DE1588682A1

DE1588682A1 - Schaltungsanordnung zum Laden und Nachladen von Batterien

Info

Publication number: DE1588682A1
Application number: DE19671588682
Authority: DE
Inventors: Gabriel Kosa; Edward Peitry
Original assignee: Sonotone Corp
Current assignee: Sonotone Corp
Priority date: 1966-02-14
Filing date: 1967-02-14
Publication date: 1970-05-21
Also published as: JPS4728136B1; US3417307A; GB1157130A; FR1543941A

Description

DIPL-JNG. CURT WACLÄcfH ^ü Ό 1588682 DIPL-ING. GONTHER KOCH DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2,

UNSER ZEICHEN!

Sonotone Corporation
Elmsford, New York, V.St.A.

Schaltungsanordnung zum Laden und Nachladen von Batterien.

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zum sicheren Laden und Entladen einer Batterie und insbesondere eine Schaltungsanordnung zur Steuerung entweder der Ladegeschwindigkeit oder der Entladegeschwindigkeit einer Batterie oder beider entsprechend dem Ladungszustand der Batterie, welche durch eine Ladungssummiervorrichtung (z.B. durch ein Coulometer) bestimmt wird,

Obwohl auch andere Anwendungsmöglichkeiten bestehen, ist die erfindungsgemässe Steuerschaltung besonders geeignet zur Verwendung für gekapselte Nickel-Cadmium-Batteriezellen von der Art, wie sie in dem Patent ....... (Patentanmeldung

0Ö9821/07U

,) beschrieben sind.

Beim Nachladen solcher gekapselter Batteriezellen müssen geeignete Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden, um ein Überladen zu vermeiden, welches zu einer übermässigen Gasansammlung führt. Wenn dies nicht geschieht, kann die Ansammlung von Gasen zu einem Druckaufbau führen, der so hoch werden kann, daß ein explosiver Bruch des Batteriebehälters stattfinden kann. Zur Vermeidung der Gefahr einer solchen Überladung ist es herkömmlich, eine solche gekapselte Nickel-Cadmium-Zelle von einer Quelle eines konstanten Stromes mit einer ziemlich niedrigen Ladegeschwindigkeit aufzuladen, beispielsweise mit einem Zehntel der Kapazität in Amperestunden des Batterieaggregats· Natürlich erfordern solche Schaltungen zum Laden mit einem gleichbleibenden Strom oft eine übermässsig lange Zeit, um das erschöpfte Batterieaggregat auf seine volle Ladungskapazität zurückzubringen«

Es wurde jedoch vorgeschlagen, solche Batterieaggregate von einer Quelle gleichbleibenden Stromes mit einer ziemlich hohen Anfangsgeschwindigkeit zu laden und, nachdem die Batterie einen bestimmten Ladezustand erreicht hat, einen Teil des Ladeeingangsstromes zu einem Hilfsstromkreis umzuleiten, so daß der dann durch das Batterieaggregat fliessende Strom eine Grosse hat, die einen gefahrlosen Betrieb für eine längere

009121/0744

Dauer ermöglicht. Eine solche Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil, daß aus der Ladestromquelle ständig im wesentlichen die volle EingangsstromJcapazität entnommen wird und die in der Hilfsschaltung erzeugte Wärme zu Problemen der Wärme ab1e itung führ t.

Durch die Erfindung werden die vorgenannten Probleme dadurch vermieden, daß zuerst eine ziemlich rasche Ladegeschwindigkeit von der Eingangsquelle elektrischer Energie ermöglicht wird und dann, wenn die Batterie einen bestimmte! Ladezustand angezeigt hat, die elektrische Eingangsenergie von der Stromquelle wesentlich herabgesetzt wird, so daß dann ein ßatterieladestrom von einer solch gefahrlosen Grosse erhalten wird, der zum Erzielen des Ladeendzustandes verwendet werden kann.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es sehr erwünscht, daß beim Entladen des Batterieaggregats durch eine äussere Last die Batterie nicht auf eine solch niedrige Kapazität erschöpft wird, daß die Gefahr einer Umkehrung der

Polarität besteht. Wie in dem Patent ,· [Patentanmeldung

*······) ausgeführt, besteht bei einem wiederholten periodischen Betrieb solcher Batterieaggregate bis zur Polaritätumkehrung die Gefahr, daß sich innerhalb der gekapselten Zellen Wasserstoftgas aufbaut. Das Entwickeln von solchem Wasserstottgas dadurch, daß die Zeileneinheiten in einen Zu-

009821/0744

stand umgekehrter Polarität getrieben werden, führt zu einer gefährlichen Situation, die Aermieden werden muß. ürfindungsgemäß wird dies dadurch vermieden, daß ein Uberbelastungsschutz im Entladestromkreis vorgesehen ist, welcher auf ein Signal von der Ladungssummiereinrichtung anspricht, das anzeigt, daß das Batterieaggregat bis zu einem bestimmten Grad entladen worden ist. Beim Empfang eines solchen Signals wird durch eine elektronische Schaltungsanordnung uie Entladung im wesentlichen zum Stillstand gebracht, Es ist vorteilnaft, die Anordnung so zu treffen, daß der Uberbelastungsschutz auch ein Signal aufnehmen kann, das abgegeben wird, wenn ei«ne oder mehrere der einzelnen Zellen innerhalb des Batterieaggregats einen Zustand sehr niedriger Spannung erreicht haben.

