DE1671775B2

DE1671775B2 - Gasdichter akkumulator

Info

Publication number: DE1671775B2
Application number: DE1967G0049944
Authority: DE
Inventors: Harvejy N East Brunswick N.J. Seiger (V.St.A.)
Original assignee: Saft America Inc., Valdosta, Ga. (V.SLA.)
Priority date: 1966-04-28
Filing date: 1967-04-27
Publication date: 1978-02-09
Also published as: DE1671775C3; GB1186942A; DE1671775A1; US3522507A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen gasdichten Akkumulator, der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung.

Ein solcher Akkumulator ist bereits bekannt (US-PS 30 05 943). Dabei dienen die sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden dazu, die Aufladezeit des Akkumulators zu verkürzen, denn sie verbrauchen die beim Laden des Akkumulators entwickelten Sauerstoffgase, wodurch verhindert wird, daß im Akkumulator ein zu großer Gasdruck entsteht, der zur Zerstörung von Akkumulatorteilen führen könnte. Dabei ist es bekannt, die Steuereinrichtung mit einem Relais zu versehen, das in den Steuerkreis zwischen der Steuerelektrode und der negativen Elektrode des elektrochemischen Systems des Akkumulators eingeschaltet ist und eine übliche Impedanz von etwa 100 Ohm aufweist. Das Steuerrelais hat die Aufgabe, die Schalteinrichtung zu betätigen, wodurch der Ladestromkreis abgeschaltet und das Laden unterbrochen wird, wenn der volle Ladezustand des Akkumulators erreicht ist, d. h. ein Überladen einsetzt. Die Ladezeit solcher Akkumulatoren ist verhältnismäßig lang und dauert etwa 8 bis 12 Stunden, da nur ein relativ kleiner Ladestrom zugelassen ist. Werden dagegen größere Ladeströme zugelassen, so müssen besondere Vorkehrungen getroffen werden, um dafür zu sorgen, daß die rasche Sauerstoffentwicklung nicht zu einer Beschädigung von Akkumulatorteilen führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Akkumulator mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, daß die Ladezeit ohne Gefahr einer Beschädigung von Akkumulatorteilen verkürzt wird. Die Lösung dieser Aufgabe ist insbesondere bei solchen Akkumulatoren wichtig, bei denen die Zeit zwischen zwei Ladevorgängen verhältnismäßig klein ist wie beispielsweise bei in Satelliten verwendeten Akkumulatoren.

Die Erfindung besteht darin, daß die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung zum Abschalten des Ladevorgangs bei einem einen Auslösewert erreichenden Steuerstrom betätigt, der einem etwas geringeren Wert als der für den vollen Ladezustand des Akkumulators maßgeblichen Ladestrom entspricht, und daß die Steuereinrichtung eine Impedanz aufweist, die einer Spannung zwischen der negativen Elektrode und der Steuerelektrode von nicht größer als 40% der Spannung der negativen Elektrode bei Beendigung der Sauerstoffentwicklung an dieser nach dem Laden entspricht. Der Auslösewert des Steuerstroms ist insbesondere dann erreicht, wenn der Akkumulator einen Ladezustand zwischen 90 und 97%, d. h. noch eindeutig unter dem Voll-Ladezustand von 100% erreicht hat.

Dabei empfiehlt es sich, die Impedanz der Steuerein-

richtung etwa um eine Größenordnung kleiner als bei den üblichen Akkumulatoren zu wählen, insbesondere kleiner als 10 Ohm zu halten. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Impedanz nicht größer als 3,?. Ohm ist, und es hat sich gezeigt, daß die Impedanz etwa 3 Ohm betragen sollte, wenn die Steuereinrichtung mit einem Relais bestückt ist, und daß die Impedanz etwa 1 Ohm betragen sollte, wenn die Steuereinrichtung als Hochstromgerät ausgebildet ist

Die Erfindung nimmt Abstand von der bisherigen Annahme, daß der Ladestrom erst bei Erreichen des vollen Ladezustands abgeschaltet werden soll. Umfangreiche Untersuchungen haben nämlich ergeben, daß sich auch dann noch Sauerstoff entwickelt, wenn gar kein Ladestrom mehr fließt Es ist daher zweckmäßig, wenn Steuerelektroden verwendet werden, die Sauerstoff sehr rasch und im großen Umfang zu absorbieren vermögen, und zwar auch dann, wenn das Akkumulatorsystem dies wegen der Verwendung von Unterbrechern des Ladestromkreises bei Erreichen des Überladungspunktes offenbar nicht erfordern sollte.

Es wird vermutet, daß die fortschreitende Sauerstoffentwicklung selbst nach dem Abschalten des Ladestroms durch die Anwesenheit unstabiler Oxide stattfindet.

