DE3929185A1 - Verfahren zur verhinderung der umpolspannung bei akkumulatorzellen, insbesondere bei nicd-zellen - Google Patents
Verfahren zur verhinderung der umpolspannung bei akkumulatorzellen, insbesondere bei nicd-zellenInfo
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- H02H11/003—Emergency protective circuit arrangements for preventing the switching-on in case an undesired electric working condition might result in case of inverted polarity or connection; with switching for obtaining correct connection using a field effect transistor as protecting element in one of the supply lines
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, durch Beschaltung von
Akkumulatorzellen, insbesondere von NiCd-Zellen, mit einem
geeigneten elektronischen Bauelement die in einer bereits
entladenen Zelle einer Batterie entstehende Umpolspannung,
die die Lebensdauer der Zelle und den Batteriewirkungsgrad
verringert, zu verhindern oder auf einen für die Zelle
unschädlichen Wert zu begrenzen.
Wenn eine Zelle völlig entladen ist, sinkt ihre Spannung
auf Null. Sind in einer Batterie aus mehreren Zellen nicht
alle Zellen gleichzeitig entladen, d. h. ist die Kapazität
der einzelnen Zellen nicht gleich, so wird durch den Strom,
den die intakten Zellen weiterhin durch den Stromkreis
schicken, in der entladenen Zelle eine Umpolspannung
erzeugt.
Der in einer NiCd-Zelle beim Umpolvorgang auftretende
elektrochemische Prozeß ist bekannt (vergleiche hierzu
J. S. Hodgman in der Zeitschrift "industrie-elektrik +
elektronik" Jahrgang 1976 Nr. 19 Seiten 420-421). Danach
wird beim Umpolen an der positiven Platte Wasserstoff ent
laden, an der negativen entsteht, falls kein unverbrauchtes
Cadmiummetall mehr vorhanden ist, Sauerstoff. In Verbindung
mit der durch die Umpolspannung und den aufgezwungenen Strom
erzeugten Wärme steigt der Innendruck der Zelle und die Gase
entweichen durch das Sicherheitsventil. Jedes Entweichen von
Wasserstoff und Sauerstoff bedeutet einen Flüssigkeits
verlust der Zelle, da die beiden Gase letztlich durch die
Zersetzung des in der Zelle enthaltenen Wassers entstehen.
Dies bedingt eine Alterung der Zelle, d. h. eine Abnahme der
Zellenkapazität. Die geschädigte Zelle wird daher bei einem
späteren Entladevorgang früher entladen sein und der
Umpolvorgang früher und verstärkt auftreten.
Wie in dem zitierten Artikel beschrieben wird, versuchen die
Zellenhersteller mit Hilfe elektrochemischer Mittel den
schädigenden Einfluß der Zellenumpolung zu verringern.
Die Erfahrung zeigt jedoch, daß eine schwache und damit
mehrfach umgepolte Zelle in einer Batterie ihre Spannung
bleibend verliert und beim Aufladevorgang ungeladen bleibt.
Aus diesem Grunde wird allgemein empfohlen, bei einer
defekten Zelle nicht nur diese, sondern die ganze Batterie
zu ersetzen, damit alle Zellen eine möglichst gleiche
Zellenkapazität haben. Das Auswechseln aller Zellen ist
nicht nur unwirtschaftlich, sondern wegen des Cadmiumge
haltes der Zellen auch von der Entsorgung her problematisch.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Umpolspan
nung auf elektronischem Wege für jede Zelle zu verhindern
oder auf einen unschädlichen kleinen Wert zu begrenzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die
Beschaltung jeder Zelle einer Batterie mit einem elektro
nischen Bauelement oder einer elektronischen Schaltung mit
der Wirkung, daß der Strom an einer bereits entladenen Zelle
auf einem Nebenweg vorbeigeführt wird.
Fig. 1 stellt den erforderlichen Kennlinienverlauf der
Nebenwegschaltung dar. Im Spannungsbereich oberhalb der
zulässigen Entladespannung 0,5 UN (UN ist die Nennspannung
der Zelle) muß die Schaltung unwirksam sein, d. h. der
Nebenweg ist hochohmig. Bei weiterem Absinken der Spannung
soll der Nebenweg Strom übernehmen. Wenn der Umpolvorgang
vermieden werden soll, muß die Kennlinie der Nebenweg
schaltung im schraffierten Bereich zwischen der Spannung
Null und 0,5 UN verlaufen (1). Wird eine geringe Umpol
spannung zugelassen, so darf die Kennlinie im Bereich
negativer Spannung verlaufen, aber beim maximalen Entlade
strom darf die maximal zugelassene Umpolspannung -UM nicht
überschritten werden (2).
Ein Bauelement, welches den Kennlinienverlauf (1) erfüllt
gibt es nicht. Mit einer elektronischen Schaltung kann aber
diese Eigenschaft angenähert werden. Erfindungsgemäß ist
dabei von Bedeutung, daß diese Schaltung dem Stand der
Technik entsprechend so klein ausgeführt werden kann, daß
sie nicht größer als ein elektronisches Bauelement üblicher
Größe ist und sogar innerhalb der Umhüllung der Zelle oder
der Batterie untergebracht werden kann. Gegebenenfalls läßt
sich die Nebenwegschaltung in die Zellenhalterung einbauen.