Bei einer beispielsweisen Ausführung form der Erfindung kann die Ladungssummiereinrichtung eine elektrocnemisciie Coulometerzelle an sich bekannter Art sein, wie sie in dem Patent (Patentanmeldung ..) beschrieben ist. Das Coulometer ist sowohl in den Ladeweg als auch in den Entladungsweg der Batterie geschaltet. Das Coulometer nimmt eine elektrische Eingangsladung von der Stromquelle auf, die quantitativ zur elektrischen Eingangsladung in Beziehung steht, welche von der Stromquelle an die Batterie geliefert wird, und nimmt eine Eingangsladung in aer entgegengesetzten

BAD ORIGINAL

009821/0744

Richtung auf, die quantitativ zu der Menge der elektrischen Ladung in Beziehung steht, welche durch das Batterieaggregat an eine äussere Last geliefert wird. Das Coulometer dient zur Abgabe eines elektrischen Ausgangssignals, beispielsweise in Form einer plötzlichen Spannungsveränderung, wenn die ihm in jeder Richtung zugeführte Eingangsladung eine bestimmte Menge entsprechend den Dimensionen des Coulometers erreicht. Die Kennlinie des Coulometers ist so gewählt, daß sie derjenigen des Batteriezellenaggregats entspricht, so daß das elektrische Ausgangssignal im wesentlichen der ganzen Batteriekapazität oder, für einen erhöhten Schutz, nur einem bestimmten Teil der Batteriekapazität entsprechen kann.

Der Batterieladekreis besitzt elektronische Schaltungselemente, weiche auf den elektrischen Signalausgang des Coulometers ansprechen, um die Eingangsladegeschwindigkeit von der Stromquelle her herabzusetzen. Daher nimmt die Batterie eine anfängliche Ladung von der Energieeingangsquelle mit einer ersten Geschwindigkeit auf, während sie nach der Abgabe des Coulometerausgangssignals eine Ladung mit einer beträcht- . lieh verringerten zweiten Geschwindigkeit aufnimmt.

Der Entladestromweg der Batterie enthält einen Uberbelastungsschutz, der in ähnlicher Weise auf das elektrische Ausgangssignal der Coulometervorrichtung anspricht, das eine entgegen-

009821/074*

gesetzte Polarität hat. Beim Empfang eines solchen Signals wird das weitere Entladen der Batterie durch die Last im wesentlichen zum Stillstand gebracht.

Gemäß der besonderen, beispielsweise beschriebenen Ausführungsform der Erfindung geschieht das Schalten innerhalb der Laae- und Entladestromwege in Abhängigkeit von aem Coulometerpotential durch geeignet vorgespannte Transistoren, die zwischen ihrem Leitungszustand und Sperrzustand entsprechend der Ausgangsspannung der Coulometervorrichtung geschaltet werden.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht aaner in der Schaffung einer Schaltungsanordnung für das periodische Laden und Entladen eines Batterieaggregats.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Steuerschaltung zum Laden eines Batterieaggregats von einer e iektrischen Energiequelle, wobei die Energiezufuhr von der Stromquelle zur Steuerschaltung und zum Batterieaggregat entsprechend der von der Batterie aufgenommenen Stronuoenge gesteuert wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Steuerschaltung, bei welcher, nachdem die Batterie im wesentlichen

BAD ORIGINAL

009821/0744

ihren Lauezustand erreiciit hat, der Eingang von der Stromquelle her auf eine Stroi.igrösse herabgesetzt wird,welche dem jiatterieaggregat über einen längeren Zeitraum gefahrlos zugeführt werden kann.

liin weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Steuerschaltung fur den periodischen betrieb eines gekapselten Nickel-Cadmiuin-uatterieaggregats, bei welcher Mittel vorgesehen sind, die auf den xiatterieiadezustand ansprechen, um den Entlaüestroinfluß praktisch abzuschalten.

Hin weiteres 2iel der Erfindung ist die Scnaffung einer Steuer schaltung, oei welcner aie auf uen Lxiezustand ansprechenden Mittel durch eine Ladungssuiumiervorrichtun^ in Form eines Coulometers gebildet werden, die sicn im Lade-Entlade-to'eg des iiatterieaqgregats befindet, so da." ihr Ladezustand sich

entsprechenu dem Ladezustand der Batterie verändert.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist uie Schaffung einer Lade-Entlade-Steuerscnaltung für ein gekapseltes Nickel-Cadmium-Batterieaggregat, bei welcher eine Coulonietervorrichtung zur Steuerung sowohl des Ladeeingangsstroms beim Ladebetrieb als auch uazu verwendet wirü, eine Uberbelastung des oiatterieaggregats bein Entladebetrieb zu verhindern.

