DE1496344B2 - Akkumulatorenzelle, die neben positiven und negativen Hauptelektroden eine Steuerelektrode enthält - Google Patents
Akkumulatorenzelle, die neben positiven und negativen Hauptelektroden eine Steuerelektrode enthältInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorenzelle, die neben positiven und negativen Hauptelektroden
eine Steuerelektrode enthält, die auf den Ladezustand der Akkumulatorenzelle anspricht und zur Steuerung
der Ladung oder Entladung der Akkumulatorenzelle dient. Weiterhin wird eine Schaltvorrichtung beschrieben,
in der mittels einer derartigen Akkumulatorenzelle mit Steuerelektrode die Ladung und Entladung
der Akkumulatorenzelle gesteuert wird.
Bei der Ladung von Akkumulatoren soll im allgemeinen
die eingeladene Strommenge in einem bestimmten Verhältnis zur entnommenen Strommenge
stehen, d. h., der Ladefaktor soll einen bestimmten Wert nicht übersteigen, wenn auf eine möglichst
lange Lebensdauer der Zellen Wert gelegt wird. Auch bei dem sogenannten Pufferbetrieb, bei einem Betrieb
in Ladungserhaltung und bei einer Dauerladung, d. h. bei länger andauernden Ladevorgängen, sollen
die sich schließlich einstellenden Stromstärken bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten.
Um eine lange Lebensdauer zu erreichen, sucht man auch bei der Entladung von gasdichten und wartungsarmen
Akkumulatoren länger dauernde Tiefentladungen, die mit dem Umpolen einer oder mehrerer
Zellen im Batterieverband verbunden sein können, zu vermeiden.
Besondere Schwierigkeiten bestehen bei der Aufladung von gasdichten Akkumulatoren. Erfolgt die
Ladung mit einem konstanten Strom und strebt man eine vollständige Aufladung in möglichst kurzer Zeit
an, so ist man gezwungen, zwecks Vermeidung einer Überladung mit Zeitschaltuhren zu arbeiten, da gasdichte
Zellen, z. B. vom Nickel-Cadmium-Typ, bei Gasungsbeginn keine ausgeprägte Änderung der
Ladespannung zeigen. Die Einhaltung eines vorgegebenen Ladefaktors bei der Ladung ist oft mit
Schwierigkeiten verbunden, da die vor der Ladung entnommene oder durch Selbstentladung während
Ruhezeiten verlorengegangene Strommenge nicht immer bekannt ist. Daher ist es nicht möglich, zwecks
Vermeidung einer Überladung beim Arbeiten mit Schaltuhren die einzustellende Ladezeit der vorher
entnommenen bzw. verlorengegangenen Strommenge anzupassen, so daß die Gefahr besteht, daß entweder
zuviel oder zuwenig geladen wird.
Bei der Ladung von Bleiakkumulatoren sowie von offen betriebenen alkalischen Akkumulatoren wird
vielfach der Spannungsanstieg am Ende der Ladung infolge Beginn der Gasung an den positiven bzw.
negativen Elektroden für Steuer- oder Schaltvorgänge ausgenutzt, welche den Ladevorgang beenden
bzw. den Ladestrom so weit herabsetzen, daß eine schädliche Überladung nicht stattfindet. In diesen
Fällen erfolgt die Steuerung ohne Zuhilfenahme einer dritten Hilfs- oder Steuerelektrode. Bei der
Ladung gasdichter Zellen mit konstanter Ladespannung kann der Entladezustand der Zellen bzw. Batterie
annähernd berücksichtigt werden, da sich der Ladestrom infolge ansteigender Gegenspannung der
Zellen verringert.
Bei Ladevorgängen unter normalen Temperaturbedingungen treten keine besonderen Schwierigkeiten
auf. Die Konstantspannungsladung gasdichter Zellen bei erhöhter Umgebungs- bzw. Zellentemperatur ist
jedoch nicht unbedenklich, da sich die Zelle bei beginnender Gasentwicklung in der Zelle zusätzlich
erwärmt. Gleichzeitig wird durch die erhöhte Temperatur bzw. durch die Erwärmung die Gegenspannung
der Zelle verringert, wodurch wiederum bei konstanter äußerer Ladespannung der Ladestrom ansteigt,
der eine weitere Erwärmung hervorruft. Es kommt so zu dem als »Run-away« bekannten Effekt, und die
Zelle kann durch Überhitzung und übermäßige Gasentwicklung zerstört werden.
Es ist praktisch nicht möglich, eine gasdichte Zelle durch Konstantspannungsladung in ein bis zwei Stunden
aufzuladen und den Restladestrom dann so weit abzusenken, daß er bei zeitlicher weiter ausgedehnter
Ladung ungefährlich ist.
Bei der Entladung von Akkumulatorenzellen sollen im allgemeinen bestimmte Entladeschlußspannungen
nicht unterschritten bzw. länger dauernde Tiefentladungen mit Polumkehr vermieden werden, da
sonst bei manchen Systemen, z. B. beim Bleiakkumulator, irreversible Prozesse eintreten. Bei offen betriebenen
Zellen entsteht durch Gasentwicklung bei Tiefentladung mit Polumkehr außerdem ein zusätzlicher
Elektrolytverlust, während das Gehäuse gasdichter Zellen durch den entstehenden Gasdruck zerstört
werden kann. Um dies zu verhindern, wird z. B. der positiven Elektrode gasdichter Zellen eine sogenannte
»antipolare Masse« zugesetzt, die das Potential der ursprünglich positiven Elektrode nach
Erschöpfung der regulären Masse auf einen bestimmten, für die Reduktion des gasförmigen Sauerstoffes
besonders günstigen Wert einstellt. Hierbei wird vorausgesetzt, daß der Entladestrom einen bestimmten
Wert nicht überschreitet. Bei höheren Entladeströmen und damit auch erhöhter Gasentwicklung ist der
Gasumsatz an der jetzt als Kathode arbeitenden, mit antipolarer Masse versehenen positiven Elektrode
ungenügend. Der ansteigende Gasdruck deformiert bzw. zerstört das Zellengehäuse.
Auf Grund der vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten bei der Ladung ist man bestrebt, Sicherheitsvorkehrungen gegen eine schädliche Überladung zu
treffen. Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, sogenannte Hilfselektroden in der Akkumulatorenzelle
anzubringen. Derartige Hilfselektroden dienen im allgemeinen der Beseitigung von Wasserstoff bzw.
Sauerstoff auf elektrochemischem Wege. Zu diesem Zweck sind sie nur teilweise in den Elektrolyten eingetaucht
und stehen mit dem Gasraum der Zellen in Verbindung. Um die Hilfselektrode auf einem für
diese Funktion günstigen Potential zu halten, sind sie über Widerstände bzw. Dioden mit der Hauptelektrode
verbunden, oder es wird von außerhalb eine Gleichspannung zwischen Hilfselektrode und Hauptelektrode
angelegt (USA.-Patentschrift 3 080 440).
Weiterhin ist es aus der USA.-Patentschrift 3 005 943 bekannt, Gasverzehrelektroden, die sich
zum größten Teil im Gasraum befinden, mittels Relais mit den negativen Hauptelektroden zu verbinden
und den Ladestrom bei Stromfluß durch diese Relais infolge der elektrochemischen Reduktion des bei der
Ladung des Akkumulators entstehenden Sauerstoffes mittels der Relais abzuschalten.
