DE2021531A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verlaengerung der Entladungsdauer von wiederaufladbaren Akkumulatoren - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verlaengerung der Entladungsdauer von wiederaufladbaren Akkumulatoren

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DE2021531A1
DE2021531A1 DE19702021531 DE2021531A DE2021531A1 DE 2021531 A1 DE2021531 A1 DE 2021531A1 DE 19702021531 DE19702021531 DE 19702021531 DE 2021531 A DE2021531 A DE 2021531A DE 2021531 A1 DE2021531 A1 DE 2021531A1
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
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    • H02J7/0063—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with circuits adapted for supplying loads from the battery
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    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Description

METALLGESELLSCHAFT Frankfurt/Main, 29. April 1970
Aktiengesellschaft
Prov. Nr, 6476 LÖ
Aktiengesellschaft DrWer/EV o π η λ ir o λ
Verfahren und Vorrichtung zur Verlängerung der Entladungsdauer von wiederaufladbaren Akkumulatoren
Es ist bekannt, daß in einem an eine Gleichstromquelle angelegten Stromkreis beim Öffnen und Schließen desselben Induktions ströme auf- \
treten, die eine beträchtliche Spannung und Stromstärke-erreichen können, wenn der Stromkreis eine Spule enthält. Diese Spule baut beim Schließen des Stromkreises durch Selbstinduktion ein Magnetfeld auf, in dem elektrische Energie in Form von magnetischer Energie gespeichert wird. Beim Unterbrechen des Stromkreises wird das Magnetfeld wieder abgebaut, wobei die magnetische Energie in elektrische Energie zurückverwandelt wird. In einfachen Schaltungen mit einer Gleichstromquelle und einen Unterbrecher, z.B. mit einem Wagnerschen Hammer, wirkt der beim Einschalten entstehende Induktions strom der Spannung der Stromquelle entgegen und verursacht eine erhöhte Entnahme aus dieser. Der Ausschaltstrom hingegen ist der äußeren Spannung gleich- <|
gerichtet und geht durch den Öffnungsfunken, durch Erwärmung eines Überbrückungswiderstandes oder der Spule selbst verloren.
Es wurde gefunden, daß sich dieser beim Ausschalten auftretende Ihduktionsstrom unter Einschaltung eines Kondensators hinreichender Kapazität der Stromquelle wieder zuführen läßt, wodurch deren Entladungsdauer beträchtlich verlängert werden kann. Der Öffnungs-Induktion sstrom ist ein pulsierender Gleichstrom, für den ein Kondensator durchlässig ist.
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Dieser Kondensator soll eine Mindestkapazität von etwa 1/iF haben. Die bekannten Entstörungskondensatoren, mit denen der Kontakt des Unterbrechers überbrückt wird, haben eine zu kleine Kapazität.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verlängerung der Entladungsdauer von wiederaufladbaren Akkumulatoren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Akkumulator durch einen elektromagnetischen Unterbrecher periodisch Strom entnommen wird und daß der am Ende jeder Einschaltperiode auftretende Öffnungsinduktionsstrom durch einen zwischen ein Spulenende und einen Pol des Akkumulators geschalteten, den Unterbrecherkontakt überbrückenden Kondensator in den Akkumulator zurückgeleitet wird. ,
Der elektromagnetische Unterbrecher kann dabei Bestandteil eines arbeitsleistenden Elektromotors sein oder einem solchen oder einem anderen stromverbrauchenden Gerät parallel geschaltet werden.
Der dabei auftretende Effekt läßt sich so interpretieren, daß der Akkumulator durch den Öffnungs-Induktionsstrom mit der Frequenz des Unterbrechers intermittierend wieder aufgeladen wird.
Die Erfindung geht von den Resultaten einiger einfacher Versuche aus.
Es ist bekannt, daß man zum Starten der Brennkraftmaschine eines Automobils den Anlasser mehrmals für wenige Sekunden mit angemessenen Pausen betätigen soll, damit der Akkumulator "sich erholen kann". Läßt man den Anlasser im Dauerbetrieb bis zum Anspringen des Motors laufen, kann der Fall eintreten, daß ein Akku im durchschnittlichen Ladezustand vorher schon erschöpft ist.
