HUT76224A - Protection circuit for cells used in a series chain - Google Patents

Description

A találmány tárgya védőáramkor sorosan kapcsolt cellákhoz, ahol a cellák egyaránt lehetnek akkumulátorok vagy nem újratölthető telepek. A védőáramkor védelmet biztosít a cellák teljes kisütésekor bekövetkező átpolarizálódással szemben, valamint túltöltés ellen. A védőáramkört elsősorban primer és újratölthető alkálikus mangán-dioxid-cink cellákhoz terveztük, mindazonáltal a védőáramkor más típusú cellákhoz is használható. A védőáramkor kifejezés alatt olyan áramkört értünk, amely a sorosan kapcsolt cellákhoz azok használata során mindvégig hozzákapcsolódik, tehát a kapcsolat fennáll, amikor a cellasort terheljük és előnyösen akkor is, amikor azokat töltjük (természetesen töltésről csak akkumulátorok esetében lehet szó). Ebben a vonatkozásban a védőáramkor különbözik a különböző töltőáramkor típusoktól, ahol a töltőáramkörök csak a töltés folyamán kapcsolódtak a cellákhoz, illetve amennyiben a kapcsolat a cellákkal a terhelés során is fennállt, ezen kapcsolat semmilyen funkciót sem töltött be.

A legtöbb elemekkel vagy akkumulátorokkal múködö készülékben a cellákat soros kapcsolásban használják, hiszen egyetlen cella feszültsége 1,5 V-nál kisebb és több cella feszültségét kell összeadnunk ahhoz, hogy ezáltal a kívánt üzemi feszültség kiadódjon. A soros kapcsolás alaptulajdonsága, hogy minden elemén ugyanolyan áram folyik keresztül. Ha különböző kapacitású cellákat sorosan kapcsolunk és terhelünk, először a legkisebb kapacitású cella fog teljesen kisülni, és ha ezt követően a terhelés továbbra is bekapcsolva marad, akkor a többi cella a közös terhelő áramot keresztülhajtja a kisütött cellán. Ez az áram a kisütött cellában egy elektrolitikus folyamatot indít be, és ezen folyamatnak a következményei a cella típusától függenek. Alkálikus celláknál polaritás változást tapasztalunk és kb. -4 V-os cellafeszültséget érünk el. A polaritásváltás a cella tulajdonságaiban irreverzibilis hatást vált ki. A negatív elektród áramvezetőjének, melyet általában sárgaréz rúd képez, a vörösréz összetevője részben feloldódik az elektrolitban. A réz jelenléte a negatív elektród cink anyagát korrodálja és ekkor a lezárt cellában hidrogén gáz fejlődik. A cella polaritásváltásakor oxigén fejlődik. A megnövekedett gáznyomás a cella biztonsági szelepét aktiválhatja és ez a cella javíthatatlan meghibásodását eredményezi. A cellából bármely kismennyiségú kiszivárgó elektrolit is képes azon eszköz villamos érintkezőinek korrodálására, amelyben való használatra az akkumulátort vagy a cellát használni kívántuk. Még akkor is, ha a biztonsági szelep nem nyílik ki, a hidrogén gáz részben redukálja a katód mangán-dioxid anyagát és a redukált anyag már nem tud résztvenni a cellában lezajló elektrolitikus folyamatban, és ez nagymértékben csökkent cellakapacitást eredményez.

Számos kísérletet végeztek már ezen probléma vegyi vagy elektrokémiai úton történő enyhítésére,de kielégítő megoldást még nem találtak.

A polaritásváltás további következménye az, hogy a sorosan kapcsolt cellákat használó készülékek működése már akkor is megszakad, ha csak egyetlen cella változtatja meg polaritását. Ha például egy rádió hat 1,5 V-os üzemi feszültségű cellával működik, és a cellák egyikének polaritása megváltozik, azaz kapocsfeszültsége -4 V-ot vesz fel, továbbá feltételezzük, hogy a többi öt cella megtartja a 1,5 V-os feszültségét, akkor a soros lánc kapocsfeszültsége 5x1,5 -4=3,5V lesz, amely feszültség már olyan alacsony értékű, hogy már nem tudja a rádiót működtetni. Ha polaritásváltással átfordult cellákat egy söntút hidalná át, • · akkor a még üzemelő cellák együttesen 7,5 V-os feszültsége a rádiót még működésben tudná tartani.