BAD ORIGINAL

009821/0744

Die vorstehenden und weitere Ziele der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden näheren Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen und zwar zeigen:

Fig. 1 die Kennlinien einer Coulometervorrichtung, die für die Durchführung der Erfindung verwendet werden kann;

Fig. 2 ein erfindungsgemässes Schaltbild, welches den Ladeweg während der Anfangsperiode des Batterieladevorgangs zeigt;

Fig. 3 die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 mit dem Ladestromweg nachdem die Batterie eine bestimmte gewählte Ladungskapazität erreicht hat, welche durch den Coulometerzustand bestimmt wird;

Fig. 4 die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 und 3 während des Batterieentladebetriebs und

Fig, 5 eine graphische Darstellung, welche die Art und Weise zeigt, in welcher der Ladestrom und der Entladestrom in der erfindungsgemässen Weise gesteuert werden kann.

Um das Verständnis der Art und Weise zu erleichtern, in

009821/0744

welcher eier Zustand der in Fig. 2-4 dargestellten Ladungssummiervorrichtung bzw. des Coulometers 5o dazu dient, die gewünschte Steuerung des Lade- und des Entladestroms des Batterieaggregats Io zu bewirken, dürfte eine kurze Beschreibung der Merkmale einer solchen Coulometervorrichtung vorteilhaft sein. Wie erwähnt, kann das Coulometer 5o eine elektrochemische Vorrichtung sein, welche beispielsweise der Gegenstand des vorgenannten Patentes (Patentanmeldung ) ist. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, daß

die Beschreibung einer solchen Coulometerzelle nur beispielsweise gegeben wird, da für die Zwecke der Erfindung auch andere Ladungssummiervorrichtungen an sich bekannter Art verwendet werden können.

Bine solche elektrochemische Coulometerzelle besitzt zwei reversible Elektroden, beispielsweise aus Cadmium (Hj-hydroxyd CdCOH)₂ und aus metallischem Cadmium Cd, Wenn durch einen äusseren Stromkreis Strom durch die Zelle in der einen Richtung geleitet wird, wird das Cadmium der einen Elektrode zu Cadmiumhydro'xyd umgewandelt bzw, oxydiert, während der Zellenstrom das Cadmiumhydroxyd der anderen Elektrode in Cadmium umwandelt bzw. reduziert. In solchen Zellen ist, so lange jede der Elektroden sowohl Cadmium als auch Cadmiumhydroxyd entiält, die Spannung zwischen den Zellenelektroden ziemlich niedrig und beträgt beispielsweise etwa o,o5 - o,l Volt. Wenn jedocn eine bestimmte Menge Elektrizität durch die Zelle

009821/0744

-logeleitet worden ist, die zur Umwandlung oder Oxydation aes gesamten Cadmiums der einen Elektrode in Cadmiumhydroxyd erforderlich ist, und eine Veränderung im elektrochemischen Prozeß an einer oder an beiden Elektroden stattfindet, Deispielsweise der Beginn einer Gasentwicklung, ist diese Veränderung von einer beträchtlichen und plötzlichen Veränderung der Spannung zwischen den Elektroden begleitet welche Spannung auf einen Weit von etwa 1,5 Volt ansteigt. Dieser Wert kann auf einen Wert von etwa o,7 Volt begrenzt werden, um den Aufbau eines übermässigen Gasdruckes zu vermeiden. Da die Platten identisch sind, ist die elektrochemische Coulometervorrichtung 5o reversibel. Wenn die chemische Reaktion in der entgegengesetzten Richtung stattfindet, sind die abgegebnen Coulometer spannungen negativ, und nachaei.i die «leiche Ladungsmenge durch das Coulometer in der entgegengesetzten Richtung geleitet worden ist, erfährt uie Ausgangsspannung einen ähnlichen plötzlichen Anstieg auf -1,5 Volt. crfinaungsgemäß ist die Ladungsmenge, welche erforderlich ist, um die plötzliche Spannungsveränderung herbeizufuhren, eine bestimmte Grosse, die zu der bestimmten gewählten fiingangsladung für das Batterieaggregat Io betrieosmässi^ in Beziehung steht.

Die vorangehend beschriebene Arbeitsweise der Couloir.etervorrichtung 5o ist in Fig. 1 graphisch dargestellt. i>er Punkt A

009821/0744 badoriginal

entspricht einem im wesentlichen ungeladenen Zustand des Coulometers 5o, in welchem dessen beide Platten eine beträchtliche Menge sowohl von Cadmium als auch von Cadmiumhydroxyd enthalten. Wenn die Ladestromzufuhr zum Coulometer vom Punkt A bis zum Punkt ύ fortgesetzt wird, enthalten beide Coulometerplatten immer noch Cadmium und Cadmiumhydroxyd und ist die Grosse des Aus.^angsstroms ziemlich niedrig und konstant bei einem Wert von maximal etwa o,l Volt. Der Punkt Ii entspricht einer Ladestromzufuhr, bei welcher der Ausgleich praktisch vollständig ist und eine weitere Ladestromzufuhr zu einer plötzlichen Veränderung der Ausgangsspannung führt, welche auf einen Wert von etwa 1,5 Volt am Punkt D ansteigt, wodurch ein elektrisches Ausgangssignal erhalten wird, welches durch die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung dazu ausgenutzt wird, den Ladestrom zu steuern. Vorzugsweise erfolgt die Ladestromabschaltung am Punkt C, um den Aufbau eines übermässigen Gasdrucks in der Coulometerzelle 5o zu vermeiden.