Nachteile dieser Anordnung sind die starke Temperaturabhängigkeit des Potentials zwischen Hilfsund
Hauptelektrode sowie der Raumbedarf des zusätzlichen Gasraumes. Die bekannten Hilfselektroden
benötigen nämlich, um die ausreichende Absorptionswirkung zu erfüllen, eine große Oberfläche und dementsprechend
einen erhöhten Raumbedarf, so daß die Zelle bei gleichen Abmessungen geringere Kapazität
besitzt.
Eine Steuerung kann mit derartigen bekannten Hilfselektroden auch nur während der Ladung ausgeübt
werden, da sie prinzipiell nur als sauerstoffreduzierende Elektrode arbeiten kann. Ebenso wichtig ist
jedoch eine Steuerung der Entladung, um die Lebensdauer der Zelle zu erhöhen.
Es wurde auch schon versucht, den Ladevorgang von Akkumulatoren mit Hilfe einer aktive, positive
Elektrodenmasse enthaltenden Steuerelektrode zu beeinflussen. Eine solche Anordnung ist beispielsweise
in der älteren deutschen Offenlegungsschrift 1496 237
beschrieben. Dabei ist die Steuerelektrode eine zusätzliche dritte positive Elektrode, welche sich stets
im gleichen Entladezustand wie die positiven Hauptelektroden befindet. Bei einer Entladung erreicht die
positive Hauptelektrode zuerst den entladenen Zustand, diese Elektrode setzt dann dem weiteren
Stromfluß einen höheren Widerstand entgegen als die über eine Relaiswicklung parallelgeschaltete Hilfselektrode,
so daß der Strom auf diese übergeht und über das Relais eine Abschaltung vorgenommen wird.
Bei einer Zelle mit einer derartigen Hilfselektrode kann jedoch nur die Entladung gesteuert werden.
Die USA.-Patentschrift 2 988 590 beschreibt ebenfalls eine Steuerelektrode, die elektrochemischen
Veränderungen bei Ladung und Entladung unterworfen ist. Die Steuerelektrode besteht dabei aus einem
Nickelblech, welches mit einer dünnen Silberschicht überzogen ist. Die Widerstandsänderungen der dünnen
Silberschicht dieser Steuerelektrode werden zur Steuerung von Ladung oder Entladung benutzt. Ein
wesentlicher Nachteil einer solchen Anordnung liegt darin, daß eine Widerstandsmessung notwendig ist,
wozu eine Hilf sspannung in Form der Zellenspannung oder einer angelegten Fremdspannung erforderlich
werden.
Weiterhin sind aus der französischen Patentschrift 1333 521 gasdichte Nickel-Cadmium-Akkumulatoren
mit negativer Ladereserve und einer sauerstoffreduzierenden Hilfselektrode bekannt. Zur Aktivierung
der Sauerstoffreduktion enthält eine ,solche Hilfselektrode Katalysatoren, beispielsweise Silber, Thallium,
Kupfer oder Quecksilber. Eine solche Hilfselektrode muß eine möglichst große Oberfläche
besitzen und mit dem Gasraum in Verbindung stehen. Über ein Meßinstrument oder eine Relaisanordnung
ist sie mit der negativen Hauptelektrode verbunden. Auch eine solche Hilfselektrode kann außer zur
Sauerstoffreduktion nur zur Steuerung des Ladevorgangs herangezogen werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher eine Akkumulatorenzelle mit bifunktionell arbeitender
Steuerelektrode, welche sowohl eine sichere Ladebegrenzung als auch eine Entladebegrenzung bei
Akkumulatorenzellen gewährleistet. Zur Erläuterung des neuen Begriffes »bifunktionell« in Verbindung
mit einer Steuerelektrode sei ausgeführt, daß darunter eine Hilfselektrode zu verstehen ist, die in elektrischem
Kontakt mit einer regulären Elektrode steht und an der sowohl eine elektrochemische Oxidationsreaktion bei anodischer Polarisation wie eine elektrochemische
Reduktionsreaktion bei kathodischer Polarisation ablaufen kann.
Da also an der gleichen Elektrode zwei verschiedene elektrochemische Reaktionen ablaufen können,
besteht auch in elektrischer Hinsicht eine Bifunktion, indem die Steuerelektrode, wie nachstehend beschrieben
ist, sowohl auf Grund der elektrochemischen Oxidationsreaktion wie auf Grund der elektrochemischen
Reduktionsreaktion ein elektrisches Signal abgibt, das in einem Fall z. B. zur Steuerung der La-
: dung, im anderen Fall z. B. zur Steuerung der Entladung ausgenutzt werden kann.
Ein Beispiel einer Bifunktion nach der Erfindung ist:
O2-Entwicklung als elektrochemische Oxidationsreaktion
bei anodischer Polarisation,
Reduktion von O2 als elektrochemische Reduktionsreaktion
bei kathodischer Polarisation.
Angewendet auf einen gasdichten alkalischen Akkumulator bedeutet dies, daß an einer Steuerelektrode in Bifunktion entweder eine Sauerstoffentwicklung bei der Ladung des Akkumulators und eine Sauerstoffreduktion bei seiner Entladung oder als zweite Möglichkeit eine Sauerstoffreduktion bei der Ladung des Akkumulators, eine Sauerstoffentwicklung bei der Entladung stattfindet.
Angewendet auf einen gasdichten alkalischen Akkumulator bedeutet dies, daß an einer Steuerelektrode in Bifunktion entweder eine Sauerstoffentwicklung bei der Ladung des Akkumulators und eine Sauerstoffreduktion bei seiner Entladung oder als zweite Möglichkeit eine Sauerstoffreduktion bei der Ladung des Akkumulators, eine Sauerstoffentwicklung bei der Entladung stattfindet.
Welche dieser beiden Möglichkeiten im Akkumulator tatsächlich vorliegt, ergibt sich daraus, mit welchen
der beiden Hauptelektroden die Steuerelektrode über elektrische Bauelemente verbunden ist. Bei Verbindung
mit der positiven Elektrode erfolgt an der Steuerelektrode bei der Ladung eine elektrochemische
Oxidationsreaktion (O2-Entwicklung), bei dei
Entladung eine elektrochemische Reduktionsreaktion (Reduktion von O2).
Bei der Verbindung mit der negativen Elektrode ist es umgekehrt: Bei der Ladung findet an der in Bifunktion arbeitenden Steuerelektrode eine Sauerstoffreduktion, bei erschöpfender Entladung eine Sauerstoffentwicklung statt. Die geschilderte Bifunktion der Steuerelektrode nach der Erfindung ist an die Bedingung gebunden, daß die Kapazität und der Ladezustand der Hauptelektroden der Funktion der Steuerelektrode angepaßt sind. In welcher Weise dies geschieht, wird nachstehend im einzelnen ausgeführt.