A terheléskor bekövetkező polaritásváltással kapcsolatos problémákon kívül számos újratölthető cellatípus érzékeny a túlfeszültséggel vagy a túltöltéssel szemben. Az újratölthető alkálikus cellák például kb. 1,7 V-ig tölthetők, és a töltőieszültséget 1,9 V eléréséig bírják, ha a túlfeszültség csak adott ideig áll fenn. Több cella soros áramkörben való töltése elterjedt és előnyös gyakorlat, mindazonáltal ha a sorosan kapcsolt cellák nem teljesen azonosak, akkor a legkisebb kapacitású cella éri el először a teljesen töltött állapotot. Ha a töltési folyamat folytatódik, akkor ez a cella túltöltódik, tehát kapocsfeszültsége a fentiekben említett felső határ fölé emelkedik, és ekkor a cellában oxigén fejlődik, ami a cellát károsítja, illetve tönkreteheti.

A cellák túltöltésének megakadályozására számos megoldás ismert. Ezen megoldások egyikénél minden cella kapocsfeszültségét érzékeljük, majd ha a feszültség egy adott határértéket meghalad, a töltési folyamatot megszakítjuk. Ez a megoldás jelentős áramköri költséggel jár és olcsó töltőáramkörökben nem használható, jóllehet a piac leginkább az olcsó töltőáramköröket igényelné.

Egy másik ismert megoldásnál a cellákat zéner diódával vagy zéner dióda és hagyományos dióda együttes áramkörével hidalják át. Amikor a cellák bármelyike a töltés során egy előírt feszült• · séget elért, a megfelelő diódás híd a söntágban áramvezetóvé válik és ezáltal a cellán keresztülfolyó áram értéke csökken. Az ilyen áramkör előnye az, hogy több, különböző mértékben kisütött cellát egyidejűleg a túltöltés veszélye nélkül tölthetünk, miután a csak részlegesen feltöltött celláknak a töltése zavartalan marad, miközben az áram a feltöltött cellák esetében döntően a söntágon folyik keresztül. Jellegzetesen ilyen töltési eljárást ismerhetünk meg az NL 871955 holland publikációból. Ezen áramkörökkel kapcsolatban az a probléma lép fel, hogy a söntáramkörön keresztül nem elhanyagolható mértékű szivárgó áram folyik keresztül azt követően, hogy a cella már feltöltódött, és a töltőáramkört kikapcsoltuk. Ez a helyzet gyakran bekövetkezhet, hiszen a felhasználók általában nem törődnek azzal, hogy a cellákat a töltési folyamat befejezését követően a töltőből kivegyék. Beépített töltőkészülékek esetében a töltőáramkor állandóan a cellára kapcsolódik, ezért itt csak olyan áramkörök használhatók, amelyek a feltöltött cellákat nem terhelik és nem is sütik ki.

A túltöltés elleni védelem megoldatlan problémái következtében az újratölthető alkálikus cellákhoz jelenleg a piacon kapható töltőáramkörök nem teszik lehetővé a cellák soros kapcsolását. Az ilyen töltőkben az egyes cellákat egyedileg töltik, vagy adott számú cellát párhuzamosan kapcsolnak és közösen töltenek. A cellák párhuzamos kapcsolása szintén hátrányokkal jár, ezek elemzése azonban a jelen leírás kereteit meghaladná.

• ·

A cellák egyedi töltése a költségeket növeli. Az újratölthető alkálikus cellákhoz kifejlesztett egyik jellegzetes egyedi töltőkészüléket a svájci ZIRELCO AG. Alkaricharger kereskedelmi néven hozta forgalomba. Ez a készülék legfeljebb négy cella töltésére alkalmas, és egy kb. 3,6 V-os zéner dióda négy áramkört hajt meg, amelyek mindegyikében egy soros ellenállás csatlakozik a hozzátartozó cellához, a cellával pedig fénykibocsátó dióda van párhuzamosan kapcsolva. Amikor a cella feszültsége a feltöltött állapotot eléri, a párhuzamos dióda fényessé válik és söntutat létesít, amely megakadályozza, hogy a feszültség a legnagyobb megengedett értéket meghaladja. A dióda fénye jól érzékelhető jelzést ad arról, hogy a hozzátartozó cella teljesen feltöltődött. Jóllehet ez nagyon hatásos töltőáramkör, nem tekinthető cellavédó áramkörnek, miután a cellák nem mardhatnak a töltőkészülékben a töltési folyamat befejezése után, ha a töltőt már kihúztuk a hálózatból, hiszen a cellákat a soros ellenállások és a zéner dióda kisütné.

A találmány elsődleges célja olyan cellavédő áramkör létrehozása, amely hatékonyan képes megakadályozni az előzőekben felsorolt káros hatások fellépését, amikor a soros lánc egy vagy több cellája a fokozott terhelés hatására polaritást vált.

