DE4100571C2 - Batterie mit einer Hauptbatterie und einer Ersatzbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Hauptbatterie und einer Ersatzbatterie.

Aus der US 48 83 728 ist ein Batteriesystem mit zwei in Reihe verschalteten Mengen von Zellen bekannt. Eine Reihe von Zellen mit dünneren, positiven Platten ermöglicht einen hohen Strom für eine kurze Zeitdauer, der vom positiven Anschluß entnommen werden kann. Die andere Reihe der Zellen mit dickeren, laminierten positiven Platten weist weniger Platten pro Volumen auf. Allerdings ist die Stromkapazität in beiden Reihen von Zellen gleich, wodurch eine längere und langsamere Entladung der Batterie ermöglicht ist. Die Batterie kann parallel für zwei verschiedene Benutzer verwendet werden.

In der US 46 84 580 wird eine Aufnahmeeinrichtung für eine elektrische Batterie offenbart. Ein Gehäuse für die Batterie weist eine Aufnahme zum Einsetzen einer Ersatzbatterie auf. Diese soll in einfacher Weise entnehmbar und wiedereinsetzbar sein. Dabei soll die Ersatzbatterie während extremer Kälte beispielsweise über Nacht mit in eine wärmere Wohnung genommen werden, um am nächsten Morgen ein Batterieversagen zu verhindern.

In der nachveröffentlichten DE-OS 41 04 000 ist eine Batterie mit drei Anschlüssen offenbart. Zwei der Anschlüsse weisen eine erste Polarität und der dritte Anschluß die zweite Polarität auf. Ein Langzeitverbraucher in einem Fahrzeug, wie Radio, Lichtanlage u. dgl. ist mit zwei der Anschlüsse verschaltet. Entsprechend ist mit zwei der drei Anschlüsse der Batterie ein Anlasser verschaltet. Eine Detektionseinrichtung ist an zwei der Anschlüsse angeschlossen und unterbricht eine Entladung der Batterie, wenn deren Kapazität einen kritischen Wert erreicht. Der kritische Wert ist so festgelegt, daß ein Starten des Motors noch ermöglicht ist, wenn die Batterie teilweise entladen ist. Eine abgetrennte Batterie (Ersatzbatterie) der obengenannten Batterie ist immer im Einsatz, solange ihre Kapazität nicht den kritischen Wert erreicht. Erst in diesem Fall wird der Einsatz der Batterie unterbrochen, um ein Starten des Motors in jedem Fall zu ermöglichen.

Nachteilig bei den vorbekannten Batterien ist, daß Hauptbatterie und Ersatzbatterie gleichzeitig verwendet werden und daher die Batterie insgesamt beispielsweise aufgrund eines nachlässigen Vergessens des Ausschaltens einer Last, wie etwa eines Scheinwerfers des Kraftfahrzeuges, entladen wird. Außerdem sind die Batterien teilweise relativ groß und nicht kompatibel mit den herkömmlichen 6-Zellenbatterien.

Da die Batteriegrößen, beispielsweise im JIS (Japanischen Industrie Standard) spezifiziert sind, können die Batterien, deren Größe vom Standard abweichen, wegen der Beschränkung der Größe der Batterieträger in den Kraftfahrzeugen nicht montiert werden. Ein Batterieträger weist in der Regel eine Toleranz von 20 bis 40% in der Längsrichtung, allerdings keine Toleranz in der Querrichtung auf. Die Batteriebreite ist daher bei den auf den Markt gebrachten Batterien auf nur zwei Größen beschränkt. Batterien verschiedener Kapazitäten werden folglich durch Änderung der Größe in der Längsrichtung hergestellt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Batterie der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß diese eine zufriedenstellende Kapazität und Lebensdauer bei der gleichen Größe, wie die einer herkömmlichen 6-Zellenbatterie aufweist und eine hohe Leistung in der gegenwärtigen Standardbatteriegröße zur Verfügung stellt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst. Die Hauptbatterie der erfindungsgemäßen Batterie umfaßt sechs in Reihe geschaltete Zellen, wobei die Kapazität der ersten drei der sechs Zellen wenigstens 10% höher als die Kapazität der verbleibenden drei Zellen der Hauptbatterie ist. Die Ersatzbatterie umfaßt drei in Reihe geschaltete Zellen. Ein Schalter ist zur Parallelschaltung von Ersatzbatterie und den verbleibenden drei Zellen der Hauptbatterie angeordnet. Weiterhin ist eine Einwegladeeinrichtung mit dem Schalter verbunden, wobei die Ersatzbatterie in Abhängigkeit von der Schalterstellung aufladbar ist.

