DE2008007A1

DE2008007A1 - Verbesserungen an elektrochemischen Gleiehstromtransformatoren

Info

Publication number: DE2008007A1
Application number: DE19702008007
Authority: DE
Inventors: Michel Jochaud du Paris; Lecouffe Yves Courbevole; Plessix (Frankreich)
Original assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Current assignee: SAFT Societe des Accumulateurs Fixes et de Traction SA
Priority date: 1969-02-21
Filing date: 1970-02-20
Publication date: 1970-09-10
Also published as: GB1254992A; FR2032211A5; LU60342A1; NL7002473A; US3798527A; BE746008A

Description

S 2 114

München, den 20. Februar 1970

SOCIETE DES ACCUMULATEURS FIXES ET DE THACTION 156, avenue de Metz, Romainville,. Frankreich

VERBESSERUNGEN AN ELEKTROCHEMISCHEN GLEICHSTROMTRANSFORMATOREN

Die Erfindung betrifft elektrochemische Gleichstrora~ transformatoren.

Bei Vorhandensein einer Energiequelle grosser Leistung für Gleichstrom, dessen Stärke bestimmte Grenzen nicht Uber~ schreiten kann, ergibt sich in der Praxis oft das Problem, den Gleichstrom in einer bestimmten Zeit in einen Strom von anderer, zum Beispiel gr'osserer Stärke und entsprechender Spannung umzuwandeln.

Das einfachste System besteht aus einem Akkumulator, der mit einem Ladestrom von gegebener Stärke gespeist wird und der seinerseits einen Entladestrom von anderer Stärke, die grosser sein kann, liefert.

Praktisch sind jedoch dieser Energieumformung Grenzen · gesetzt.

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Zunächst wird die obere Grenze der durch den Akkumulator wiederabgegebenen Stromstärke durch seinen Gesamtinnenwiderstand bestimmt, der insbesondere die Polarisation der Elektroden mit einschliesst.

Die untere Grenze der "Fingangsstromstärke wird durch den Wirkungsgrad der Umwandlung elektrischer in potentielle chemische Energie bestimmt. Dieser Wirkungsgrad hängt nämlich vom Strom ab. Je schwächer der Ladestrom ist, desto geringer ist die elektrochemische Ladeleistung, d.h. das Verhältnis zwischen der abgegebenen ^lektrizitätsmenge und der von den Elektroden für die entsprechende elektrochemische Umwandlung aufgenommenen Elektrizitätsmenge. Wenn der Strom zu schwach ist, lädt sich der Akkumulator nicht mehr auf. Die EingangsStromstärke kann ausserdem aus Betriebsgebunden begrenzt sein, beispielsweise bei einem dichten Akkumulator.

Fs ist daraus ersichtlich, dass ein solches System in der Praxis begrenzt und schwer anzuwenden ist.

Fin Beispiel eines solchen Systems ist ein Akkumulator, der den von einer Batterie gelieferten Strom so umformen soll, dass sie einen elektrischen Rasierapparat speisen kann. Der Tagesverbrauch soll 240 M in 6 Minuten betragen, und der Akkumulator ist während der restlichen 24 Stunden mit einem Strom von ungefähr 1 mA wiedera.ufzuladen. Der kleine alkalische Akkumulator mit einer Nennkapazität von 250 mAh, der zu diesem Zweck vorgesehen ist, nimmt bei diesem Betrieb nur ein Viertel des ihm zugeführten Ladestroms auf. Er müsste daher nicht 24,

sondern wenigstens 96 Stunden oder ungefähr 15 "bis 20 Stunden mit 4 mÄ aufgeladen werden, um die volle Ladestärke wieder zu erreichen. Eine so schwache Leistung beseitigt jedes praktische Interesse an dem Gerät. Dieser alkalische Akkumulator mit Elektroden aus dünnen Sinterplatten weist jedoch von den "bekannten Akkumulatoren das grbsste übersetzungsverhältnis auf -(Verhältnis des in der gegebenen Zeit mit der gewünschten Stärke abgegebenen Höchsts-troms zum Mindestladestrom mit · ausr-edchencleiii :ürio2ngs~ grad). Dieses Beispiel zeigt die Schwierigkeiten, die zu überwinden sind, um eine Stromumformung mit einem hohen Übersetzungsverhältnis und ohne übermässige Verluste durchzuführen.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben. Ihr Gegenstand ist ein elektrochemischer Gleichstromtransformator, mit dem ein starker Gleichstrom aus einem schwachen Gleichstrom gewonnen werden kann, der von einer Frimärstromquelle grosser Stärke und schwacher Leistung geliefert wird, wobei der Transformator eine Akkumulatorenendbatterie aufweist, die den starken Strom liefert; er ist dadurch gekennzeichnet, dass er ausserdem wenigstens eine erste Umfοrmungsζwischenstuf § umfasst, die von der Primärstromquelle gespeist wird und ihrerseits entweder die Endbatterie oder eine andere Umformungszwischenstufe mit einem Strom speist, dessen Wert zwischen der schwachen, von der Primärstromquelle gelieferten und der gewünschten grossen Stromstärke liegt, wobei die erste Umformungsstufe mindestens eine Akkumulatorenbatterie aufweist, die mit dem Strom der Primärstromquelle vollständig aufgeladen werden kann, und wobei die an die Endbatterie von der letzten

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Umformungsswischenstufe abgegebene Stromstärke deren vollständige Aufladung ermöglicht.