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Mit einem handelsüblichen Bleiakkumulator, 6 Volt, 40 Amp.h und eines ebenfalls handelsüblichen Anlassermotors mit 6 V Anschlußspannung wurden mehrere Vergleichsversuche ausgeführt, für die der Akkumulator jeweils vergleichbare Ladungszustände hatte. Der Akkumulator wurde für jeden Versuch bis zu einer Klemmenspannung von 6, 6 Volt und einer Säuredichte von 1,25 kg/dm3 geladen. Im Laufe der Entladung wurde die Säuredichte 1,15 nicht unterschritten.
Der Anlassermotor wurde an den Akkumulator angeschlossen und zum Dauerbetrieb bis kurz vor dem Stillstand eingeschaltet. Der Akkumulator war nach 5 Minuten entladen. Die Säuredichte lag bei 1,15 kg/dm3.
Dem Anlassermotor wurde nun ein mechanischer Unterbrecher nach Art des WagnerschenHammers, dessen Kontakt durch einen Kondensator von 10/iF überbrückt war, parallel geschaltet. Dabei lief der Motor bis zur Entladung auf eine Säuredichte von 1,15 kg/dm 3 des Akkumulators 15 Minuten ununterbrochen. Das Schaltschema dieser Anordnung ist in Figur 1 aufgezeichnet.
Der Akkumulator 1 ist durch die Leitung 2 mit einem Ende der Spule 3 und durch die Leitung 4 und den Unterbrecherkontakt 5 mit dem anderen Ende der Spule 3 verbunden. Parallel zum Unterbrecherkontakt ist ein Kondensator 6 geschaltet.
Der bei der Öffnung des Unterbrecherkontaktes entstehende Ihduktionsstrom kann durch die Leitungen 7, 8 abgeleitet und z.B. durch ein Meßgerät 9 nachgewiesen, im Verbraucher, z.B. einem Widerstand 10oder einer Glühbirne 15, aufgezehrt, d.h. in Wärme umgewandelt oder mittels der Handgriffe 11 spürbar gemacht werden.
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In der Schaltanordnung zum zweiten der oben beschriebenen Vergleichsversuche ist der Anlassermotor 12 mit dem Akkumulator durch die Leitung 13 und 14 verbunden und dem Unterbrecher parallel ge schaltet.
Für die weiteren Versuche wurde ein rotierender elektromagnetischer Unterbrecher verwendet, ein sogenanntes Polrad, dessen Aufbau in Figur 2 schematisch dargestellt ist.
In der Fig. 2 ist 1 ein Rad, auf dessen Umfang z.B. 16 Weicheisenvierkantstäbe gleichmäßig verteilt und parallel zur Drehachse des Rades angeordnet aufgeschraubt sind (2). Die Welle 3 des Rades läuft in Lagern 4 und 5, die auf Lagerböcken 6 und 7 auf einer Grundplatte 8 so angeordnet sind, daß sich das Rad über einem Magnetjoch 9 drehen kann. Das Magnetjoch 9 wird mittels der Stromquelle 10 und der Spule 11 magnetisch gemacht. Über die Unterbrecherfeder 12 ist der Stromkreis Spule 11 - Stromquelle 10 - Masse am Lager 4 - Welle 3 - Rad 1 - Weicheisenstab 2 - Feder 12 bei Vorbeigleiten von einem der 16 Weicheisenstäbe 2 am Magnetjoch 9 geschlossen. Er ist unterbrochen, wenn das Magnetjoch zwischen zwei Weicheisenstäben 2 liegt. Zwischen die Feder 12 und Mas se verbindung ist Kondensator 13 von lOyuF geschaltet.
Die Fig. 3 ist ein axialer Schnitt durch das Polrad 1 der Figur 2.
Bei Einschalten des Stromes durch Anstoßen des Rades wird mittels der Kontaktfeder 12 der Stromkreis geschlossen. Der in der Spule 11 fließende Strom baut ein Magnetfeld auf, durch den ein Weicheisenstab 2 über das Magnetjoch 9 gezogen wird. Das Rad 1 dre.ht sich weiter. Der Stromkreis wird zwischen Feder 12 und Weicheisenstab 2. unterbrochen. Diese Schaltvorgänge wiederholen sich bei weiterlaufendem Polrad.
