DE3151469A1

DE3151469A1 - "aufladbare elektrische zelle"

Info

Publication number: DE3151469A1
Application number: DE19813151469
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing. 8500 Nürnberg Harbrecht
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1981-12-24
Filing date: 1981-12-24
Publication date: 1983-07-07

Description

Aufladbare elektrische Zelle
Die Erfindung betrifft eine aufladbare elektrische Zelle, insbesondere Nickel-Cadmium-Zelle mit einem gasdichten Becher und einem Uberdruck=Sicherheitsventilo das eine Abdeckmembran aufweist Derartige gasdichte, aufladbare Zellen sind üblich.
In dem DE-GM 1 975 759 ist eine aufladbare Zelle beschrie-Ben, in der-en Innerem ein Thermoelement angeordnet ist.
Anschlüsse des Thermoelements sind von außen kontaktierbar Beim Laden wird das Thermoelement an die vorgesehene Ladestromquelle angeschlossenç so daß das Laden in Abhängigkeit von der Zellinnentemperatur erfolgt, Bei der Schnelladung einer Zelle der genannten Art steigt nicht nur die Zellinnentemperatur9 sondern auch der Zellianendrucke Um einen gefährlich hohen Innendruck zu vermeiden, ist die Zelle mit dem Überdruck-Sicherheitsventil versehen. Bei übermäßigem Gasdruck im Zellinnern spricht das Überdruek-Sicherheltsventaa an5 läßt überschüssiges Gas in die Atmosphäre entweichen und schließt dann wieder.
Dieser Gasverlust beeinträchtigt die Leistung der Zelle erheblich. Nach mehrmaligem Ansprechen des Überdruckventils ist die Zelle unbrauchbar.
In der Literaturstelle "General Electric, Nickel-Oadmium-Accumulatoren, Anwendungstechnisches Handbuch, Seiten 4-2 bis 4-4 ist der Zusammenhang zwischen dem Lade strom und dem Anstieg des Zellinnendrucks sowie der Zellinnentemperatur erläutert. Eine Abschaltung des Schnelladestroms mittels eines den Anstieg des Zellinnendrucks erfassenden Druckschalters ist aus konstruktiven Gründen abgelehnt.
Es ist vorgeschlagen, den Anstieg der Zelltemperatur für die Schnelladeabschaltung einzusetzen und den Zellinnendruck so zu steuern, daß er bei steigender Zelltemperatur sich nur langsam erhöht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zelle der eingangs genannten Art vorzuschlagen, deren Innendruck so erfaßt wird, daß er sich zur Steuerung der Ladestromstärke ausnutzen läßt.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe dadurch gelöst, daß in der Zelle ein piezoresistiver Drucksensor mit einer Membran und einer auf diese aufgebrachten Halbleiterwiderstandsschicht angeordnet ist, die bei Verformung der Membran ihre elektrische Leitfähigkeit ändert, und daß elektrische Anschlüsse der Schicht zum Becher geführt, diesem gegenüber elektrisch isoliert und außen an diesem kontaktierbar sind.
Damit ist in die Zelle ein Drucksensor integriert, der keine wesentliche Änderung der Zellkonstruktion erfordert, da er sehr klein aufgebaut ist. Die bei der Durchbiegung der Membran entstehende Widerstandsänderung läßt sich elektrisch als Signal zur Steuerung der Ladestromstärke ausnutzen0 Günstig ist es hierbei9 die Halbleiterwiderstandsschicht als Widerstandsbrücke aufzubauen, In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung bildet die Abdeckmembran selbst die Membran des Drucksensors. , Dabei ändert sich die Leitfähigkeit der auf die Abdeckmembran aufgebrachten Halbleiterwiderstands schicht infolge der vor dem Ansprechen des oberdruck-Slcherheitsventils erfolgenden Verformung der Abdeckmembran0 Diese Widerstandsänderung kann als Signal zur Steuerung des von einem Ladegerät gelieferten Schnelladestroms ausgenutzt werden, Der Drucksensor im Innern der Zelle benötigt keine eigenen mechanischen Halterungen. Er macht sich die Eigenschaften der ohnehin vorhandenen Abdeckmembran zunutze, die damit selbst zu einem Teil des Drucksensors wird.
In anderer Ausgestaltung der Erfindung ist die Membran gasdicht auf der Abdeckmembran befestigt und zwischen der Membran und der Abdeckmembran ist ein Druckraum aus gebildet0 Eine Druckerhöhung im Innern der Zelle führt dann zu einer Auswölbung der Membran9 wodurch sich der Widerstand der Halbleiterwiderstandsschicht ändert.
Bei dieser Ausführung kann die Abdeckmembran starr sein.
Sie braucht sich nicht vor dem Ansprechen des Sicherheitsventils bereits zu verformen0 Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Rundzelle im Teilschnitt und Figur 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Rundzelle im Teilschnitt.
In einem Becher 1 einer Nickel-Cadmium-Zelle sind positive und negative Elektroden 2 angeordnet. Mit der positiven Elektrode ist ein Streifenabteiter 3 mehrfach verschweißt. Der Ableiter für die negative Elektrode ist nicht näher dargestellt. Er liegt unten in dem Becher 1.
Im Rand des Bechers 1 sitzt ein Dichtring 4, der einen Abschlußdeckel mit einem äußeren Deckelteil 5 und einem inneren Deckelteil 6 aufnimmt. Das äußere Deckelteil 5 ist mit dem inneren Deckelteil 6 leitend verbunden.
Letzteres steht über einen Bügel 7 mit dem Streifenableiter 3 in leitender Verbindung, so daß das äußere Deckelteil 5 den Pluspol der Zelle bildet. Am inneren Deckelteil 6 ist ein weiterer Dichtring 8 angeordnet, auf dem eine Abdeckmembran 9 aufsitzt. Die Abdeckmembran 9 ist mittels einer Druckfeder 10, die sich gegen das äußere Deckelteil 5 abstützt, an ihrem Rand auf den Dichtring 8 gedrückt. Das äußere Deckelteil 3 weist eine Entlüftungsöffnung 11 auf. Das innere Deckelteil 6 ist unterhalb der Membran 9 zum Zellinnern hin offen.
