DE4100571A1 - Batterie mit einer ersatzbatterie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batterie mit einer Ersatzbatterie.

Als eine Gegenmaßnahme zum Verhindern einer Batterieent­ ladung aufgrund eines nachlässigen Vergessens des Ausschal­ tens einer Last, wie etwa eines Scheinwerfers eines Automo­ bils, gibt es ein Verfahren, durch das eine von einer Haupt­ batterie umfaßte Ersatzbatterie geladen wird, so daß zum Beispiel im Falle eines Versagens der Hauptbatterie ein Mo­ tor angelassen werden kann. Um eine solche Aufgabe zu lösen, wurde eine sogenannte Schaltbatterie entwickelt, bei der eine Hauptbatterie und eine Ersatzbatterie verwendet werden, so daß der Stromkreis im Notfall gewechselt werden kann. Da jedoch die Schaltbatterie die Hauptbatterie und die Ersatz­ batterie verwendet und daher ein Ladegerät für die Ersatz­ batterie erfordert und die Schaltkreisverbindung kompliziert ist, gewann sie kein großes öffentliches Interesse. Gegen­ wärtig sind Schaltbatterien mit einer Hauptbatterie mit sechs Zellen und einer Ersatzbatterie mit sechs Zellen in einem Gehäuse in Europäischen Ländern und in den Vereinigten Staaten auf dem Markt. Jedoch ist die Größe dieser Schalt­ batterie dieselbe wie die einer herkömmlichen 6-Zellen Bat­ terie, aufgrund der Notwendigkeit der Kompatibilität mit den herkömmlichen 6-Zellen Batterien. Demzufolge ist die Haupt­ batterie klein und besitzt daher eine Kapazität von etwa 60 bis 70% der einer herkömmlichen 6-Zellen Batterie, und die Lebensdauer ist etwa 20 bis 30% kürzer als die einer her­ kömmlichen Batterie. Daher wurde, obwohl die Schaltbatterie einen Vorteil im Notfall zu bieten scheint, diese wegen der Nachteile der geringen Kapazität und der kurzen Lebensdauer nicht weitverbreitet verwendet.

Eine zu lösende Aufgabe ist, eine Schaltbatterie mit ei­ ner zufriedenstellenden Kapazität und Lebensdauer aber in etwa derselben Größe wie die einer herkömmliche 6-Zellen Batterie zur Verfügung zu stellen. Da Batteriegrößen im JIS (Japanischen Industriestandard) spezifiziert sind, können Schaltbatterien, deren Größe vom Standard abweichen, wegen der Beschränkungen der Größe der Halter und Träger in Auto­ mobilen nicht montiert werden. Insbesondere besitzt ein Bat­ terieträger eine Toleranz von 20 bis 40% in der Längsrich­ tung. Jedoch besitzt der Halter, der die Batterie in der Querrichtung befestigt, keine Toleranz. Wenn auch viele Bat­ teriearten auf den Markt gebracht wurden, ist die Batte­ riebreite auf zwei Größen beschränkt. Daher werden Batterien verschiedener Kapazitäten durch Änderung der Größe in der Längsrichtung hergestellt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltbatterie zu Verfügung zu stellen, die eine hohe Lei­ stung in der gegenwärtigen Standardbatteriegröße zur Verfü­ gung stellt.

Diese und weitere Aufgaben werden durch die Merkmale der beigefügten Patentansprüche gelöst.

Zum Lösen einer derartigen Aufgabe umfaßt die Batterie mit einer Ersatzbatterie nach der vorliegenden Erfindung eine Hauptbatterie, die aus sechs in Reihe geschalteten Zel­ len besteht, und eine aus drei in Reihe geschalteten Zellen bestehende Ersatzbatterie. Die Kapazität der ersten drei Zellen der Hauptbatterie ist wenigstens 10% größer als die der verbleibenden drei Zellen der Hauptbatterie. Die Seite der niedrigeren Kapazität der Hauptbatterie ist parallel mit der Ersatzbatterie über einen Schalter verbunden, und eine Diode ist mit dem Schalter in der Richtung verbunden, daß die Ersatzbatterie geladen wird, wenn der Schalter geöffnet ist.

