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Anordnung für die Ladung von elektrischen Sammlerbatterien Die vorliegende
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung für die Ladung von elektrischen Sammlerbatterlen,
zu denen während der Ladung Gegenspannungszellen eingeschaltet werden, um die Verbrauchsspannung
bei steigender Batteriespannung konstant zu halten. Solche Gegenzellen sind bekanntlich
erforderlich, um während der Aufladung der Sammlerbatterie es zu vermeiden, daß
die Spannung des Belastungskreises unzulässig hohe Werte erreicht.
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Bekanntlich steigt die Klemmenspannung einer Batterie während der
Ladung, wobei die Spannungserhöhung unter normalen Ladeverhältnissen etwa 25 bis
3o% der Ruhespannung beträgt, während eine größere Spar,-nungserhöhung als i o %
in vielen Fällen nicht für diejenigen Apparate zulässig ist, welche ihre Stromversorgung
von der Batterieanlage erhalten. Dieser Wert der zulässigen Spannungserhöhung gilt
z. B. für die Telephonietechnik. Bei kleinen Telephonämtern, z. B. bei kleinen S,elbstanschlußämtern,
welche mit kleinen Batterien ausgerüstet sind, sind die Verhältnisse insofern günstig,
als schon die ersten Belastungen bei Telephongesprächen einen verhältnismäßig so
großen -Strom erfordern, daß die Klemmenspannung sofort sinkt. Bei größeren Ämtern,
welche mit größerer Batterien versehen sind, bleiben die vorher beschriebenen Nachteile
bestehen, weshalb in solchen Fällen gewisse Anordnungen vorgenommen werden müssen,
um die unzulässige Überspannung zu vermeiden.
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Eine innerhalb der Telephonietechnik gewöhnlicheVerfahrungsweise,
um die unerlaubte Überspannung zu vermeiden, ist die Anwendung von Gegenspannungszellen,
welche gewöhnlich von Hand in den Belastungskreis eingeschaltet werden, je nach
dem Anstieg der Batteriespannung. Die Polarität der Gegenspannungszellen ist dann
die entgegengesetzte zu der Polarität der Stammbatterie. Wie eine solche Vorrichtung
arbeitet, geht aus der Fig. i hervor, wo das Ladeaggregat mit a, die Stammbatterie
mit b, die Gegenspannungsbatterie mit c, der Belastungskreis mit d und der Zellenschalter
reit e bezeichnet
ist. (Diejenigen Anordnungen, welche außerdem
vorgesehen werden müssen, um die Störungstöne des Ladeaggregats zu dämpfen, sind
in dieser Skizze nicht dargestellt.) Je nach dem Anstieg der Batteriespannung wird
eine Gegenzelle nach der anderen eingeschaltet.
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Als Gegenspannungszellen werden bei Bleiakkumulatoren in der Regel
Zellen mit Bleiplatten benutzt. Die Anzahl der Platten ist dann bei den Gegenspannungszellen
dieselbe wie bei den- Zellen der Stammbatterie,obwohl die Platten der Gegenspannungszellen
in der Regel etwas anders ausgeführt oder formiert sind als die Platten der Stammbatterie.
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Es ist jedoch gefunden worden, daß die Lebensdauer solcher Gegenspannungszellen
verhältnismäßig kurz ist und in gewissen Fällen nur etwa 3ofl/o beträgt von derjenigen
der Stammbatterie. Es. hat sicherwiesen, da.ß diejenigen Zellen, die der Stammbatterie
am nächsten liegen, bald durchformiert werden und- zerfallen, während die am entferntesten
gelegenen Zellen hart werden und sulfatieren. Die Ursache hierfür liegt in dem Verlauf
der Batteriespannungskurve bei Ladung, indem diese Spannung nur langsam steigt und
die größer Spannungssteigungen erst gegen Schluß der Ladung auftreten. Die erste
Gegens.pannungs7elle ist dann die längste Zeit eingeschaltet und erhält ein Übermaß
von Ladung. Die Einschaltungszeit sinkt von Zelle zu Zelle, und .die am entferntesten
gelegenen erhalten nicht einmal genügende Ladung, um die bei Bleizellen stattfindende
Selbstentladung zu kompensieren.