Wie oben bereits dargelegt, ist die Erfindung besonders geeignet bei Kraftsystemen von Erdtrabanten bzw. Satelliten, bei denen die v. iederaufladbarer. Akkumulatoren von Sonnenzellen geladen werden, die abwechselnd dem Sonnenlicht und der Finsternis ausgesetzt sind, iia der Satellit die Sonnenlicht- und Dunkelteile der Umlaufbahn sehr rasch durchläuft

Wenn sich der Satellit in der Dunkelheit befindet, liefern die Akkus der elektrischen Satellitenausrüstung, die während der betreffenden Dunkelheitsperiode die Akkus im wesentlichen vollständig entlädt, elektrische Energie. Es ist von größter Bedeutung, daß die Akkus während der nächsten Sonnenlichtperiode im wesentlichen aufgeladen werden. Dies würde nicht ohne weiteres möglich sein, wenn die sauerstoffverbrauchenden Elektroden der Akkus nicht den obengenannten Sauerstoffüberschuß relativ rasch verbrauchen würden, so daß der resultierende Stromfluß unter den erwähnten Auslösewert abfällt, so daß die Akkus wieder aufgeladen werden können, wenn der Satellit wieder in das Sonnenlicht kommt. Bei dieser Satellitenanwendung müssen das Gewicht und die Größe der Akkus auf einem Minimum gehalten sein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen sind

F i g. 1 ein vereinfachtes Schaltbild eines Akkumulators nach der Erfindung,

F i g. 2 ein den Betrieb des Akkus von F i g. 1 darstellendes Diagramm mit dem Steuerstrom in Abhängigkeit von der Zeit,

F i g. 3 einen Vertikalschnitt eines prismatischen Trockenzellenakkus, der eine sehr vorteilhafte Form der sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden einschließt,

Fig.4 einen Querschnitt des Akkus von Fig.3 im wesentlichen längs der Linie 4-4,

Fig.5 eine perspektivische Ansicht der sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden, die einen Teil des Akkus von F i g. 3 und 4 bilden,

Fig.6 eine Art Ersatzschaltbild des Akkus von Fig. 1, bei dem der Steuerstromkreis eine veränderbare Impedanz, ein Spannungs- und ein Strommeßinstrument und die Batteriezelle einen Druckmesser aufweisen,

F i g. 7 - 10 Kennlinien, die nach dem Ersatzschaltbild von F i g. 6 aufgenommen sind,
F i g. 11 einen relaisgesteuerten Akku mit Merkmaler; der Erfindung und

Fig. 12 weiteres Ersatzschaltbild eines mit einem Magnetverstärker versehenen Akkus.

Gemäß Fig. 1 ist ein aufladbarer Akkumulator 1 mit einem abgeschlossenen Gehäuse 4 versehen, in dem sich

ίο zwei oder mehrere Sätze von plattenförmigen, positiven und negativen Elektroden 6 und 8 befinden, die über Leitungen bzw. das Gehäuse 4 verbunden sind. Das Gehäuse 4 weist außerdem eine oder mehrere sauerstoffverbrauchende Steuerelektroden 16 auf, die bei dem beschriebenen alkalischen Akku — oder Batterie — aus porösem Nickel oder Silber, vorzugsweise aus Nickel, und zwar frei von sämtlichen Materialien außer einer dünnen Elektrolytschicht, hergestellt sind. Die sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 sind mit einem Anschluß 18 an der Gehäuseaußenseite verbunden, der über die Leitung 19 mit der den Steuerstrom fühlenden Steuereinrichtung 20 und die Leitung 21 mit dem negativen Pol 12 des Akkus 1 verbunden ist. Der Elektrolyt wird vorzugsweise von absorbierenden Trennschichten 14 eines elektrolytabsorbierenden Materials getragen. Jede Steuerelektrode 16 wird am vorteilhaftesten von den Elektroden' 6, 8 durch einen kurzen Pfad von elektrolytabsorbierendem Material getrennt, das durch eine dünne Schicht 14' eines elektrolytabsorbierenden Materials gebildet wird. In diesem Fall wurde gefunden, daß die Steuerelektroden 16 mit einer dünnen Schicht von Elektrolyt unbegrenzt feucht gehalten bleiben, d. h., daß sie nicht austrocknen, da sich ein kurzer Pfad zwischen den Steuerelektroden 16 und einer Wasserentwicklungsquelle an den positiven Elektroden 6 während des Ladens des Akkus 1 befindet.

Wie bereits angedeutet, findet die Erfindung bei abgeschlossenen Nickel- und Silber-Cadmium-Trockenzellenbatterien die bedeutendste Anwendung. Bei einem Nickel-Cadmium-Akku sollte jede vollständig entladene, positive Elektrode 6 vorzugsweise zweiwertiges Nickel oder Nickel(II)-Hydroxid [Ni(OH)₂] aufweisen, das in eine gesinterte, poröse Nickelgrundplatte imprägniert ist. Bei Silber-Cadmium-Batterien wird Silberhydroxid anstelle von Nickel(II)-Hydroxid als das aktive Material der positiven Elektroden 6 benutzt. Die vollständig entladenen, negativen Elektroden 8 von Nickel- oder Silber-Cadmium-Akkus sollten jeweils am vorteilhaftesten Cadmium sein, das in eine gesinterte, poröse Nickelgrundplatte imprägniert ist. Der Elektrolyt sollte vorzugsweise wäßriges Kaliumhydroxid, z. B. eine 30- bis 34%ige Lösung davon sein.
Zum Erzeugen des Ladestroms dient eine Ladestromquelle 22. Wenn die Erfindung auf einen Erdsatelliten angewendet ist, würde die Ladestromquelle 22 aus Sonnenzellen bestehen, die eine Ladespannung erzeugen, wenn sie Sonnenlicht ausgesetzt sind. Wenn der positive Pol 10 und der negative Pol 12 des Akkus 1 mit den positiven und negativen Anschlüssen 22a und 22b der Ladestromquelle 22 bei Erreichung des Akkuladegrads von angenommen 20 bis 80% des vollen Ladezustandes verbunden werden, wird Sauerstoff an den positiven Elektroden 6 durch die Reaktion (1) erzeugt: Die Reaktionsrate