Infolge der Symmetrie der Vorrichtung ist die Arbeitsweise aer Coulometerzelle 5o reversibel. Dies bedeutet, daß beim Entladen des iSatteriezellenaggregats Io zu einer Last der Stromdurchgang durch das Coulometer 5o in der entgegengesetzten Richtung ist. Während der anfänglichen Entladeperiode hat, wie zwischen den Punkten E und F angegeben, die Ausgangsspannung der Coulometervorrichtung den gleichen

009821/0744

niedrigen Wert wie zwischen den Punkten A und B, jedoch in der entgegengesetzten Richtung. Nachdem die Kapazität des Coulometers erreicht worden ist, wie durch den Punkt F angegeben, was der vollständigen Aufhebung des Gleichgewichts zwischen den Coulometerplatten entspricht, findet ein starkes und plötzliches Ansteigen der Coulometerausgangsspannung zum Punkt L, vorzugsweise bis zum Punkt I begrenzt, statt.

Wie aus Fig. 2 bis 4 ersichtlich ist, wird das nachladbare Batterieaggregat Io durch eine Anzahl gesonderter Zelleneinheiten lo-1, lo-2 .... lo-lo gebildet. Die jeweilige Zahl der Binzelzellen, die in ähnlicher V.'eise in das gesamte nachladbare Batterieaggregat Io geschaltet sind, wird in an sich bekannter Weise durch de beabsichtigte belastung bestimmt. Die verwendeten Zellen können gekapselte iNickel-Cadmium-Zelien sein, die in dem Patent ....... (Patentanmeldung .......) beschrieben sind, auf welches hier verwiesen wird, um die Beschreibung der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung zum Laden und Entladen solcher Zellen kürzer halten zu können. Die Erfindung kann jedoch auch in Verbindung mit anderen Arten von nachladbaren alkalischen Batteriezellen angewendet werden, beispielsweise in nachladbaren iNickel-Eisen-Zellen.

Die positive Ausgangsklemme 12 des Batterieaggregats Io ist

009821/0744

bei der gezeigten Schaltungsanordnung über eine gemeinsame Verbindungsstelle 14 mit der positiven Klemme 16 einer Ladestromquelle 2o verbunden. Die Quelle 2o kann eine Quelle für einen gleichbleibenden Strom von einer herkömmlich zur Verfügung stehenden Grosse sein. Die negative Klemme 18 der Stromquelle ist mit einer gemeinsamen Verbindungsstelle 22 zwischen dem Kollektoranschluß 34 eines Transistors 3o und dem einen Ende eines Basis-Vorwiderstandes 3b verbunden. Der ümitteranschluß 32 des Transistors 3o ist über eine gemeinsame Verbindungsstelle 66 (für das eine Ende eines Widerstandes 5OJ mit der Klemme 2 des Lade-Entlade-Schalters SI-A verbunden. Wie für den Ladezustand gezeigt, ist die Schalterklemme 2 mit der gemeinsamen Klemme 1 verbunden, die ihrerseits mit der einen Klemme 52 der Coulometervorrichtung 5o verbunden ist. Die andere Klemme 54 der Coulometervorrichtung ist mit einer gemeinsamen Verbindungsstelle 68 für den Emitteranschluß 42 eines Transistors 4o und die negative Klemme 13 der Batterie verbunden. Die positive Platte einer der Zellen, beispielsweise der Zelle lo-1, ist ihrerseits mit dem Emitteranschluß 72 eines Transistors 7o verbunden, dessen Kollektoranschluß 74 mit der negativen Platte der nächsten Batteriezelle lo-2 verbunden ist.

Der vorangehend beschriebene Stromweg, welcher durch strichpunktierte Pfeile 9o dargestellt ist, entspricht dem anfänglichen Ladezustand des ßatterieaggregats Io durch die Strom-

009821/0744

quelle 2o. Mit anderen Worten, der Transistor 3o ist leitend, der Transistor 4o gesperrt und der Transistor 7o wirKt als eine in der Durcnlaßricntung vorgespannte Diode. An dieser Stelle ist zu erwähnen, daß, Ua uer Ladestromven über die Coulometervorricnturig 5o verläuft, wird clem Coulometer durcn die Stromquelle ein Ladestrom zugeführt, aer zu dem Laüestrom des ßatterieaggregats Io in Beziehung stent. Das umschalten zwischen der nohen Ladegeschwindigkeit und üer wesentlichen niedrigeren Ladegeschv:indii_keit, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, geschieht in der folgenden weise. Fig. 2 entspricht dem Zustand, bei welchem die Platten des Coulometer noch nicht vollständig umgewandelt sind (zwischen den Punkten A und ύ in Fig, IJ una aie Spannung an aen Klemmen 54, 52 des Coulometers einen niedrigen n'ert von etwa o,o5 - 0,1 Volt nat. tin widerstand 56, ein widerstand 58 und die Dioden 6o, 62 wirken als Spannungsteiler zwiscnen den Verbindungsstellen 66 und 14. Der ..'iaerstand 53 ist wesentlich grosser als der .viderstana 5ö una findet i;;; wesentlichen der ganze Abfall am Spannungsteiler zwischen aen Punkten 7o und 14 statt. Der Abfall am widerstand 56 ist jeuocn geringfigLg grosser als der Abfall an den Coulometerklemmen 54, Daher ist das Potential an den mit der Basis 4ü des Transistors 4o verbundenen Punkt 7o ein etwas höheres Potential als am Punkt 68, der mit dem Emitter 42 dieses Transistors verbunden ist, wodurch der Transistor 4o in aer Sperricntuiu;