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Es ist äaß man anstatt Bleizellen alkalische Akkumulatoren oder die
in der letzten Zeit vorgeschlagenen kapazitätslosen Zellen mit Kaliumcarbonat als
Elektrolyt als Gegenspannungszellen benutzen karm. Die vorher beschriebenen Nachteile
in bezug auf die Zerstörung der Zellen. sind - dann vermindert, aber Nachteile zufolge
überladung bestehen noch, wenn auch die Wirkungen andere als die vorher beschriebenen
sind. Zu bemerken ist noch, daß solche alkalische Gegenspannungselemnente nicht
,aufgestellt werden können zusammen mit einer aus Bleizellen bestehenden Stammbatterie,
und daß es in bezug auf Telephoniebetrieb eine offene Frage ist, ob die Impedanz
bei GesprächstroTnfrequenzen bei solchen alkalischen Zellen so niedrig gehalten
werden kann mit mäßigen Zellengräßen, daß ein Nebenhören nicht auftritt.
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Vorliegende Erfindung, welche auf Gegenspannungszellen im allgemeinen
angewandt werden kann, besteht in ihren Hauptgrundsätzen darin, daß die Stromdichte
am kleinsten für die erste Gegenspannungsstufe ist, welche die längste Zeit eingeschaltet
ist, und für die die nachfolgenden Gegenspannungsstufen entsprechend der kürzeren
Einschaltdauer gesteigert wird. Dies bedeutet, daß die Elektrizitätsmenge pro Platteneinheit,
welche mit den jetzigen Anordnungen im Verhältnis 2o:r variieren kann, für verschiedene
Gegenspannungszellen seine solche Ausgleichung erhält, daß die bisherigen anormalen
Abnutzungs- und Gasungsverhältnisse ausgeglichen werden, wodurch die Lebensdauer
der Zellen steigt und die Wartung vereinfacht wird.
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Für die sc gekennzeichnete prinzipielle Lösung sind verschiedene Ausführungsformen
denkbar.
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Eine dieser Ausführungsformen ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Gegenspannungszellen, welche früher von der ersten Zelle bis zu der letzten mit
der gleichen Elektrodenoberfläche ausgeführt worden sind, gemäß der Erfindung eine
solche Dimiensionierung erhalten, daß die innere Elektrodenoberflüche bei der ersten
Zelle am größtem. ist und von Zelle zu Zelle kleiner wird, so daß die letzte Zelle
somit die kleinste'Elektrodenoberfläche hat. Die Stromdichte ist dann am kleinsten
für die erste Gegenspannungsstufe, welche die längste Zeit eingeschaltet ist, und
wird für jede weitere eingeschaltete Gegenspannungsstufe gesteigert. Die Dimensionierung
der Zellen im Verhältnis zueinander ist von denjenigen Zeiten abhängig, während
welcher die verschiedenen Zellen eingeschaltet bleiben, wobei natürlich Rücksicht
zu nehmen ist auf die Maximal- und Mittelwerte des Belastungsstromes. Eine solche
Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in Fig. 2 veranschaulicht, wo das
Ladeaggregat mit a, die Stammbatterie mit b, die Gegenspannungszellen mit c, der
Verbrauchskreis mit d und der Zellenschalter mit e bezeichnet ist.
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Eine andere Ausführungsform, welche noch zweckmäßiger ist, aber etwas
kompliziertere Zellenschalter erfordert, besteht aus folgender Vorrichtung: Die
Plattenzahl kann gemäß dieser Ausführungsform gleich sein für jede Gegenspannungszell@e;
aber durch ein besonderes Umschaltungssystem wird eine gleichmäßige Belastung bezüglich
der Elektrizitätsmenge für jede Zelle erzielt. Wenn die erste Gegenspannungssfufe
eingeschaltet ist, werden alle Zellen (oller wenigstens mehrere derselben) parallel
geschaltet. Bei der nächstfolgenden Einschaltungsstufe werden die Gegenspannungszellen
in zwei Gruppen zerlegt (mit in den Gruppen parallel geschalteten Zellen), welche
Gruppen in Serie ge--schaltet werden. Brei dieser Einschaltungsstvfe wird also.
die Stromdichte gesteigert. Bei der nächstfälgenden Einschaltungsstufe werden. die
Gegenspannungszellen in drei
Gruppen zerlegt usw. Beispiele solcher
Gruppierungen sind in den Fig.3 bis 8 dargestellt, wo die Gegenspannungszellen mit
c bezeichnet sind. Die Beispiele sind mit sechs Gegenspannungszellen ausgeführt.