4OH"

2H₂O + O₂ + 4e (1)

nimmt zu, wenn ein voller Ladezustand und danach ein

überladener Zustand erreicht ist. Bis der volle Ladezustand erreicht ist, findet eine Hauptreaktion an den positiven Elektroden 6 in der folgenden Weise statt:

Ni(OH)₂ + OH"

Ni O(OH) + H₂O + e"

(2)

Während der Überladung des Akkus 1 setzt sich die Weiterentwicklung von Wasser an den positiven Elektroden 6 gemäß der folgenden Reaktion fort:

4OH"

2H₂O + O₂ + 4e"

(3)

Der an den positiven Elektroden 6 erzeugte Sauerstoff wandert an die sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16, an denen die folgende Reaktion stattfindet:

4H° + O₂

2H₂O

(4)

20

Dabei ist die Reaktionsrate dem Sauerstoffdruck proportional. Die Aufrechterhaltung einer Lieferung der Wasserstoffatome, wie in Formel (4) gezeigt, auf den sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 erfordert eine Elektronenquelle.

Diese Elektronen werden von den negativen Elektroden 8 während des Ladens des Akkus 1 durch die Oxydation von Cadmium daran in der folgenden Weise erhalten:

2Cd +

2Cd(OH)₂ + 4e" (5)

30

Das Wasser im Elektrolyten liefert die Wasserstoffatome und Hydroxylionen an der Oberfläche jeder Steuerelektrode 16 durch ein Korrosionselement, das aus Cd/Cd(OH)₂ der negativen Elektroden 8 bei elektrischem Kontakt mit dem Nickel oder Silber der sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 besteht. Elektrochemisch geschrieben ist das Korrosionselement:

Ni/Cd, Cd(OHyKOH(WaBrIg) H-Ni

Dabei bezeichnet die Verbindungslinie die voneinander getrennten Nickel oder Silberflächen, die durch den Elektrolyten elektrisch verbunden sind. Die Reaktion des Korrosionselements bzw. -paares ist die Reaktion (5) und die folgende Reaktion:

50

4H₂O + 4e"

4H°

4OH

(6)

Wenn daher der Sauerstoff die Oberfläche der Steuerelektroden 16 von Wasserstoffatomen befreit, finden die Reaktionen (5) und (6) statt, um neue Wasserstoffatome gemäß der Formel (4) und die OH -Ionen gemäß der Formel (5) zu liefern.

Die Elektronen der Formel (5) müssen von den negativen Elektroden 8 durch einen äußeren elektrischen Stromkreis — dem Steuerstromkreis — zu den bo sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 wandern, an denen sie gemäß der Reaktion (6) verbraucht werden. Solange Sauerstoff vorhanden ist, stellen die elektrochemischen Reaktionen (4), (5) und (6) einen dynamischen Ratenvorgang dar, bei dem die Rate des ho Elektronenflusses, d. h. des Slromflusscs in der Steuereinrichtung 20 dem Saucrsioffdruck, d. h. dem unverbrauchten Sauerstoff, im Akku 1 proportional ist und ein Maß für den Grad des Ladens oder Überladens des Akkus 1 darstellt. Dabei ist der Steuerstrom natürlich nicht notwendigerweise gleich dem Ladestrom.

Es wird angenommen, daß die Fähigkeit des obenerwähnten Korrosionselementes, Wasserstoffatome gemäß der Formel (5) zu erzeugen und daher Sauerstoff dort zu absorbieren, eine Funktion der Nähe der Spannung der sauerstoffverbrauchenden Steuerelektrode 16 zu jener der negativen Elektroden 8 darstellt, die bei einer alkalischen Zelle mit Cadmium als negativem Aktivmaterial —0,8 Volt ist. Diese Annahme gilt für die folgenden Ausführungen:

Die Steuereinrichtung 20, beispielsweise ein magnetischer Relaisverstärker- oder transistorisierter Stromkreis steuert eine Schalteinrichtung 23 im Ladestromkreis zwischen der Ladestromquelle 22 und den positiven und negativen Polen 10,12. Die Schalteinrichtung 23 kann beispielsweise ein Satz von Relaiskontakten, ein elektronischer Schalter oder ein magnetischer Schalter sein. Die Steuereinrichtung 20 dient zur Betätigung der Schalteinrichtung 23, um die Ladestromquelle 22 vom Akku 1 abzuschalten, wenn der Steuerstrom zwischen den negativen Elektroden 8 und den sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 ein Niveau — als Auslöseniveau oder Auslösewert bezeichnet — erreicht, das dem vollen Ladezustand der Batterie entspricht, der, wie vorher beschrieben, im allgemeinen ein Stromniveau gut über dem Stromniveau beim Beginn der Sauerstoffentwicklung ist.