009821/0744 BAD ORIGINAL _t >

vorgespannt wird.

Wenn das Potential am Coulometer plötzlicii anzusteigen beginnt (zwischen den Punkten B und D in Fig. 1 ), entsprechend seiner bestimmten gewühlten Hingangsladungskapazität, beginnt das Potential aiu Punkt ö8 rasen anzusteigen. Da der Punkt 7o ein im wesentlichen konstantes Potential mit üezug auf den Punkt öü hat, bewirkt das erhöhte Potential am Coulometer 5o eine entsprechende Zunahme des Potentials an der üinitter-Basis-Grenzfläche (42 - 46) des Transistors 4o, wodurch uer letztere in seinen Leitungszustand gebracht wird. Wenn der Transistor 4o eingeschaltet wird, und daher Strom durch den Widerstand 35 fließt, wiru der Basisstrom des Transistors 3o herabgesetzt, wodurch der Transistor 3o gesperrt wird, so daß der Ladestromweg uann wie bei 95 in Fig. 3 gezeigt verläuft. Der mit diesem Stromweg in Reihenschaltung befindliche iViderstand 35 hat eine ausreichende Grosse zur begrenzung des Ladestromes durch das liatterieaggregat Io aui einen sicheren niedrigen n'ert, welcher oeispielsweise ein Zehntel der Ladekapazität der Zelle betrafen kann, iiierbei muß jedoch berücksichtigt werden, daß die iiigenscnaften des Coulometers 5o derart sind, daß ein Strom durch diesen auirechternalten werden muß, damit es sein Potential behält und dadurch der Transistor 4o in seinem Leitungszustand gehalten wird. Dieser Strom wird durch die sehr geringe Grosse des Streustroms durch den Transistor 3o erzielt.

009821/0744

selbst wenn sich dieser in seinem Sperrzustand befindet.

Aus Fig. 4 ergibt sich ein weiteres Merkmal der Erfindung, gemäß weichem das Coulometer 5o dazu verwendet werden kann, eine Uberbelastung des Batterieaggregats Io in eine äussere Last loo zu verhindern. Zur Umschaltung der Schaltungsanordnung für den Entladebetrieb wird ein Gruppenschalter S1A, S1B in eine solche Stellung bewegt, daß dessen Kontakte 1 unü 3 miteinander verbunden sind. Der durch einen strichpunktierten Pfeil 96 gekennzeichnete Entladungsweg verläuft von der positiven¹ Klemme 12 des Batterieaggregats Io in die Last loo, über die Kontakte 3-1 des Schalters S1A, die Coulometervorrichtung 5o, die ZeEe lo-1 des Zellenaggregats Io, die Emitter-Kollektor-Grenzfläche (72-74) des Transistors 7o und über die übrigen Zellen lo-2, lo-lo des Batteriezellenaggregats lo. Wie in Fig. 4 gezeigt, befindet sich der Transistor 7o in seinem Leitungszustand, wobei seine Basisvorspannung durch das Potential an der Zelle lo-1 und am Coulometer 5o erhalten und durch den Basis-Vorwiderstand 64 begrenzt wird. Der iViderstand 64 ist so gewählt, daß die Basisstromvorspannung ausreicht, damit der Transistor 7o den Haupt-Entladungsstrom zwischen seiner Emitter-Kollektor-Grenzfläche im wesentlichen leiten kann. Wie ferner ersichtlich ist, ist der Strom durch das Coulometer 5o gleich dem Haupt-Entladungsstrom durch die Last plus dem Basisvorspannungsstrom Io5. Dieser ßasisvorspannungs-

009821/07A4

strom beträgt im vorliegenden Fall etwa Io \ des Stroms durch den Weg 96. Das Coulometer 5o \iird daher durch einen Strom von etwa Ho % des Laststroms entladen. In ähnlicher Weise ist der von der Zelle lo-1 gelieferte Strom gleich dem Entladestrom plus dem Vorspannungsstrom cbs Transistors 7o, während der durch die anderen Zellen lo-2 ..... lo-lo gelieferte Strom nur gleich dem Laststrom 96 ist. Die Zelle lo-1 entlädt sich datier schneller als die anderen Zellen.