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Das beim Einschalten sich aufbauende Magnetfeld bricht beim Ausschalten wieder zusammen. Durch die Selbstinduktion der Magnetspule ent-s steht dabei ein Strom, der dem Einschaltstrom entgegengerichtet ist. Die dabei entstehende Spannung kann ein Vielfaches der beim Einschalten angelegten Spannung sein. .
Die Spule 11 wurde mit Gleichstrom von 6 bzw. 9 Volt gespeist, der einmal einem 6 Volt Bleiakkumulator mit 40 Ah, zum andern 4 hintereinander geschalteten 1,5 Volt Trockenbatterien bzw. einer Trockenbatterie mit 9 Volt Klemmenspannung entnommen wurde.
Bei Betrieb des Polrades mit Trockenbatterien ist der Spannungsabfall je Stunde etwa 0,5 Volt in der Batterie. Beim Betrieb mit dem Bleiakkumulator ist der Spannungsabfall/Stunde in diesem nur etwa 0,01 Volt.
Diese Versuche zeigen, daß der beim Öffnen des Stromkreises entstehende Induktionsstrom dem Ladezustand des Akkumulators wirklieh zugute kommt. Ära Zinkkohle-Element tritt keine Verlängerung der Entladungsdauer ein.
Der Polradmator hat 30 Watt Aufnahmeleistung. Aus dem vorhandenen Bleiakkumulator mit 40 Ah könnte zwischen den oben genannten Ladungs zuständen ein Motor für 6 Volt und einer Aufnahmeleistung von 30 Watt etwa 8 Stunden im Dauerbetrieb laufen. Der Polradmotor lief jedoch 47 Stunden 30 Min. im Dauerbetrieb.
In einem weiteren Versuch wurde der Pendelunterbrecher in der Anordnung gemäß Fig. 1 durch dieses Polrad ersetzt. In dieser Anordnung lief der Anlasser 15 Minuten lang ununterbrochen. Dann war er so heiß, daß er ausgeschaltet werden mußte. Der Akkumulator war an
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diesem Zeitpunkt nur zur Hälfte entladen, und seine Klemmenspannung war von 6 Volt auf 5,5 Volt gesunken. Die Säuredichte betrug dann I,15kg/dm3. ' '
Nach Abschalten des Anlassermotor bei diesem Betriebszustand lief der Polradmotor weiter. Dabei erholte sich die Klemmspannung des Akkumulators nach 1 Minute auf 6 Volt, nach 2 Minuten auf 6, 5 Volt, Die Säuredichte stieg von 1,15 auf 1,20 kg/dm3.
In einem weiteren Versuch wurde der aufgeladene Akkumulator allein mit dem Anlassermotor verbunden. Als dieser nach etwa 5 Minutenlangem ununterbrochenem Lauf stehen blieb, war. die Klemmenspannung des Akkumulators auf 5 Volt abgesunken. Der Anlassermotor wurde abgeschaltet, und jetzt wurde das Polrad an den Akkumulator angeschlossen. Die Klemmenspannung des Akkumulators stieg nach 1 Minute auf 5, 75 Volt, nach 5 Minuten auf 6 Volt und nach 15 Minuten auf 6, 5 Volt. Die Drehungszahl des Polradmotors betrug in allen Versuchen etwa 28-UpM.
Die Figuren 4 und 5 zeigen verschiedene zur Leistung mechanischer Arbeit geeignete Motoren, auf deren Wellen Kontaktunterbrecher mitlaufend angeordnet sind, in schematischer Darstellung.