Fig. 2 zeigt das Prinzip. Die Steuerung (3) schaltet bei
Unterschreiten der zulässigen Entladespannung den Schalter
(4) um, so daß der Strom über den Nebenweg (5) an der Zelle
vorbeigeleitet wird. Der Widerstand im Nebenweg (5) soll
möglichst niederohmig sein, da er zum Innenwiderstand der
Batterie beiträgt. Der Schalter wird durch einen oder zwei
Feldeffekttransistoren realisiert. Bei der Ausführung als
monolithisch integrierte Halbleiterschaltung wird die
gesamte Schaltung besonders klein und wirtschaftlich.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß
die Alterung der Akkumulatorzellen durch mehrfache Umpolung
vermieden wird. Dies führt zu einer längeren Nutzungsdauer
der Zellen und damit zu einer Verringerung des Entsorgungs
problems. Vor allem bei Kleingeräten, wo der Benutzer den
Zustand der Tiefentladung nicht erkennt oder verhindert,
bringt der Einsatz der Erfindung wirtschaftliche Vorteile.
Ein weiterer Vorteil ist eine höhere Batteriespannung bei
teilweise tiefentladenen Zellen. Der Betrag der Umpol
spannung kann größer werden als die Nennspannung der Zellen
(1,5 V bei NiCd-Zellen). Wenn eine Zelle einer Batterie
umgepolt ist, steht an den Batterieklemmen nur die Summe der
Zellenspannungen der intakten Zellen minus der Umpolspannung
zur Verfügung, also mehr als zwei Zellenspannungen weniger.
Bei Einsatz der Erfindung dagegen steht die Summe der
Zellenspannungen der intakten Zellen minus dem Spannungsab
fall am Nebenweg zur Verfügung. Dieser kann aber auf einige
Zehntel Volt begrenzt werden. Allerdings muß von der
Spannung jeder aktiven Zelle der Spannungsabfall am Schalter
(4) abgezogen werden, was eine sorgfältige Auslegung des
Schalterbauelementes erforderlich macht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, das mit verfügbaren
Bauelementen aufgebaut und getestet wurde, zeigt Fig. 3.
Der Nebenweg (5) wird durch eine Diode mit geringer
Flußspannung (Schottkydiode) realisiert.
Der Schalter (4) ist ein Feldeffekttransistor, der für den
maximalen Entladestrom ausgelegt wird. Da der Nebenweg
bei der normalen Zellenpolung sperrt, muß der
Schalter nicht als Umschalter ausgeführt werden. Die
Steuerung besteht aus der Transistorschaltung (3).
Wenn die Zellenspannung größer als die halbe Nennspannung
ist, liegt am Feldeffekttransistor Gatespannung an, und der
Schalter (4) ist geschlossen, d. h. der Batteriestrom fließt
durch den Feldeffekttransistor. Bei Unterschreiten der
halben Nennspannung wird das Gate auf Sourcepotential
gelegt, und der Schalter öffnet. Die Zelle ist jetzt
vom Stromfluß abgetrennt. Der Batteriestrom fließt über
den Nebenweg (5) an der Zelle vorbei.
Derzeit verfügbare Feldeffekttransistoren benötigen zum
Schließen des Schalters eine Gatespannung von ca. 10 V.
Diese Hilfsspannung wird durch einen einfachen Sperrwandler
(6) erzeugt, der von der Batteriespannung gespeist wird und
der auch bei mehreren angetrennten Zellen noch betriebs
fähig bleibt. Der Sperrwandler muß für alle Zellen einer
Batterie nur einmal vorhanden sein. Alle Schaltungsein
heiten werden so hochohmig ausgelegt, daß die Entladung
der Zellen im unbenutzten Zustand gering bleibt.
Wenn eine geringe Umpolung zugelassen werden darf, ohne die
Zelle zu schädigen, reduziert sich die Schaltung auf den
Nebenweg (5), d. h. auf die Parallelschaltung einer auf den
Batteriestrom ausgelegten Schottkydiode. Bei geringem
Batteriestrom ist dieser Schutz vielfach ausreichend.
Claims (4)
1. Verfahren zur Verhinderung der Umpolspannung von Akku
mulatorzellen, insbesondere von NiCd-Zellen,
gekennzeichnet durch die Beschaltung jeder Zelle einer
Batterie mit einem elektronischen Bauelement oder einer
elektronischen Schaltung mit der Wirkung, daß der Strom
an einer bereits entladenen Zelle auf einem Nebenweg
vorbeigeführt wird, und so die in einer bereits ent
ladenen Zelle auftretende Umpolspannung verhindert oder
auf einen unschädlichen Wert begrenzt wird.
2. Verfahren zur Verhinderung der Umpolspannung gemäß
Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausführung als
Halbleiterbauelement oder als monolithisch integrierte
Schaltung auf der Basis von Silizium.
3. Akkumulatorzellen und Batterien aus Akkumulatorzellen,
gekennzeichnet dadurch, daß diese als wesentlichen
Bestandteil eine Schaltung gemäß Anspruch 1 und 2
enthalten.
4. Zellenhalterungen, gekennzeichnet dadurch, daß diese als
wesentlichen Bestandteil eine Schaltung nach
Anspruch 1 und 2 enthalten.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893929185 DE3929185A1 (de) | 1989-09-02 | 1989-09-02 | Verfahren zur verhinderung der umpolspannung bei akkumulatorzellen, insbesondere bei nicd-zellen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19893929185 DE3929185A1 (de) | 1989-09-02 | 1989-09-02 | Verfahren zur verhinderung der umpolspannung bei akkumulatorzellen, insbesondere bei nicd-zellen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3929185A1 true DE3929185A1 (de) | 1990-03-29 |
Family
ID=6388506
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893929185 Withdrawn DE3929185A1 (de) | 1989-09-02 | 1989-09-02 | Verfahren zur verhinderung der umpolspannung bei akkumulatorzellen, insbesondere bei nicd-zellen |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE3929185A1 (de) |
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