Während des Entladebetriebs wirkt die Polarität der Spannung an den Klemmen 52, 54 des Coulometers 5o derjenigen an der Batteriezelle lo-1 für die Lieferung des Basisvorspannungsstroms entgegen. Während der anfänglichen Entladung beträgt die Spannung an der Zelle lo-1 etwa 1,5 Volt, während die Spannung am Coulometer etwa o,o5 bis l/lo Volt in der entgegengesetzten Richtung (zwischen den Punkten E und F in Fig. IJbeträgt. Die Polarität der Zelle lo-1 ergibt daher einen ausreichenden ßasisvorspannungsstrom, durch welchen der Transistor 7σ in seinem Leitungszustand gehalten wird. Wenn sich jedoch die Batterie so weit zu entladen beginnt, daß die Kapazität des Coulometers 5o erreicht wird, beginnt ihre Ausgangsspannung wesentlich anzusteigen, welche der Spannung der Zelle lo-1 (zwischen den Punkten F und H in Fig. IJ so weit entgegenwirkt, daß der Basisstrom Io5 zur Sperrung des

009821/0744

-IS-

Transistors 7o ausreichend herabgesetzt wird. Ferner ist ersichtlich, daß, während sich die Spannung am Coulometer So aufbaut, die Spannung an der Zelle lo-1 herabgesetzt wird. Der durch die Sperrung des Transistors 7o erzielte Scnutz ist daher doppelt und ergibt sich aus der kombinierten '.virKung des Coulometers, der eine ausreicnenae Spannung liefert, welche anzeigt, daß das riatteriezellenaggregat Io seinen gewünschten maximalen üntladungs zustand erreicht, oder dai'. sicn die Zelle lo-l in einem ubermässig entladenen Zustand befindet.

Line Schaltungsanordnung nach Fig. 2 - 4 mit den nachfolgend angegebenen "Werten "fur die Schaltungselemente hat sich tür einen erfolgreichen betrieb in Verbindung mit eine;·, iiatterieaggregat aus zehn einzelnen ^ickel-Cadniur.L-Zellen als geeignet erwiesen. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, ua^r die beispielsweise angegebenen Werte nicht beschränken-d fur die gründung auszulegen sind.

Transistoren 3o, 4o und 7o Zi, S54

Widerstand 3b ...0?5 Ohm, Z r.att

Widerstand S 6 loo Ohn, l/Z »att

Widerstand 58 .3,3 Kiloohm, 1/2 V.'att,

Widerstand 64 , 27 ünw, l/Z ivatt

Dioden όο, 52 .1.* Z7ü

009821/0744

BAD ORIGINAL

isatitrlicii kann cine komplementäre Schaltungsanordnung unter Verwendung von npn-Transistoren vorgesehen werden.

Pig. b zeigt beispielsweise die Lade- und iintladecharakteristik, welcne durcn uie Sclialtungsanordnung nacii Fig. L - 4 * erzielbar ist, wobei die Uouloi.ieterspannung durch die gestrichelte kurve überlagert ist. Die Ladeströme aus der Stromquelle 2o naben anfänglich einen hohen «Vert, wie durch den Ladestromkurventeil Io2 angegeben. Während dieser Zeit hat die Spannung der Coulometervorrichtunj.¹ 5o einen verhältnismässig niedrigen, im wesentlichen konstanten .«ert, der durch den üurventeil loö der Couloraeterspannungskennlinie angegeben ist. An der Linie TT erfährt jeaoch die Ausgangsspannung des Coulometers eine plötzliche Veränderung auf den durch Io8" angegebenen Wert, welche Veränderung durch die Umschaltung zwiscnen den Transistoren 3o und 4o begleitet ist, so daß der Ladestrom nun den durch den Kurventeil Io4 angegebenen niedrigen n'ert hat. Iiin solcher Ladestrom kann dem iSatterieaggregat Io während läigerer Zeit ohne die Gtfahr einer beschädigung zugeführt werden. iN'ach einer willkürlich angenommenen Zeit, die mit T2 angegeben ist, werden die Schalter S1A, SIB so umgeschaltet, daß das üatterieaggresat Io sich in die Last loo entlädt. Der Entladestrom ist anfänglich groß und nimmt allmählich ab, wie durcn den Kurventeil Ho angegeben. Während dieses Zeitraums ist die Spannung der Goulometervorrichtung 5o im wesentlichen

009821/0744

BAD ORIGINAL

-2ο-

konstant, hat jedoch eine entgegengesetzte Polarität, wie durch den Kurventeil 112 angegeben. Zum Zeitpunkt T3 wird die Coulometerkapazität erreicht, so daß die Coulometerspannung eine plötzliche Zunahme erfährt, wie durch den Kurventeil 116 angegeben, wodurch der Transistor 7o gesperrt wird, so daß dar Entladestrom im wesentlichen aufhört, wie durch den Kurventeil 114 gezeigt.

Hieraus ergibt sich, daß durch die Erfindung in vorteilhafter Weise eine Coulometervorrichtung dazu verwendet wird, entweder das Laden oder das Entladen eines Batteriezellenaggregats oder beides entsprechend den Ladezuständen desselben gesteuert wird.