Bei der Verbindung mit der negativen Elektrode ist es umgekehrt: Bei der Ladung findet an der in Bifunktion arbeitenden Steuerelektrode eine Sauerstoffreduktion, bei erschöpfender Entladung eine Sauerstoffentwicklung statt. Die geschilderte Bifunktion der Steuerelektrode nach der Erfindung ist an die Bedingung gebunden, daß die Kapazität und der Ladezustand der Hauptelektroden der Funktion der Steuerelektrode angepaßt sind. In welcher Weise dies geschieht, wird nachstehend im einzelnen ausgeführt.
Da die Steuerelektrode erfindungsgemäß über elektrische Bauelemente bei Ladung und Entladung mit
einer der Hauptelektroden verbunden ist, ist auf Grund der elektrochemischen Bifunktion eine Steuerung
sowohl der Ladung (beispielsweise verbunden mit ©«,-Entwicklung an der Steuerelektrode) als auch
der Entladung (beispielsweise verbunden mit O2-Reduktion
an der Steuerelektrode) als elektrische Bifunktion möglich.
Eine Akkumulatorenzelle mit einer bifunktionell arbeitenden Steuerelektrode gemäß der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Steuerelektrode enthält, die eine bifunktionell arbeitende
elektrochemisch inerte Elektrode ist, welche keine aktive Masse besitzt und deren Flächenwiderstand
unabhängig vom Ladezustand der Hauptelektrode ist und die bei Ladung oder Entladung Gas
entwickelt oder Gas verzehrt, daß die Steuerelektrode über elektrische Bauelemente bei Ladung und Entladung
mit einer der Hauptelektroden verbunden ist, daß die Kapazität und der Ladezustand der Hauptelektroden
der Funktion der Steuerelektrode angepaßt sind und daß die Steuerelektrode, die ein von
der Hauptelektrode verschiedenes Potential besitzt, bei Ladung bzw. Entladung durch Gasentwicklung
bzw. Gasverzehr elektrochemisch derart polarisiert wird, daß sich am elektrischen Bauelement zwischen
Hauptelektrode und zugehöriger Steuerelektrode gegen Ende der Ladung bzw. Entladung ein zur
Steuerung der Ladung und/oder Entladung der Akkumulatorenzelle
dienender Spannungsabfall einstellt. ■ Die hier verwendeten Hilfselektroden bestehen aus
dünnen Folien, Geweben oder Sinterfolien aus elektrisch leitendem, unter den Bedingungen des Akkumulators
jedoch unangreifbarem Material, im Falle eines alkalischen Akkumulators, z. B. vorzugsweise
aus Nickel, sind raumsparend zwischen den Hauptelektroden angebracht und von einem üblichen Separator
umgeben.
Sie werden über Widerstände oder andere geeignete Schaltelemente elektrisch mit den Hauptelektroden
verbunden, wobei die an diesen Widerständen am Ende der Ladung oder Entladung entstehenden Spannungsabfälle
über Schaltvorrichtungen, die später beschrieben werden, den Lade- bzw. Entladestrom vermindern
oder abschalten.
An Hand der Fig. 1 bis 11 soll die Erfindung
näher erläutert werden:
In den Fig. 1, la, 3, 3a, 5, 7 und 9 sind jeweils
schematisch die Kapazitäten und Ladezustände der Hauptelektrode und die Steuerelektrode dargestellt,
wobei die negative Elektrode mit 1, die positive Elektrode mit 3 und die Steuerelektrode mit 5 bezeichnet
ist.
Der in diesen Figuren eingezeichnete Widerstand 6 dient als Beispiel für eine Möglichkeit der elektrischen
Verbindung zwischen Hauptelektroden und Steuerelektrode. Der Potentialverlauf am Widerstand
6 während der Ladung bzw. Entladung ist in den Fig. 2, 4, 6, 8 und 10 dargestellt.
Die in diesen Diagrammen angegebenen Spannungswerte beziehen sich beispielshalber sämtlich auf
alkalische Akkumulatoren. Für Bleiakkumulatoren gelten andere Werte.
Ein Beispiel einer an diesen Widerstand 6 anzuschließenden Schaltvorrichtung zum Abschalten der
Ladung bzw. Entladung ist in Fig. 11 gezeigt.
Die F i g. 1 zeigt schematisch die Elektroden und die Kapazitätsverteilung einer an sich bekannten gasdichten
Ni-Cd-Zelle mit alkalischem Elektrolyten. Die negative Elektrode 1 besitzt eine Ladereserve 2,
um Wasserstoffentwicklung bei der Ladung zu verhindern. Die positive Elektrode 3 enthält einen antipolaren
Zusatz 4. Zwischen beiden Elektroden befindet sich die Steuerelektrode 5. Sie besteht beispielsweise
aus einem dünnen Ni-Blech, Ni-Drahtgewebe oder auch einem Ni-Sinterkörper. Statt eines metallischen
Leiters kann auch jeder andere Leiter Verwendung finden, sofern er gegen den Elektrolyten
beständig ist. In der Zelle ist, in der Abbildung nicht besonders dargestellt, die Steuerelektrode in einen
elektrolytbeständigen Separator einer gebräuchlichen Ausführung eingebettet.
Die Steuerelektrode 5 ist über den Widerstand 6 mit der positiven Elektrode 3 verbunden. Wird eine
derartige Zelle geladen, so fließt über den Widerstand 6 zunächst kein Strom oder nur ein verschwindend
kleiner Strom, hervorgerufen durch eine noch unbedeutende Sauerstoffentwicklung an dieser Elektrode.
Auch bei später einsetzender, aber noch schwacher Sauerstoff entwicklung an der positiven
Elektrode ändern sich die Verhältnisse nicht wesentlich. Erst wenn die positive Elektrode so weil
aufgeladen ist, daß nahezu der gesamte Ladestrom zur Sauerstoffentwicklung dient, erfolgt ein spontaner
Anstieg des den Widerstand 6 durchfließenden Stromes und damit ein erhöhter Spannungsabfall am Widerstand
6, hervorgerufen durch die jetzt einsetzende Sauerstoffentwicklung. Dieser erhöhte Spannungsäbfall
am Widerstand 6 kann zur Steuerung einer Schaltvorrichtung ausgenutzt werden, um den Ladestrom
abzuschalten oder herabzusetzen. Der jetzt infolge Sauerstoffentwicklung zwischen positiver
Elektrode und Steuerelektrode fließende Strom ist bei konstant gehaltenem Ladestrom praktisch unabhängig
von der Zellentemperatur. Steigt der Ladestrom bei konstant gehaltener Ladespannung infolge Erhöhung
der Zellentemperatur an, so steigt auch der Strom zwischen positiver Elektrode und Steuerelektrode
und damit auch der Spannungsabfall am Widerstand 6 an, was erfindungsgemäß zu einer rechtzeitigen
Unterbrechung bzw. Herabsetzung des Ladestromes ausgenutzt wird.