Die erste Schaltungsstufe, wenn alle Zellen parallel geschaltet sind, ist in Fig.3
veranschaulicht. Bei der nächstfolgenden Stufe (Fig. q.) werden die Zellen in Serie
geschaltet in zwei Gruppen, bestehend aus vier bzw. zwei parallel geschalteten Zellen.
In der nächstfolgenden Stufe (Fig. 5) sind die Zellen in drei Gruppen von je zwei
parallel geschalteten Zellen angeordnet. Bei der nächsten Stufe (Fig.6) wird eine
dieser Gruppen in zwei Elemente zerlegt, und in derselben Weise werden die übrigen
Gruppen zerlegt, bis sämtliche sechs Elemente in Serie geschaltet sind, falls dies
erforderlich ist. Es ist deutlich, daß man auf diese Weise eine nicht vollständig
gleichmäßige Belastung erhält, z. B. bei der zweiten Stufe, da die eine Gruppe vier
und die andere zwei Elemente erhält.. Diese Ungleichmäßigkeit ist jedoch ohne Bedeutung
im Verhältnis zu der im großen und ganzen gleichmäßigen Belastung und kann übrigens
kompensiert werden durch die in dem Beispiel gewählte Zerlegung bei der vierten
und fünften Stufe.
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Die Gruppierung kann natürlich auch in anderer Weise nach demselben
Prinzip ausgeführt werden.
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Die hoben beschriebene Anordnung besitzt noch Beinen weiteren Vorteil,
indem man einen gemeinsamen Widerstand an die ganze Gruppe der Gegenspannungsielemente
anschließen kann, wenn die Stammbatterie allein arbeitet, z. B. des Nachts, wodurch
man die Geg@enspa,nnungszellen etwas entlasten kann, was in bezug ,auf deren Lebensdauer
nützlich ist. Wollte man dies. bei dem zuerst angegebenen Ausführungsheispiel tun,
wo die Zellen eine verschiedene Anzahl von Platten (verschiedene Elektrod@ernoberfläche)
haben, würde man am besten für jede Zelle einen besonderen Widerstand benutzen,
um die gewünschte Wirkung zu erhalten.
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Damit die beschriebene Anordnung mit Umgruppierung der Zellen zufriedenstellend
arbeitet, ist es notwendig, daß die Umschaltungen in solcher Weise ausgeführt werden,
daß Unterbrechungen in dem Belastungskreis nicht auftreten. Es ist deutlich, daß
ein Umschalter erforderlich ist, um die ganze parallel. geschaltete Gruppe ;an-den
Belastungskreis anzuschließen bzw. die Gruppe auszuschalten, sowie eine Anzahl Umschalter,
welche von Parallelschaltung zu Serienschaltung :oder umgekehrt schalten. Diese
Umschalter müssen dann so, konstruiert sein, daß sie die angegebene Bedingtmg erfüllen.
Die Schaltungsorgane können in verschiedener Weise konstruiert werden, wobei aber
ein gemeinsames Kennzeichen wesentlich ist, nämlich daß bei Änderung einer Verbindung
ein Parallelwiderstand zuerst eingeschaltet wird zu derjenigen Zelle (Zellengruppe),
welche von der Schaltung betroffen wird, welcher Widerstand in der Regel ausgeschaltet
:oder kurzgeschlossen wird, sobald die neue Verbindung hergestellt ist. Bezüglich
des ersten Schalters, welcher die ganze parallel geschaltete Gruppe an den Belastungskreis
oder umgekehrt anschließen soll, kann :es zweckmäßig sein, beider Ausschaltung den
Parallelwiderstand nicht kurzzuschließen oder zu unterbrechen, sondern denselben
beizubehalten, so daß die Gegenspannungselemente etwas Entladung erhalten. Der Widerstand
soll dabei eine zweckmäßige Grüße haben.