Patentansprüche:

009821/0744

Claims

P a tentansprüche :

Schaltungsanordnung zum Nachladen einer Batterie mit Polen von entgegengesetzter Polarität durch eine Stromquelle mit zwei Eingangskieramen von entgegengesetzter Polarität, gekennzeichnet durch

eine Steuerschaltung, die an die Stromquellenklemmen angeschaltet ist, mit einer Ladungssummiervorrichtung, die sich im Stromkreis des Ladeweges der Batterie und der Stromquelle zur Aufnahme einer elektrischen Eingangsladung von der Stromquelle im Verhältnis zu. der Menge der elektrischen Eingangsladung, die durch die Stromquelle der Batterie zugeführt wird, befinden; die Ladungssummiervorrichtung dazu dient, ein elektrisches Ausginge signal abzugeben, wenn die ihr zugeführte Eingangsladung eine bestimmte Menge erreicht, welch letztere zu einer bestimmten gewählten Eingangsladung für die Batterie in Beziehung steht;

die erwähnte Steuerschaltung durch eine elektronische Schaltungsanordnung gebildet wird, welche auf das erwähnte elektrische Ausgangssignal anspricht, um die elektrische

008821/07U

Eingangsenergie von der Stromquelle für die Steuerschaltung und die Eingangsladung zur Batterie wesentlich herabzusetzen, so daß die Steuerschaltung und die Batterie eine Anfangsladung von der Stromquelle mit einer ersten Geschwindigkeit aufnehmen und nach der Abgabe des erwähnten elektrischen Ausgangssignals Energie von der Stromquelle mit einer wesentlich verringerten zweiten Geschwindigkeit aufnehmen, wobei die Umschaltung zwischen der ersten und der zweiten Geschwindigkeit der Eingangsladung üer Batterie entspricht, die durch den Ladezustand der Ladungss.ummiervorrichtung bestimmt wird.

2» Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ladungssummiervorrichtung ein elektrochemBches Coulometer mit zwei Ausgangsklemmen ist; das Coulometer eine niedrige, im wesentlichen konstante Ausgangsspannung zwischen den erwähntenKlemmen hat, die einer elektrischen Eingangsladung entspricht, welche niedriger als die erwähnte bestimmte Menge ist, während nach dem Erreichen der erwähnten bestimmten Menge eine plötzliche Zunahme der Ausgangsspannung eintritt, welche plötzliche Spannungsveränderung das erwähnte elektrische Aus-

009821/0744

gangssignal bildet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die,erwähnte Quelle elektrischer Energie eine Quelle eines gleichbleibenden Stromes ist;

die erwännte zweite Ladegeschwindigkeit etwa C/lo Leträgt, wobei C die Amperestundenkapazität dar Batterie ist und die erwähnte erste Ladegeschwindigkeit C beträgt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die erwähnte Quelle elektrischer hnergie eine Quelle eines gleichbleibenden Stromes ist;

die erwähnte zweite Ladegeschwindigkeit etwa C/lo beträgt, wobei C die Amperestundenkapazität der Batterie ist und die erwähnte erste Ladegeschwindigkeit C beträgt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die erwähnte elektronische Schaltungsanordnung einen ersten und einen zweiten Transistor sowie einen Strombegrenzer

009821/0744

aufweist;

ein erster Lädeweg von der Stromquelle den ersten Transistor, die Ladungssummiervoirichtung und die Batterie enthält, während der zweite Ladeweg von der Stromquelle den zweiten Transistor, den Strombegrenzer und die Batterie enthält;

während der Zeit, die dem Fehlen des erwähnten elektrischen Ausgangssignals entspricht, der erste Transistor sicn in einem gut leitenden Zustand befindet, während der Zweite Transistor gesperrt ist und während der Zeit, welche dem Bestehen des elektrischen Ausgangssignals entspricht, der zweite Transistor sich in einem gut leitenden Zustand befindet und der erste Transistor gesperrt ist;

so daß der Batterieladeweg von der Stromquelle über den ersten Ladeweg ür die erste Ladegeschwindigkeit verläuft, bevor die Eingangsladung zur Ladungssununierungsvorrichtung die erwähnte erste bestimmte Mengoferreicht, und dann über den zweiten Ladeweg mit der zweiten Ladungsgeschwindigkeit, wenn die Eingangsladung zur Ladungssummierungsvorrichtung die erwähnte bestimmte Menge erreicht.

, 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

009821/0744

die erwähnte Quelle elektrischer Energie eine Quelle gleichbleibenden Stromes ist;

die erwähnte elektronische Schaltungsanordnung einen ersten und einen zweiten Transistor sowie einen Strombegrenzer aufweist;

ein erster Ladeweg von der Stromquelle den ersten Transistor, die Ladungssummiervorrichtung und die Batterie enthält, während der zweite Ladeweg von der Stromquelle den zweiten Transistor, den Strombegrenzer und die Batterie enthält;

während der Zeit, die dem Fehlen des erwähnten elektrischen Ausgangssignals entspricht, der erste Transistor sich in einem gut leitenden Zustand befindet, während der zweite Transistor gesperrt ist und

während der Zeit, welche dem Bestehen des elektrischen Ausgangssignals entspricht, der zweite Transistor sich in einem gut leitenden Zustand befindet und der erste Transistor gesperrt ist;

so daß der Batterieladeweg von der Stromquelle über den ersten Ladeweg für die erste Ladegeschwindigkeit verläuft, bevor die Hingangsladung zum Coulometer die erwähnte erste bestimmte Menge erreicht, und dann über den zweiten Ladeweg mit der zweiten Ladungsgeschwindigkeit, wenn die Eingangs· ladung zum Coulometer die erwähntt bestimmte Menge erreicht.

