DE8906689U1 - Ladegerät zum Wiederaufladen einer Sekundärzelle mit einer Li-CuCl↓2↓-Verknüpfung - Google Patents
Ladegerät zum Wiederaufladen einer Sekundärzelle mit einer Li-CuCl↓2↓-VerknüpfungInfo
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Description
a 7667 :": ··- &iacgr;": r"
Ladegerät 2ua iiiederaufladen einer Sekundärzelle »it sinnt
Li-CuCl.-Verknßpfung
Die Erfindung betrifft ein Ladegerät zum Wiederaufladen
( J >1rser niehtwäßriäs« Sekundärzelle mit einer
Li-CuCIg-Verknüpfung, di? eine is wesentlichen konstante
Leerlaufspannung abgibt.
Diese SekundSrzellen enthalten ein Alkaltnetall^ wie Lithium,
als Anode und einen Kathodenkollektor, der mittels einer Trennmembran vo-% der Anode getrennt ist. Unter all den
bekannten Kombinationen von Lithiumanoden mit verschiedenen
Kathoden und Elektrolyten haben die Zellen mit bestimmten anorganischen Flüssigkeiten als aktiver Kathodtndev-clarisator
die größte Energiedichte und den kleinsten Innenscheinwiderstand. Diese Art der Zellenchemie ist
allgemein als "Flüssigkeitskathode" bekannt. Da die hierin erläuterten Zellen diese Chemie verwenden, wird sie kurz
erläutert.
Flüssigkeitskathodenzellen nach der US-PS 39 26 669 verwenden Oxidhalogenide. Wie darin ausgeführt ist, besteht die Anode
im allgemeinen aus Lithiummetall oder Legierungen mit Lithium
und die elektrolytische Lösung ist sin ionenleitender,
in einem Lösungsmittel gelöster Stoff, der gleichzeitig
auch den aktiven Kathodendepolarisator bildet. Der Stoff kann ein einfaches oder doppeltes Salz sein, das eine
lonenleitende Lösung bildet, wenn es in dem Lösungsmittel
gelöst 1st. Bevorzugte Lösungsmittel sind Komplexe von
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• *
anorganischen oder organischen Lewis-Säuren und anorganischen, ionisierbaren Salzen. Die Anforderungen
for die Verwendbarkeit sind, daß das Salz, einfach oder
kcapl*«j. mit des LSsungss \ tttsl in der Weise kompatibel
ist, daß es eine ionenleitende Lösung bildet.
Eine typische Lewis-Säure, die für den Einsatz in Zellen der hier in Frage stehenden Art geeignet ist, ist
Aluminiumchlorid, das sit einem geeigneten ion*, si erbaren
Salz, wie Lithiumchlcrid, Lithium-Aluminium-Chlorid (LiAlCl4)
bildet, das in einer geeigneten Lösung, wie Schwefeldioxyd (So9), gehalten wird.
' Neben einer Anode, einem aktiven Kathodendepolarisator
und einem ionenleitenderi Elektrolyten erfordern Zellen
£ dieser Art einen Strom- oder Kathodenkollektor. Wie die
GB-PS 14 09 307 zeigt, kann jeder konpatible Feststoff als Kathodenkollektor verwendet werden, wenn er im
&ngr; wesentlichen elektrisch leitend und in der Zelle inert
ist, da die Funktion des Kollektors darin besteht, einen äußeren elektrischen Kontakt mit dem aktiven Kathodenmaterial
herzustellen. In der GB-PS 14 09 307 wird gelehrt, daß
-; ' ) es wünschenswert 1st, einen möglichst großen Flächenkontakt
: zwischen der FlOssigkeitskathode und dem StromkolLektor
• zu haben. Viele Veröffentlichungen haben sich auf den Einsatz
; von porösem Material, wie Graphit, als Stromkollektor
konzentriert.
Es wurde erkannt, daß für eine nichtwäßrige Sekundärzelle
der Kathodenkollektor vorzugsweise untur bestimmten, strengen Umweltbedingungen inert sein sollte. Dies schließt eine
; auffallende Reakt1onslos1gke-f t fieflen die Elektrolylstof fe
!&ggr; in dem Lösungsmittel, wie Lithium-Aluminium-Tetrachlorid
lCl4) 1n dem Schwefeldioxyd (S0a)-Lösungsm1ttel, ein.
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Diese Reaktionslosigkeit sollte Ober einen Spannungsbereich
von 2,5 V bis 4 V bestehen, wobei auch eine ReaktIons Ios1gke11 gegen Oberladungsprodukte gegeben sein
sollte.
