DE3929185A1 - Verfahren zur verhinderung der umpolspannung bei akkumulatorzellen, insbesondere bei nicd-zellen - Google Patents

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.