Auf die Abdeckmembran 9 ist eine Halbleiterschicht 12 aufgebracht 9 welche = vergleichbar mit einem Dehnungsmeßstreifen ° ihre elektrische Leitfähigkeit bei einer Dehnung ändert. Die Halbleiterschicht 12 weist an ihrer einen Seite einen elektrischen Anschluß 13 und anihrer anderen Seite einen elektrischen Anschluß 14 auf0 Die elektrischen Anschlüsse 13 und 14 sind durch elektrisch isolierende Durchführungen 15 bzwo 16 am Deckelteil 5, 6 nach außen geführt.
Auf dem Streifenableiter 3 ist Siliciumblättchen 17 angeordnet, dessen elektrische Leitfähigkeit sich in Abhängigkeit von der im Innern 1' des Bechers 1 herrschenden Temperatur ändert. Zwei Anschlüsse 18 und 19 des Blättm chens 17 sind durch elektrisch isolierende Durchfüh rungen 20 und 21 an das Äußere des Deckelteils 5, 6 geführt.
Im regulären Laden und Entladebetrieb ist die beschriebene elektrische Zelle gasdicht abgeschlossen. Das von der Abdeckmembran 9, der Druckfeder 10 und der Öffnung 11 gebildete Sicherheits-Überdruckventil spricht erst an, wenn beim Laden der Zelle der Innendruck eine gefährliche Größe erreicht0 Er ist dann größer als der Anpreßdruck der Druckfeder 10, so daß die Abdeckmembran 9 vom Dicht ring 8 abhebt und Gas durch die Öffnung 11 entweicht.
Ist die Zelle zum Schnelladen an ein nicht näher dargestelltes Ladegerät angeschlossen, dann erhöht sich der Druck im Innern 1' der Zelle bis zu einem Lade grad von beispielsweise etwa 70% - abhängig vom Lade strom - wenig.
Danach steigt der Zellinnendruck steil an, was zu einer Auswölbung der Abdeckmembran 9 führt, bevor der Anpreßdruck der Druckfeder 10 überwunden ist. Bei der Auswölbung derAbdeckmembran 9 wird die auf sie aufgebrachte Halbleiterschicht 12 gestreckt, so daß sich deren elektrischer Widerstand ändert. Diese Widerstandsänderung kann bei den Durchführungen 15 und 16 an den elektrischen Anschlüssen 13 und 14 meßtechnisch vom Ladegerät in der Weise ausgewertet werden, daß sich dessen Ladestrom reduziert. Damit ist es möglich, auch bei Schnelladung der Zelle den Hundertprozent-Ladezustand zu erreichen, oder diesem wenigstens sehr nahe zu kommen, ohne daß das Überdruckventil öffnet. Demgegenüber besteht bei einer Schnelladung einer Zelle, bei der nur die Zelltemperatur meßtechnisch erfaßt wird, die Gefahr, daß das Überdruckventil vor der Hundertprozent-Ladung anspricht.
Das als Temperatursensor dienende Siliciumblättchen 17 kann in Fällen, in denen das jeweilige Ladegerät nur auf die Erfassung der Zelltemperatur und der Zell spannung ausgelegt ist, als Temperatursensor an den Anschlüssen 18 und 19 kontaktiert werden. In einem Ladegerät, das die Ladestromstärke in Abhängigkeit vom Zellinnendruck und der Zellinnentemperatur sowie der Zellspannung steuert, kann dieses die Anschlüsse 13 und 14 sowie die Anschlüsse 18 und 19 kontaktieren.
Im in der Figuri dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Halbleiterschicht 12 auf der dem Zellinnern zugewandten Seite der Abdeckmembran 9 angeordnet. Dies hat den Vorteil, daß die Halbleiterschicht 12 nicht durch die Öffnung 11 wirksam werdenden Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist0 Die Halbleiterschicht 12 kann jedoch auch auf der dem äußeren Deckelteil 5 zugewandten Seite der Abdeckmembran 9 vorgesehen sein0 In diesem Fall brauchen die Durchführungen 15 und 16 nicht gasdicht 9 sondern lediglich elektrisch isolierend gegenüber dem äußeren Deckelteil 5 ausgelegt zu sein, Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist auf der Abdeckmembran 9 eine Scheibenförmige Membran 22 gasdicht befestigt0 Die Membran 22 besteht aus einem Silicium blättchen, welches so ausgebohrt ist, daß zwischen der Abdeckmembran 9 und der Membran 22 ein Druckraum 23 entsteht0 Die Membran 22 ist auf der dem äußeren Deckel teil 5 zugewandten Seite der Abdeckmembran 9 angeordnet0 Der Druckraum 23 ist über eine Bohrung 24 der Abdeckt membran 9 mit dem Innern 1' des Bechers 1 verbunden0 Auf die Membran 22 ist die piezoresistive Halbleiter widerstandsschicht oben aufdiffundiert. Die Durchfüh rungen 15 und 16 brauchen in diesem Fall nicht gasdicht ausgelegt zu sein.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist die Druck empfindlichkeit des Drucksensors unabhängig von der Abdeckmembran 9, so daß diese auch von einem starren Körper gebildet sein kann. Der sich im Innern 1' aufbauende Druck wirkt durch die Öffnung 24 im Druckraum 23 auf die Membran 22.
In anderer Ausgestaltung kann die Membran 22 auch auf der dem äußeren Deckelteil 5 abgewandten Seite der Abdeckmembran 9 angeordnet sein. Die Öffnung 24 kann dann entfallen. Es wird dann die Membran 22 gegen den Innendruck des Druckraums 23 ausgewölbt. Die Öffnung 24 kann Jedoch auch in diesem Falle vorgesehen sein. Der Druckraum 23 steht dann mit der Umgebung in Verbindung.
Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen kann es zur Verbesserung der Empfindlichkeit des Ansprechverhaltens günstig sein die Halbleiterwiderstandsschicht 12 als Widerstandsbrücke aufzubauen.