Es ist Allgemeinwissen bei nichtwäßrigen elektrochemischen
Sekundärzellen, daß die Elektrolyt-Lösung Kupfer(11)-ch lor id
enthalt. Dies 1st das Ergebnis der folgenden Reaktion:
Geeignete Kathodenkollektoren müssen daher auch gegen
Kupfer(I I)-Chlorid und seiner reduzierten Stoffe inert
sein und einen niederohmigen Widerstand darstellen.
Im Hinblick auf die Tatsache, daß Zellen der diskutierten Art das Entnehmen eines hohen Stromes erlauben und eine
hohe Ausgangsleistung abgeben können, kinnen die Zellen
als unsicher bezeichnet werden, wenn sie mißbräuchlichen
Bedingungen ausgesetzt werden. Es ist z.B. erkannt worden, daß solche nichtwäßrigen Zellen mit einer
Li-CuC le-Verknüpfung eine kürzere Lebensdauer als
vergleichbare wäßrige Systeme mit Kadmium- oder Blei-Negativelektroden haben. Eine Hauptursache für den
Tod solcher Lithiumzellen ist die Bildung von Dendriten,
die auf der Lithiumelektrode wachsen und einen elektronischen
Kontakt «it den koaplesentSren positiven Elektroden
herstellen. Das kann zu einer katastrophalen Erhitzung der Zelle und zu einer resultierenden Vergasung von
Zellenkomponenten führen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Ladegerät zum
Wiederaufladen einer nichtwäßrigen elektrochemischen
Zelle auf der Basis von Lithium zu schaffen, das unsichere Zellenbedingungen feststellen und das Wiederaufladen
unterbrechen kann, wenn derartige Eventualitäten auftreten.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß es eine Leistungsquelle zum steuerbaren Zufuhren eines
konstanten/ auf eine konstante Spannung begrenzten Stromes an die Zelle aufweist, daß eine Spannungsmeßeinrichtung
zum Messen der Leer lauf spannung mit der Zelle verbindbar 1st, und daß ein Mikroprozessor die Wiederaufladefolge
der Zclls stsusrt, websi die LeistungsgyeLI? «p gesteuert
wird, daß die Zelle abwechselnd geladen und von der Leistungsquelle abgetrennt wird, um die Leer lauf spannung
der Zelle zu messen und wobei die Zelle nicht geladen wird, wenn diese Leer lauf spannung kleiner ist als ein unterer,
für eine bestimmte Zelle gewählter Spannungssollwert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung können den
Unteransprüchen und der Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels entnommen werden.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der verschiedenen
Komponenten, die das Ladegerät nach der Erfindung bilden,
Fig. 2 ein Logikdiagramm des Ladevorganges des
Ladegerätes, wie es vom Mikroprozessor der
Fig. 1 gesteuert Kird,
Fig. 3 die EHK (elektromotorische Kraft=Urspannung)
einer typischen Zelle während des Ladevorganges und
Fig. 4 den Stromverlauf, wenn eine typische elektrochemische Zelle mit de· Ladegerät
nach der Erfindung verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem Ladegerät
zum U1 ederauf Laden einer n1 chtuäßrigen Sekundärzelle mit
einer L1 -CuCl,-Verknüpfung, die eine im wesentlichen
konstante Leer Laufspannung aufweist. Das Ladegerät weist
eine LeistungsquelLe mit einem konstanten, auf eine konstante
Spannung begrenzten Storm, eine Spannungsmeßeinrichtung
und sifisn !"!1 fcroprezessor auf^ der die uiedprauf Ladef olae
steuert. Der Mikroprozessor wird so programmiert, daß die ZeLLe nicht geladen wird, wenn die Leer lauf spannung kleiner
( / ist als ein unterer, vorgegebener Spannungssollwert, der
für eine bestimmte Zelle ausgewählt ist.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Gesamt reaktion der Zelle mit einer Li-CuCIa-Verkn0pfung
von dem Ladezustand der Zelle unabhängig ist. Dies ist das Ergebnis der Tatsache, daß die Zelle mit einer festen
chemischen Aktivität arbeitet und als ein Ergebnis davon wird jeder abnormale Abfall der Leer laufspannung eine
Fehlfunktion der Zelle anzeigen. Durch die Überwachung dsr Lssr Isiif spannung währsfid des Lsdsvorganges kanr der
Ladevorgang beim ersten Anzeichen einer Fehlfunktion der Zelle beendet werden.