Durch Verringern der überlicherweise für die Ersatzbat­ terie verwendeten Zahl von Zellen von sechs auf drei, kann die Kapazität der Hauptbatterie vergrößert werden. Wenn zu­ sätzlich die Hauptbatterie vollständig entleert ist, ver­ bleibt Ladung in den drei Zellen der Seite mit der großen Kapazität. Daher kann durch Schließen des Schalters, der die Hauptbatterie mit der Ersatzbatterie parallel verbindet, die Spannung der üblichen sechs Zellen zwischen den mit einer externen Last verbundenen Anschlüssen erhalten werden. Im Normalzustand ist, da die Ersatzbatterie durch eine Diode geladen wird, kein zusätzliches Ladegerät für die Ersatzbat­ terie erforderlich. Darüber hinaus ist, da die Ersatzbatterie mit der Hauptbatterie nur durch eine Schalterbetätigung ver­ bunden ist, die Handhabung der Batterie einfach.

Die Fig. 1 bis 5 sind Schemata eines Beispiels eines Elektrolytbehälters, eines Verbindungsbehälters, einer Hauptbatterie, einer Ersatzbatterie und so weiter, entspre­ chend einem Ausführungsbeispiel einer Batterie mit einer Er­ satzbatterie nach der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 6 bis 10 sind Schaltkreisdiagramme entspre­ chend der Erfindung.

Fig. 11 ist eine Kurve, die die Entladeeigenschaften zeigt.

Die Fig. 1 bis 5 sind Schemata, die die Anordnungen eines 9-Zellen Elektrolytbehälters, von Verbindungskabeln, Anschlüssen, einem Schalter, einer Diode, einer Hauptbatte­ rie und einer Ersatzbatterie nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, bei der die neun Zellen Seite an Seite angeordnet sind. In den Figuren bilden die 3- Zellenblöcke A1 und A2 die Hauptbatterie. Der 3-Zellenblock A1 besitzt 10% mehr Kapazität als der 3-Zellenblock A2. Ein 3-Zellenblock B bildet die Ersatzbatterie. Ein positiver An­ schluß (+) 1 und ein negativer Anschluß (-) 2 sind mit einer externen Last verbunden. Kabel 3 sind zwischen den Zellen angeschlossen. Ein Verbindungskabel 4 ist zwischen der Er­ satzbatterie B und dem 3-Zellenblock A2 der Hauptbatterie über einen Schalter 5 und eine Diode 6 angeschlossen. Ein Verbindungskabel 7 ist zwischen der Ersatzbatterie und den­ selben Elektroden des 3-Zellenblocks A2 der Hauptbatterie angeschlossen. Das Verbindungskabel 4, der Schalter 5, die Diode 6 und die Verbindungskabel 3 sind so angeordnet, daß sie den Elektrolytbehälter bedecken. Die Fig. 1 bis 5 zeigen Beispiele verschiedener Ausführungen desselben Kon­ zepts.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein (-)-Anschluß 8 der Hauptbatterie mit dem 3- Zellenblock A1 und dem 3-Zellenblock A2 wird mit einem (-)- Anschluß der Ersatzbatterie über das Verbindungskabel 7 ver­ bunden, wobei der (-)-Anschluß der Hauptbatterie gemeinsam mit dem externen Lastanschluß an den (-)-Anschluß 2 verwen­ det wird. Ein (+)-Anschluß 9 des 3-Zellenblocks A2, der die geringere Kapazität besitzt wird mit einem (+) -Anschluß 10 der Ersatzbatterie über das Verbindungskabel 4 mit dem Schalter 5 und der Diode 6 verbunden. Der 3-Zellenblock A2 wird mit den drei Zellen der Ersatzbatterie B parallel ver­ bunden. Normalerweise ist der Schalter 5 ausgeschaltet. Im Notfall wird der Schalter 5 angeschaltet, um die Ersatzbat­ terie zu verwenden. Da die Diode 6 so angeschlossen ist, daß der Strom in einer bestimmten Richtung fließt, wird die Er­ satzbatterie geladen, wenn der Schalter 5 ausgeschaltet ist. Also wird im Normalzustand die Ersatzbatterie geladen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, da Elektrodenplatten derselben Größe verwendet werden, eine große Kostenersparnis erzielt werden. Jedoch sollte klar sein, daß die Anordnung der Zellen frei gewählt werden kann und nicht auf die des Ausführungsbeispiels beschränkt ist.

