EP1423883A2 - Verfahren und vorrichtung zum laden von wiederaufladbaren batterien - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum laden von wiederaufladbaren batterienInfo
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Definitions
- the present invention relates to a method and a device for charging rechargeable batteries, in particular batteries for portable devices.
- Rechargeable batteries so-called “accumulators” or “rechargeable batteries” may only be charged with a certain maximum voltage, which is approximately 4.2 V for lithium-ion batteries, for example. If this maximum permissible charging voltage is exceeded for a long time, the electrolyte and the electrode materials are increasingly decomposed in the battery. Metallic lithium, which is extremely reactive, can also form in particular in the case of lithium-ion batteries.
- the cell may explode. For safety reasons, therefore, if the battery swells, for example by putting on a too high one Voltage, the current flow in the cell is greatly reduced or, if possible, completely interrupted.
- Too high a voltage on the battery during charging can occur, for example, as follows: One way to charge the batteries is to let a constant charging current flow. In order to achieve this, the voltage across the cell must be varied, since as soon as a counter voltage has built up in the battery, it has to be overcome in order for a current to flow at all.
- a common solution to prevent a battery from igniting or even exploding is that the battery to be protected, for example a lithium or a lithium-ion battery, is only combined with an electronic protective circuit in a battery pack, i.e. a set from at least one electrochemical cell.
- this protective circuit fulfills the task of interrupting the contact between the device or the charger and the electrochemical cell or even between the charger and the battery when a voltage above the maximum voltage is applied.
- the details of the design of the protective circuits naturally differ depending on the manufacturer and the type of battery used, for example with regard to response times or voltage limits.
- corresponding electronic hardware protection circuits or corresponding individual components outside the battery pack, in which case the battery is of course only protected if it is installed in the corresponding device.
- the battery body in which the electrolyte is also located, expands if there is too high a voltage between the electrodes for a long time, since the electrolyte then tends to decompose, which occurs, for example, with the formation of gases.
- the invention is therefore also based on the idea of preventing or limiting a dangerous increase in the internal pressure due to an excessively high voltage by interrupting the contact with the voltage source.
- Another solution is therefore to interrupt the supply line, by means of which a voltage is applied to the battery, due to an expansion of the battery body.
- the feed line consists at least partially of elastic material, the resistance of which changes significantly when stretched.
- the battery body, in which the electrolyte is also located now expands if there is too high a voltage between the electrodes for a long time, since the electrolyte then tends to decompose, which occurs, for example, with the formation of gases.
- the supply line, which is at least partially attached to the battery body then has a higher resistance when stretched. by virtue of of the higher resistance then voltage already drops in this area, so that a lower voltage is applied to the battery itself.
- the invention is therefore also based on the idea of limiting a dangerous increase in the internal pressure due to an excessively high voltage.
- This method has the advantage that damage caused by an excessively high voltage, such as the escape of flammable gases or explosions, is avoided and, at the same time, the supply line is not destroyed if it is overloaded once.
- This process is characterized by a particularly simple implementation.
- a corresponding device for charging a battery with a battery body, in which electrodes and electrolyte are located has at least one supply line for applying voltage, which interacts with the battery body in such a way that when the shape of the battery body changes, the geometric shape of the supply line changes becomes.
- a battery with appropriate charging protection has a feed line coupled to its battery body in such a way that a change in shape of the battery body changes the shape of the feed line to apply the voltage to the electrodes, e.g. stretching the lead causes.
- FIG. 1 a, b show a battery in the unexpanded state in a side view (FIG. 1 a) and in a top view (FIG. 1 b);
- Figures 2a, b a battery in an expanded state in side view and in plan view;
- a battery is shown in side view in FIG.
- FIG. 1b this battery can now be seen in a top view from direction A.
- the supply line 5 is shown as a hatched area which is attached to the battery body 1.
- Battery body 1 expanded beyond the original dimensions 7. This leads to an expansion of the supply line 5. This can be seen more clearly in FIG. 2 b, which shows the battery in a top view. This prevents further swelling due to excessive voltage.