Wenn der Akku 1 voll geladen und eine Last 24 zwischen die Pole 10 und 12 geschaltet ist, wird der Akku 1 entladen. Würde die Sauerstoffentwicklung — wie zu erwarten war — beim Entladen aufhören, dann müßte der Steuerstrom durch die Steuereinrichtung 20 unverzüglich abzusinken beginnen, da der Sauerstoffverbrauch der sauerstoffverbrauchenden Steuerelektrode 16 weitergeht. Der Ladestromkreis würde dann bald wieder wirksam werden, wenn der Strom unter den obengenannten Auslösewert oder einen noch etwas niedrigeren Auslösewert abfällt, bei dem ein Relais verwendet ist, da der Anzugsstrom eines Relais im allgemeinen etwas größer als das Abfallniveau ist.

Wie oben angegeben, wurde jedoch gefunden, daß die Sauerstoffentwicklung überraschenderweise eine Zeitlang nach der Beendigung des Batterieladevorganges fortschreitet. Diese Situation führt zu einem Problem, das durch die Erfindung gelöst wird insbesondere durch die Begrenzung der Impedanz der Steuereinrichtung 20, die zwischen den negativen Elektroden 8 und den sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 gebildet wird.

In Fig.2 ist nun die Änderung des Steuerstromes durch die Steuereinrichtung 20 dargestellt, wenn das Akkuladesystem bei einem Erdumlaufsatelliten verwendet ist, bei dem die Ladestromquelle 22 aus einer oder mehreren Sonnenzellen besteht, die lediglich dann eine Spannung erzeugen, wenn der Satellit dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Der Satellit durchläuft im Zeitintervall T₀ und Ti den Sonnenlichtteil seiner Umlaufbahn. Während des nächsten Zeitintervalls zwischen 71 und T₂ durchläuft der Satellit den Dunkelheitsteil seiner Umlaufbahn, und während des darauffoldendcn Intervalls zwischen T2 und Tj durchläuft der Satellit wiederum den Sonnenlichtsteil seiner Umlaufbahn. Es wird angenommen, daß sich der Akku 1 zu entluden beginnt, wenn der Satellit durch einen Dunkelhcitsteil seiner Umlaufbahn läuft, in dem die Ladcsiromqucllc 22 keinen Strom oder Spannung liefern kann, um die

vorhandene elektrische Ausrichtung zu betätigen, und daß der Akku 1 durch die Sonnenzellen voll aufgeladen sein muß, wenn der Satellit durch den Sonnenlichtteil seiner Umlaufbahn läuft. Es wird außerdem angenommen, daß der Auslösewert /, demjenigen Strom entspricht, der in der Steuereinrichtung 20 fließt, die einen vollen Ladezustand der Batterie anzeigt. Das ist ein Zustand, bei dem sämtliches Nickel(ll)-Hydroxid der negativen Elektroden 8, das oxydiert werden kann, beim angelegten Ladestrom oxydiert wurde. Bei diesem Auslösewert ist es erwünscht, das Laden zu unterbrechen.

Im Zeitintervall zwischen 7ö und T₁₁ nimmt der Steuerstrom infolge der sehr langsamen Entwicklung von Sauerstoff während der nicht kritischen Teile des Ladezykluses langsam zu. Zur Zeit T_a nehmen jedoch die Rate der Sauerstoffentwicklung und der Strom zwischen den negativen Elektroden 8 und den .Steuerelektroden 16 plötzlich zu, und zur Zeit Tb erreicht der letztgenannte den Auslösewert /,, bei dem die Steuereinrichtung 20 die Schalteinrichtung 23 betätigt, die die Sonnenzellen vom Akku abschaltet. Vermutlich infolge der Anwesenheit der unstabilen Oxide setzt' sich die Sauerstoffentwicklung jedoch mit einer hohen Rate auch nach dem Abschalten fort.

Da die Steuerelektroden 16 die hohe Rate der Sauerstoffentwicklung nicht ausgleichen kann, nehmen der Sauerstoffdruck und der Steuerstrom für eine Zeitlang im Intervall zwischen den Zeiten Tb und T_c zu. Wenn die Rate der Sauerstoffentwicklung der unstabilen Oxide allmählich zu einem Punkt abnimmt, an dem der Sauerstoffverbrauch größer ist als die Sauerstoffentwicklung, ist ein Punkt zur Zeit T_c erreicht. Danach beginnen der Steuerstrom in der Steuereinrichtung 20 und der Batteriedruck allmählich abzunehmen. Ein Ladevorgang kann nicht eher wieder erlangt werden, bis der Steuerstrom auf den Auslösewert /, abgefallen ist. Die Zeit, die zur Abnahme dieses Stromes auf den Auslösewert erforderlich ist, wird durch die Fähigkeit der sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 bestimmt, den in Akku 1 verbleibenden Sauerstoff zu verbrauchen.

Wie oben gezeigt, wird die Eigenschaft der Steuerelektroden 16, Sauerstoff zu verbrauchen, bei alkalischen Cadmium-Akkus optimal vergrößert, indem ein Spannungszustand an den sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 vorgesehen wird, der dem idealen Wert von -0,8 Volt so nahe wie möglich kommt, der die Spannung des Cadmiums der negativen Elektroden 8 darstellt. Dies wird durch Minimalisieren der Impedanz der Steuereinrichtung 20 erreicht.