A találmány további célja olyan cellavédó áramkör létrehozása, amely - célszerűen a cella polaritásváltásával szemben védelmet nyújtó megoldáson túlmenően - hatékony védelmet nyújt a soros lánc minden cellája számára a töltéskor bekövetkező túltöltés ellen, ahol az áramkör egyszerű és nem terheli a cellákat érezhető mértékben, ha a töltési folyamat már befejeződött, de a cellákat a töltóáramkörból még nem távolították el.

A találmány első aspektusa szerint felismertük, hogy a cella átpolarizálódásával járó káros hatások nem lépnek fel, ha egy átpolarizálódott cellának a kapocsfeszültségét korlátozzuk és nem engedjük, hogy -1 V-nál magasabb értéket vegyen fel. Ha a megváltozott polaritású cella kapocsfeszültségét nem engedjük -1 V fölé, akkor a cella korrózióját, a hidrogén és oxigén fejlődését előidéző káros folyamatok nem következnek be. Újratölthető cellák esetében a kisütést követő töltés rendben lezajlik és a cella úgy viselkedik, mintha semmi sem történt volna.

A cella feszültségének a polaritásváltás során történő korlátozását számos módon megoldhatjuk, mindazonáltal a legegyszerűbb és legelőnyösebb megoldás, ha a cella kivezetései közé egy záróirányú diódát kapcsolunk. A záróirányú diódának semmilyen hatása nincs, ha a cella normál polaritással működik, hiszen ekkor a dióda záróirányú előfeszítést kap. A korszerű diódáknak gyakorlatilag nincs visszáramuk, amely a cella számára terhelést lenne képes jelenteni. A cella polaritásváltásakor azonban a dióda nyitóirányú előfeszítést kap és a cellát söntöli. A diódáknak nemlineáris feszültség-áram jelleggörbéje van és típusuktól függően (jellegzetes szilícium diódáknál) nem megy 0,7 - 0,8 V fölé még akkor sem, ha az áram meredeken növekszik. A Schottky diódák jellegzetes nyitóirányú feszültsége 0,4 V, és • · ilyen diódák esetében a dióda feszültsége sem tudja ezen értéket lényegesen meghaladni. A záróirányú diódát természetesen a várható legnagyobb terhelőárammal összhangben kell méretezni. Zéner diódák választása sok esetben előnyös lehet.

Egy előnyös kiviteli alaknál a védőáramkört képező dióda fizikailag a cella belsejébe van beépítve.

A találmány egy második aspektusa szerint felismertük, hogy megfelelő túltöltés elleni védelmet tudunk biztosítani soros láncban töltött cellák részére, ha a védőáramkörök a cellákból alkotott soros lánc egy-egy alegységéhez csatlakoznak, ezen alegységek legfeljebb három szomszédos cellából állnak, a túltőltés ellen védelmet nyújtó áramkörökben csak félvezető alkatrészek vannak és a velük társított alegységet áthidalják és az alegység számára söntutat képeznek, ha az általuk áthidalt cellák feszültsége ezen cellák teljesen feltöltött állapotának felel meg, és a védelmet nyújtó áramkör megszünteti ezen söntutat, amikor az alegység feszültsége a cellák terhelés nélkül mérhető eredő feszültsége alá csökken.

A túltöltés ellen védelmet nyújtó áramkör egy előnyös kiviteli alakja egy nyitóirányú dióda és egy zéner dióda soros kapcsolásából áll, amely az általa védett cella vagy cella alegység kapcsaihoz csatlakozik, és a nyitóirányú dióda nyitóirányú feszültsége és a zéner dióda zénerfeszültsége együttesen megegyezik a cella vagy az alegység töltés során megengedett maximális fe• · szültségével.

Újratölthető alkálikus mangán-dioxid-cink cellák esetében a maximális megengedett feszültség 1,7 V körül van. Ha a dióda nyitóirányú feszültsége 0,6 - 0,7 V, akkor már 1,1 V-os zéner dióda is használható. Ezen dióda szivárgó árama 1 mA alatt van, amely elhanyagolhatóan alacsony érték és nem rövidíti a feltöltött cellák tárolhatósági idejét.

Előnyös, ha a nyitóirányú diódát Schottky dióda képezi, amelynek nyitóirányú feszültsége 0,4 V, és ekkor a zéner feszültség 1,3 V lehet. Ennél a kiviteli alaknál a szivárgási áram a mikroamper tartományba csökken.