- the battery body 1 preferably stretches at the point or area where the feed line 5 is located.
- the battery body 1 can also be made of different materials, which are different let it stretch differently. Steel, aluminum or also laminated plastics, in which metal particles are embedded, are used as the material for the battery body 1, for example.
- an inhomogeneous expansion can also be achieved by choosing the geometrical dimensions of the battery: The battery may expand more easily on side surfaces with a larger expansion.
- the feed line or at least part of it is expediently made of brittle material which cannot be stretched or can only be stretched slightly.
- nickel or a conductor applied to a brittle material can be used; metals applied galvanically to the battery body are also suitable.
- the resistance of the supply line can also be changed by moving two contact surfaces against each other. Thus there is also the possibility that the resistance at the contact increases significantly.
- FIGS. 3a and 3b show how a contact “changes” as a result of the expansion of the battery body, in this case that the contact resistance is increased.
- the contact has a supply line consisting of two parts, a first part 13 and a second part 15.
- First part 13 and second part 15 the supply line overlap in an overlap area 17.
- this overlap area 17 is reduced, as can be seen in FIG. 3b.
- This situation can be seen in side view in FIGS. 3c and 3d.
- the battery body is not extended, the first part of the supply line 13 and the second part of the supply line 15 overlap in the overlap region 17.
- a conductive mass 19 for example made of a PTC material (PTC: positive
- PTC material consists of an elastic polymer in which electrically conductive particles, for example made of metal or carbon, are embedded. Now this stretches
- the invention is not limited to lithium-containing batteries, but can be used for all batteries in which an increase in the internal pressure 5 can occur.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden von wiederaufladbaren Batterien. Das Anliegen einer zu hohen Ladespannung kann zum Aufbau eines erhöhten Innendrucks führen. Dies birgt die Gefahr des Entweichens von brennbaren Gasen oder im Extremfall einer Explosion. Um dies zu vermeiden, wird bei Ausdehnung des Batteriekörpers die Spannungszufuhr reduziert.
Description
Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Laden von wiederaufladbaren Batterien
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden von wiederaufladbaren Batterien, insbesondere von Batterien für tragbare Geräte.
Die Nachfrage nach aufladbaren Batterien für diverse elektrische Geräte steigt derzeit stark an, wobei Punkte, wie eine hohe Energiedichte, um eine hohe Leistung bei geringem Gewicht zu erzielen, oder eine große Batteriespannung, eine wichtige Rolle spielen. Dies hat vor allem die Forschungsaktivität auf dem Bereich wiederaufladbarer
Lithium- beziehungsweise Lithium-Ionenbatterien verstärkt.
Wiederaufladbare Batterien, sogenannte "Akkumulatoren" oder "Akkus", dürfen nur mit einer bestimmten maximalen Spannung geladen werden, welche beispielsweise bei Lithium-Ionen- Batterien etwa 4.2V beträgt. Wird diese maximal zulässige Ladespannung für längere Zeit überschritten, so kommt es in der Batterie zunehmend zur Zersetzung des Elektrolyten und der Elektrodenmaterialien. Bei Lithium-Ionen-Batterien kann sich insbesondere auch metallisches Lithium bilden, welches äußerst reaktiv ist.
Im Laufe der zunehmenden Elektrolytzersetzung kommt es zur Freisetzung von Gasen und daher zu einem Anschwellen des Batteriekörpers oder der Zelle. Dies kann zum Öffnen eines Sicherheitsventils führen, wobei die möglicherweise brennbaren Gase aus der Zelle entweichen können und so unter Umständen zu einem Brand führen.
Bei extremer Überladung und dem Versagen des Sicherheitsventils kann es auch zur Explosion der Zelle kommen. Aus Sicherheitsgründen muss daher bei Anschwellen der Batterie, beispielsweise durch das Anlegen einer zu hohen
Spannung, der Stromfluss in der Zelle stark verringert beziehungsweise möglichst ganz unterbrochen werden.