Während der Entladung hat die Steuerelektrode zunächst praktisch das gleiche Potential wie die positive
Elektrode, da an der Steuerelektrode jetzt keine elektrochemischen Umsetzungen erfolgen. Wird die
Entladung jedoch bis zur Erschöpfung der negativen Elektroden und bis zu der damit verbundenen Umpolung
der Zelle weitergeführt, so beginnt an der ursprünglich negativen Elektrode eine Sauerstoffentwicklung,
während in der ursprünglich positiven Elektrode der antipolare Zusatz 4 geladen, d. h. reduziert
wird. Der von der ursprünglich negativen Elektrode entwickelte Sauerstoff gelangt wieder an die
Steuerelektrode 5, die jetzt als sauerstoffreduzierende Elektrode gegen den das Potential der ursprünglich
positiven Elektrode 3 bestimmenden, teilweise reduzierten antipolaren Zusatz 4 dieser Elektrode 3 geschaltet
ist. Bei der Entladung herrschen also die umgekehrten Verhältnisse wie bei der Ladung, indem
die urprünglich negative Elektrode die Funktion der Sauerstoff entwickelnden Elektrode und die ursprünglich
positive Elektrode die Funktion der bei Ladung negativen Elektrode übernimmt, während die Steuerelektrode
anstatt auf Sauerstoffentwicklung auf Sauerstoffreduktion anspricht.
Infolge der Sauerstoffreduktion und des Potentialanstiegs zwischen Steuerelektrode und Hauptelektrode
fließt ein Strom im Widerstand 6. Der hierdurch am Widerstand 6 hervorgerufene Spannungsabfall wird
jetzt unmittelbar zur Abschaltung des während der Entladung bzw. Tiefentladung fließenden Entladestromes
benutzt.
In F i g. 1 a enthält die negative Elektrode zusätzlich noch eine Entladereserve 7, damit bei einer Tiefentladung
die Sauerstoffentwicklung erst dann beginnt, wenn bereits ein Teil des antipolaren Zusatzes
der positiven Elektrode reduziert ist. Hierdurch wird die Zeitspanne von der Sauerstoffentwicklung bis zur
Abschaltung der Entladung noch weiter verkürzt und damit der im Inneren der Zelle entstehende Sauerstoffdruck
vermindert. Diese Maßnahme dient der höheren Betriebssicherheit einer gasdichten Zelle
nach der Erfindung.
F i g. 2 zeigt für die Ausführungsform gemäß Fi g. 1 die Richtung sowie den zeitlichen Verlauf des
Potentials zwischen der Steuerelektrode und der positiven Elektrode während der Ladung b und der Entladung
a am Beispiel eines gasdichten alkalischen Akkumulators. Hierbei ist die Steuerelektrode bei der
Ladung negativ gegenüber der positiven Elektrode, bei der Entladung positiv gegen den antipolaren
Zusatz dieser Elektrode. Die in der F i g. 2 angegebenen Potentialwerte gelten für gasdichte alkalische
7 8
Akkumulatoren. Sie sind Richtwerte und im übrigen Die Fig. 6 zeigt am Beispiel eines gasdichten
abhängig von der Größe des Widerstandes 6, der alkalischen Akkumulators den zugehörigen Potential-Größe
des Entladestromes und Ladestromes sowie verlauf zwischen Steuerelektrode 5 und positiver
von der Zellenkonstruktion und Beschaffenheit der Elektrode 3 bei Ladung b und Entladung a. Der zeit-Steuerelektrode.
5 liehe Verlauf ist grundsätzlich der gleiche wie im
Die Fig. 3 und 3a zeigen die gleichen Elektroden- Falle der Fig. 2, jedoch mit dem Unterschied, daß
anordnungen und Kapazitätsverteilungen wie Fig. 1 die Potentialdifferenz bei der Entladung um eine
und 1 a. Die Steuerelektrode 5 ist jedoch über den Größenordnung geringer ist.
Widerstand 6 mit der negativen Elektrode 1 verbun- Bei den bisher beschriebenen Anordnungen ist jeden.
Der gegen Ende der Ladung an der positiven io weils nur eine Steuerelektrode verwendet, die mit
Elektrode 3 entstehende Sauerstoff gelangt zur Steuer- einer der beiden Elektroden, d. h. entweder mit der
elektrode, die dann als sauerstoffreduzierende Elek- positiven oder mit der negativen Elektrode, verbuntrode
(Kathode) arbeitet. Der infolge des Stromflusses den ist.
durch den Widerstand 6 entstehende Potentialanstieg Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, die
am Widerstand 6 wird mittels einer Schaltvorrichtung 15 Anordnung so zu treffen, daß eine Steuerelektrode
zur Ladungsbegrenzung, d. h. Unterbrechung oder mittels eines, vorzugsweise automatisch arbeitenden
Herabsetzung des Ladestromes benutzt. Schalters bei Ladung mit der Elektrode der einen
Am Ende der Entladung und bei beginnender Um- Polarität und bei der Entladung mit der Elektrode
polung entwickelt sich an der ursprünglich negativen der anderen Polarität unter Zwischenschaltung des
Elektrode 1 und damit auch an der Steuerelektrode 5 20 Widerstandes 6 verbunden wird.
Sauerstoff. Hierdurch kommt es, wie zu den Fig. 1, Eine derartige Anordnung stellt die Fig. 7 dar.
1 a und 2 erläutert wurde, ebenfalls zu einem Poten- Sie ist im Prinzip eine Kombination der Anordnung
tialanstieg am Widerstand 6, der mittels einer Schalt- nach F i g. 1, die positive Elektrode betreffend, und
vorrichtung die Entladung abschaltet. Im Fall der nach Fig. 3, die negative Elektrode betreffend.
Fig. 3 sind also die Funktionen der Steuerelektrode 25 Eine Steuerelektrode in dieser Schaltung in Ver-
bei Ladung und Entladung gegenüber der Ausfüh- bindung mit einem Schalter 9 kann wieder als bi-
rung gemäß Fig. 1 vertauscht. funktioneile Steuerelektrode arbeiten, und zwar in
Anstatt eines antipolaren Anteils 4 kann die posi- folgender Weise:
tive Elektrode 3 auch eine Entladereserve besitzen. Für den Fall eines gasdicht verschlossenen Akku-
Die F i g. 4 zeigt den Verlauf des Potentials der 30 mulators, beispielsweise eines gasdicht verschlosse-
Steuerelektrode gegenüber der negativen Elektrode nen Ni-Cd-Akkumulators, enthält die negative Elek-
bei Ladung b und Entladung a. Entsprechend der trode 1 eine Ladereserve 2 und die positive Elek-
vertauschten Funktion der Steuerelektrode ist dieses trode 3 eine Entladereserve 8 oder antipolare Masse 4,
Potential auch in seiner Richtung vertauscht, d. h. bei je nachdem, welche Funktion die Steuerelektrode 5
der Entladung α negativ, bei der Ladung b positiv 35 bei Tiefentladung mit Polumkehr ausüben soll. Die
gegenüber der negativen Elektrode 1. negative Elektrode 1 kann analog den Anordnungen
Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung der Steuerelek- gemäß den Fig. la und 3a noch eine Entlade-
trode, die ebenfalls für gasdichte Zellen geeignet ist. reserve 7 enthalten.