Das System weist mehrere Parameter auf, die den Bedürfnissen entsprechend angewendet werden können. So ist es möglich, für das Verhältnis zwischen dein von der Endbatterie gelieferten Ausgangs- und dem von der Primärstromquelle gelieferten "ingangsstrom Werte von mehreren hundert und sogar mehreren tausend rsu erhalten. Diese Anpassungsfähigkeit der Parameter verleiht dem System seine vielfache Verwendbarkeit.

■fin anderes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass eine Umformungszwischenstufe mehrere Akkumulatorenbatterien aufweist, die nacheinander von der Primärstromquelle aufgeladen werden; dabei entladen sich diese Batterien ebenfalls nacheinander in die folgende Umformungsstufe oder in die Endbatterie.

Ist beispielsweise der erfindungsgemasse Transformator mit einer Primärstromquelle, einer Umformungszwischenstufe und einer Endbatterie ausgerüstet, so erlaubt die oben beschriebene Anordnung bei Verwendung einer Zwischenstufe, deren Kapazität an den von der Primärstromquelle gelieferten Ausgangsstrom angepasst, d.h.,im Verhältnis zum gewünschten Ausgangsstrom relativ schwach ist, die Zwischenstufe in kürzerer Zeit vollständig aufzuladen, als wenn diese Stufe nur eine einzige Batterie aufwiese, denn die Entladezeit einer der Batterien der Zwischenstufe kann für die Aufladung einer anderen Batterie derselbe:-, rftufe verwendet werden.

Auf diese ^r.^Teise kann die Primärstromquelle ständig in 009837/145*

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Betrieb sein, was in gewissen Fällen von Vorteil sein kann.

Übrigens ist eine solche Anordnung vorteilhaft, denn sie gewährleistet Sicherheit bei der Anwendung. Die Zwischenstufe kann nämlich in Betrieb bleiben? wenn eine ihrer Batterien ausfällt.

Nach einem Hauptmerkmal der Erfindung werden zumindest die Batterien der ersten Zwischenstufe der gewöhnlichen ladeleistung entsprechend vollständig aufgeladen, aber nicht überladen. Dies ermöglicht im Bedarfsfall einen höheren Ladebetrieb.

Die Erfindung wird an Hand der beigefügten Schemazeichnung, die ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen elektrochemischen Gleichstromtransformators darstellt, beschrieben.

Die Zahlen 1, 2 und 3 bezeichnen die Primärstromquelle grosser Stärke, die Umformungszwischenstufe mit mindestens
einer Akkumulatorenbatterie und die Akkumulatorenendbatterie ->

Die Primärstromquelle grosser Stärke kann vor allem
von einem der folgenden Typen sein" Lithiumbatterie, Luftsauerstoff -Batterie, Kernenergie- oder Isotopenbatterie, auf einem Windrad angebrachter Generator usw.

Vorteilhafterweise haben die für die Fndbatterie und
die Umformungszwischenstufe verwendeten Akkumulatoren einen
sehr schwachen Innenwiderstand. So kann man dichte öder halbdichte alkalische- ITickel-Xadmium Akkumulatoren mit dünnen
Sinterplatuen verwenden.

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Die UffiforK\ing527/ischens"tufe 2 wird nit dem aus der Primärstromquelle 1 stammenden Strom i.. geringer Stärke gespeist, Die Akkumulatorenbatterie der Uinformungs stufe 2 kann mit dem Strom i^ voll aufgeladen werden» Die ümformimgsstufe 2 liefert einen Strom i_, der die F.ndbatterie 3 speist" diese liefert den gev.ainsch.ten Ausgangsstrom i,. Ausserdera kann. i_o die Batterie 3 voll aufladen.

Das folgende Aiisführungsbeisrsiel zeigt eine Anwendung der Erfindung, die es ermöglicht, eine Stromquelle mit einer Stärke von einigen hundert A herzustellen, während bisher nur eine Stromquelle von einigen sehn oder hundert mA zur Verfügung stand.

Die Primärstromquelle "besteht aus einer Lithiumbatterie, die im Dauerbetrieb ungefähr 320 Stunden lang einen Strom i,. von 82 mA liefert.

Die Zwischenstufe 2 besteht aus einer Nickel-Kadmium-Akkumulatorenbatterie mit dünnen Sinterplatten und einer Gesamtkapazität von ungefähr 1,6 Ah, die einen Strom ±₂ von beispielsweise 1,6 A liefert.

