DE2716862C3 - Galvanische Batterie aus einer Vielzahl schnell aufladbarer und entladbarer Zellen - Google Patents

Galvanische Batterie aus einer Vielzahl schnell aufladbarer und entladbarer Zellen

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Description

Die Erfindung betrifft eine galvanische Batterie aus einer Vielzahl schnell aufladbarer und entladbarer Zellen mit einem niederen Innenwiderstand, die in Serie zueinander liegen und in parallelen Zeilen ml Teilern
ίο zwischen den Zeilen angeordnet und in einer Einheit aufgebaut und verpackt sind, und mit einer auf Wärme ansprechenden Einrichtung zur Regelung des Stromes.
In letzter Zeit wurden galvanische Batterien entwikkelt, die eine Vielzahl schnell aufladbarer und entladbarer Zellen mit kleinem Innenwiderstand, z.B. Nickel-Cadmium-Zellen enthalten, welche in Serie geschaltet und angeordnet sind und in Halterungen aus isolierendem Material gehalten werden und eine Einheit bilden. Die Batterien besitzen einen kleinen Innenwiderstand und lassen sich im Vergleich zu ihrem kleinen Volumen mit einem hohen Ladestrom aufladen und mit einem hohen Entladestrom entladen.
Beim Aufladen oder Entladen derartiger Batterien kann es unter Umständen zu einem extrem hohen Strom kommen. Die Temperatur der Zellen wird dann unerwünscht groß, und es erhöht sich dadurch ebenfalls der Innendruck in <Jen Zellen. Um diesem Problem zu begegnen, wurden verschiedene Maßnahmen, z. B. die Anbringung eines Sicherheitsventils vorgeschlagen,
ίο welches bei Überschreiten eines bestimmten Innendrucks anspricht, wodurch Gas entweicht, was eine Verschlechterung der Betriebseigenschaften der Zellen zur Folge hat.
Aus der DE-OS 16 71 910 ist eine Vorrichtung zur
J5 messenden Aufladung von Akkumulatorbatterien bekannt, die einen statischen Amperestundenzähler aufweist, der im Entladebetrieb der Batterie die abgegebene Elektrizitätsmenge zählt und im Ladebetrieb über ein optisches Lesesystrm die automatische Beendigung der Aufladung der Batterie bestimmt, wenn diese vollständig aufgeladen ist. Darüberhinaus ist ein temperaturempfindlicher Widerstand vorgesehen, über den der statische Zähler gespeist wird, wodurch im Ladebetrieb ein Teil des von der Speisequelle
Vj gelieferten Stroms derart abgezweigt wird, daß dem Ladewirkungsgrad der Batterie Rechnung getragen wird.
Aus dem DE-GM 19 75 759 ist ein galvanisches Element bekannt, welches einen auf die Zellentcmperatür ansprechenden Temperaturschaltcr aufweist, der im inneren Hohlraum des Elements untergebracht ist.
Aus der DE-AS 12 22 154 ist eine galvanische Batterie der eingangs genannten Art bekannt, bei der die auf Wärme ansprechende Einrichtung lediglich zur Rege-
Y, lung des Ladestroms dient, während bei der Entladung kein entsprechendes Ansprechen einer Schutzeinrichtung vorgesehen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine galvanische Batterie der eingangs genannten Art zu
W) schaffen, deren auf Wärme ansprechende Einrichtung bei Überhitzung während eines Aufiadevorgangs den Stromfluß unterbricht, während bei einer Überhitzung während eines Entladevorganges der Batterie ein vorgegebener Mindeststrom entnehmbar ist.