Die negative Elektrode 1 mit der Ladereserve 2 ent- Bei Ladung kann erfindungsgemäß die Steuerelekhält
die Entladereserve 7. Die positive Elektrode 3 40 trode 5 über den Widerstand 6 durch den Schalter 9
besitzt keinen antipolaren Zusatz. Die Kapazität der mit der positiven Elektrode 3 verbunden werden. In
Zellen wird durch die positive Elektrode 3 begrenzt. diesem Fall arbeitet die Steuerelektrode als sauer-Am
Ende der Ladung entwickelt sich an der Steuer- stoffentwickelnde Elektrode. Der bei Sauerstoffelektrode
5, wie bereits zu den Fig. 1 und la be- entwicklung an der Steuerelektrode 5 durch den Wischrieben
wurde, Sauerstoff, und der damit verbun- 45 derstand 6 fließende Strom ruft an diesem einen
dene Potentialanstieg am Widerstand 6 wird zur Be- Spannungsabfall hervor, der zu Schaltzwecken, d. h.
einflussung der Ladung ausgenutzt. erfindungsgemäß zur Unterbrechung oder Ein- und
Am Ende der Entladung fällt das Potential der Ausschaltung des Ladestromes verwendet werden
positiven Elektrode 3 schnell ab, während die jetzt kann. Es ist andererseits auch möglich, bei der glei-
sauerstoffreduzierende Steuerelektrode 5 noch eine 50 chen Anordnung die Steuerelektrode 5 durch den
gewisse Zeit ihr Potential behält. Hierdurch entsteht Schalter 9 bei Ladung der Zelle mit der negativen
an der Steuerelektrode 5 ein positives Potential Elektrode 1 zu verbinden. In diesem Fall arbeitet die
gegenüber der positiven Elektrode 3. Der jetzt durch Steuerelektrode 5 wie gemäß Fig. 3 als sauerstoff-
den Widerstand 6 fließende Strom ruft an diesem reduzierende Elektrode. Dementsprechend stellen sich
eine erhöhte Potentialdifferenz hervor und unterbricht 55 auch die gleichen Spannungsverhältnisse wie bei
mittels einer Schaltvorrichtung den Entladestrom. Fig. 6 ein.
Es hat sich gezeigt, daß in diesem Fall der Wider- Soll die Steuerelektrode 5 bei Tief entladung mit
stand 6 möglichst groß zu wählen ist, um die Steuer- Polumkehr als sauerstoffreduzierende Elektrode ar-
elektrode möglichst wenig zu belasten. Mittels einer beiten, so enthält die positive Elektrode 3 zweck-
Schaltvorrichtung ist es möglich, den Widerstand 6 60 mäßig antipolare Masse 4, und die Steuerelektrode 5
bei Umschaltung von Ladung auf Entladung auto- ist durch den Schalter 9 mit der positiven Elektrode 3
matisch auf einen größeren Wert umzuschalten. verbunden. Dann liegen die gleichen Verhältnisse
Dieses System kann vorteilhaft überall da ange- vor wie für die positive Elektrode gemäß F i g. 1
wendet werden, wo eine Tiefentladung bzw. Um- bzw. 1 a, wobei die antipolare Masse 4 für eine gün-
polung der Zelle zu irreversiblen Elektrodenprozessen 65 stige Potentialeinstellung sorgt,
führen würde, z. B. vorzugsweise für Bleiakkumula- Soll die Steuerelektrode 5 jedoch bei Tiefentladung
toren. Die Entladung wird bereits abgeschaltet, ehe mit Polumkehr als sauerstoffentwickelnde Elektrode
die Zellenspannung auf Null abfällt. arbeiten, so wird sie durch den Schalter 9 mit der
negativen Elektrode 1 verbunden. Die positive Elektrode 3 enthält dann antipolare Masse 4 oder eine
Entladereserve 8, so daß dann die Wasserstoffentwicklung an der ursprünglich positiven Elektrode
bzw. an der Steuerelektrode unterdrückt wird. Die antipolare Masse 4 muß in diesem Fall so bemessen
sein, daß die positive Elektrode mehr reduzierbare Anteile enthält, als die negative Elektrode oxidierbare.
Für den Fall, daß die Steuerelektrode gemäß Fig.7 als sauerstoffentwickelnde Elektrode bei der
Ladung und Entladung arbeiten soll, ist sie mit der positiven Elektrode 3 bei der Ladung und mit der
negativen Elektrode 1 bei der Entladung über den Schalter 9 zu verbinden. Der zeitliche Verlauf des für
Schaltzwecke ausnutzbaren Spannungsabfalles am Widerstand 6 ist in Fig. 8 bei Ladung & und Entladung
α dargestellt. Soll die Steuerelektrode als sauerstoffreduzierende Elektrode arbeiten, so ist sie bei
Ladung mit der negativen Elektrode 1 und bei der Entladung mit der positiven Elektrode 3 zu verbinden.
Eine sauerstoffentwickelnde Steuerelektrode kann ebenfalls für offen betriebene Zellen verwendet werden,
wenn die Elektrode gegen Wasserstoffzutritt hinreichend geschützt ist und sie entsprechend F i g. 7
bei Ladung mit der positiven Elektrode 3, bei Tiefentladung mit Polumkehr mit der ursprünglich negativen
Elektrode 1 verbunden ist. Hierbei ist es bezüglich der Funktion der Steuerelektrode gleichgültig, ob
dann die positive Elektrode eine Entladereserve bzw. antipolare Masse besitzt oder nicht.
Die bisher beschriebenen Anordnungen für die Anwendung einer bifunktionellen Steuerelektrode,
d. h. einer Steuerelektrode, die sowohl bei Ladung als auch bei Entladung für Schaltzwecke verwendet
wird, enthalten in der offen oder gasdicht betriebenen oder wartungsarmen Zelle jeweils nur eine Steuerelektrode,
die entweder fest mit einer Elektrode einer Polarität gekoppelt ist oder aber wechselweise mit
der einen oder anderen Elektrode durch einen Schalter verbunden wird.
Es liegt jedoch noch im Rahmen der Erfindung, statt einer bifunktionellen Elektrode auch ein Steuerelektrodenpaar
mit Bifunktion anzuwenden.
Die Anordnung ist wiederum grundsätzlich so getroffen, daß die beiden mit den regulären Elektroden
verbundenen Steuerelektroden sowohl bei der Ladung wie auch bei Entladung bzw. Tiefentladung mit
Polumkehr für Schaltzwecke verwendet werden können, und zwar jeweils die gleichen Steuerelektroden
in Verbindung mit der gleichen regulären Elektrode.
Eine derartige Anordnung ist in Fi g. 9 dargestellt.
Diese Anordnung ist für gasdicht verschlossene Akkumulatoren, vorzugsweise für gasdichte alkalische
Akkumulatoren mit den bekannten elektrochemischen Systemen Cadmium-Nickelhydroxid, Silberoxid-Cadmium,
Silberoxid-Zink, verwendbar.
Die negative Elektrode 1 enthält eine Ladereserve 2 und ist über den Widerstand 6 a mit der Steuerelektrode
5 a verbunden. Die positive Elektrode 3 enthält einen antipolaren Anteil 4. Sie ist über einen Widerstand
6 b mit der Steuerelektrode 5 b verbunden.