Durch die Verwendung von nur drei Zellen für die Ersatzbatterie, kann die Kapazität der Hauptbatterie vergrößert werden. Wenn die Hauptbatterie vollständig entleert ist, verbleibt zumindest noch Ladung in den drei Zellen mit der großen Kapazität. Daher kann durch Schließen des Schalters, der die Hauptbatterie mit der Ersatzbatterie parallel verbindet, mit den drei Zellen der Ersatzbatterie die Spannung der üblichen sechs Zellen zwischen den mit einer externen Last verbundenen Anschlüssen erhalten werden. Im Normalzustand ist, da die Ersatzbatterie durch eine Einwegladeeinrichtung geladen wird, kein zusätzliches Ladegerät für die Ersatzbatterie erforderlich. Darüber hinaus ist, da die Ersatzbatterie mit der Hauptbatterie nur durch eine Schalterbetätigung verbunden ist, die Handhabung der Batterie sehr einfach.

Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der in der Zeichnung beigefügten Figuren näher erläutert und beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Batterie mit Hauptbatterie und Ersatzbatterie, wobei die Hauptbatterie aus zwei Zellenblöcken gebildet ist;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 ein Schaltkreisdiagramm entsprechend der Erfindung;

Fig. 7 ein weiteres Schaltkreisdiagramm;

Fig. 8 ein drittes Schaltkreisdiagramm;

Fig. 9 ein viertes Schaltkreisdiagramm;

Fig. 10 ein fünftes Schaltkreisdiagramm; und

Fig. 11 eine Entladungskurve einer erfindungsgemäßen Batterie zur Darstellung der Entladungseigenschaften

Die Fig. 1 bis 5 sind Schemata, die die Anordnungen eines 9-Zellen Elektrolytbehälters, von Verbindungskabeln, Anschlüssen, einem Schalter, einer Diode, einer Hauptbatte­ rie und einer Ersatzbatterie nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, bei der die neun Zellen Seite an Seite angeordnet sind. In den Figuren bilden die 3- Zellenblöcke A1 und A2 die Hauptbatterie. Der 3-Zellenblock A1 besitzt 10% mehr Kapazität als der 3-Zellenblock A2. Ein 3-Zellenblock B bildet die Ersatzbatterie. Ein positiver An­ schluß (+) 1 und ein negativer Anschluß (-) 2 sind mit einer externen Last verbunden. Kabel 3 sind zwischen den Zellen angeschlossen. Ein Verbindungskabel 4 ist zwischen der Er­ satzbatterie B und dem 3-Zellenblock A2 der Hauptbatterie über einen Schalter 5 und eine Diode 6 angeschlossen. Ein Verbindungskabel 7 ist zwischen der Ersatzbatterie und den­ selben Elektroden des 3-Zellenblocks A2 der Hauptbatterie angeschlossen. Das Verbindungskabel 4, der Schalter 5, die Diode 6 und die Verbindungskabel 3 sind so angeordnet, daß sie den Elektrolytbehälter bedecken. Die Fig. 1 bis 5 zeigen Beispiele verschiedener Ausführungen desselben Kon­ zepts.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein (-)-Anschluß 8 der Hauptbatterie mit dem 3- Zellenblock A1 und dem 3-Zellenblock A2 wird mit einem (-)- Anschluß der Ersatzbatterie über das Verbindungskabel 7 ver­ bunden, wobei der (-)-Anschluß der Hauptbatterie gemeinsam mit dem externen Lastanschluß an den (-)-Anschluß 2 verwen­ det wird. Ein (+)-Anschluß 9 des 3-Zellenblocks A2, der die geringere Kapazität besitzt, wird mit einem (+) -Anschluß 10 der Ersatzbatterie über das Verbindungskabel 4 mit dem Schalter 5 und der Diode 6 verbunden. Der 3-Zellenblock A2 wird mit den drei Zellen der Ersatzbatterie B parallel ver­ bunden. Normalerweise ist der Schalter 5 ausgeschaltet. Im Notfall wird der Schalter 5 angeschaltet, um die Ersatzbat­ terie zu verwenden. Da die Diode 6 so angeschlossen ist, daß der Strom in einer bestimmten Richtung fließt, wird die Er­ satzbatterie geladen, wenn der Schalter 5 ausgeschaltet ist. Also wird im Normalzustand die Ersatzbatterie geladen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann, da Elektrodenplatten derselben Größe verwendet werden, eine große Kostenersparnis erzielt werden. Jedoch sollte klar sein, daß die Anordnung der Zellen frei gewählt werden kann und nicht auf die des Ausführungsbeispiels beschränkt ist.