Claims

Ansprüche Aufladbare elektrische Zelle, insbesondere Nickel-Cadmium-Zelle, mit einem gasdichten Becher und einem Uberdruck-Sicherheitsventil, das eine Abdeckmembran aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ider Zelle (1') ein piezoresistiver Drucksensor mit einer Membran (9; 22) und einer auf diese aufgebrachten Halbleiterwiderstandsschicht (12) angeordnet ist, die bei Verformung der Membran (9; 22) ihre elektrische Leitfähigkeit ändert, und daß elektrische Anschlüsse (15, 16) der Schicht (12) zum Becher (1 5, 6) geführt, diesem gegenüber elektrisch isoliert und außen an diesem kontaktierbar sind.
2. Zelle nach Anspruch 1, bei der die Abdeckmembran aus einem sich auch unterhalb des Drucks, bei dem das Sicherheitsventil anspricht, verformenden Material besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckmembran (9) selbst die Membran des Drucksensors bildet.
3. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (12) auf der dem Innern (1') des Bechers (1, 5, 6) zugewandten Seite der Abdeckmembran (9) angeordnet ist.
4. Zelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (12) auf der dem Innern (1') des Bechers (1 5, 6) abgewandten Seite der Abdeckmembran (9) vorgesehen ist.
5. Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (22) gasdicht auf der Abdeckmembran (9) befestigt ist und zwischen der Membran (22) und der Abdeckmembran (9) ein Druckraum (23) ausgebildet ist.
6. Zelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abdeckmembran (9) eine den Druckraum (23) in das Innere (1') der Zelle bzw. die Umgebung öffnende Durchbrechung (24) vorgesehen ist.
7. Zelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (22) an der dem Innern (1') des Bechers (1, 5, 6) abgewandten Seite der Abdeckmembran (9) angeordnet ist.
8. Zelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (22) auf der dem Innern (1') des Bechers (1, 5, 6) zugewandten Seite der Abdeckmembran (9) angeordnet ist.
9. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch. gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (13, 14) an isolierten Durchführungen (ins, 16) des Becherdeckels (5, 6) angeordnet sind.
10. Zelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterwiderstandsschicht (12) als Widerstandsbrücke aufgebaut ist.