Zum Auftreten einer zu hohen Spannung an der Batterie während des Aufladens kann es beispielsweise folgendermaßen kommen: Eine Möglichkeit, die Batterien zu laden, besteht darin, einen konstanten Ladestrom fließen zu lassen. Um das zu erzielen, muss die Spannung an der Zelle variiert werden, da, sobald sich eine Gegenspannung in der Batterie aufgebaut hat, diese überwunden werden muss, damit es überhaupt zu einem Stromfluss kommt.
Eine gängige Lösung, das Entzünden oder gar das Explodieren einer Batterie zu verhindern, besteht darin, dass die zu schützende Batterie, beispielsweise eine Lithium- oder eine Lithium-Ionen-Batterie, nur in Kombination mit einer elektronischen Schutzschaltung in einen Batteriepack, also einem Set aus zumindest einer elektrochemischen Zelle, eingebaut wird. Diese Schutzschaltung erfüllt unter anderem die Aufgabe, beim Anlegen einer Spannung oberhalb der maximalen Spannung den Kontakt zwischen dem Gerät beziehungsweise dem Ladegerät und der elektrochemischen Zelle oder auch bereits zwischen Ladegerät und der Batterie, zu unterbrechen. Die Details der Ausführung der SchutzSchaltungen unterscheiden sich natürlich je nach Hersteller und verwendetem Batterietyp, beispielsweise bezüglich Ansprechzeiten oder Spannungsgrenze .
Eine weitere gängige Möglichkeit besteht darin, entsprechende elektronische Hardware-Schutzschaltungen oder auch entsprechende einzelne Bauelemente außerhalb des Batteriepacks anzuordnen, wobei die Batterie in diesem Fall natürlich nur geschützt ist, wenn sie in dem entsprechenden Gerät eingebaut ist.
Wesentliche Nachteile einer derartigen Schutzschaltung bestehen beispielsweise in 1) den zusätzlichen Kosten für den IC (Integrated Circuit) und die weiteren Bauteile; 2) dem Platzbedarf, den dieser IC in Verbindung mit weiteren notwendigen Bauelementen zuzüglich einer entsprechenden Platine im Batteriepack oder im Gerät benötigt; 3) einer unter Umständen eingeschränkten Verfügbarkeit der entsprechenden Bauelemente; 4). dem Stromverbrauch der Schutzschaltung, der typischerweise im Bereich einiger μA liegt; 5) Problemen, welche die Schutzschaltung bei ESD- und EMV- -Tests verursachen kann, das heißt bei der Entladung von elektrostatischer Aufladung durch Beeinflussung der vom Gerät abgestrahlten elektromagnetischen Wellen (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit, ESD = Electrostatical Discharge) .
In vielen Geräten wird das Ladeverfahren' und damit auch die maximal an der Batterie anliegende Spannung in Abhängigkeit vom Batterietyp über ein bestimmtes Programm gesteuert. Der Nachteil einer Softwarelösung besteht darin, dass bei einem gelegentlichen Ausfall der Software ein Sicherheitsproblem eintreten kann.
Solche Softwareprobleme sind bei komplexeren Geräten keine Seltenheit. Sollte zudem die Batterie falsch erkannt werden, also ein falscher Batterietyp angenommen werden, wird natürlich auch mit falschen Parametern und deshalb unter Umständen mit einem falschen Algorithmus geladen.
Zusammenfassend ergeben sich als die hauptsächlichen Nachteile des bisher verwendeten Überladungsschutzes die mangelnde Zuverlässigkeit einer reinen Software-Lösung "im
Ernstfall", sowie 'zusätzlicher Kostenaufwand und Platzbedarf bei einer Lösung mittels zusätzlicher Schaltungen. Der
Batteriekörper, in dem sich auch der Elektrolyt befindet, dehnt sich aus, wenn für längere Zeit eine zu hohe Spannung zwischen den Elektroden anliegt, da dann der Elektrolyt dazu neigt, sich zu zersetzen, was beispielsweise unter Bildung von Gasen geschieht.