Der Impedanzwert, der in einem vorgegebenen Fall ausgewählt wird, ändert sich mit den besonderen Zuständen des Lastkreises und der Steuereinrichtung 20. In den meisten Fällen ist die Impedanz klein, etwa unter 10 Ohm. Der dort vorhandene Spannungsabfall beim Auslösewert ist nicht größer als etwa 30 bis 40% der Spannung der negativen Elektroden 8.

In der nunmehr zu beschreibenden Ausbildung sollte die Impedanz so groß sein, daß die Abfallgeschwindigkeit des Steuerstroms der sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 ausreichend rasch ist, so daß die Stromwellenform gemäß Fig.2 zur Zeit Ta unter den Auslösewerl /, fällt, vorzugsweise vor dem Beginn der nächsten Periode T₂ bis Tj, wenn sich der Satellit im Sonnenlicht befindet, oder so rechtzeitig, daß sich der Akku 1 vollständig zu laden vermag, ehe das Ende der entsprechenden Sonnenlichtperiode erreicht ist,

Wenn die Steuereinrichtung 20 einen sehr großen Widerstandswert aufweist, ist der Spannungsabfall zwischen den negativen Elektroden 8 und den sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 so groß, daß deren Eigenschaft, Sauerstoff zu verbrauchen, extrem gering ist. In diesem Falle, wenn der Stromabfall, der zur Zeit T₁- beginnt, der gestrichelten Kurve 26 folgte, würde der Steuerstrom bis zur Zeit T_c gar nicht bis unter /, abfallen. T_c tritt aber während der nächsten Dunkelheitsperiode, die zur Zeit Ts beginnt, auf. Die gesamte Sonnenlichtperiode Ti bis Ts würde dann nicht zum Laden ausgenutzt, so daß der Akku 1 nicht in der Lage wäre, entsprechende elektrische Leistung zu liefern, um die vorhandene elektrische Ausrüstung während der Dunkelheitsperiode, die zur Zeit Ti beginnt, zu versorgen.

Gemäß Fig.3 und 4 weist der prismatische Trockenakku sauerstoffverzehrende Steuerelektroden 16 und ein Gehäuse 4 mit einem oben geöffneten Gehäusekörper 4a von im allgemeinen rechteckiger Konfiguration auf, der aus Isoliermaterial oder Metall hergestellt sein kann. Das geöffnete Oberteil des Gehäuses 4a wird durch eine Deckplatte Ab verschlossen, die am vorteilhaftesten aus Isoliermaterial besteht.

Die Deckplatte des Gehäuses 4 trägt den positiven Pol 10, den negativen Pol 12 und den Steueranschluß 18. Diese Anschlußklemmen können als Schraubklemmen ausgebildet sein, um die äußeren Stromkreise leicht anschließen zu können. Die Anschlüsse 10, 12 und 18 weisen leitfähige Teile 10' und 12' und 18' auf, die durch die Deckplatte Ab hindurch verlaufen und sich unterhalb dieser erstrecken. Die plattenförmigen Elektroden 6 und 8 haben eine im allgemeinen rechteckige Konfiguration und sind parallel getrennt voneinander zusammengesetzt. Die positiven Elektroden 6 weisen eine Reihe von Anschlußlaschen 6a auf, die in Ausrichtung miteinander angeordnet sind und elektrisch mit der positiven Anschlußverlängerung 10', wie durch ein geeignetes Verbindungsglied 27, das sämtliche der Anschlußlaschen 6a aufnimmt, verbunden sind. Die negativen Elektroden 8 weisen ähnlich ausgerichtete Laschen 8a auf, die durch Verbindungselemente 28 mit der negativen Anschlußverlängerung 12' verbunden sind.

Die positiven und negativen Elektroden 6 und 8 wechseln in ihrer Lage ab, und die Trennschichten 14 aus elektrolytimprägniertem Trennmaterial sind Sandwiches bzw. Lamellen zwischen den benachbarten Paaren positiver und negativer Elektroden 6, 8. Die Trennschichten 14 können ein fasriges Material, wie Nylon, aufweisen, das in einen in hohem Maße Flüssigkeit absorbierenden Körper verfilzt ist und eine einzige Länge von Trennmaterial bilden kann, das in Zick-Zack-Form zwischen den verschiedenen Paaren der Elektroden 6,8 und rings der Seiten davon verläuft. Die Trennschichten 14 ragen eine kurze Distanz über die normalen Deck- und Bodenränder der Elektroden 6, 8 hinaus.