Azt is felismertük, hogy újratölthető alkálikus mangán-dioxidcink cellák a ciklus élettartamok során nagyobb halmozott kapacitással rendelkeznek, amennyiben töltésük soros láncban történik, és a láncban lévő minden cellánál a cellafeszültséget 1,9 V körüli értékre korlátozzuk, és a a töltési folyamatot akkor szakítjuk meg, ha az eredő feszültség n x 1,9 V-ot elér, ahol n jelenti a soros láncban lévő cellák számát. A halmozott kapacitás mért növekménye az első 15 ciklusban 20 % körül volt.

Egy további előnyös kiviteli alaknál az áthidaló áramkör egy-egy fénykibocsátó diódából áll, amelyeket a soros lánc egyes celláihoz csatlakoztatunk. A fénykibocsátó diódák csatlakoztatása nyitóirányban történik, azaz akkor gyulladnak ki, amikor a cella feszültsége a határértékhez, pl. 1,7 V-hoz közeli értéket vesz fel. A cellafeszültségtől függően egy jellegzetes vörös fényű fénykibocsátó dióda 5-70 mA-es söntutat képes létesíteni. Ilyen esetekben a töltóáramkörnek elegendően nagy belső ellenállással vagy alkalmas feszültség-áram jelleggörbével kell rendelkeznie, hogy a töltőáram ebben a tartományban, azaz 70 mA körül legyen, amikor a soros lánc feszültsége megközelíti a töltés befejezéséhez tartozó feszültséget. Egy jellegzetes vörös fénykibocsátó dióda szivárgó árama 1,5 V-os feszültség alatt (amely a terheletlen cella kapocsfeszültsége) a mikroamper tartományba esik, ami elhanyagolható. Az ilyen áramkörök működését kísérő természetes jelenség, hogy a diódák fénye jelzi, hogy a vele társított cella teljesen feltöltött állapotba kerül.

Azáltal, hogy a töltés során a cella maximális feszültségét korlátozzuk, nemcsak azt érjük el, hogy megakadályozzuk a cella túltöltését (és vele együtt a gázképződést), hanem azt is, hogy egyenletesen feltöltött cellákat kapunk még akkor is, ha különböző töltöttségi állapotú cellákat kezdtünk feltölteni. Ez azért van így, mert először az eredetileg legtöbb töltést tartalmazó cella fogja a teljesen feltöltött állapotot elérni, ezt a cellát akkor az áthidaló áramkör lesöntöli, tehát ezen cella számára a töltési folyamat befejeződik, de a töltési folyamat a többi cella számára fennmarad. Legvégül minden cella teljesen feltöltődik .

A találmányt a továbbiakban kiviteli példák kapcsán a rajz alapján ismertetjük részletesebben.

A raj zon az:

1. ábra az első kiviteli alak kapcsolási rajza; a

2. ábra tíz cellából álló lánc polaritásváltásig kisütött kapacitás ciklusdiagrammja huszonnyolc cikluson keresztül ; a

3. ábra egy további kiviteli alakot szemléltet, amelynél a túltöltés elleni védelmet fénykibocsátó diódák képezik; a

4. ábra egy adott cella védóáramkörét szemlélteti, és az

5. ábra a halmozott kapacitás jelleggörbéjét szemlélteti két vizsgálati sorozat esetében.