»ι Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf Wärme ansprechende Einrichtung einen während des Aufladcvorgangs in die Batterie fließenden Ladestrom durch eine Zustandsänderung der Einrich-
tung unterbricht, wenn die Temperatur in den Zellen der Batterie zunimmt, und daß die auf Wärme ansprechende Einrichtung den Entladestrom während des Entladens der Zellen auf einen niederen Stromwert begrenzt, wenn die Temperatur in den Zellen zunimmt.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß die auf Wärme ansprechende Einrichtung den Ladestrom bei Überhitzung der Zellen wirksam unterbricht, woraufhin die Temperatur der Zellen abnimmt. Wenn die Temperatur unter den vorgegebenen Wert fällt, wird die auf Wärme ansprechende Einrichtung wieder eingeschaltet, so daß das Aufladen erneut einsetzt. Werden dagegen die Zellen entladen, so wird der Entiadestrom bei Zunahme der Temperatur innerhalb der Zellen dadurch auf einen vorgegebenen Wert verringert, daß sich die auf Wärme ansprechende Einrichtung öffnet, wodurch eine Verringerung der Lebensdauer der Zellen vermieden werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
Im folgenden werden Ausführungsbei-piele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fi g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen galvanischen Batterie;
F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der galvanischen Batterie, wobei ein Teil weggebrochen ist;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Hauptteils der Batterie, wobei der Deckel des Gehäuses abgenommen ist; und
Fig.4 eine Seitenansicht des in Fig.3 dargestellten Teils.
In Fig. 1 sind mehrere schnell aufladbare und entladbare Zellen 1 mit kleinem Innenwiderstand, zum Beispiel Nickel-Cadmium-Zellen dargestellt. Dargestellt ist ferner ein auf Wärme ansprechendes Schaltungselement 9, zum Beispiel ein wärmeempfindlicher Schalter, ein nichtlineares Schaltungselement 10, dessen Widerstand sich entweder in Vorwärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung ändert, eine auf Wärme ansprechende Einrichtung i, eine Zellengruppe a im oberen Teil der Figur und eine Zellengruppe b im unteren Teil der Figur. Mehrere Zellen sind in Serie miteinander verbunden, und werden mittels Isoliermaterialien zusammengebaut und so angeordnet, daß sie eine Einheit bilden.
Wenn die Nickel-Cadmium-Zellen 1 aufgeladen werden, fließt ein Ladestrom vom (-f)-Anschluß zum ( —)-Anschluß über eine Zellengruppe a, den auf Wärme ansprechenden Schalter 9 und eine Zellengruppe b. Wenn die Temperatur der Zellen 1 aufgrund eines äußerst g/oßen Ladestrams auf einen vorgegebenen Wert zunimmt, öffnet der auf Wärme ansprechende Schalter 9 seinen Kontakt und unterbricht den Ladestrom. Als Ergebnis nimmt die Temperatur der Zellen 1 ab, und wenn die Temperatur unter den vorgegebenen Wert fällt, wird der auf Wärme ansprechende Schalter 9 wieder eingeschaltet, so daß das Aufladen wieder beginnt. Werden dagegen die Nickel-Cadmium-Zellen I entladen, so fließt der Entladestrom vom ( —)-Anschluß über die Zellengruppe b, die Diode 10 oder den auf Wärme ansprechenden Schalter 9, die Zellengruppe <? und den (-f-)-Anschluß an eine äußere Last. Wenn die Temperatur der Zellen I so zunimmt, daß sie aufgrund eines äußerst großen Entladestroms einen vorgegebenen Wert erreicht, öffnet der auf Wärme ansprechende Schalter 9 seine Kontakte. Der Entladestrom fließt jedoch weiterhin über die Diode 10, selbst wenn der auf Wärme ansprechende Schalter 9 geöffnet ist. Der Entladesirom wird nach dem öffnen des auf Wärme ansprechenden Schalters 9 auf einem gewissen Wert gehalten, obwohl er durch den Widerstand der Diode 10 leicht verringert ist. Dieser verkleinerte Strom wird zum Beispiel als Schutzstrom zur Betätigung einer Schutzanordnung in der Last (nicht dargestellt) verwendet. Wird zum Beispiel die galvanische Batterie als eine Speisequelle
ίο für ein funkgesteuertes Modellflugzeug eingesetzt, das durch einen elektrischen Motor angetrieben wird, so reicht der genannte Schutzstrom zum Betieiben der Funksteuereinheit (nicht dargestellt) aus, obwohl dieser Schutzstrom zum Antreiben des elektrischen Motors
υ nicht ausreichend ist. Selbst wenn daher der auf Wärme ansprechende Schalter 9 geöffnet ist und dem elektrischen Motor nicht genügend Strom zur Verfugung gestellt wird, wird die Funksteuerung mittels des genannten Schutzsiromes betriebe, um das Modellflug-
2(i zeug sicher zurückzuführen.