In den Ausführungen gemäß der Figur 4 besteht der Stator aus einem Elektromagneten und der Rotor aus Transformatorenblech.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist der Stator als Permanentmagnet ausgebildet, der Rotor als Elektromagnet.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist innerhalb eines Magnetjoches 21 und in den Lagerblöcken 22 drehbar der Anker 23 angeordnet. Er
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sitzt fest auf Welle 24. Der Anker 23 ist nicht bewickelt. Er ist unsymmetrisch gebaut und hat die Form eines "Z", wobei die Breite 24 etwa 2/3 des lichten Jochabstands 25 beträgt. Das Joch 21 wird magnetisiert durch Spule 26. Der Magnetisierungsstrom wird dem Akkumulator 27 entnommen und synchron mit der Ankerumdrehung mittels eines Unterbrechers aus- und eingeschaltet, welcher aus einem fest mit der Welle verbundenen Nocken 28, einer nicht isoliert angebrachten Feder 2 9 und einer dauernd auf der Welle schleifenden mit dem Isolierblock 30 isoliert angebrachten Feder 31 besteht. In der dargestellten Ankerstellung fließt der Strom von Akkumulator 27 über die Spule 26, die Feder 29, m
die Nocke 28, Welle 24, die Feder 31 zum Akkumulator 27 zurück. Der Anker 23 dreht sich in das Magnetfeld, wobei Nocken 28 nicht mehr von Feder 29 berührt wird, und der Stromkreis unterbrochen ist. Bei Unterbrechung des Stromes fließt der Selbstinduktions strom, hervorgerufen durch Zusammenbrechen des Magnetfeldes, in den Akkumulator 27 zurück. Zwischen die Federn 29 und 31 ist der Kondensator 11 geschaltet, der die Spitzenströme, die beim Ein- und Ausschalten entstehen, aufnimmt. Er speichert diese bis zur Erreichung der Kapazitäts grenze auf und gibt den Entladungsstrom dem Akkumulator zurück.
Die Spannung bei der Entladung liegt zwischen etwa 60 und 180 Volt. Die μ
Selbstinduktions spannung, die bekanntlich dem Quadrat der Windungszahl proportional ist, wird zweckmäßig dadurch auf etwa 6 bis 10 Volt bei gleichzeitiger Erhöhung der Stromstärke gebracht, daß die Spule 2 6 aus mehrereif parallel geschalteten Einzelspulen besteht. Bei Speisung aus dem oben beschriebenen Akkumulator (6 V; 40 Ah;) nimmt der Motor eine Leistung von 340 Watt auf, wobei ein Strom von 52 A fließt. Zwischen den oben bezeichneten Ladungszuständen hätte der Akkumulator nach etwa 46 Minuten entladen sein müssen. Die tatsächliche Betriebszeit betrug jedoch 5 Stunden und 40 Minuten. Die Säuredichte änderte sich dabei von 1,25 auf 1,18 kg/dm3.
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Ein ausgeführter Motor für eine Anschlußspannung von 12 V und einer Leistung von 1 PS bei 8. 000 UpM hat einen Ankerdurchmesser von 110 mm. Das Magnetjoch hat einen Eisenquerschnitt von 60x35 (mm). Die Spule besteht aus 10 Einzelspulen mit je 40 m Cu-Draht 0, 8 mm 0. Die Spulen sind parallel geschaltet» Der Kondensator hat lOyuF Kapazität. Der Aufbau des Motors entspricht der Figur 4.
Bei der Ausführungstorm gemäß Fig. 4 besteht der Stator aus dem Magnetjoch, welches aus Be.lchpaket und Spule besteht. Die Statormasse ist dabei groß, während der Anker eine relativ kleine Masse hat. Um das tote Gewicht des Motors zu verkleinern, kann man den Motor so aufbauen, daß der Stator als Permanentmagnet ausgebildet ist, während der elektromagnetische Teil in den Rotor verlegt ist.
In der Ausführungsform gemäß der Fig. 5 besteht der Stator beispielsweise aus einem konstanten Nord-Süd-Pol aus Sintermetall. Dadurch läßt sich das Gewicht des Eisenjoches um 50 bis 70 % erniedrigen. Außerdem entfällt die Spule. Als Rotor kann ein normaler Doppel-T-Anker verwendet werden, der auch die Spule trägt. Das Prinzip der Selbstinduktion ist beibehalten. In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 wird die Anker spule aus zwei Akkumulatoren, die wechselweise im Betrieb sind, gespeist oder durch einen Akkumulator mit Mittenabgriff.
