

Wie schon erwähnt, macht es der zyklische Betrieb der erfindungsgemäßen Schaltung erforderlich, daß der Ladungszustand des Voltameters 50 in jedem Zeitpunkt in einer betriebsmäßigen Beziehung zum Ladungs- bzw. Entladungszustand der Batterie 10 steht. Zu diesem Zweck ist das Voltameter 50 sowohl in den Ladekreis als auch in den Entladungskreis der Batterie eingeschaltet. Bekanntlich liegt jedoch der Ladungswirkungsgrad eines Voltameters sehr nahe bei 100%. Der Ladungswirkungsgrad der Batterie 10, die ständig in einem gewissen Ausmaß überladen werden muß, damit die Kapazität lOO°/o zur Verfügung steht, ist dagegen niedriger als 100 »/ο.As already mentioned, the cyclical operation of the circuit according to the invention makes it necessary that the state of charge of the voltameter 50 is operationally related to the state of charge or discharge of the battery 10 at all times. For this purpose, the voltameter 50 is switched into both the charging circuit and the discharging circuit of the battery. It is known, however, that the charging efficiency of a voltameter is very close to 100%. The charging efficiency of the battery 10, which has to be constantly overcharged to a certain extent so that the capacity 100% is available, is, however, lower than 100%.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

209544/126209544/126

Claims

Claims:.

1. · Device 'for loading a tightly closed alkaline battery, especially nickel-cadmium battery, from a one constant Voltage supplying charging current source, characterized in that in the charging circuit an electrochemical voltameter (50) is arranged, at the terminals (52, 54) a Normally low terminal voltage appears during the charging process, which when reached a predetermined value of the supplied amount of charge suddenly increases, and that the charging circuit two charging paths (90, 97) between the terminals (16, 18) of the charging current source (20) and the battery (10) comprises that in the first charging path (90) a first transistor (30) is arranged in series with the voltameter (50), while im second charging path (97) a second transistor (40) in series with a current limiting device (35) is arranged, and that the terminals (52,54) of the voltameter (50) with the transistor terminals are connected that at the low value of the terminal voltage of the voltameter (50) only the first transistor (30) is conductive, while only after the terminal voltage has risen the second transistor (40) is conductive.

2. Loading device according to claim 1, characterized in that the voltameter (50) has two Has reversible cadmium or cadmium hydroxide electrodes.

3. Loading device according to claim 1 or 2, characterized in that in the first or second Charging path (90, 97) the emitter-collector paths of the first and second transistor (30, 40) are arranged.