Die Fig. 2. 3 und 4 zeigen eine galvanische Batterie. Die Bezugszeichen 1, 9, 10, a und b entsprechen den entsprechenden Bezugszeichen der Fig. 1.
In den F i g. 2, 3 und 4 enthalten zwei Zellenreihen (a und b) eine Vielzahl von Nickel-Cadmium-Zellen, die in Serie geschaltet sind und von einem isolierenden Teiler 6 voneinander getrennt sind. Ein isolierender Kunststoffdeckel 7 bedeckt eine äußere Oberfläche der Zellenreihen a und b und nimmt die ZeHenreihen a und b und einen auf Wärme ansprechenden Schalter 9 auf. der einen weiter unten beschriebenen Aufbau zur Ausbildung einer einheitlichen Einheit besitzt. Wie in Fig.2 dargestellt ist, ist das Stirnende der Zellenreihen a und b mit einer isolierenden Frontplatte 2 bedeckt. In der
j5 Frontplatte 2 sind Steckeröffnungen 3 und 4 vorgesehen, und an der Innenseite der Frontplatte 2 befindet sich eine Anschlußfassung 5. Die Anschlußfassung 5 ist mit einem Ende einer Zelle mittels Verbindungseinrichtungen (nicht dargestellt) verbunden. Wenn ein Stecker
»o (nicht dargestellt) in die Steckeröffnungen 3 und 4 eingeführt wird, liefert der Stecker einen Kontakt mit der Anschlußfassung 5 und ermöglicht über den Stecker und die Anschlußfassung die Aufladung od-;r Entladung. An der Endfläche der Reihen a und b, die der Frontplatte 2 entgegengesetzt ist, ist der auf Wärme ansprechende Schalter 9 und die Diode vorgesehen, die mit einem isolierenden rückseitigen Deckelgehäuse 8 bedeckt sind, wie in Fig.4 dargestellt ist. In Fig.4 ist die Diode 10 der besseren Übersichtlichkeit der Zeichnung halber weggelassen.
Der auf Wärme ansprechende Schalter 6 enthält ein elektrisch leitendes Grundteil 9/4, ein isolierendes Teil 9ß, eine wärmeempfindliche Platte 9C, eine elastische und elektrisch leitende Schalter-Betätigungsplatte 9D,
μ einen Kontakt 9F, eine Halteplatte 9Fan der ( —)-Seite und eine Haltepialte 9C an der (-f)-Seite. Die Halteplatte 9Fan der ( —)-Seite und die Halteplatte 9G an der ( + )-Seite bestehen aus einer Metallplatte, die eine hohe thermische Leitfähigkeit und einen kleinen
bo elektrischen Widerstand besitzt. Die Halteplatte 9C an der ( + )-Seite ist mit dem ( + )-Anschlußteil Iß der Zellen 1 verbunden, das am linken Ende Jer Zellenreihe b in Fig. 1 angeordnet ist, wobei diese Halteplatte 9C zur gleichen Zeit durch das Isolierteil 9ß hindurchläuft
t,-, und sich in Kontakt mit dem Kontakt 9£ befindet. Auf der anderen Seite ist die Halteplatte 9Fan der (-)-Seite mit dem( — )-Anschlußteil \A der Zelle 1 verbunden, das an der linken Seite der Zellenreihe b in Fig. I
angeordnet ist. Das Grundteil 9A ist an der Haltcplatte 9Fan der (-)-Seite befestigt. Ein Ende der Schalter-Betätigungsplatte 9D ist mit einem Kontakt 9E versehen, wobei das andere Ende der Schalter-Betätigungsplatte 9D am Grundteil 9A befestigt ist, und wobei der Zwischenteil der Schalter-Betätigungsplatte 9D mit einer Ausnehmung 9/7 verschen ist, die sich in Richtung auf dasGrundleil9/t erstreckt. Die Wärmeempfindliche Platte 9C sitzt zwischen dem Grundteil 9A und der Ausnehmung 9W der Schalter-Betätigungsplatte 9D. Die Wärmeempfindliche Platte 9Γ ist so angeordnet, daß sie die SchaltcrBetäligungsplatie 9D in der in Fig. 4 dargestellten Stellung hält, um eine elektrische Verbindung /wischen dem Kontakt 9Ii und der (ladeplatte 91) auf der (-t-)-Sciie nufrechi/iierlialien. wenn die Temperatur der Zellen I sich unter einem vorgegebenen Wert befindet; wenn die Temperatur der /i'llpn 1 nhnr rtpn νη.