Az 1. ábrán hat újratölthető alkálikus, mangán-dioxid-cink 1-6 cellából felépített soros láncot vázoltunk. Az 1-6. cellák mindegyikének a házában hat RD1-RD6 záróirányú dióda egyike helyezkedik el. Az RD1-RD6 záróirányú diódákat normál kialakítású szilícium diódák képezik, amelyek maximális megengedett nyitóirányú árama 1 A körül van, nyitóirányú feszültségük pedig 0,7 V körüli. Az RD1-RD6 záróirányú diódák katódja a hozzátartozó 1-6 cellák pozitív kivezetésével kapcsolódik, anódja pedig ugyanezen cella negatív kivezetésével van összekötve. Normál üzemi feltételek mellett az RD1-RD6 záróirányú diódáknak semmilyen szerepe sincs és a cellák normál működését nem zavarják. Az első három 1-3 cellákat egy Z1 zéner diódából és Dl diódából álló soros tag ·· « ·· · hidalja át, a második három 4-6 cellákhoz pedig Z2 zéner diódából és D2 diódából álló hasonló soros tag csatlakozik. Egy hagyományos töltőáramkor V+ és V- kivezetései R ellenállásból és LED fénykibocsátó diódából álló áramkorlátozó áramkörön keresztül az 1-6 cellákból alkotott soros lánc két végéhez csatlakoznak, a rajzon nem vázolt terhelés két L+ és L- kivezetése pedig S kapcsolón keresztül van csatlakoztatva. A soros lánc töltésekor a töltőáramkör áramkörét megszakítjuk, és az S kapcsolót zárjuk. Ha feltételezzük, hogy a terhelés hosszú időn keresztül a soros láncra kapcsolódik, és az ezt alkotó 1-6 cellák egyikének a többi celláénál kisebb kapacitása van, akkor ez a cella fog először teljesen kisütött állapotba kerülni, és ha a terhelés tovább a láncra kapcsolódik, ez a kisütött cella hamarosan átpolarizálódik. A cella átpolarizálódása, vagy átfordulása a kapcsain lévő feszültség polaritásának a megváltozását vonja maga után, és ekkor az ehhez a cellához kapcsolódó záróirányú dióda nyitóirányú feszültséget kap. A feszültség nem tud negatív irányban lényegesen ezen dióda nyitóirányú feszültségénél magasabb értéket felvenni, mert nagyobb feszültségértékeknél a záróirányú dióda gyorsan kinyit és amikor az egyensúlyi helyzet bekövetkezik, a terhelő áram már a záróirányú diódán fog keresztülfolyni, és a cellán mérhető feszültség 0,5 V körüli értékre korlátozódik. Ilyen alacsony értékre korlátozódó feszültség esetében az így lesöntölt cellában semmilyen kár sem keletkezik. A soros lánc kapocsfeszültsége 0,7 V-tal kisebb lesz a fennmaradó terhelhető cellák feszültségének az összegénél, és a terhelés az átpolarizálódott cella nélkül továbbra is a működéséhez szüksé13 • · ·« * • · ♦ ·· ··♦ ·· ges áramellátást kap. A záróirányú dióda jelenléte nélkül a cella feszültsége a -4 V értéket is elérné, amikor is a soros lánc kapocsfeszültsége 3,5 V-ra csökkenne, és ezen feszültség már túlságosan alacsony a terhelés működtetéséhez. Amikor a soros láncot ismét feltöltöttük, a korábban polaritást váltott cella működésében semmilyen zavart sem tapasztaltunk.

Az 1. ábrán vázolt áramkörnél az Z1 zéner diódából és a Dl diódából, továbbá a Z2 zéner diódából és a D2 diódából kialakított soros tagok a velük társított cellahármasok részére túltöltés elleni védelmet nyújtanak. A Z1 és Z2 zéner diódák zéner feszültségét 4,4 V-ra választjuk, a Dl és D2 diódák nyitóirányú feszültsége pedig 0,7 V. Ezen két feszültség érték együttesen meghatározza a hozzájuk tartozó cellahármas küszöbfeszültségét, melynek értéke így 5,1 V. Ha az 1, 2 és 3 cellák feszültségeinek összege az 5,1 V-ot megközelíti, akkor a Z1 zéner dióda a Dl diódán keresztül vezető állapotba kerül, és az 1-3 cellákkal párhuzamos söntutat képez, és a töltőáram inkább ezen söntúton fog keresztülfolyni, mint a cellákon, ezáltal az 1-3 cellákat a túltöltéstől a kapcsolás megvédi. A soros taggal áthidalt 1-3 illetve 4-6 cellák között fennálló egyedi eltérések rendszerint 10-15 %-os határon belül vannak. Ilyen alkatrész szórás előírása nem tekinthető túlzottnak, azonos körülmények között készített, és a gyártó által, mérés alapján válogatott cellák esetében.

A túltöltés védelem jobban működik, ha minden egyes cellával egy-egy soros tagot kapcsolunk párhuzamosan.

• · • ···

Abból a célból, hogy a záróirányú diódáknak a cellák polaritásváltozásakor kifejtett hatását megállapítsuk, egy kísérleti vizsgáló programot hajtottunk végre. Ennél a kísérleti programnál AA méretű RENEWAL kereskedelmi néven, az amerikai Rayovac Corporation által forgalmazott tíz-tíz cellából két soros láncot készítettünk, melyek névleges feszültsége 15 V-ra adódott, a kisütés alatt az átlagos kapocsfeszültség 12 V körül volt. A soros láncokat egy 14 V 0,2 A üzemi paraméterekkel rendelkező izzólámpával sütöttük ki, és a kisütést akkor fejeztük be, amikor a kapocsfeszültség az egyik esetben 9 V-ra, a másiknál 8 V-ra csökkent. A soros láncokat az első három töltés-kisütési ciklusban 0 V kapocsfeszültségig sütöttük ki, hogy a kisebb kapacitású celláknál a polaritásváltás bekövetkezzen. Mindössze három cellánál tapasztaltunk polaritásváltást.