Das Ladegerät besteht aus einer Leistungsquelle 12 mit
einem konstanten, auf eine konstante Spannung begrenzten Strom, die Ober den Gleichrichter 17 mit einem Niedervolt-Wechselstroaeingang
und «it dem Regler 13 verbunden ist. Die Wiederauf ladefolge wird durch den Mikroprozessor 16
gesteuert, der Ober die Leistungsquelle 12 mit dem positiven
Zellenanschluß 14 und der Spannungsmeßeinrichtung 17 verbunden ist.
Das Ladegerät arbeitet in der Weise, daß zuerst die Leerlaufspannung überprüft wird und wenn diese
A 7667 : · ·&idigr; 6 J··., \.·&iacgr; :
:■'■■ Leer lauf spannung kleiner 1st als ein unterer
19 festgestellt werden, dessen Ausgangssignal durch die
Ist die Leer lauf spannung großer als der untere« vorgegebene
fpannungssolIwert, dann wird die Zelle eine vorgegebene
Zeitspanne geladen. Nach dem Laden wird die Zelle einer ; ) vorgegebenen Ent Idftungszeit unterworfen, während der die
Leer lauf spannung erneut gemessen wird. Ist die Leer lauf spannung kleiner als der vorgegebene untere
Spannungssol'.wert, dann wird der Ladevorgang wieder beendet,
wenn nicht, dann wird der Ladevorgang wieder fur eine vorgegebene Zeitspanne aufgenommen, auf die zwangsweise
eine vorgegebene Entlüftungszeit und eine Messung der
Leerlaufspannung folgen. Diese Folge wird solange wiederholt, bis eine vorgegebene Gesamt ladezeit erreicht ist oder bis
die Leerlauf spannung unter den unteren Spannungssol Iwert
Das Flußdiagramm, das die Logik für die Steuerung des
Ladegerätes angibt, ist in Fig. 2 dargestellt und erklärt sich von selbst. 3er Mikroprozessor 16 kann so programmiert
werden, daß er die logischen Schritte der -"3. 2 ausfuhrt.
Die Programmierung ist allgemein bekannt. Das Ladegerät
ist gewöhnlich auf Sollwerte für den maximal zulässigen
Strom und die maximal zulässige Spannung eingestellt, typischerweise 40 mA und 3,9 V. Das Ladegerät versucht,
dsn maximalen Strom, der mit dem Ladegerät-Sollwert
übereinstimmt, abzugeben. Wenn z.B. e..ie entladene Zelle
mit dem Ladegerät verbunden wird, dann will es einen Strom von 4" 3A abgeben, wenn die Leer laufspannung kleiner als
3,9 V ist. Das heißt, daß das Ladegerät strombegrenzt ist
A 7667 .". .&idigr;- &Ggr;*.V .·'..". 0M
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und den maximal zulässigen Strom von 40 mA abgibt. Dies
ist der Konstantstromteil des Ladezyklus und dieser Betriebszustand bleibt erhalten, bis die Zelle nahezu
wiedergeladen ist. Dann steigt die Zellenspannung rasch an und das Ladegerät kann nicht länger 40 mA Liefern, denn
da^u wäre eine höhere Spannung als die maximal zulässige |
Spannung von 3,9 V erforderlich. Das Ladegerät arbeitet :i'
jetzt spannungsbegrenzt und gibt nur eine Spannung von : 3,9 V ab. Da bei 3,9 V das Ladegerät nicht 40 mA liefern ::
C kann, liefert es einen kleineren Strom. So wie die 8;
Zellenspannung ansteigt, nimmt der Strom stufenweise ab, '*:
solange das Ladegerät fortfährt, die maximal zulässige Spannung abzugeben. Das abgestufte Ladeverfahren ist eine
Folge der Verwendung der spannungs-begrenzenden Leistungsquelle. Es ist kein Schalter erforderlich, der
das Ladegerät von Konstantstrombetrieb auf
Konstant Spannungsbetrieb umschaltet.
Bei einem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel arbeitet das
Ladegerät nach der Erfindung mit einer Strombegrenzung von 40 mA, einer Spannungsbegrenzung von 3,9 V und einem
unteren Spannungssollwert von ungefähr 3,15 V. Alle diese \ Sollwerte können am Ladegerät eingestellt und auf die
unterschiedlichsten Bedingungen angepaßt werden. Die
Entluftungszeit ist ebenfalls einstellbar und beträgt
typi3cherweise etwa 5 Minuten, während die Ladezeit zwischen den EntIQftungszeiten typischerweise etwa 15 Minuten beträgt
und die Gesamt Ladezeit auf 15 bis 24 Stunden einstellbar 1st.