Die Endbatterie 3 besteht aus einer Nickel-Kadmium-Akkumulatorenbatterie mit dünnen Sinterplatten und einer Gesamtkapazität von 35 Ah, die den gewünschten Strom i, von 200 A liefert. Somit entspricht der Strom i^ von 82 mA der

C Zwischenstufe 2 einem Ladebetrieb von -^, wobei C die Nennkapazität der Batterie in Ah darstellt und der Strom ip von

1,6 A der Endbatterie 3 einer Ladung bei einem Betrieb von

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entspricht ο Dieser Ladebetrieb bei den in Betracht gesogenen Akkumulatorenbatterien ermöglicht eine praktisch vollständige Ladung.

Wenn die Endbatterie 3 einen Strom i-, von 200 A bei 10 V in einer gegebenen Zeit abgeben soll, können für diese Batterie Akkumulatoren mit einer mittleren Spannung von 1 V für diese Betriebsart gewählt werden, wie im Fall der von der Antragstellerin hergestellten Akkumulatoren VO 35. Es ist also notwendig, zehn Zellen hintereinanderzuschalten. Um die zehn

Zellen voll auf -^_n aufzuladen, muss jede von ihnen am Ende dsr Ladung eine Spannung von ungefähr.1,42 - 1,45 V aufweisen. Daher muss die Spannung am Ausgang der Zwischenstufe 2 ungefähr 14,2 bis 14_?5 V betragen» Da jede Zelle der Batterie der Zwischenstufe eine mittlere Spannung von 1,18 V abgibt -- wie auch die von der Antragstellerin hergestellten Akkumulatoren VB 200 mit einer Kapazität von ungefähr 1,6 Ah - ist es nötig, 13 dieser Akkumulatoren hintereinanderzuschalten, um 14? 2 bis

rt

14»5 V zu erhalten. Um diese Zellen auf -^q voll aufzuladen, müssen sie am Ende der Ladung eine Spannung von je 1,45 V erhalten. Daher mus"s die Spannung am Ausgang der Primärstromquelle 18,85 V betragen. Da eine Lithiumbatterie eine mittlere Spannung von 1,68 V liefert - ebenso wie die von der Antragstellerin hergestellten Zellen Li 20 -, müssen 11 dieser Batterien zur Erreichung von 18,85 V hintereinandergeschaltet werden,

Dieses Beispiel zeigt also, dass mit 11 hintereinander··-

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gesell-1^β■;:--.-. Iitniii2::c^~-:sr:.e:ip die a!112:1 Strcr: von 82 n:A und eine S^niraig vcn 10_s£5 V sufvireisen- ydt dem erfindiingsgem'dssen Transformator ein Strom von 200 A und 10 V erzielt wird.

Fine Abwandlung des Ausführungsbeispiels sieht eine Zwischenstufe aus zwei oder drei Batterien 13 VB 200 vor, vvobti die Batterien nacheinander von der Lithiumbatterie aufgeladen werden.

Unter diesen Bedingungen geben die Lithiumbatterien ständig Strom ab, und zwar in einem Zyklus von acht Stunden Ladezeit für jede Batterie der Zwischenstufe und zwanzig Minuten Entladeseit für die Endbatterie _f die alle 8 Stunden

mit _J_ =0,53 Ah aufgeladen wird. Daraus ergibt sich, dass

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letztere Stronimpulse von beispielsweise 200 A während drei

Sekunden liefern kann.

Die Erfindung eignet sich besonders gut für einzelne Systeme^ die während einer relativ langen Zeit ohne jede Bedienung in Betrieb sein müssen, renn an eine Primärstromquelle grosser Stärke Akkumulatorenbatterien ohne Wartung beispielsweise dichte Akkumulatorenbatterien - angeschlossen sind.

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Claims

ft,-J Elektrochemischer Gleichstromtransformator, mit denein starker Gleichstrom aus einem schwachen Gleichstrom gewonnen werden kann, der von einer Primärstromquelle grosser Stärke und schwacher Leistung geliefert wird, wobei der Transformator eine Akkumulatorenendbatterie aufweist, die den starken Strom liefert, dadurch gekennzeichnet, dass er ausserdem wenigstens eine.erste Umformungs™ Zwischenstufe umfasst, die von der Primärstromquelle gespeist wird und ihrerseits entweder die Endbatterie oder eine andere Umformungszwischenstufe mit einem Strom speist, dessen Wert zwischen der schwachen, von der Primarstromquelle gelieferten und der gewünschten grossen Stromstärke liegt, wobei die erste Umformungsstufe mindestens eine Akkumulatorenbatterie aufweist, die mit dem Strom der Primarstromquelle voll aufgeladen werden kann und wobei die an die Piidbatterie. von der letzten Umformungszwischenstufe abgegebene Stromstärke die vollständige Aufladung der Fndbatterie ermöglicht,
2. Elektrochemischer Transformator nach Anspruch-1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Um-· formungszwischenstufe mehrere Akkumulatorenbatterien aufweist, die nacheinander durch die Primärstromquelle aufgelacUr. v/erden, wobei diese Batterien ebenfalls nacheinander in die foügerjfU.· [Tmformungsstufe oder in die ^'ndbatterie entladen WC-roten.

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