A soros láncokat egy feszültségkorlátozott soros töltőáramkörrel töltöttük, amelynek töltőáramát (egy kapcsoló állásától függően) 500, 350 és 250 mA értékre állítottuk be. A töltési folyamatot akkor fejeztük be, amikor az egyedi cellafeszültség 1,65 és 1,70 V közé esett. A töltőáramkor mindaddig a soros lánchoz csatlakozott, ameddig a lánc kapocsfeszültsége a 17 V-ot el nem érte.

A polaritásváltáshoz tartozó feszültségek az egyes cellákra kapcsolt záróirányú diódák típusától függően -0,4 és -0,7 V közé estek. A söntutat ekkor vagy zéner dióda, vagy pedig fénykibocsátó dióda képezte. A cellák és a töltőáramkor között az 1,65 és 1,7 V közötti cellafeszültség tartományában 5 és 70 mA • · · » · · · • · · · · · · ·«·· ·· ··· ·· ···♦ közé eső kiegyenlítő áramokat mértünk (ezen áram értéke a hozzátartozó cella töltöttségi állapotától függött).

A 2. ábrán az első huszonnyolc ciklusban mért cellakapacitást ábrázoltuk, a függőlegesen vonalkázott oszlopok a 8 V feszültségig kisütött láncra vonatkoznak, a ferdén vonalkázott oszlopok pedig a 9 V-ig kisütött lánchoz tartoznak. Azt tapasztaltuk, hogy a polaritásváltás a cellákat egyáltalán nem károsította. A cellákból felépített láncok kapacitását azonban egyértelműen a legkisebb kapacitású cellák határozták meg. A jobb cellák ugyanis a háttérben maradtak, azaz a kisütési folyamat végére a bennük tárolt kapacitást teljes egészében még nem használtuk fel. A teljes lánc több cikluson keresztül felvett kapacitás diagrammja a legelőször polaritást váltott egyedi cella kapacitás diagrammjának felel meg.

A 3. ábra a találmány egy további kiviteli alakját szemlélteti, amelyben a soros lánc tíz 1-10 cellából áll, amelyeket AA méretű újratölthető alkálikus mangán-dioxid-cink cellák képeztek. A cellavédő áramkör az egyes cellákkal párhuzamosan kapcsolt RD záróirányú diódából, valamint LED fénykibocsátó diódából állt. A LED fénykibocsátó diódák vörös fényt bocsátottak ki, és fénykibocsátásuk akkor indult meg, amikor a cellafeszültség a kb. 1,55 V-os értéket meghaladta. 1,7 V-nál teljes fénnyel égtek, és rajtuk ekkor mintegy 70 mA értékű áram folyt keresztül. Amikor a feszültség 1,5 V-ra csökkent, az átfolyó áram értéke 1 mA körül volt, 1,45 V-nál kisebb feszültség esetén a szivárgó áram nagy• · • · · » sága már a mikroamperes tartományba esett.

Ezen soros lánccal is végeztünk ciklus vizsgálatot, amelynél a láncot 200 mA-es árammal addig terheltük, ameddig kapocsfeszültsége 9 V-ra nem csökkent. Az első harminc ciklusban semmilyen cellakárosodást (gázképződést vagy szivárgást) sem tapasztaltunk, és a ciklus kapacitás görbéje a lánc leggyöngébb cellájának a görbéjét követte. Az LED fénykibocsátó diódák kiváló túltöltés védő eszköznek bizonyultak.

Ciklus kapacitás vizsgálatot végeztünk egy további olyan soros lánccal is, amely négy cellából állt, amikor is az egyes cellákkal párhuzamos túltöltés védő áramkör egy nyitóirányú dióda és egy zéner dióda soros áramköréből állt. A 4. ábrán ezen soros lánc egyik elemét vázoltuk.Ebben az esetben a Dl dióda nyitóirányú feszültségének és a Z1 zéner dióda zénerfeszültségének az összegét szándékosan 1,9 V-ra állítottuk be, hogy ezen érték mellett a hozzátartozó cellák kismértékű túltöltést kapjanak. A töltési folyamatot akkor állítottuk le, amikor a soros lánc kapocsfeszültsége a 7,6 V-ot elérte. A lánc halmozott kapacitását kilenc cikluson át mértük és összehasonlítottuk azon értékkel, amelyet akkor kaptuk, amikor az azonos típusú cellákat csak 1,7 V feszültségig töltöttük.