Bei der Ladung dieses gasdicht verschlossenen Systems entwickelt sich an der positiven Elektrode
zunächst Sauerstoff, während eine Wasserstoffentwicklung an der negativen Elektrode 1 durch deren Ladereserve
verhindert wird. Die Steuerelektrode 5b arbeitet, wie schon vorstehend beschrieben, als sauerstoffentwickelnde
Elektrode. Gleichzeitig hat die Sauerstoffelektrode 5 α die Funktion einer sauerstoffreduzierenden
Elektrode.
Nach Beginn der Sauerstoffentwicklung bildet sich wieder, wie beschrieben, über den Widerständen 6 a
und 6 b jeweils eine Spannungsdifferenz aus, deren absolute Größe der Spannungsdifferenz gemäß Fig. 1
und 3 etwa entspricht. Infolgedessen besteht auch
ίο eine Spannungsdifferenz zwischen dem Punkt c an
der Steuerelektrode 5 a und dem Punkt d an der Steuerelektrode 5 b, die in ihrer absoluten Größe
zwischen den Spannungsabfällen über den beiden Widerständen liegt. Setzt man beispielsweise eine
is Ladespannung von etwa 1,5 V voraus, und liegt beispielsweise
über dem Widerstand 6 a eine Spannung von 800 mV und über dem Widerstand 6 b eine Spannung
von 100 mV, so beträgt jetzt die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Punkten c und d etwa
600 mV. Diese Spannungsdifferenz wird dann mittels zweckmäßig hochohmiger Schaltglieder zur Steuerung
der Ladung, d. h. Abschaltung des Ladestromes oder Umschaltung auf einen niedrigeren Wert ausgenutzt.
Hierbei enthält das Schaltglied im Gegensatz zu den vorstehend beschriebenen Anordnungen, bei denen
es bei Erreichen einer Maximalspannung schaltet, einen Minimalschalter, der die Schaltung bei Unterschreiten
eines unteren Grenzwertes auslöst.
Bei Entladung bzw. Tiefentladung mit Polumkehr kehren sich entsprechend der Wirkungsweise der
bifunktionellen Steuerelektrode die Funktionen der Steuerelektrode um. Die mit der ursprünglich positiven
Elektrode 3 verbundene Steuerelektrode 5 b wird jetzt zur sauerstoffreduzierenden Elektrode, die
mit der ursprünglich negativen Elektrode 1 verbundene Steuerelektrode 5 a zur sauerstoffentwickelnden.
Jetzt tritt zwischen Punkt c und d wieder die gleiche Spannungsdifferenz auf wie beim Ladevorgang, jedoch
mit umgekehrtem Vorzeichen. Diese Spannungsdifferenz kann wieder in gleicher Weise wie die
bei Ladung auftretende Spannungsdifferenz zu Schaltzwecken ausgenutzt werden, d. h. einen Entladestrom
beispielsweise unterbrechen.
Den zeitlichen Verlauf der Spannung zwischen den Punkten c und d zeigt die Fig. 10 für Ladung α und
Entladung b. Nach dem Vorhergesagten bedarf diese Abbildung keiner weiteren Erläuterung.
Erfindungsgemäß ist es noch möglich, jede der beiden
Elektrodenpolaritäten mit je einer festgekoppelten Steuerelektrode zu verbinden, jedoch die Funktion
dieser Steuerelektroden jeweils nur für eine Steuerelektrode bei der Ladung und für die andere
Steuerelektrode bei der Entladung bzw. Tief entladung mit Polumkehr auszunutzen. In diesem Fall wird
dann die für die Ladung bzw. Entladung zu Schaltzwecken benötigte Spannung über dem Widerstand
6 a bzw. 6 b abgegriffen. Beispielsweise kann auf diese Weise gemäß Fig. 9 die Steuerelektrode5a
bei der Ladung als sauerstoffreduzierende Elektrode den Ladevorgang steuern oder die Steuerelektrode 5 b
als sauerstoffentwickelnde Elektrode. Bei der Entladung würde dann die Steuerelektrode 5 a als sauerstoffreduzierende
Elektrode übernehmen und andererseits würde dann, wie bei der Ladung die Steuerelektrode5ö,
bei der Entladung die Steuerelektrode 5 a als sauerstoffentwickelnde Elektrode wirken. Bei
einem Lade-Entladezyklus arbeitet also jeweils die mit einer regulären Elektrode verbundene Steuer-
11 12
elektrode mit der mit der anderen regulären Elek- gegen die mit ihr verbundene reguläre Elektrode bzw.
trode verbundene Steuerelektrode zusammen, und gegen die zweite Steuerelektrode, sind als Beispiel
beide wirken dann jeweils als sauerstoffentwickelnde anzusehen und geben keine allgemein gültigen abso-
oder als sauerstoffreduzierende Elektroden. Die Ka- luten Werte wieder, da diese von vielen Faktoren
pazitätsverhältnisse entsprechen in diesem Fall der 5 wie z. B. der Größe der Elektrode, der Höhe des
Fig. 9. Ladestromes, der Temperatur der Zellen, abhängig
Die Anwendung eines Paares von Steuerelektrode sind. Sämtliche hier angegebenen Spannungswerte
nach der Erfindung ist auch für offen beschriebene gelten für alkalische Zellen.
oder wartungsarme Akkumulatoren möglich, wenn Aus der Schaltung der Steuerelektrode und der
die Kapazität der negativen Elektrode geringer ist als io Stromrichtung bei den beschriebenen elektroche-
die der positiven Elektrode, da z. B. im alkalischen mischen Reaktionen an der Steuerelektrode läßt sich
Akkumulator bei der Ladung und Entladung dann das Vorzeichen der Spannung gegen die reguläre
die Sauerstoffentwicklung vor der Wasserstoffent- Elektrode ableiten.
wicklung eingesetzt und dadurch eine Potentialdiffe- Eine bifunktionelle Steuerelektrode nach der Er-
renz zwischen dem Steuerelektrodenpaar entsteht, 15 findung ist nicht nur vorteilhaft für eine Einzelzelle,
bevor Wasserstoff entwickelt wird. Sind mehrere Zellen zu einem Batterieverband ver-
Weiterhin ist es schließlich noch möglich, jeweils einigt, ist es nicht erforderlich, sämtliche Zellen mit
in sinnvoller Anlehnung an das vorstehend Ausge- einer Steuerelektrode auszurüsten. In diesem Fall geführte,
bei der Ladung die mit einer Elektrode ver- nügt es eine Zelle oder einen Bruchteil der Zellen
bundene Steuerelektrode und bei der Entladung dann 20 der Batterie mit einer Steuerelektrode zu versehen,
die mit der anderen Elektrode verbundene Steuer- Bei Vorhandensein mehrerer Zellen mit Steuerelekelektrode
für Schaltzwecke zu benutzen, wobei dann troden im Batterieverband kann die Schaltung so gediese
beiden Elektroden jeweils die gleiche Funktion troffen werden, daß für den Fall, daß eine Steuerausüben,
d. h. sich an ihnen Sauerstoff entwickelt. elektrode nicht einwandfrei arbeitete oder nicht
Die über den Widerständen 6 a und 6 b abzu- 25 mehr arbeitete, dann eine andere Steuerelektrode die
greifende Spannungsdifferenz kann dann zur Be- Schaltfunktion für die Batterie übernimmt, so daß
einflussung des Lade- oder Entladevorganges ausge- dann der Betrieb der Batterie mit einer erhöhten
nutzt werden. Sicherheit erfolgt.