Die sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 bilden einen Teil eines Stapels positiver und negativer Akkuplatten und sind anstelle einer oder mehrerer negativer Elektroden 8 in üblichen prismatischen Akkus angeordnet, so daß sie einer positiven Platte gegenüberstehen. Wie in Fi g. 5 dargestellt, sind die zwei äußeren

b5 negativen Akkuplatten durch ein Paar von Elektrodeneinrichtungen 32 bis 32 ersetzt, die jeweils eine äußere Schicht 33 aus Nylongewebe oder ähnlich perforiertem Isolationsmaterial, eine Mittelschicht aus porösem

Nickel, Silber od. dgl., die die sauerstoffverbrauchende Steuerelektrode 16 bildet, und eine Innenschicht 14' aus elektrolytabsorbierendem Material, die einen Docht für die Einrichtung bildet, enthalten. Die Steuerelektroden 16 sind mit einem geeigneten leitfähigen Bügel verbunden, der eine umgekehrte U-Form mit vertikalen Armen 34a—34a und einen Anschlußarm 34D aufweist. Der Anschlußarm 34Z> ist beispielsweise durch eine Klemmschraube 37 mit dem leitfähigen Teil 18' des Steueranschlusses 18 verbunden, der sich durch die Deckplatte 4b des Gehäuses 4 verstreckt.

Gemäß F i g. 6 ist die Impedanz der Steuereinrichtung 20 als Widerstand 20' versinnbildlicht und die Schalteinrichtung 23 als Schalter 23'.

F i g. 7 bis 9 zeigen die Änderungen des Gehäusedrukkes 10a und den Spannungsabfall iOb über dem Widerstand 20' in Abhängigkeit von der Zeit bei Bedingungen, bei denen der Akku 1 zuerst geladen, dann bei einem konstanten Strom von 3 Ampere überladen, und schließlich unter Bedingungen, bei denen die Ladestromquelle 22 vom Akku 1 abgeschaltet wird. Danach wird nach einer kurzen Verzögerung Sauerstoffdruck und der Steuerstrom zwischen den negativen Elektroden 8 und den sauerstoffverbrauchenden Steuerelektroden 16 abfallen, wenn der Sauerstoff allmählich primär durch die Steuerelektroden 16 verbraucht wird. Aus den Kurven 10a, 10Zj wird deutlich, daß der Akkudruck und der Steuerstrom desto schneller abfallen, je kleiner der Wert des zwischen die negativen Elektroden 8 und die Steuerelektroden 16 eingeschalteten Widerstands 20' ist. Gemäß Fig.7 ist der Widerstand 20' 0,5Ohm, gemäß Fig.8 3,2Ohm und gemäß F i g. 9 100 Ohm. Bei 100 Ohm ist auch der Abfall der Strom- und Spannungsbedingungen des Widerstands 20' so geringfügig, daß der Steuerstrom viele Stunden braucht, um unter den obenerwähnten Auslösewert /,abzusinken.

Die Kurve von Fig. 10 wurde unter Bedingungen aufgenommen, bei denen der Widerstand 20' zwischen 0,1 Ohm und 100 Ohm verändert wurde. Der Widerstand 20' wurde zuerst auf 1,0 Ohm festgesetzt, bis der Druck im Akku 1 stabilisiert war. Danach wurde der Widerstand 20' in Stufen von 0,1 Ohm vermindert und die Spannung ohne Verzögerung abgelesen. Nach Erreichen von 0,1 Ohm wurde der Widerstand 20' vergrößert, so daß die duplikanten Ablesungen 0,3, 0,6 und 1,0 Ohm aufgenommen wurden. Der Widerstand wurde danach stufenweise auf 100 Ohm vergrößert. Der Akku 1 wurde unter geringen Strombelastungen geladen, bei denen die Akkutemperaturen der Umgebungstemperatur entsprach, so daß der Akkudruck während der aufgenommenen Messungen im wesentlichen konstant blieb.

Fig. 10 zeigt, daß maximale Leistung an die Last geliefert wird, die bei einem Widerstand von 3 Ohm gebildet ist. Wenn daher die Steuereinrichtung 20 von Fig. 1 ein Gerät ist, das einem Relais entspricht, und wenn gewünscht wird, maximale Leistung bei gegebenem Akkudruck abzugeben, wird die Relaisspule vorzugsweise derart gewickelt, daß sie einen Widerstand von 3 Ohm für den Akku 1 aufweist, für den die Kurven der F i g. 6 bis 10 gelten.

Andererseits arbeitet der Stromkreis von F i g. 1 bei Widerstandswerten unter I Ohm dann am besten, wenn die Steuereinrichtung 20 ein Hochstromarbeitsgerät, wie ein Magnetschalter ist.

Fig. Il und 12 illustrieren zwei als Beipsicl dienende Akkuladestromkreise, bei denen die Steuereinrichtung 20 von F i g. 1 Relais bzw. magnetische Schaltkreise darstellt. Sie weist daher gemäß F i g. 11 eine Relaisspule 20" auf, die zweckmäßigerweise einen Widerstand von 3 Ohm für den oben beschriebenen, besonderen Akku 1 bildet. Eine 3-Ohm-Relaisspule ist ein unUblich niedriger Widerstand für eine Relaisspulc, so daß sie speziell herzustellen ist. Die Schalteinrichtung 23 besteht aus einem Satz normalerweise geschlossener Kontakte, die durch die Relaisspule 20" betätigbar sind.

ίο Die Relaisspule 20" ist dazu bestimmt, zum Öffnen der Kontakte 23 erregt zu werden, wenn ein Steuerstrom von mehr als 50 mA in der Relaisspule 20" fließt, was einen vollständig geladenen Zustand des Akkus 1 für einen Lastwiderstand von 3 Ohm anzeigt. Der Strom für einen vollgeladenen Zustand der Batterie ändert sich mit dem Lastwiderstand.

