DE2514795C3

DE2514795C3 - Galvanic battery made up of several cells of the same type connected in series with at least one control cell

Info

Publication number: DE2514795C3
Application number: DE2514795A
Authority: DE
Inventors: Stephen John Yonkers Angelovich; Franklin George Ossining Fagan Jun.
Original assignee: PR Mallory and Co Inc
Current assignee: Duracell Inc USA
Priority date: 1974-04-05
Filing date: 1975-04-04
Publication date: 1980-06-12
Also published as: BE827594A; GB1497222A; IL46978A; IL46978A0; AU7970075A; DE2514795A1; IT1034843B; JPS5824907B2; MX4132E; ZA751829B; CA1049091A; JPS514538A; SE7503887L; DE2514795B2; FR2266957A1; FR2266957B1; DK143975A; NL7504072A

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Art.The invention relates to a battery of the type specified in the preamble of the main claim.

In zahlreichen Fällen kommt es darauf an, daß Batterien ständig verfügbar und dienstbereit sind. Hierzu muß ihr Ladezustand dauernd bekannt sein, damit sie rechtzeitig vor einem eventuellen Versagen ersetzt werden können. Ein solcher Anwendungsfall liegt insbesondere bei Überwachungs- oder Alarmanlagen vor, bei denen die Baterie stets eine genügend hohe Energiereserve aufweisen muß, um ein Anzeigegerät od. dgl. zu betätigen. Es muß absolut sichergestellt sein, daß die Batterie jederzeit betriebsbereit ist und daß bei nachlassender Energiereserve rechtzeitig für Ersatz gesorgt werden kann.In many cases it is important that batteries are always available and ready for use. For this purpose, their state of charge must be permanently known so that they can be in good time before a possible failure can be replaced. Such an application is in particular in the case of monitoring or alarm systems, in which the battery is always sufficiently high Must have energy reserves in order to operate a display device or the like. It must be absolutely guaranteed that the battery is ready for use at all times and that it can be replaced in good time if the energy reserve drops can be taken care of.

Eine Batterie der eingangs genanntein Art ist durch die DE-AS 10 67 094 bekannt. Bei ihr hat die negative Elektrode der Kontrollzelle verschiedene Bestandteile. Bei der bekannten Batterie ist es jedoch schwierig, die Entladekapazität der einzelnen Zellen genau vorherzubestimmen. Dadurch besteht die Gefahr, daß nach langer Gebrauchszeit eine Umpolung einzelner Zellen mit den bekannten nachteiligen Folgen wie Gasentwicklung, Zellenbruch und eventueller Beschädigung des zu speisenden Elektrogerätes, in das die Batterie eingebaut ist, stattfindet. Dies insbesondere deshalb, weil die negativen Elektroden untereinander nicht im wesentlichen gleiche Kapazität aufweisen.A battery of the type mentioned in the opening paragraph has run out the DE-AS 10 67 094 known. In her, the negative electrode of the control cell has different components. In the known battery, however, it is difficult to precisely determine the discharge capacity of the individual cells in advance. There is a risk that after polarity reversal of individual cells with the known disadvantageous consequences such as gas development, cell breakage and possible damage to the to feeding electrical device in which the battery is installed takes place. This is particularly because the negative electrodes do not have essentially the same capacitance as one another.

Außerdem liefert die bekannte Batterie nur einen verhältnismäßig geringen Spannungsspning.In addition, the known battery delivers only a relatively low voltage voltage.

Durch die DE-AS 1156129 ist ein galvanisches Primärelement mit alkalischem Elektrolyten bekannt, bei dem die negative Elektrode der positiven Elektrode, die aus mehreren verschiedenen Alktivmaterialien besteht, die Waage hält oder dieser gegenüber gar überdimensioniert ist. Dadurch ist die genannte Gefahr der IJmpolung einzelner Elemente einer Batterie inDE-AS 1156129 is a galvanic Primary element with alkaline electrolyte known, in which the negative electrode of the positive electrode, which consists of several different active materials, balances or even compared to this is oversized. As a result, there is the risk of reversing the polarity of individual elements in a battery noch größerem Maße gegeben, da die Gesamtkapazität durch die positiven Elektroden begrenzt ist, deren untereinander einheitliche Kapazität schwer zu erreichen und zu kontrollieren ist.given even greater measure, since the total capacity is limited by the positive electrodes, their uniform capacity is difficult to achieve and control.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Batterie der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich ohne besonderen Aufwand die Kapazität der einzelnen Zellen und damit auch der gesamten Batterie genau vorher festlegen läßt, ohne daß man insbesondere durchThe object of the invention is to design a battery of the type mentioned so that without particular effort, the capacity of the individual cells and thus the entire battery exactly can be determined in advance without one in particular by