Die Erfindung basiert also auch auf dem Gedanken, ein gefährliches Anwachsen des Innendrucks aufgrund einer zu hohen anliegenden Spannung zu verhindern beziehungsweise zu begrenzen, indem der Kontakt zur Spannungsquelle unterbrochen wird.
Eine weitere Lösung besteht daher darin, die Zuleitung, mittels der eine Spannung an die Batterie angelegt wird, aufgrund einer Ausdehnung des Batteriekörpers zu unterbrechen.
Nachteilig daran ist, dass im Falle einer Überladung die Zuleitung zerstört ist, was zu hohen Kosten für den Verbraucher führt .
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein sicheres Aufladen einer Batterie mit einfachen Mitteln zu gewährleisten und weiterhin die Kosten für den Verbraucher gering zu halten.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß besteht die Zuleitung zumindest teilweise aus elastischem Material, dessen Widerstand sich bei Dehnung wesentlich ändert. Der Batteriekörper, in dem sich auch der Elektrolyt befindet, dehnt sich nun aus, wenn für längere Zeit eine zu hohe Spannung zwischen den Elektroden anliegt, da dann der Elektrolyt dazu neigt, sich zu zersetzen, was beispielsweise unter Bildung von Gasen geschieht. Die zumindest teilweise am Batteriekörper angebrachte Zuleitung weist dann bei Dehnung einen höheren Widerstand auf. Aufgrund
des höheren Widerstandes fällt dann in diesem Bereich bereits Spannung ab, so dass an der Batterie selbst eine geringere Spannung anliegt.
Die Erfindung basiert also auch auf dem Gedanken, ein gefährliches Anwachsen des Innendrucks aufgrund einer zu hohen anliegenden Spannung zu begrenzen.
Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass durch eine zu hohe anliegende Spannung verursachte Schäden, wie etwa das Entweichen von brennbaren Gasen oder Explosionen, vermieden werden und gleichzeitig die Zuleitung nicht bei einmaligem Überladen zerstört wird.
Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine besonders einfache Umsetzung aus.
Eine entsprechende Vorrichtung zum Laden einer Batterie mit einem Batteriekörper, in der sich Elektroden und Elektrolyt befinden, weist zumindest eine Zuleitung zum Anlegen von Spannung auf, die derart mit dem Batteriekörper zusammenwirkt, dass bei einer Veränderung der Form des Batteriekörpers die geometrische Form der Zuleitung verändert wird. Eine Batterie mit einem entsprechenden Ladeschutz weist eine derartig mit ihrem Batteriekörper gekoppelte Zuleitung auf, dass eine Formveranderung des Batteriekörpers eine Formveränderung der Zuleitung zum Anlegen der Spannung an den Elektroden, z.B. ein Dehnen der Zuleitung bewirkt.
Eine Batterie mit einer derartigen Vorrichtung eignet sich aufgrund ihrer Sicherheit und der geringen zusätzlichen Produktionskosten für die "Schutzschaltung" insbesondere Batterien in mobilen Geräten.
Die Erfindung wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele, die teilweise auch in den Figuren gezeigt sind, näher erläutert . Es zeigen: Figur la, b eine Batterie im nicht ausgedehnten Zustand in Seitenansicht (Figur la) und in Draufsicht (Figur 1b) ; Figuren 2a, b eine Batterie in ausgedehntem Zustand in Seitenansicht und in Draufsicht; Figuren 3a, 3b, 3c, 3d das Verschieben zweier
Kontaktflächen gegeneinander bei Ausdehnung eines Batteriekörpers, welches zu einer Widerstandserhöhung führt, in Seitenansicht und Draufsicht.
In Figur la ist eine Batterie in Seitenansicht gezeigt. Am Batteriekörper 1 befindet sich ein Pluspol 3 sowie eine Zuleitung 5 welche vom Minuspol wegführt.