Az 5. ábrán mindkét esetre vonatkozó halmozott kapacitás-ciklusszám diagrammjait láthatjuk. A teljes vonallal ábrázolt görbe a kismértékben túltöltött lánc halmozott kapacitása, a szagga• · ··· • · · · · · · ··· ·» ··· ·· ·«»« tott vonalú görbe pedig a másik lánchoz tartozik. A rajz alapján látható, hogy a kismértékű túltöltés a halmozott kapacitásban 20-30 % mértékű növekedést idéz elő. A vizsgálati ciklusok során az összes cella jól működött, ugyanakkor további kísérletek elvégzésére van szükség annak megállapítása céljából, hogy a cellák milyen sokáig bírják a kismértékű túltöltést, ahol a maximális feszültséget 1,9 V-ra korlátozzuk.

A fenti példák azt igazolják, hogy a találmány szerinti cellavédó áramkör hatékony védelmet biztosít akkor, amikor a cellák polaritása a kisülés során átfordul és akkor is, amikor a cellákat a túltöltés fenyegeti, és ezért az így védett alkálikus cellákat soros láncban is lehet használni. A cellavédő áramköröknek azon további előnye is megvan, hogy a cellákkal fixen összekapcsolhatók és nem támasztanak semmilyen bonyolult követelményeket sem az alkalmazható töltőáramkörökkel szemben. Végül, de nem utolsó sorban ezen hatásos áramkörök különösen egyszerűek és olcsók.

Claims (24)

1. Védőáramkor soros kapcsolásban használt galváncellákhoz, azzal jellemezve, hogy a cella (1-6) pozitív és negatív kivezetéséhez csatlakoztatott korlátozó eszköze van, amelynek nincs hatása a cella működésére, amikor a pozitív kivezetésen a negatív kivezetéshez képest pozitív feszültség van, de legfeljebb -1 V feszültségre korlátozza a cella feszültségét, amikor a cella (16) polaritása megfordul, tehát a pozitív kivezetés negatív feszültségértéket vesz fel a negatív kivezetéshez képest.

2. Az 1. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a korlátozóeszközt a cella (1-6) kivezetéseihez záróirányban kapcsolt diódák (RD1-RD6) képezik.

3. A 2. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a diódát szilíciumdióda képezi, amelynek nyitóirányú feszültsége 0,7 V körül van.

4. A 2. igénypont szerinti védőáramkör, azzal jellemezve, hogy a diódát Schottky dióda képezi, amelynek nyitóirányú feszültsége 0,4 V körül van.

« 9 · · 9 9 ♦ • »9 * · · * *··· *· ··· 99 »»·

5. A 2. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a diódát zéner dióda képezi, amelynek nyitóirányú feszültsége 1 1,1 V körül van.

6. Az 1. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a dióda fizikailag a cella (1-6) belsejébe van beépítve.

7. Az 1. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a cellákat (1-6) primer, vagy újratölthető alkálikus mangándioxid-cink cellák képezik.

8. Az 1. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a diódát zéner dióda képezi, amelynek zénerfeszültsége 1,7 V körül van.

9. Az 1. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy túltöltés ellen védelmet nyújtó áramköröket is tartalmaz, amelyek a cellákból alkotott soros lánc egy-egy alegységéhez csatlakoznak, ezen alegységek legfeljebb három szomszédos cellából állnak, a túltöltés ellen védelmet nyújtó áramkörökben csak félvezető alkatrészek vannak és a velük társított alegységet áthidalják és az alegység számára söntutat képeznek, ha az általuk áthidalt cellák feszültsége ezen cellák teljesen feltöltött állapotának felel meg, és a védelmet nyújtó áramkör megszünteti ezen söntutat, amikor az alegység feszültsége a cellák terhelés nélkül mérhető eredő feszültsége alá csökken.

·*τ

10. A 9. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy az említett alegységek egy-egy cellát tartalmaznak.

11. A 9. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a túltöltés ellen védelmet nyújtó áramkör egy nyitóirányú dióda (Dl) és egy zéner dióda (Zl) soros kapcsolásából áll, amely az általa védett cella (1) vagy cella alegység kapcsaihoz csatlakozik, és a nyitóirányú dióda (Dl) nyitóirányú feszültsége és a zéner dióda (Zl) zénerfeszültsége együttesen megegyezik a cella (1) vagy az alegység töltés során megengedett maximális feszültségével .

12. A 11. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a cellákat újratölthető alkálikus mangán-dioxid-cink cellák képezik, amelyeknél a töltéskori maximális megengedett feszültség

1,7 V körül van, a diódát pedig 0,6 - 0,7 V közötti nyitóirányú feszültséggel rendelkező szilícium dióda képezi.