Der Auslösewert /, entspricht einem Stromfluß durch die Steuereinrichtung 20 gemäß einem im wesentlichen vollen Ladezustand des Akkus 1. Es gibt offenbar einen Strombereich über einen vorgegebenen minimalen Stromwert, der diese Bedingung erfüllt. Stromwerte über diesem minimalen Stromwert stellen einen überladenen Zustand des Akkus 1 dar. Dies ist dann zulässig, wenn das Gehäuse 4 den hierbei auftretenden resultierenden Druck- und Temperaturbedingungen standhalten kann.

Ein geeigneter Auslösewert für einen gegebenen Akku wird zweckmäßigerweise empirisch bestimmt. Bei abgedichteten Cadmium-Akkus der beschriebenen Gattung fallen die entsprechenden Ladezustände im allgemeinen in den Bereich zwischen 90 und 97% des vollen Ladezustands: Der Akku 1 wird in den üblicherweise benutzten Stromkreis eingeschaltet und bei einem konstanten Strom auf ein gegebenes Niveau entladen. Die Länge der Entladungsperiode wird aufgezeichnet, so daß die beim Entladen auftretenden Amperestunden bestimmt werden können. Danach wird der Akku 1 bei der gewünschten konstanten hohen Laderate und für einen Zeitraum aufgeladen, in dem die Lade-Amperestunden ausreichend groß sind; dabei wird die minimal zu erwartende Ladewirksamkeit berücksichtigt, daß sich der Akku 1 in einem unbeträchtlich überladenen Zustand befindet. Danach wird der Steuerstrom durch die Steuereinrichtung 20 aufgezeichnet, wenn sich der Akku 1 in einem derartigen überladenen Zustand befindet.

Gemäß Fig. 12 weist die Steuereinrichtung 20 ein Paar Magnetschalter mit einem Paar Steuerwindungen 20a und 206 auf, die in Reihe zwischen den negativen Pol 12 und dem Steueranschluß 18 eingeschaltet sind. Die Steuerwindungen 20a, 20b sind entsprechend individuell mit zugeordneten Lastwicklungen 23a, 23b gekoppelt. Diese gehören dadurch zur Schalteinrichtung 23, daß sie auf entsprechende, aus Ferrit oder anderen gleichartigen magnetischen Material mit rechteckiger Hysteresecharakteristik hergestellte Kerne 23a', 23b¹ aufgewikkelt sind. Auf den Kernen 23a', 23t' sind Vorspannungswicklungen 20a', 20£>' aufgewickelt, die in Reihe mit einem veränderbaren Widerstand 50 und den Ausgangs-

bo klemmen eines üblichen Vollwellen-Gleichrichterkreises 32 geschaltet sind, der für einen Fluß des Gleichstromes durch die Vorspannungswicklungen 20a', 20b' sorgt. Der Widerstand 50, ein Rheostat, wird zu Beginn derart eingestellt, daß der Stromfluß in den

b5 Vorspannungswicklungen 20a', 20b¹ die Kerne 23a', 236' sättigt, wenn kein Strom in den Steuerwicklungen fließt. Die Lastwicklungen 23a, 23b sind an einen gemeinsamen Anschluß 56 angeschlossen, der durch einen Leiter

57 an das untere Ende einer Sekundärwicklung 586 eines Leistungstransformators 58 angeschlossen ist. Dessen Primärwicklung 58a ist an eine Spannungsquelle kommerziellen Wechselstroms angeschlossen. Der Vollwellen-Gleichrichterkreis 52 wird von einer Sekundärwicklung 58c, die auf dem gleichen Kern wie die Sekundärwicklung 586 aufgewickelt ist, gespeist.

Die am unteren Ende der Sekundärwicklung 586 auftretende Spannung ist durch die Lastwicklungen 23a, 23b der als Magnetschalter ausgebildeten Steuereinrichtung 20 mit einem Vollwellen-Gleichrichterkreis gekuppelt, der Gleichrichter 60a bzw. 606 aufweist, die mit den abgelegenen Anschlüssen der Lastwicklungen 23a, 236 verbunden sind. Die Anode des Gleichrichters 60a ist an die Lastwicklung 23a und Kathode dos Gleichrichters 606 an die Lastwicklung 236 angeschlossen. Die Kathode des Gleichrichters 60a ist mittels eines Leiters 61 mit dem positiven Pol 10 des Akkus 1 und die Anode des Gleichrichters 606 mittels eines Leiters 63 mit dem negativen Pol 12 verbunden.