Unter Bezugnahme auf das beigefügte Schaltkreisdiagramm und die Meßdaten des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird nun im folgenden der Betrieb einer erfindungsgemäßen Ersatz­ batterie beschrieben. In Fig. 6 ist die Hauptbatterie A1 durch eine einfach gepunktete Linie gezeigt, die 3-Zellen­ blöcke A1 und A2 sind durch zweifach gepunktete Linien ge­ zeigt und die Ersatzbatterie B ist ebenfalls durch eine zweifach gepunktete Linie gezeigt. Der 3-Zellenblock A2 mit der geringeren Kapazität ist mit der Ersatzbatterie B über den Schalter 5 und die Diode 6 parallel verbunden. Die in dem Ausführungsbeispiel verwendeten Elektrodenplatten sind von einem herkömmlichen Typ. Während A1 aus sechs (+)-Elek­ trodenplatten und sieben (-) -Elektrodenplatten besteht, be­ steht A2 aus 4 (+)-Elektrodenplatten und 5 (-)-Elektroden­ platten. Also ist die Kapazität von A1 höher als die von A2. In diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, obwohl die Ka­ pazität von B dieselbe ist wie die von A2, die Kapazität von B zu verringern, so daß die Kapazität von B 50% der von A2 wird. Fig. 11 zeigt den Spannungsverlauf, wenn die Batterie mit einer Ersatzbatterie der zuvor erwähnten Struktur mit einer externen Last von 20 W entladen wird, während der Schalter ausgeschaltet ist. In der Figur ist das durch eine durchgezogene Linie gezeigte Symbol V1 die Gesamtspannung der Hauptbatterie. Das durch eine einfach gepunktete Linie gezeigte Symbol V2 ist die Spannung des 3-Zellenblocks A1 mit der höheren Kapazität. Das durch die zweifach gepunktete Linie gezeigte Symbol V3 ist die Spannung des 3-Zellenblocks A2 mit der niedrigeren Kapazität. Wenn die gesamte Spannung der Hauptbatterie etwa 0 V beträgt, wird der Betrag des Stroms, der durch die 20 W-Last fließt und entladen wird, gering. Da­ her wird, selbst wenn die Last für einen langen Zeitraum an­ geschlossen ist, der Spannungsabfall des 3-Zellenblocks A1 klein. Demzufolge ist klar, daß A1 immer noch die normale Spannung besitzt. Wie in Fig. 11 durch die gepunktete Linie gezeigt, existiert ein Spannungsverlauf zwischen den An­ schlüssen der externen Last über den Schalter, wenn die Er­ satzbatterie unter einer solchen Bedingung verwendet wird, wenn nämlich der Batteriespannungsabfall und daher die Bat­ terie nicht das Anlassen eines Motors oder dergleichen ver­ ursacht. In diesem Beispiel werden 150 A für 5 Sekunden nach 16 Stunden in Intervallen von 4 Stunden entladen. Aus der Figur ist klar, daß eine hinreichend hohe Spannung zwischen den Anschlüssen der externen Last erhalten wird. Also kann, wenn die Autobatterie 10 bis 20% der vollen Kapazität spei­ chert, der Motor angelassen werden. Außer wenn der Fahrer vergißt, die Scheinwerfer auszuschalten, wird die Batte­ rieladung nicht schnell abnehmen. Da zusätzlich neuere Auto­ mobile mit einem Scheinwerferalarm versehen sind, wird es normalerweise keine Motoranlaßprobleme aufgrund einer Nach­ lässigkeit beim Ausschalten der Scheinwerfer geben. Motoran­ laßprobleme können auftreten in Fällen einer Verschlechte­ rung der Batterieeigenschaften aufgrund geringer Außentempe­ raturen und einer Überlastung während des Fahrens. Die Bat­ terie mit einer Ersatzbatterie nach der vorliegenden Erfin­ dung wird, selbst wenn die Batterie vollständig entladen ist, im 3-Zellenblock mit der hohen Kapazität der Hauptbat­ terie 10 bis 20% der gesamten elektrischen Kapazität spei­ chern. Wenn zum Beispiel die Hauptbatterie 1 noch etwa 10% der gesamten elektrischen Kapazität speichert, kann, wenn die zum Anlassen eines Motors notwendige Entladung 100 A für 5 Sekunden ist, eine Spannung von 1,0 bis 1,2 V pro Zelle er­ reicht werden. Wenn sich die Batterie auf der anderen Seite im vollständig geladenen Zustand befindet, kann eine Span­ nung von 1,7 bis 1,8 V pro Zelle erhalten werden. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Spannung von A1 1,0 V /Zelle×3 Zellen =3 V. Da zusätzlich der Block A2 der Hauptbatterie mit der Ersatzbatterie parallel geschaltet ist, fällt eine zusätzliche Spannung von 1,7 V/Zelle×3 Zellen=5,1 V an. Also liegen insgesamt 8,1 V zwischen den Hauptbatterieanschlüssen an, wobei diese Spannung genügend höher liegt als die minimale Motor­ anlaßspannung von 7,3 V. Daher wird durch die Struktur der Hauptbatterie mit sechs Zellen und der Ersatzbatterie mit drei Zellen sichergestellt, daß die Batterie mit Ersatzbat­ terie verglichen mit der herkömmlichen Struktur der Hauptbatterie mit sechs Zellen und der Ersatz­ batterie mit sechs Zellen zufriedenstellend arbeitet.