Die Steuerelektroden müssen gegen die regulären Die Fig. 11 zeigt eine zur Abschaltung der
Elektroden isoliert werden. Ihre Anordnung inner- 30 Ladung bzw. Entladung vorgesehene Schaltvorrich-
halb der Zellen kann dann in gleicher Weise ge- tung, die gesteuert wird durch eine erfindungsgemäße
troffen werden, wie es nachstehend näher für einzelne Akkumulatorenzelle. Die angegebene Schaltvorrich-
Steuerelektroden beschrieben ist. tung ist brauchbar für sämtliche in den F i g. 1 bis 10
In den bisher besprochenen Beispielen für die An- gezeigten Anordnungen.
Ordnung einer bifunktionellen Steuerelektrode war 35 Das Schaltbild zeigt die Vorrichtung während der
diese vorzugsweise zwischen einer regulären positiven Ladung des Akkumulators.
und einer regulären negativen Elektrode angeordnet. Das Ladegerät 11 ist mittels des Umschaltkontak-
Besteht das Zellengehäuse aus Metall und ist es gegen tes 14' des Relais 14 über den Kontakt 12 mit dem zu
den Plattensatz isoliert, so kann die Steuerelektrode ladenden Akkumulator 15 verbunden. Die erste Zelle
mit dem Zellengehäuse verbunden werden. Hierdurch 40 dieses Akkumulators besitzt eine Steuerelektrode 5,
ist eine einfache Anschlußmöglichkeit für die Steuer- die, wie schon aus den vorhergehenden Figuren er-
elektrode gegeben. Es ist auch möglich, in diesem sichtlich, über den Widerstand 6 c und den Umschalt-
FaIl das Zellengehäuse selbst als Steuerelektrode zu kontakt 14" bzw. Kontakt 19 mit der positiven Elek-
verwenden. trode 3 der ersten Zelle verbunden ist. Der Wider-
Weiterhin ist es möglich, die Steuerelektrode an 45 stand 6 c ist in weiten Bereichen einstellbar, so daß
der Außenseite des Plattenpaketes, d. h. zwischen die nachfolgenden Schaltglieder bei verschiedenen
Zellengehäuse und einer außen liegenden Elektrode Ladeströmen und Zellenkonstruktionen an die Steueranzuordnen,
wobei sie zweckmäßig gegen das Ge- elektrode angepaßt werden können,
häuse, sofern dieses aus Metall besteht, und die be- Die zur Ladungsbegrenzung dienende Ansprechnachbarte Elektrode durch eine geeignete Separation 50 spannung wird über den Spannungsteiler 21 eingeisoliert wird. Je nach der der Steuerelektrode züge- stellt und über die Umschaltkontakte 14"' und 14"" dachten Funktion wird diese dann mit dem positiven des Relais 14 dem Eingang eines Transistorrelais 30 oder negativen Pol der Zelle unter Zwischenschal- zugeführt. Das Transistorrelais besitzt eine hohe tung eines Widerstandes 6 verbunden. Es ist in die- Ansprechempfindlichkeit, die beispielsweise bei etwa sem Fall zweckmäßig, eine sauerstoffreduzierende 55 10 mV liegt und ist daher wegen der geringen Span-Steuerelektrode in der Nachbarschaft einer positiven nungen, die am Widerstand 6 c auftreten, als Schalt-Hauptelektrode anzuordnen. element hier besonders gut geeignet.
häuse, sofern dieses aus Metall besteht, und die be- Die zur Ladungsbegrenzung dienende Ansprechnachbarte Elektrode durch eine geeignete Separation 50 spannung wird über den Spannungsteiler 21 eingeisoliert wird. Je nach der der Steuerelektrode züge- stellt und über die Umschaltkontakte 14"' und 14"" dachten Funktion wird diese dann mit dem positiven des Relais 14 dem Eingang eines Transistorrelais 30 oder negativen Pol der Zelle unter Zwischenschal- zugeführt. Das Transistorrelais besitzt eine hohe tung eines Widerstandes 6 verbunden. Es ist in die- Ansprechempfindlichkeit, die beispielsweise bei etwa sem Fall zweckmäßig, eine sauerstoffreduzierende 55 10 mV liegt und ist daher wegen der geringen Span-Steuerelektrode in der Nachbarschaft einer positiven nungen, die am Widerstand 6 c auftreten, als Schalt-Hauptelektrode anzuordnen. element hier besonders gut geeignet.
Wie schon im vorstehenden Text hervorgehoben Wird die am Spannungsteiler 21 eingestellte Anwurde,
sind die Systeme nach den F i g. 1, 1 a, 3, 3 a, Sprechspannung für Ladungsende erreicht, schaltet
5, 7 und 9 für gasdicht verschlossene Akkumulatoren 60 das Transistorrelais 30 durch, wobei dessen Kontakt
geeignet. Die Systeme nach den Fig. 7 und 9 können 31 geschlossen wird. Hierdurch wird das Stromstoßzur
Steuerung von Zellen offener Bauart verwendet relais 40 eingeschaltet, welches über seinen Kontakt
werden. Ebenso können auch bei sinnvoller Auswahl 40' das Relais 14 betätigt. Damit erhält das Relais
des Systems der Steuerelektrode wartungsarme Akku- Strom und seine Kontakte 14', 14", 14'" und 14""
mulatoren in dieser Weise gesteuert werden. 65 schalten um. Als Folge dieser Schaltvorgänge wird
Die in den Fig.2, 4, 6, 8 und 10 dargestellten der Umschaltkontakt 14' mit dem Kontakt 13 verzeitlichen
Verläufe des Spannungsabfalles über dem bunden, d. h. der Akkumulator 15 ist vom Ladegerät
Widerstand 6, d. h. der Spannung der Steuerelektrode 11 abgetrennt und liegt am Spannungsmesser 16, der
anzeigt, daß die Batterie entladebereit ist. Über den Schalter 18 kann der Verbraucher 17 mit dem Akkumulator
15 verbunden werden. Durch das gleichzeitige Umschalten sämtlicher Kontakte des Relais
14, wird weiterhin über den Umschaltkontakt 14" der Widerstandes zwischen Steuerelektrode5 und
positiven Pol der ersten Zelle der Batterie 15 geschaltet. Dieser Widerstand 6 d ist ebenfalls einstellbar
und sorgt für eine entsprechende Anpassung der nachfolgenden Schaltglieder an die Steuerelektrode
bei verschiedenen Entladeströmen und Zellenkonstruktionen. Der über den Umschaltkontakt 14'"
bzw. Schaltungspunkt 23 jetzt eingeschaltete Spannungsteiler 24 dient zur Einstellung der Ansprechspannung
zur Begrenzung der Entladung.
Da in den meisten der angeführten Beispiele die Polarität der Spannung zwischen Steuerelektrode und
Hauptelektrode bei Ladungs- bzw. Entladungsende ihre Richtung wechselt, das Transistorrelais 30 jedoch
nur in einer Richtung anspricht, ist eine Polumschaltung des Relais 30 vorgesehen. Dies geschieht
automatisch über den Umschaltkontakt 14"" des Relais 14, der bei Entladung mit dem Kontakt 26
verbunden ist, bei Ladung hingegen mit Kontakt 25.