Unter Bezugnahme auf das beigefügte Schaltkreisdiagramm und die Meßdaten des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird nun im folgenden der Betrieb einer erfindungsgemäßen Ersatz­ batterie beschrieben. In Fig. 6 ist die Hauptbatterie A1 durch eine einfach gepunktete Linie gezeigt, die 3-Zellen­ blöcke A1 und A2 sind durch zweifach gepunktete Linien ge­ zeigt und die Ersatzbatterie B ist ebenfalls durch eine zweifach gepunktete Linie gezeigt. Der 3-Zellenblock A2 mit der geringeren Kapazität ist mit der Ersatzbatterie B über den Schalter 5 und die Diode 6 parallel verbunden. Die in dem Ausführungsbeispiel verwendeten Elektrodenplatten sind von einem herkömmlichen Typ. Während A1 aus sechs (+)-Elek­ trodenplatten und sieben (-) -Elektrodenplatten besteht, be­ steht A2 aus 4 (+)-Elektrodenplatten und 5 (-)-Elektroden­ platten. Also ist die Kapazität von A1 höher als die von A2. In diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, obwohl die Ka­ pazität von B dieselbe ist wie die von A2, die Kapazität von B zu verringern, so daß die Kapazität von B 50% der von A2 wird. Fig. 11 zeigt den Spannungsverlauf, wenn die Batterie mit einer Ersatzbatterie der zuvor erwähnten Struktur mit einer externen Last von 20 W entladen wird, während der Schalter ausgeschaltet ist. In der Figur ist das durch eine durchgezogene Linie gezeigte Symbol V1 die Gesamtspannung der Hauptbatterie. Das durch eine einfach gepunktete Linie gezeigte Symbol V2 ist die Spannung des 3-Zellenblocks A1 mit der höheren Kapazität. Das durch die zweifach gepunktete Linie gezeigte Symbol V3 ist die Spannung des 3-Zellenblocks A2 mit der niedrigeren Kapazität. Wenn die gesamte Spannung der Hauptbatterie etwa 0V beträgt, wird Betrag des Stroms, der durch die 20 W-Last fließt und entladen wird, gering. Da­ her wird, selbst wenn die Last für einen langen Zeitraum an­ geschlossen ist, der Spannungsabfall des 3-Zellenblocks A1 klein. Demzufolge ist klar, daß A1 immer noch die normale Spannung besitzt. Wie in Fig. 11 durch die gepunktete Linie gezeigt, existiert ein Spannungsverlauf zwischen den An­ schlüssen der externen Last über den Schalter, wenn die Er­ satzbatterie unter einer solchen Bedingung verwendet wird, wenn nämlich der Batteriespannungsabfall und daher die Bat­ terie nicht das Anlassen eines Motors oder dergleichen ver­ ursacht. In diesem Beispiel werden 150 A für 5 Sekunden nach 16 Stunden in Intervallen von 4 Stunden entladen. Aus der Figur ist klar, daß eine hinreichend hohe Spannung zwischen den Anschlüssen der externen Last erhalten wird. Also kann, wenn die Autobatterie 10 bis 20% der vollen Kapazität spei­ chert, der Motor angelassen werden. Außer wenn der Fahrer vergißt, die Scheinwerfer auszuschalten, wird die Batte­ rieladung nicht schnell abnehmen. Da zusätzlich neuere Auto­ mobile mit einem Scheinwerferalarm versehen sind, wird es normalerweise keine Motoranlaßprobleme aufgrund einer Nach­ lässigkeit beim Ausschalten der Scheinwerfer geben. Motoran­ laßprobleme können auftreten in Fällen einer Verschlechte­ rung der Batterieeigenschaften aufgrund geringer Außentempe­ raturen und einer Überlastung während des Fahrens. Die Bat­ terie mit einer Ersatzbatterie nach der vorliegenden Erfin­ dung wird, selbst wenn die Batterie vollständig entladen ist, im 3-Zellenblock mit der hohen Kapazität der Hauptbat­ terie 10 bis 20% der gesamten elektrischen Kapazität spei­ chern. Wenn zum Beispiel die Hauptbatterie 1 noch etwa 10% der gesamten elektrischen Kapazität speichert, kann, wenn die zum Anlassen eines Motors notwendige Entladung 100 A für 5 Sekunden ist, eine Spannung von 1,0 bis 1,2 V pro Zelle er­ reicht werden. Wenn sich die Batterie auf der anderen Seite im vollständig geladenen Zustand befindet, kann eine Span­ nung von 1,7 bis 1,8 V pro Zelle erhalten werden. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Spannung von A1 1,0 V /Zelle×3 Zellen =3 V. Da zusätzlich der Block A2 der Hauptbatterie mit der Ersatzbatterie parallel geschaltet ist, fällt eine Spannung von 1,7 V/Zelle×3 Zellen=5,1 V ab. Also werden insgesamt 8,1 V zwischen den Hauptbatterieanschlüssen erhalten, wobei diese Spannung genügend höher liegt als die minimale Motor­ anlaßspannung von 7,3 V. Daher wird durch die Struktur der Hauptbatterie mit sechs Zellen und der Ersatzbatterie mit drei Zellen sichergestellt, daß die Batterie mit Ersatzbat­ terie zufriedenstellend verglichen mit der herkömmlichen Struktur der Hauptbatterie mit sechs Zellen und der Ersatz­ batterie mit sechs Zellen arbeitet.