Fig. 7 ist ein Schaltkreisdiagramm, bei dem der Schalter und die Diode in einer von Fig. 6 verschiedenen Art ange­ schlossen sind. Wenn in diesem Schaltkreis der Schalter 5 ausgeschaltet wird, wird die Ersatzbatterie B durch die Diode 6 geladen. Der Ladestrom, der von A1 fließt wird nach A2 und zur Ersatzbatterie B abgezweigt. Da jedoch die Ersatz­ batterie außer im Notfall nicht entladen ist, befindet sie sich immer im geladenen Zustand. Daher wird der größte Teil des Ladestroms zum Laden von A2 verwendet. Demzufolge tritt, selbst wenn die Ladeleistung für die Ersatzbatterie vom zen­ tralen Punkt der Hauptbatterie weggenommen wird, keine unzu­ reichende Aufladung von A2 auf. Da die Ladespannung von A2 höchstens bis 7,5 V (2,5 V/Zelle×3 Zellen = 7,5 V) wächst, wird die Ladespannung der Ersatzbatterie 6,7 V (7,5 V-0,8 V) (Spannungsabfall an der Diode)=6,7 V (2,23 V/Zelle)). Daher kann die Ersatzbatterie nach ihrer Entladung nicht schnell geladen werden. Wenn für ein schnelleres Aufladen eine Schottkydiode für diese Diode verwendet wird, ist der Span­ nungsabfall in Vorwärtsrichtung 0,3 V, wodurch die Auflade­ zeit merklich verbessert werden kann. Zu diesem Zeitpunkt kann eine zufriedenstellende Ladespannung von 7,2 V (2,4 V/Zelle) erreicht werden.

Die Fig. 8 und 9 sind Schaltkreisblockdiagramme, bei denen im eingesetzten Diodenbereich ein Transistor angeord­ net ist. Während der Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung bei einer herkömmlichen Diode 0,7 V beträgt, ist er bei einer Schottkydiode 0,3 V. Wenn jedoch ein Transistor verwendet wird, fällt die Spannung zwischen Kollektor und Emitter auf 0,1 V. Also wird, selbst wenn die Ladespannung des Blocks A2 7,5 V oder weniger ist, die Ersatzbatterie B wie Block A2 ge­ laden. Da jedoch ein Basisstrom dem Transistor zugeleitet werden muß, findet eine Selbstentladung von einigen mA statt.