-ιτρσρΚρΜρη Wprt iinumat \ttr-il ijip wärmeempfindlichen Platte 9C* wie beschrieben nac oben gedrückt, und der Kontakt 9F. löst den Kontakt m der Halteplatte 9/5 der ( + )-Seile. Das heißt, der au Wärme ansprechende Schalter 9 ist ausgeschalte λ Wenn der auf Wärme ansprechende Schalter 9 auf dies Weise ausgeschaltet ist, wird während der Atifladiin, der galvanischen Batterie ein Ladestrom vollständig unterbrochen. In ähnlicher Weise wird ein Entladestron unterbrochen, wobei der Schutzstrom über die Diode I
in während einer Entladezeit der galvanischen Balten fließt. Und wenn die Temperatur der wärmeempfmdli ehen Platte 9( aufgrund eines Tempeiauirabfalls in de Zellen I ilen vorgegebenen Wert unterschreitet, kehr die Schalter-llctätigiingsplattc 91) in den in Cig.
r> dillgestellten Zustand zurück, und der Kontakt 4 befindet sich erneut in Kontakt mit der I ladeplatte 9( der ( · (Seite. Das heißt der auf Wärme ansprechend Schulter 9 i'-.t '.vieder eingtischulio!
wärmeempfindliche Platte 9(" durch Wärme verformt und drückt die Ausnehmung 9// der Schalter-Hetätigungsplattc 9Dnach oben, wobei der Kontakt /wischen dem Kontakt 9/:" und der (ladeplatte 9G der ( + (Seite ireigegcben oder geöffnet wird. Der auf Wärme ansprechende Schalter 9 ist also derart ausgebildet, daH ein elektrischer Pfad von der Haltcplatte 9(7 ( +)-Seile /ur !ladeplatte 9Fder ( — )■ Seite über den Kontakt 9Ii. die Schalter-Bctätigiingsplatte 9Dund das (iriindteil 9.Λ ausgebildet ist. Die Diode IO ist in einer solchen Weise angeschlossen, \orgl. Cig. 3. dal.) ihr Anodenanschluß mit der Halteplatte 9C der ( + )-Seite. und ihr Kathodenanschluß mit der I ladeplatte 9/cler ( — )-Seite verbunden ist.
Wenn die Temperatur irgendeiner der Zellen der Zellenreihe n oder /> ,insteigt, wird die in den Zellen I erzeugte Wärme sofort entweder durch die !ladeplatte 9f;der ( + )-Scite oder die Halteplatte 9/-"der (-)-Scite zur wai unempfindlichen Platte 9(" übertragen. Wenn die Temperatur der Zellen I weiter zunimmt, überschreitet die Temperatur der wärmecmpflindlichen Platte 9(<.-inen vorgegebenen Wert, die Schalier-Betätigimgsplatie 9 D wird aufgrund der Verformung der Da die Zellen I. die isolierende l'ioniplatte 2. ili Anschlußfassung 5. der Teiler f>. das rückseitig Deckelgehäuse 8. der auf Winnie ansprechend Schalter 9 und die Diode 10 mit einem isolierende Kunststoffüberzug 7 bedeckt sind, der /um Beispiel al thermisch schrumpfbarer Kunststoffüberzug ausgebi del ist und eine Einheil erzeugt, kann in den Zellen kein unerwünschter Kurzschluß auftreten. Der I'herzu 7 arbei'.t zufriedenstellend, wenn er lediglich da rückseitige Dcckelgehäuse 8 bedeckt, das zumindest de auf Wärme ansprechenden Schalter 9 einschließt.