13. A 11. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a cellákat újratölthető alkálikus mangán-dioxid-cink cellák képezik, amelyeknél a töltéskori maximális megengedett feszültség

1,7 V körül van, a diódát pedig 0,4 V nyitóirányú feszültséggel rendelkező Schottky dióda képezi.

14. A 11. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a cellákat újratölthető alkálikus mangán-dioxid-cink cellák ·» • ír « * · « ··· »t *·♦ · képezik, amelyeknél a töltéskori maximális megengedett feszültség a halmozott kapacitás növelésére 1,9 V körül van, és az áramkör tartalmaz töltésmegszakító áramkört, amely a töltési folyamatot megszakítja, amennyiben a teljes feszültség n x 1,9 V-ot ér el, ahol n jelöli a soros láncban lévő cellák számát.

15. A 10. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy az áthidaló áramkör a soros lánc celláira kapcsolt egy-egy fénykibocsátó diódából (LED) áll, amely teljes fényerővel világít, ha a vele társított cellán mérhető feszültség eléri a maximális megengedett töltési feszültséget.

16. A 15. igénypont szerinti védőáramkor, azzal jellemezve, hogy a fénykibocsátó diódának (LED) vörös fénye van és maximális árama a 70 mA körüli tartományba esik.

17. Túltöltés ellen védelmet nyújtó áramkör soros láncba kapcsolt galván cellákhoz, azzal jellemezve, hogy a cellákból alkotott soros lánc egy-egy alegységéhez van csatlakoztatva, ezen alegységek legfeljebb három szomszédos cellából állnak, a túltöltés ellen védelmet nyújtó áramkörökben csak félvezető alkatrészek vannak és a velük társított alegységet áthidalják és az alegység számára söntutat képeznek, ha az általuk áthidalt cellák feszültsége ezen cellák teljesen feltöltött állapotának felel meg, és a védelmet nyújtó áramkör megszünteti ezen söntutat, amikor az alegység feszültsége a cellák terhelés nélkül mérhető eredő feszültsége alá csökken.

··* ···

18. A 17. igénypont szerinti áramkör, azzal jellemezve, hogy az említett alegységek egy-egy cellát tartalmaznak.

19. A 17. igénypont szerinti áramkör, azzal jellemezve, hogy a túltöltés ellen védelmet nyújtó áramkör egy nyitóirányú dióda (Dl) és egy zéner dióda (Zl) soros kapcsolásából áll, amely az általa védett cella (1) vagy cella alegység kapcsaihoz csatlakozik, és a nyitóirányú dióda (Dl) nyitóirányú feszültsége és a zéner dióda (Zl) zénerfeszültsége együttesen megegyezik a cella (1) vagy az alegység töltés során megengedett maximális feszültségével .

20. A 19. igénypont szerinti áramkör, azzal jellemezve, hogy a cellákat újratölthető alkálikus mangán-dioxid-cink cellák képezik, amelyeknél a töltéskori maximális megengedett feszültség

1,7 V körül van, a diódát (Dl) pedig 0,6 - 0,7 V közötti nyitóirányú feszültséggel rendelkező szilícium dióda képezi.

21. A 19. igénypont szerinti áramkör, azzal jellemezve, hogy a cellákat újratölthető alkálikus mangán-dioxid-cink cellák képezik, amelyeknél a töltéskori maximális megengedett feszültség

1,7 V körül van, a diódát pedig 0,4 V nyitóirányú feszültséggel rendelkező Schottky dióda képezi.

22. A 19. igénypont szerinti áramkör, azzal jellemezve, hogy a cellákat újratölthető alkálikus mangán-dioxid-cink cellák képe23 • t · ··»· ·· ··» « · ·· ·<*·· zik, amelyeknél a töltéskori maximális megengedett feszültség a halmozott kapacitás növelésére 1,9 V körül van, és az áramkör tartalmaz töltésmegszakító áramkört, amely a töltési folyamatot megszakítja, amennyiben a teljes feszültség n x 1,9 V-ot ér el, ahol n jelöli a soros láncban lévő cellák számát.

23. A 18. igénypont szerinti áramkör, azzal jellemezve, hogy az áthidaló áramkör a soros lánc celláira kapcsolt egy-egy fénykibocsátó diódából (LED) áll, amely teljes fényerővel világít, ha a vele társított cellán mérhető feszültség eléri a maximális megengedett töltési feszültséget.

24. A 23. igénypont szerinti áramkör, azzal jellemezve, hogy a fénykibocsátó diódának (LED) vörös fénye van és maximális árama a 70 mA körüli tartományba esik.