Fig. 7 ist ein Schaltkreisdiagramm, bei dem der Schalter und die Diode in einer von Fig. 6 verschiedenen Art ange­ schlossen sind. Wenn in diesem Schaltkreis der Schalter 5 ausgeschaltet wird, wird die Ersatzbatterie B durch die Di­ ode 6 geladen. Der Ladestrom, der von A1 fließt wird nach A2 und zur Ersatzbatterie B abgezweigt. Da jedoch die Ersatz­ batterie außer im Notfall nicht entladen ist, befindet sie sich immer im geladenen Zustand. Daher wird der größte Teil des Ladestroms zum Laden von A2 verwendet. Demzufolge tritt, selbst wenn die Ladeleistung für die Ersatzbatterie vom zen­ tralen Punkt der Hauptbatterie weggenommen wird, keine unzu­ reichende Aufladung von A2 auf. Da die Ladespannung von A2 höchstens bis 7,5 V (2,5 V/Zelle×3 Zellen = 7,5 V) wächst, wird die Ladespannung der Ersatzbatterie 6,7 V (7,5 V-0,8 V) (Spannungsabfall an der Diode)=6,7 V (2,23 C/Zelle)). Daher kann die Ersatzbatterie nach ihrer Entladung nicht schnell geladen werden. Wenn für ein schnelleres Aufladen eine Schottkydiode für diese Diode verwendet wird, ist der Span­ nungsabfall in Vorwärtsrichtung 0,3 V, wodurch die Auflade­ zeit merklich verbessert werden kann. Zu diesem Zeitpunkt kann eine zufriedenstellende Ladespannung von 7,2 V (2,4 V/Zelle) erreicht werden.

Die Fig. 8 und 9 sind Schaltkreisblockdiagramme, bei denen im eingesetzten Diodenbereich ein Transistor angeord­ net ist. Während der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung bei einer herkömmlichen Diode 0,7 V beträgt, ist er bei einer Schottkydiode 0,3 V. Wenn jedoch ein Transistor verwendet wird, fällt die Spannung zwischen Kollektor und Emitter auf 0,1 V. Also wird, selbst wenn die Ladespannung des Blocks A2 7,5 V oder weniger ist, die Ersatzbatterie B wie Block A2 ge­ laden. Da jedoch ein Basisstrom dem Transistor zugeleitet werden muß, findet eine Selbstentladung von einigen mA statt.