Ein Paar Gleichrichter 66a bzw. 666 sind zwischen einen gemeinsamen Anschluß 70, der mittels eines Leiters 72 mit dem oberen Ende der Wicklung 586 verbunden ist, und die Leiter 61 bzw. 63 gekoppelt. Die Kathode des Gleichrichters 66a ist mit dem Leiter 61 und die Anode des Gleichrichters 666 mit dem Leiter 63 verbunden. Bei der ersten Halbwelle jedes Betriebszyklus wird der Strom bei der Ausbildung der beschriebenen Gleichrichter vom oberen Ende der Sekundärwicklung 586 über den Gleichrichter 66a, den zu dem positiven Pol 10 sich erstreckenden Leiter 61, den negativen Pol 12, den Gleichrichter 606 und die Lastwicklung 236 eines der Magnetschalter, den gemeinsamen Anschluß 56 und den Leiter 57 fließen, der sich vom unteren Ende der Sekundärwicklung 586 aus erstreckt. So lange wie der Kern 236' gesättigt ist, ist die Reaktanz der Wicklung 236 vernachlässigbar, und es wird ein maximaler Ladestrom während jeder ersten Halbwelle fließen. In jeder zweiten Halbwelle wird Strom vom unteren Anschluß der Sekundärwicklung 586 durch die Lastwicklung 23a, den Gleichrichter 60a, den Leiter 61, den positiven Pol 10, den negativen Pol 12, den Leiter 63, den Gleichrichter 666 und den Leiter 72 fließen, der zum oberen Ende der Sekundärwicklung

ίο 586 führt. Solange der Kern 23a' gesättigt ist, ist die Reaktanz der Lastwicklung 23a wiederum so niedrig, daß maximaler Strom in diesem Stromkreis fließen wird, wobei davon ausgegangen wird, daß er oben genannte maximale Strom eine hohe Laderate für den Akku 1 ergibt.

Die Steuerwicklungen 20a, 206 sind in bezug zu den Vorspannungswicklungen 20a', 206' derart gewickelt, daß dann, wenn Steuerstrom in den Steuerwicklungen 20a, 206 als Folge des Elektronenflusses zwischen den negativen Elektrodenplatten 8 und den Steuerelektroden 16, die den vollen Ladezustand der Batterie 1 anzeigen, fließt, die durch diesen Strom in den Kernen 23a', 236' erzeugten magnetomotorischen Kräfte den magnetomotorischen Kräften entgegentreten, die dort durch den Siromfluß in den Vorspannungswicklungen erzeugt werden, so daß die Kerne ungesättigt werden. Werden die Kerne 23a', 236' ungesättigt, dann wird die Reaktanz der Lasiwicklungen 20a, 23a so groß, daß sich der Strom im betreffenden Stromkreis auf ein solch niedriges Niveau vermindert, daß die Sauerstoffentwicklung im Akku 1 danach vernachlässigbar sein wird, bis sich der Strom durch die Steuerwicklungen 20a, 206 unter den bezogenen Auslösewert vermindert, um wiederum füi eine hohe Laderate des Akkus 1 zu

sorgen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gasdichter Akkumulator mit einem aus positiven und negativen Elektroden sowie einem Elektrolyten gebildeten chemischen System, an das ein in Abhängigkeit von dem von einer sauerstoffverbrauchenden Steuerelektrode über eine steuerstromabhängige Steuereinrichtung gesteuerte Schalteinrichtung an die negative Elektrode gelieferten Steuerstrom ab- und zuschaltbarer Ladestromkreis angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) die Schalteinrichtung (23) zum Abschalten des Ladevorgangs bei einem einen Auslösewert (I₁) erreichenden Steuerstrom betätigt, der einen etwas geringeren Wert als der für den vollen Ladezustand des Akkumulators (1) maßgeblichen Ladestrom entspricht und daß die Steuereinrichtung (20) eine Impedanz aufweist, die einer Spannung zwischen der negativen Elektrode (8) und der Steuerelektrode (16) von nicht größer als 40% der Spannung der negativen Elektrode (8) bei Beendigung der Sauerstoffentwicklung an dieser nach dem Laden entspricht.

2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der Steuereinrichtung (20) kleiner als 10 Ohm ist.

3. Akkumulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der Steuereinrichtung (20) nicht größer als 3,2 Ohm ist.

4. Akkumulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der Relaisspule der mit Relais versehenen Steuerrichtung (20) etwa 3 Ohm beträgt.

5. Akkumulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz der als Hochstromgerät ausgebildeten Steuereinrichtung (20) etwa 1 Ohm beträgt.

6. Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösestrom feinem Ladezustand von zwischen 90 und 97% des vollen Ladezustands entspricht.

7. Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die negative Elektrode (8) aus gesinterten, porösen Nickelgrundplatten bestehen, die mit Cadmium imprägniertsind.

8. Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (16) Metalle der Silber-Nickel-Gruppe aufweisen.

9. Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (16) durch eine Trennschicht (14) aus elektrolytimprägniertem Material von den negativen bzw. positiven Elektroden (6,8) so getrennt sind, daß wäßriger Elektrolyt zur Bildung eines dünnen Oberflächenfilms auf den Steuerelektroden (16) auf kurzem Wege ununterbrochen zu diesen gelangt.

10. Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektroden (16) mit dem wirksamen Material der negativen Elektroden (8) ein Element darstellen, das auf dem größten Teil der wirksamen Oberfläche der Steuerelektroden (16) eine Wasserstoffatomquelle bildet.

11. Akkumulator nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestromkreis Sonnenzellen als Ladestromquelle (22) aufweist.

12. Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung des Lade-, Last- und Steuerkreises, daß der durch die Last (24) fließende Laststrom den Steuerstrom nach dem Ende der Sauerstoffentwicklung mit einer so großen Abfallgeschwindigkeit vermindert, daß dieser vor dem Betriebsende bis auf mindestens den Auslösewert ^abgefallen ist.