In Figur lb ist diese Batterie nun in Draufsicht aus der Richtung A zu sehen. Die Zuleitung 5 ist dabei als schraffierte Fläche dargestellt, welche am Batteriekörper 1 angebracht ist.
In den Figuren 2a und 2b ist diese Batterie nun in ausgedehntem Zustand in Seitenansicht beziehungsweise Draufsicht zu sehen. In der Figur 2a hat sich der
Batteriekörper 1 über die ursprünglichen Abmessungen 7 hinaus ausgedehnt. Dies führt zu einer Dehnung der Zuleitung 5.. Dies ist deutlicher in Figur 2b, welche die Batterie in Draufsicht zeigt, zu sehen. Somit wird ein weiteres Anschwellen aufgrund einer zu hohen anliegenden Spannung vermieden.
Um eine sichere Formveränderung, z.B. ein Dehnen der Zuleitung 5 zu gewährleisten, dehnt sich der Batteriekörper 1 vorzugsweise an der Stelle oder dem Bereich, wo die Zuleitung 5 sich befindet. Dazu kann der Batteriekörper 1 auch aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, welche sich
unterschiedlich leicht dehnen lassen. Als Material für den Batteriekörper 1 werden beispielsweise Stahl, Aluminium oder auch laminierte Kunststoffe, in denen Metallpartikel eingelagert sind, verwendet. Natürlich kann eine inhomogenen Ausdehnung auch durch die Wahl der geometrischen Abmessungen der Batterie erreicht werden: So dehnt sich die Batterie unter Umständen leichter an Seitenflächen mit einer größeren Ausdehnung.
Damit die Zuleitung bzw. ein Teil der Zuleitung bei einer Veränderung der geometrischen Form des
Batteriekörperszuverlässig gedehnt wird, wird die Zuleitung oder zumindest ein Teil davon zweckmäßigerweise aus sprödem Material gefertigt, welche sich nicht oder kaum dehnen lässt. Zur Verwendung bietet sich beispielsweise Nickel oder ein auf einem spröden Material aufgetragener Leiter an; ebenso sind galvanisch auf den Batteriekörper aufgetragene Metalle geeignet .
Um ein sicheres Dehnen zu gewährleisten, sollte des Weiteren berücksichtigt werden, dass eine metallische Zuleitung sich bei Wärme ausdehnt. Eine wesentliche Erwärmung der Batterie findet aber gerade beim Überladen der Batterie statt. Deswegen sollte das Material der Zuleitung 5 im entsprechenden Temperaturbereich einen nur geringen
Ausdehnungskoeffizienten vorweisen.
Der Widerstand der Zuleitung kann auch durch Verschieben zweier Kontaktflächen gegeneinander verändert werden. Somit besteht auch die Möglichkeit, , dass le der Widerstand am Kontakt signifikant zunimmt.
In den Figuren 3a und 3b ist zu sehen, wie sich durch die Ausdehnung des Batteriekörpers ein Kontakt "verändert", das heißt in diesem Fall, dass der Widerstand des Kontaktes heraufgesetzt ist. Der Kontakt weist in diesem Fall eine aus zwei Teilen bestehende Zuleitung auf, einem ersten Teil 13 und einem zweiten Teil 15. Erster Teil 13 und zweiter Teil 15
der Zuleitung überlappen sich in einem Überlappungsbereich 17. Bei Ausdehnung reduziert sich dieser Überlappungsbereich 17, wie in Figur 3b zu sehen ist. In den Figuren 3c und 3d ist dieser Sachverhalt in Seitenansicht zu sehen. In Figur 3c
■ 5 ist der Batteriekörper nicht ausgedehnt, erster Teil der Zuleitung 13 und zweiter Teil der Zuleitung 15 überlappen sich im Überlappungsbereich 17. Zwischen den beiden Zuleitungen befindet sich eine leitende Masse 19, beispielsweise aus einem PTC-Material (PTC: Positive