In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 bezeichnen 41 den Nordpol und 42 den Südpol eines Permanentmagneten aus Sintermetall, der durch das Verbindungsstück 43 als Hufeisenmagnet ausgebildet ist, aber auch jede andere Form haben kann. Zwischen den Polen 41 und 42 ist der Anker 44 mit der Spule 45 auf der Welle 46 drehbar angeordnet. Die Welle 46 ist in auf der Grundplatte 59 stehenden Lagerbock 57 und Lager 58 gelagert. Die Welle 46 trägt den Schleifring 47, an weichender Spulenanfang angeschlossen ist und z.B. über die Sehleiffeder 48 mit
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den Akkumulatoren 49 und 50 verbunden ist. Die Welle 46 trägt außerdem die Kontaktnocken 51 und 52, die über die Schleiffedern 53 und 54 mit den Akkumulatoren 49 bzw. 50 je nach Stellung des Ankers verbunden werden. Zweckmäßig bestehen die Kontaktnocken 51 und 52 aus Metall und sind metallisch mit der Welle 46 verbunden. Dadurch ist es möglich, das Spulenende der Spule 45 einfach metallisch leitend mit der Welle 46 zu verbinden, während der Schleifring 47 isoliert auf der Welle 46 befestigt ist und mit dem Spulenanfang der Spule 45 verbunden ist. Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende :
Steht der Anker fast vor den Polen 41 und 42, wird der Nocken 51 über ■ ™
die Feder 53 den Stromkreis vom Akkumulator 49 durch die Feder 48, den Schleifring 47 und die Spule 45 schließen. Dabei bildet sich im Anker 44 in der Nähe vom Südpol 42 ein Nordpol und in der Nähe vom Nordpol 41 ein Südpol aus. Der Anker dreht sich in das Feld, da ungleichnamige Pole sich anziehen und gleichzeitig eine Verstärkung des Drehimpulses dadurch entsteht, daß das Feld zwischen den Polen 41 und 42 sich kraftschlüssig schließen will. Kurz bevor der Anker 44 sich vollständig in die Feldachse gestellt hat, ist der Kontakt zwischen den Nocken 51 und der Feder 53 unterbrochen und es fließt der Selbstinduktionsstrom in Akkumulator 49 zurück. Steht der Anker 44 in der Feldachse, dann erhalten der Nocken 51 und die Feder 54 Kontakt und der Strom fließt ™
jetzt vom Akkumulator 50 über die Feder 54, den Nocken 51, die Welle 46, die Spule 4%, den Schleifring 47 und die Feder 48 in den Akkumulator 50. Dadurch wird die Spule in umgekehrter Richtung durchflossen und der ursprüngliche Nordpol des Ankers wird zum Südpol. Da gleichnamige Pole sich abstoßen, wird der Anker 44 aus dem Feld zwischen den Polen 41 und 42 herausgedreht. Die Induktionsströme beim Einschalten bzw. Öffnen des Stromkreises werden von den Kondensatoren 55 und 56 aufgenommen, die hier zwischen die Federn 54 bzw. 53 und die Schleif-
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feder 48, geschaltet sind.
Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung bieten sich z.B. bei von batteriegespeisten Elektromotoren angetriebenen beweglichen Geräten, z.B. bei Rasenmähern, Schneeräumern, Kultivatoren. Eine Vorrichtung gemäß Fig. 5 eignet sich auch als Antriebsmotor mit Drehzahlregelung durch Stromunterbrechung für Fahrzeuge. Unterbrecher gemäß Fig. 1 können erf indungs gemäß an aus Akkumulatoren gespeisten Lampen, z.B. Kinoleuchten, Grubenlampen und dergl. Verwendung finden.
PATENTANSPRÜCHE -11-
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Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    \ 1) Verfahren zur Verlängerung der Entladungsdauer von wiederaufLadbaren Akkuraulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß dem. Akkumulator durch einen elektromagnetischen Unterbrecher periodisch Strom entnommen wird und daß der am Ende jeder Einschaltperiode auftretende Öffhungsinduktionsstrom. durch einen zwischen ein Spulenende und einen Pol des Akkumulators geschalteten den Unterbrecherkontakt überbrückenden Kondensator in den Akkumulator zurückgeleitet wird. ,
    ; ■.■■■■■■ ; ■ · : .;■
  2. 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Unterbrecher einem dem Akkumulator Strom entnehmenden Gerät parallel geschaltet ist.
  3. 3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Unterbrecher Bestandteil eines arbeitsleistenden Elektromotors ist. .
  4. 4) Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Widerstand des Kondensators den induktiven Widerstand der Magnetspule mindestens kompensiert. * '
  5. 5) Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule des elektromagnetischen Unterbrechers die Wicklung auf dem Stator oder dem Rotor eines Elektromotors bildet und daß der von dem. Kondensator überbrückte Unterbrecherkontakt aus einer auf der Motorwelle befestigten Nockenscheibe (28; 52) und einer Kontaktfeder (29; 53; 54) besteht.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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