009821/0744

-2b-

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die erwähnte Steuerschaltung einen Entladungsweg tür die Batterie in eine äussere Last aufweist, welcher Entladungsweg die. Ladungssummiervorrichtung enthält, die so geschaltet ist, daß der Stromfluß durch diese während der Batterieentladung entgegengesetzt dem Stromfluß durch sie beim Laden der Batterie ist und der Ladezustand der Ladungssummiervorrichtung sich entsprechend dem Ladezustand der Batterie verändert;

die LadungsSummiervorrichtung dazu dient, ein elektrisches Ausgangssignal von entgegengesetzter Polarität abzugeben, wenn die Eingangsladung zu dieser in der entgegengesetzten Richtung eine zweite bestimmte Menge erreicht, die zu einem bestimmten gewählten Entladungszustand der Batterie in Beziehung steht;

ein Uberbelastungsschutz auf das zweite elektrische Ausgangssignal anspricht, um den Entladungsstromfluß ir.i wesentlichen abzuschalten und dadurch die Batterie gegen eine Entladung über den erwähnten bestimmten bntladungszustand hinauts zu schützen.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurcn gekennzeichnet, daß der Uberbelastungsschutz ferner auf den Zustand mindestens

009821/0744 ""

BAD

einer der Batteriezellen anspricht, um den üntladungsstromfluß im wesentlichen abzuschalten, wenn die erwähnte eine Zelle einen besonderen Verbrauchszustand erreicht.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet j daß der erwähnte üntladungsweg dazu dient, die erwähnte eine Zelle mit einer höheren Geschwindigkeit als die anderen Zellen der Batterie zu entladen, so daß diese eine Zelle den erwähnten besonderen Verbrauchszustand erreicht, bevor die anderen Zellen diesen Zustand er- ' reichen.

Io. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ladungssummiervorrichtung ein elektrochemisches Coulometer mit zwei Ausgangsklemmen ist; das Coulometer eine niedrige, im wesentlichen konstante Ausgangsspannung zwischen seinen Klemmen hat, die einem elektrischen Ladezustand unterhalb einer bestimmten Grosse entspricht, während es beim Erreichen der erwähnten bestimmten Grosse in einer ersten oder zweiten Richtung des Stromflusses eine plötzliche Erhöhung der Ausgangs-

009821/0744

spannung einer ersten oder zweiten Polarität entsprechend dem Stromfluß in der ersten oder zweiten Richtung erfährt, wobei diese plötzliche Spannungsveränderung das erwähnte elektrische Ausgangssignal bzw. das elektrische Ausgangssignal von entgegengesetzter Polarität bildet.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß

der Uberbelastungsschutz einen Transistor im Entladungsweg der Batterie in eine äussere Last aufweist, welcher Transistor einen Emitter-, einen Kollektor- und einen üasis-Anschluß besitzt;

die Emitter-Kollektor-Grenzfläche des Transistors sich mit dem Entladu-ngsweg in Reihenschaltung befindet; das erwähnte elektrische Signal von entgegengesetzter Polarität zwischen der Emitter-üasis-Grenzflache dargeboten wird, um den erwähnten Transistor und den Entladungsstrom zu sperren, wenn das Coulometer die erwähnte bestimmte Grosse des Ladungszustandes erreicht.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ladungssummiervorrichtung ein elektrochemisches Coulo-

009821/07U

meter mit zwei Ausgangsklemmen ist; das Coulometer eine niedrige, im wesentlichen konstante Ausgangsspannung zwischen seinen Klemmen hat, die einem elektrischen Ladezustand Unterhalb einer bestimmten Grosse entspricht, während es beim lirreichen der erwähnten bestimmten Grosse in einer ersten oder zweiten Richtung des Stromflusses eine plötzliche Erhöhung der Ausgangsspannung einer ersten oder zweiten Polarität entsprechend dem Stromfluß in der ersten oder zweiten Richtung erfährt, wobei diese plötzliche Spannungsveränderung das erwähnte elektrische Ausgangssignal bzw. das elektrische Ausgangssignal von entgegengesetzter Polarität bildet} der UberbelastungsscJiutz einen Transistor im Entladungsweg der Batterie in eine äussere Last aufweist, welcher Transistor einen Emitter-, einen Kollektor- und einen ßasisanschluß besitzt;

die Bmitter-Kollektor-Grenzfläche des Transistors sich mit dem Entladungsweg in Reihenschaltung befindet; das erwähnte elektrische Signal von entgegengesetzter Polarität und die Spannung der erwähnten einen Batteriezelle eine kombinierte Spannung zwischen der Emitter-Basis-Grenzfläche zu ergeben, um den erwähnten Transistor und den Entladestrom bei einer solchen kombinierten Spannung zu sperren.

009821/0744

Leerseite