10 Temperature Coefficient) .
PTC-Material besteht aus einem elastischen Polymer, in welches elektrisch leitende Partikel, beispielsweise aus Metall oder Kohlenstoff, eingelagert sind. Dehnt sich nun diese
15 elastische Masse, so nimmt der Abstand zwischen den
Metallpartikeln zu, wodurch sich der Widerstand der leitenden Masse 19 vergrößert. Bei einer Ausdehnung des Batteriekörpers 1 verkleinert sich der Überlappungsbereich 17, was in der Seitenansicht in Figur 3d gezeigt wird. Dadurch, dass sich 0 erster Teil 13 und zweiter Teil 15 der Zuleitung voneinander wegbewegen, wird die leitende Masse 19 gedehnt. Dadurch vergrößert sich der Widerstand dieses Kontakts, weshalb dann eine größere Spannung an diese Widerstand abfällt, wodurch letztlich die an der Batterie anliegende Spannung reduziert 5 wird. Auch keramische Dehnungsmesstreifen sind unter Umständen anstelle des PTC-Materials einzusetzen. Neben den oben erläuterten Beispielen liegt eine Vielzahl weiterer Ausführungsvarianten im Rahmen der Erfindung, die hier nicht weiter beschrieben werden. Diese weiteren 0 Ausführungsvarianten lassen sich anhand der erläuterten
Ausführungsbeispiele von einem Fachmann einfach in die Praxis umsetzen. Insbesondere beschränkt sich die Erfindung nicht auf Lithium-haltige Batterien, sondern ist für sämtliche Batterien anwendbar, bei denen eine Erhöhung des Innendrucks 5 auftreten kann.
Bezugszeichenliste
1 Batteriekörper
3 Pluspol 5 Zuleitung
7 ursprüngliche Abmessungen
9 Schalter
11 Ausstülpung
13 erster Teil der Zuleitung 15 zweiter Teil der Zuleitung
17 Überlappungsbereich
19 leitende Masse
Claims
1. Verfahren zum Laden von wiederaufladbaren Batterien, bei denen an der Außenseite des Batteriekörpers eine zu den
Elektroden führende Zuleitung für eine an die Elektroden anzulegende Ladespannung vorgesehen ist,
- bei dem sich der Batteriekörper beim Ladevorgang räumlich ausdehnt und - bei dem der elektrische Widerstand der zumindest teilweise aus einem elastischen Material bestehenden Zuleitung, bedingt durch die räumliche Ausdehnung des Batteriekörpers und die damit einhergehende Dehnung der Zuleitung bei Überschreitung einer vorgebbaren maximalen Ladespannung derart erhöht wird, dass der Ladevorgang beendet wird.
2. Vorrichtung zum Laden von zumindest einer Batterie, deren Batteriekörper an der Außenfläche eine zu den Elektroden führende Zuleitung für eine an die Elektroden anzulegende Ladespannung aufweist,
- bei der der Batteriekörper zumindest teilweise aus einem dehnbaren Material besteht,
- bei der die Zuleitung zumindest teilweise aus elastischem Material besteht, das bei Ausdehnung seinen Widerstand ändert und
- bei der die Zuleitung zumindest teilweise derart mit dem Batteriekörper gekoppelt ist, dass durch eine Ausdehnung des Batteriekörpers die Zuleitung dehnbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei dem die Zuleitung mehrteilig ausgebildet ist und an der Schnittstelle von zumindest zwei Teilen der Zuleitung das elastisches Material, welches seinen Widerstand bei Dehnung ändert, derart aufgebracht ist, dass die Teile der Zuleitung verbunden sind. Batterie mit einem Batteriekörper aus temperaturabhängig dehnbarem Material, an dessen Aussenflache Zuleitungen zu den Elektroden vorgesehen sind, die zumindest teilweise aus dehnbarem Material bestehen und in Abhängigkeit von der Dehnung eine Vergrößerung ihres elektrischer Widerstandes erfahren und die derart mit dem Batteriekörper mechanisch gekoppelt sind, dass sie bei Ausdehnung des Batteriekörpers entsprechend gedehnt werden.
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