Fig. 10 ist ein Schaltkreisdiagramm, in dem ein Kon­ stantspannungselement in Reihe zwischen dem positiven An­ schluß der Ersatzbatterie B und dem positiven Anschluß der externen Last geschaltet ist. Wenn in diesem Schaltkreis die Hauptbatterie geladen wird und dadurch die positive Spannung zunimmt, fließt ein Ladestrom in das Konstantspannungsele­ ment. Umgekehrt blockiert, wenn die Spannung der Hauptbatte­ rie auf die Leerlaufspannung oder weniger abfällt, das Ele­ ment den Ladestrom von der Hauptbatterie zur Ersatzbatterie und verhindert dadurch ein Entladen der Hauptbatterie.

Wie oben beschrieben kann erfindungsgemäß, da die übli­ cherweise für die Ersatzbatterie verwendeten sechs Zellen auf drei Zellen reduziert werden, die Kapazität der Haupt­ batterie vergrößert werden. Außerdem ist kein Ladegerät für die Ersatzbatterie erforderlich. Daher können die Nachteile einer herkömmlichen Batterie mit einer Ersatzbatterie, die eine Hauptbatterie mit sechs Zellen und eine Ersatzbatterie mit sechs Zellen umfaßt, deutlich verbessert werden und der industrielle Wert deutlich gesteigert werden.

Claims (8)

1. Eine Batterie mit einer Hauptbatterie und einer Ersatzbatterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbatterie (A₁, A₂) sechs in Reihe geschaltete Zellen umfaßt, wobei die Kapazität der ersten drei (A₁) der sechs Zellen wenigstens 10% höher als die Kapazität der verbleibenden drei Zellen (A₂) der Hauptbatterie ist; daß die Ersatzbatterie (B) drei in Reihe geschaltete Zellen umfaßt; daß ein Schalter (5) zur Parallelschaltung von Ersatzbatterie (B) und den verbleibenden drei Zellen (A₂) der Hauptbatterie angeordnet ist, und eine Einwegladeeinrichtung (6) mit dem Schalter (5) verbunden ist, wobei die Ersatzbatterie (B) in Abhängigkeit von der Schalterstellung aufladbar ist.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einwegladeeinrichtung eine parallel zum Schalter (5) angeschlossene Diode (6) ist.

3. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten drei Zellen (A₁) der sechs Zellen der Hauptbatterie sechs positive Elektrodenplatten und sieben negative Elektrodenplatten umfassen und die verbleibenden drei Zellen (A₂) der Hauptbatterie vier positive Elektrodenplatten und fünf negative Elektrodenplatten umfassen.

4. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von ersten Kabeln (3) zwischen aneinander angrenzenden Zellen der Hauptbatterie (A₁, A₂) verschaltet ist; ein zweites Kabel (4) zwischen der Ersatzbatterie (B) und den verbleibenden drei Zellen (A₂) der Hauptbatterie über den Schalter (5) und die Diode (6) angeschlossen ist, und ein drittes Kabel (7) zwischen der Ersatzbatterie (B) und den verbleibenden drei Zellen (A₂) der Hauptbatterie angeschlossen ist, wobei die ersten (3) und zweiten (4) Kabel der Schalter (5) und die Diode (6) über einer Abdeckung eines Elekrolytbehälters angeordnet sind.

5. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einwegladeeinrichtung eine mit dem Schalter (5) verbundene Diode (6) ist, wobei die Ersatzbatterie (B) bei ausgeschaltetem Schalter aufladbar ist.

6. Batterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (6) eine Schottkydiode ist.

7. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einwegladeeinrichtung ein Transistor ist.

8. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbatterie (A₁, A₂) mit einer externen Last verbundene positive und negative Anschlüsse (1, 2) umfaßt und die Einwegladeeinrichtung ein Konstantspannungselement ist, das zwischen einem positiven Anschluß der Ersatzbatterie (B) und dem positiven Anschluß der Hauptbatterie (A₁, A₂) angeschlossen ist.