(jemäß tier geschilderten Ai'sführungsform lieg lediglich die Diode 10 parallel /u dem auf Wärm ansprechenden Schalter 9. es läßt sich jedoch in Seri /ur Diode 10 auch ein Widerstand vorsehen. Anstell des mechanisch verwirklichten auf Wärme ansprechen den Schalters läßt sich auch ein elektronischer, au Wärme ansprechender Schalter einsetzen. Es ist ferne möglich, andere Typen von Schaltungselemente!! / verwenden, deren Vorwärisstrom/Spannungscharakie ristik und Rückwärtsstroni/SpannungscharakteriMi unterschiedlich sind.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Galvanische Batterie aus einer Vielzahl schnell aufladbarer und entladbarer Zellen mit einem niederen Innenwiderstand, die in Serie zueinander liegen und in parallelen Zeilen mit Teilern zwischen den Zeilen angeordnet und in einer Einheit aufgebaut und verpackt sind, und mit einer auf Wärme ansprechenden Einrichtung zur Regelung des Stromes, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Wärme ansprechende Einrichtung (i) einen während des Aufladevorgangs in die Batterie fließenden Ladestrom durch eine Zustandsänderung der Einrichtung (i) unterbricht, wenn die Temperatur in den Zellen (1) der Batterie zunimmt, und daß die auf Wärme ansprechende Einrichtung (i) den Entladestrom während des Entladens der Zellen (1) auf einen niederen Stromwert begrenzt, wenr, die Temperatur in den Zellen zunimmt.
2. Galvanische Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Wärme ansprechende Einrichtung (i) direkt mit dem Batteriekreis verbunden isL
3. Galvanische Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Wärme ansprechende Einrichtung (i) einen auf Wärme ansprechenden Schalter (9) enthält.
4. Galvanische Batterie nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der auf Wärme ansprechende Schalter (9) eine elektrisch leitende Halteplatte (9G) der (-t-)-Seite mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit enthält, die am ( + )-/-.nschluß einer ersten Zelle (1) angeordnet ist, und eine elektrisch leitende Halteplatte (9F)der (—)-Seite i.ithält, die eine hohe thermische Leitfähigkeit Desitzt und mit dem ( —)-Anschluß einer an die erste Zelle (I) angrenzenden zweiten Zelle (1) verbunden ist, daß eine Schalter-Betätigungsplatte (9DJzwi$chcn der Halteplaite (9F) der ( + )-Seiie und der Haltcplaitc (9C) der ( —)-Seite zur direkten Steuerung einer ohmschen Verbindung zwischen den Halteplaitcn (9Γ. 9C) vorgesehen ist, daß eine wärmeempfindliche Platte (9C) vorgesehen ist, die durch Temperaturänderung verformbar ist, um die Schalter-Bctätigungsplatte (9D) zu betätigen und zu steuern, und daß die Schalter-Betätigungspiatte (9D) betätigt wird und eine ohmsche Verbindung zwischen den llalicplattcn (9F, 9G)unterbricht, wenn die Temperatur in den Zellen (1) einen vorgegebenen Wert überschreitet.
5. Galvanische Batterie nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Wärme ansprechende Einrichtung (i) parallel zu dem auf Wärme ansprechenden Schalter (9) ein nicht lineares Schaltungselement (10) enthält, und daß die Vorwärtsstrom/Spannungscharaktcristik und die Rückwärtsstrom/Spannungscharakteristik des nicht linearen Schaltungsclemcnts (10) voneinander verschieden sind.
6. Galvanische Balleric nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht lineare Schaltungselement (10) als Diode ausgebildet ist, deren Anodenanschluß mit dem (-f)-Anschluß einer Zelle (1) verbunden ist. und deren Katliodcnanschluß mit dem ( — )-Anschluß einer an diese Zelle (I) angrenzenden weiteren ZeIIe(I) verbunden ist.
/.Galvanische Batterie nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Wärme ansprechende Einrichtung (i) mit einem isolierenden Deckel (8) bedeckt ist.
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