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Ein Beispiel einer praktischen Ausführung der Umschaltung gemäß dieser
Ausführungsform ist in den Fig. 9 bis 15 gezeigt. Fig. 9 ist nur eine schematische
Darstellung der Schaltungsorgane mit Rücksicht auf die Reihenfolge, wobei die Schalter
mit I bis VI bezeichnet sind. Eine praktische Ausführungsform des Schalters I ist
in den Fig. io und i i zu sehen. Gemäß dieser Ausführungsform arbeitet der Schalter
als. Schleppkontakt mit einem beweglichen Kontaktarm L, welcher über drei Kontaktstücke
k1, k. und k3 gleitet, von denen die äußersten mit den Endpunkten der letzten Gegenspannungszelle
verbunden sind, während der Kontaktarm mit der zu denn Verbraucherkreis führenden
Leitung verbunden ist. M ist .ein Widerstand. Fig. i o zeigt die Stellung des Schalters,
wenn die Gieg@enspannungszellen von der Belastung abgeschaltet sind, wobei dieselben
über den Widerstand AI entladen werden. Fig. i i zeigt die Stellung des Schalters,
wenn die Zellen ,eingeschaltet sind (in ihrer ersten Stufe).
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Zweckmäßigerweise ist die Kontaktioberfläche des Kontaktarmes breiter
als der Zwischenraum zwischen den Kontaktstücken.
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Die Fig. i a und 13 zeigereine andere Ausführungsform desselben
Schalters I (Fig.9). Dieser Schalter hat zwei Kontaktarme L, und L2, welche, voneinander
isoliert, aber mechanisch. miteinander verbunden sind. Der Schalter hat hier zweckmäßig@erweise
vier Kontaktstücke, von denen das vierte blind ist und als Stütze für den einen
Kontaktarm in seiner einen Lagre dient. Außerdem ist ein Widerstand M zwischen zwei
der Kontaktstücke angeordnet. Dieser Widerstand hat dann eine doppelte Aufgabe,
nämlich als Widerstand bei der Schaltung und als Entladewiderstand zu dienen. Fig.
i z zeigt die Lage des Schalters bei ausgeschalteten Gegenspannungszellen und Fig,
13 die Lage bei eingeschalteten Zellen.
Der Schaltungsarm L2 soll
breiter sein als der Zwischenraum zwischen denjenigen Kontaktstücken, über welche
er läuft.
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Schließlich zeigen die Fig. 14 und 15 einen der Schalter II
bis VI gemäß Fig.9, welche Schalter den Zweck haben, die Umschaltung von Parallel-
auf Serienschaltung oder umgekehrt vorzunehmen. Die Figuren zeigen eine Schaltung
von zwei Zellen. Der Schalter enthält zwei voneinander isolierte, mechanisch fest
verbundene Kontaktarme und drei Kontaktstücke k1, k2 und k3 nebst einem vierten
blinden Kontaktstückk4 sowie einen Widerstand NI.
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Fig. 14 zeigt die Stellung des Schalters bei parallel geschalteten
Zellen oder Gruppen und Fig. 15 die Stellung bei hintereinandergeschalteten
Zellen oder Gruppen. Zweckmäßigerweise sollen die Kontaktoberflächen der Kontaktarme
so breit sein, daß der Übergang von einem Kontaktstück zum anderen ohne Unterbrechung
erfolgt.
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Die Schaltungsorgane können natürlich in der verschiedensten Weise
ausgeführt werden, evtl. auch mit Messerkontakten.
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Die Schaltungsorgane sollen natürlich so ausgeführt werden, daß wesentliche
übergangswiderstände nicht vorhanden sind.
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Die loben beschriebenen Verfahren und Anordnungen, die durch die Gegenspannungszellen
fließenden Elektrizitätsmengen auszugleichen,.haben den Zweck, die Lebensdauer solcher
Zellen zu erhöhen sowie die Überwachung zu erleichtern. In gewissen Fällen dürfte
es auch möglich sein, seine Materialersparnis biezüglich der Dimensionierung zu
erzielen.