Bei Erreichen der eingestellten Ansprechspannung für Entladeschluß spricht das Transistorrelais
30 wiederum an, sein Schalter 31 schließt, das Stromstoßrelais 40 spricht an, sein Kontakt 40' öffnet
und Relais 14 wird abgeschaltet. Dadurch wird der Akkumulator 15 wieder an das Ladegerät 11 angeschlossen
und erneut geladen.
Die verwendeten Relais können durch Einsatz von Transistoren bzw. steuerbaren Dioden ersetzt werden,
wenn man auf mechanische Kontakte vollkommen verzichtet.
Die beschriebene Schaltung gestattet es in einfacher Weise, sowohl Ladung als auch Entladung
beliebiger Akkumulatoren mit Steuerelektroden zu begrenzen bzw. zu steuern.
Die bifunktionellen Steuerelektroden nach der Erfindung sind bei sinnvoller Anpassung geeignet
für die offenen, wartungsarmen, wartungsfreien und gasdicht verschlossenen Bauarten aller bekannten
elektrochemischen Systeme, z. B. der mit alkalischen Elektrolyten arbeitenden elektrochemischen Systeme
Nickelhydroxid/Cadmium, Silberoxid/Cadmium, Nikkelhydroxid/Zink,
Süberoxid/Zink bzw. des mit Schwefelsäureelektrolyten arbeitenden elektrochemischen
Systems Bleidioxid/Blei.
Während bisher die Ladung offener und gasdichter Zellen sich normalerweise über längere Zeiträume
erstreckte, ist es nach der Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, Akkumulatorenzellen in kurzer Zeit,
z. B. in 1 bis 2 Stunden aufzuladen bzw., wenn bei etwa nicht bekanntem Ladezustand eine Nachladung
erforderlich ist, in kürzerer Zeit diese Nachladung durchzuführen, ohne eine Überladung und eine
schädliche Erwärmung der Zelle befürchten zu müssen. Es ist also durch Verwendung der erfindungsgemäßen
Akkumulatorenzelle mit Steuerelektrode möglieh, die bisher übliche Dauerladung, die sich über
lange Zeiten erstreckt, durch eine Schneiladung, die eine wesentliche Rationalisierung der Ladung mit
sich bringt, zu ersetzen. Ebenso kann eine Zelle, die mit einer Steuerelektrode nach der Erfindung ausgerüstet
ist, in häufigem Wechsel geladen und entladen werden, ohne daß eine Schädigung der Zelle
erfolgt. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des neuen Verfahrens zur Überwachung von Ladung und
Entladung bei Zellen höherer Kapazitäten.
Claims (11)
1. Akkumulatorenzelle, die neben positiven und negativen Hauptelektroden eine Steuerelektrode
enthält, die auf den Ladezustand der Akkumulatorenzelle anspricht und zur Steuerung der
Ladung oder Entladung der Akkumulatorenzelle dient, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine Steuerelektrode enthält, die
eine bifunktionell arbeitende elektrochemisch inerte Elektrode ist, welche keine aktive Masse
besitzt und deren Flächenwiderstand unabhängig vom Ladezustand der Hauptelektrode ist und die
bei Ladung oder Entladung Gas entwickelt oder Gas verzehrt, daß die Steuerelektrode über elektrische
Bauelemente bei Ladung und Entladung mit einer der Hauptelektroden verbunden ist, daß
die Kapzität und der Ladezustand der Hauptelektroden der Funktion der Steuerelektrode angepaßt
sind und daß die Steuerelektrode, die ein von der Hauptelektrode verschiedenes Potential
besitzt, bei Ladung bzw. Entladung durch Gasentwicklung bzw. Gasverzehr elektrochemisch
derart polarisiert wird, daß sich am elektrischen Bauelement zwischen Hauptelektrode und zugehöriger
Steuerelektrode gegen Ende der Ladung bzw. Entladung ein zur Steuerung der Ladung
und/oder Entladung der Akkumulatorenzelle dienender Spannungsabfall einstellt.
2. Akkumulatorenzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine bifunktionelle
Steuerelektrode (5) enthält, die entweder mit der positiven Elektrode (3) oder mit der negativen
Elektrode (1) elektrisch verbunden ist.
3. Akkumulatorenzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie gasdicht
verschlossen ist und einen alkalischen Elektrolyten enthält und daß die Steuerelektrode (5) mit
der positiven Elektrode (3) verbunden ist, die negative Elektrode (1) eine Ladereserve (2) und
die positive Elektrode (3) einen Zusatz von antipolarer Masse (4) besitzt.
4. Akkumulatorenzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie gasdicht
verschlossen ist und einen alkalischen Elektrolyten enthält und daß die Steuerelektrode (5) mit
der negativen Elektrode (1) verbunden ist, die negative Elektrode (1) eine Ladereserve (2) und
die positive Elektrode (3) einen Zusatz von antipolarer Masse (4) besitzt.
5. Akkumulatorenzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode
(3) an Stelle des antipolaren Zusatzes (4) eine Entladereserve enthält.
6. Akkumulatorenzelle nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die negative
Elektrode (1) zusätzlich eine Entladereserve (7) besitzt, die gleich oder kleiner ist als die Reduktionsfähigkeit
des antipolaren Zusatzes (4) der positiven Elektrode (3).
7. Akkumulatorenzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode
(5) mit der positiven Elektrode (3) verbunden ist, die negative Elektrode (1) eine Ladereserve
(2) und eine Entladereserve (7) enthält.
8. Akkumulatorenzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode
(5) über einen automatisch arbeitenden Schalter (9) bei der Ladung mit der positiven
Elektrode (3) und bei der Entladung mit der negativen Elektrode (1) verbunden ist und daß
die negative Elektrode eine geringere Kapazität besitzt als die positive Elektrode.
9. Akkumulatorenzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie gasdicht
verschlossen ist und einen alkalischen Elektrolyten enthält und daß die Steuerelektrode (5) über
einen automatisch arbeitenden Schalter (9) bei der Ladung mit der positiven Elektrode (3) und
bei der Entladung mit der negativen Elektrode (1) verbunden ist, wobei die negative Elektrode (1)
eine Ladereserve (2) und die positive Elektrode (3) antipolare Masse (4) oder eine Entladereserve
(8) enthält, deren Menge so bemessen ist, daß die positive Elektrode (3) mehr reduzierbare Anteile
aufweist als die negative Elektrode (1) oxidierbare.
10. Akkumulatorenzelle nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie gasdicht
verschlossen ist und einen alkalischen Elektrolyten enthält und daß die Steuerelektrode (5) über
einen automatisch arbeitenden Schalter (9) bei der Ladung mit der negativen Elektrode (1) und
bei der Entladung mit der positiven Elektrode (3) verbunden ist, wobei die negative Elektrode (1)
eine Ladereserve (2) und die positive Elektrode (3) antipolare Masse (4) enthält.
11. Akkumulatorenzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerelektrode an der Außenseite des Plattenpaketes angeordnet ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 009 547/136
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Legal Events
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SH | Request for examination between 03.10.1968 and 22.04.1971 |