Der Ladestrom, der untere und der obere Spannungssollwert,
die Ladezelt, die Ent Idftungszeit und die Gesamt Ladezeit
sind Parameter, die manuell eingestellt werden. Der Mikroprozessor "liest" diese Information als eingangssignal·
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und veranlaßt das Ladegerät, innerhalb dieser vorgegebenen
Parameter zu arbeiten.
Fig,. 3 and 4 zeigen den EMK- ur?d den Ladestross-Ver lauf
für den Ladevergang einer AA-Sekund5rzell« mit einer Li-CuClg-ygrkfiüpf
ung. Es ist zu bemerken, daß bei der
Betrachtung der .Fla* 3· die EMK §?unas£tzlizk stabil ist
und während der Entlüftungszeiten auf die Lesrl.^uf spannung
der Zelle abfällt. Danach folgt ein rascher Anstieg der &Ggr; EMK aui die Spannung des Ladegerätes.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung des Ladestromverlaufes
einer AA-Sekundärzelle. Wie zu erwarten war, ist der Strom
während des Ladevorganges grundsätzlich stabil und fällt in den Entlüftungszeilen auf Null ab. Demzufolge tritt
ein rascher Stroraanstieg auf, wenn die Ladung wieder
aufgenommen wird. Die geneigte Kurve in der Nähe des Endes des Ladevorganges zeigt, daß das Ladegerät in den abgestuften
Ladevorgang übergeht, während nach wie vor die Leer laufspannung der Zelle Oberwacht wird.
Wie noch zu erwähnen ist, sind alle Komponenten, die im ^ Blockschaltbild nach Fig. 1 enthalten sind, handelsüblich.
Die handelsüblichen Bezeichnungen sind - sofern zutreffend
- in jeden Block der Fig. 1 eingetragen.
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Claims (1)
- Ladegerät zum Wiederaufladen einer nichtwäßrigen Sekundärzelle mit einer Li-CuCla-Verknupfung, die eine im wesentlichen konstante Leerlaufspannung abgibt,
dadurch gekennzeichnet,daß es eine Leistungsquelle zum steuerbaren Zuführen eines konstanten, auf eine konstante Spannung begrenzten Stromes an die Zelle aufweist,daß eine Spannungsmeßeinrichtung zum Messen der Leerlaufspannung mit der Zelle verbindbar ist, und
daß ein Mikroprozessor die Wiederauf ladefolge der Zelle steuert, wobei die Leistungsquelle so gesteuert wird, daß die Zelle abwechselnd geladen und von der Leistungsquelle abgetrennt wird, um die Leerlauf spannung der Zelle zu messen unJ wobei die Zelle nicht geladen wird, wenn diese Leerlauf spannung kleiner 1st als ein unterer, für eine bestimmte Zelle gewählter Spannungsso IIwffrt.Ladegerät nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß die Leistungsquelle vorgegebene maximal zulässigestrom- und äpännungawwrie äuTw»iät.4· «4*1 H) 14 I &igr;) I Il 4 III4 4 · I I » > ■ · I• I I ·· IMI ·· ·· 4 • · I 'r \2 .'- \.|&iacgr; j G 89 06 689.8 • ■ · ti t · ♦ · · t
• * * · ■ i IA 7667 ■I. 3« Ladegerät nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,daß der vorgegebene, maximal zulässige Strom ungefähr 40 mA beträgt.4. Ladegerät nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,daß die vorgegebene, maximal, zulässige Spannung ungefähr 3,9 V beträgt.*5. Ladegerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß die Zelle in der Wiederaufladefolge für eine vorgegebene Zeitspanne geladen wird, wenn die LeerLauf spannung gleich oder größer ist als der vorgegebene untere SpannungssolLwert,daß danach die Ladung für eine vorgegebene Entlüftungszeit unterbrochen wird unddaß nach der Ent löftungszeit die Leer lauf spannung der ZeLIe wieder gemessen wird.6. Ladegerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,daß der Ladevorgang unterbrochen wird, wenn die Leerlauf spannung in der Wi ederauf ladef olge der ZeU? kleiner ist als der vorgegebene, untere Spannungssollwert, unddaß der Ladevorgang for eine vorgegebene Zeitspanne weitergeführt wird, wenn die Leerlaufspannung größer ist als der vorgegebene, untere SpannungssoLlwert.
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