Fig. 10 ist ein Schaltkreisdiagramm, in dem ein Kon­ stantspannungselement in Reihe zwischen dem positiven An­ schluß der Ersatzbatterie B und dem positiven Anschluß der externen Last geschaltet ist. Wenn in diesem Schaltkreis die Hauptbatterie geladen wird und dadurch die positive Spannung zunimmt, fließt ein Ladestrom in das Konstantspannungsele­ ment. Umgekehrt blockiert, wenn die Spannung der Hauptbatte­ rie auf die Leerlaufspannung oder weniger abfällt, das Ele­ ment den Ladestrom von der Hauptbatterie zur Ersatzbatterie und verhindert dadurch ein Entladen der Hauptbatterie.

Wie oben beschrieben kann erfindungsgemäß, da die übli­ cherweise für die Ersatzbatterie verwendeten sechs Zellen auf drei Zellen reduziert werden, die Kapazität der Haupt­ batterie vergrößert werden. Außerdem ist kein Ladegerät für die Ersatzbatterie erforderlich. Daher können die Nachteile einer herkömmlichen Batterie mit einer Ersatzbatterie, die eine Hauptbatterie mit sechs Zellen und eine Ersatzbatterie mit sechs Zellen umfaßt, deutlich verbessert werden und der industrielle Wert deutlich gesteigert werden.

Während die Erfindung oben im Detail unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, sind verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs und Wesens der Erfindung für den Fachmann in diesem Gebiet of­ fensichtlich. Daher sollte die Erfindung als lediglich durch den Umfang der beigefügten Patentansprüche eingeschränkt be­ trachtet werden.

Claims (8)

1. Batterie mit einer Ersatzbatterie, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie umfaßt:
eine Hauptbatterie mit sechs in Reihe geschalteten Zel­ len, wobei die Kapazität der ersten drei Zellen dieser sechs Zellen wenigstens 10% höher ist als die der übrigen drei Zellen der Hauptbatterie;
eine Ersatzbatterie mit drei in Reihe geschalteten Zel­ len; und
einen Schalter, der die Ersatzbatterie parallel mit den übrigen drei Zellen der Hauptbatterie verbindet.

2. Batterie mit Ersatzbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt:
eine mit dem Schalter verbundene Diode, so daß die Er­ satzbatterie geladen wird, wenn der Schalter geöffnet ist.

3. Batterie mit Ersatzbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten drei Zellen der sechs Zellen der Hauptbatterie sechs positive Elektrodenplatten und sie­ ben negative Elektrodenplatten umfassen, während die übrigen drei Zellen der Hauptbatterie vier positive Elektrodenplat­ ten und fünf negative Elektrodenplatten umfassen.

4. Batterie mit Ersatzbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin umfaßt:
eine Mehrzahl von ersten Kabeln, die zwischen aneinan­ dergrenzenden Zellen der Hauptbatterie angeschlossen sind;
ein zweites Kabel, das zwischen der Ersatzbatterie und den übrigen drei Zellen der Hauptbatterie über den Schalter und die Diode angeschlossen ist; und
ein drittes Kabel, das zwischen der Ersatzbatterie und den übrigen drei Zellen der Hauptbatterie angeschlossen ist;
wobei die ersten und zweiten Kabel, der Schalter und die Diode über einer Abdeckung eines Elektrolytbehälters ange­ ordnet sind.

5. Batterie mit Ersatzbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt:
eine mit dem Schalter verbundene Diode, so daß die Er­ satzbatterie geladen wird, wenn der Schalter geschlossen ist.

6. Batterie mit Ersatzbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode eine Schottkydiode ist.

7. Batterie mit Ersatzbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem einen mit dem Schalter ver­ bundenen Transistor umfaßt.

8. Batterie mit Ersatzbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbatterie positive und negative Anschlüsse umfaßt, die mit einer externen Last verbunden sind, und außerdem ein Konstantspannungselement umfaßt, das zwischen einem positiven Anschluß der Ersatzbatterie und dem positiven Anschluß der Hauptbatterie angeschlossen ist.