ίο die Mehrkomponentenelektroden Gefahr läuft, daß es durch vorzeitigen Verbrauch einzelner Zellen zur Umpolung und deren negativen Folgen kommt. Außerdem soll ein gegenüber dem Bekannten erheblich deutlicherer Spannungsspning an der Kontrollzelleίο the multi-component electrodes run the risk of it premature consumption of individual cells leads to polarity reversal and its negative consequences. In addition, the voltage voltage at the control cell should be considerably more pronounced than it is known erreicht werden.can be achieved.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Durch die Ausbildung der positiven Elektrode derAccording to the invention, this object is achieved by the characterizing features of the main claim. By forming the positive electrode of the Kontrollzelle als Mehrkomponentenelektrode mit im wesentlichen Quecksilberoxid und Kadmiumoxid ergibt sich ein Spannungssprung der Ausgangsspannung von etwa 0,75 V. Durch die gleiche Bemessung der Gesamtkapazität der positiven Elektrode von KontrollControl cell as a multi-component electrode with im essential mercury oxide and cadmium oxide results in a voltage jump in the output voltage of about 0.75 V. By the same rating of the total positive electrode capacitance of the control zelle und übrigen Zellen einerseits sowie der demgegen über geringeren Kapazität der negativen Elektroden läßt sich ohne fertigungstechnischen Mehraufwand ein vorgegebener Wert für die Kapazität aller Zellen und damit auch der ganzen Batterie erhalten, indem diescell and other cells on the one hand and on the other hand A lower capacity of the negative electrodes can be used without any additional manufacturing effort predetermined value for the capacity of all cells and thus also the whole battery obtained by this durch die Einstoffelektroden bestimmt ist. so daß die Gefahr der Umpolung einzelner Elemente der Batterie wegen Überentladung nicht mehr besteht. Dadurch ist nach der Erfindung eine Batterie geschaffen, die bei deutlichem Spannungssprung zur Anzeige des Entladeis determined by the single-material electrodes. so that the risk of polarity reversal of individual elements of the battery no longer exists due to over-discharge. As a result, a battery is created according to the invention, which at clear voltage jump to display the discharge zustandes größte Sicherheit gegen Beschädigung einzelner Elemente und dadurch verursachter Folgeschäden bietet.state of greatest security against damage individual elements and consequential damage caused by them.

Dadurch eignet sich die erfindungsgemäße Batterie vor allem für Alarmanlagen, beispielsweise einesAs a result, the battery according to the invention is particularly suitable for alarm systems, for example one Rauchgasprüfgerätes, eines Temperaturprüfgerätes oder eines Atmungswertprüfgerätes. Bei derartigen Alarmanlagen ist der für den Betrieb des Sensorkreises erforderliche Strom recht gering. Sobald jedoch der Sensorkreis einen Notfall registriert, muß die BatterieSmoke gas tester, a temperature tester or a breathing value tester. With such In alarm systems, the current required to operate the sensor circuit is quite low. However, as soon as the If the sensor circuit registers an emergency, the battery must die zusätzliche Leistung zur Betätigung des Alarmgerätes zur Verfügung stellen. Hierzu darf der Entladezustand der Batterie nicht zu weit fortgeschritten sein, wozu es die erfindungsgemäße Batterie gestattet, ein Warnsignal zu erzeugen, bevor ein derartiger Punktprovide the additional power to operate the alarm device. For this purpose, the discharge status of the battery must not be too far advanced, for which purpose the battery according to the invention allows a warning signal to be generated before such a point einer zu weitgehenden Entladung erreicht ist, indem vorher der nach einem vorbestimmten Energieverbrauch auftretende sprunghafte Spannungsabfall eine den Entladungszustand der Batterie anzeigende Alarmeinrichtung betätigt.a too extensive discharge is achieved by the sudden voltage drop that occurs after a predetermined energy consumption alarm device indicating the discharge status of the battery is actuated.

Zweckmäßig ist es, wenn die positive Elektrode, die verschiedene Aktivmaterialien enthält, etwa 45% Quecksilberoxid, etwa 45% Kadmiumoxid, etwa 3% Mangandioxid und etwa 7% Graphit enthält. Hier tritt der plötzliche Spannungsabfall bei einer EnergieentnahIt is useful if the positive electrode, which contains various active materials, is about 45% Contains mercury oxide, about 45% cadmium oxide, about 3% manganese dioxide and about 7% graphite. Step here the sudden drop in voltage during an energy draw me von 465 Milliamperestunden, also von 51,7% des Gesamtenergiegehaltes von 900 Milliamperestunden auf. Durch Änderung der relativen Anteile des Quecksilberoxids, des Mangandioxids und des Kadmiumoxids kann jedoch dieser Spannungssprung aufme of 465 mAh, i.e. 51.7% of the Total energy content of 900 mAh. By changing the relative proportions of the However, mercury oxide, manganese dioxide and cadmium oxide can cause this voltage jump

⁶^ andere gewünschte Entlademengen mit einer Genauigkeit von ± 5% gelegt werden. Dabei ist eine Entlademenge im Bereich von 25% bis 75% der Nennkapazität der Batterie für die meisten Anwen- ⁶ ^ other desired discharge quantities can be placed with an accuracy of ± 5%. A discharge amount in the range of 25% to 75% of the nominal capacity of the battery is for most applications

dungsfälle ausreichend.application cases sufficient.

Die Erfindung ist nachfolgend weiter ins einzelne gehend anhand der Zeichnung erläutert In der Zeichnung zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the drawing Drawing shows

F i g. 1 einen Sensorkreis mit Alaniigerät, Batterieprüfkreis und Batterie in schematischer Darstellung;F i g. 1 a sensor circuit with aluminum device, battery test circuit and battery in a schematic representation;

Fig.2 eine typische Entladecharakteristik einer Batterie für Alarmsysteme, die aus MALLORY-BaT-TERIE-Standardbatterien RM-828-DT-Zellen und aus zwei MALLORY-BATTERIE-Spezialzellen CM-828-DT, die in Serie geschaltet sind, zusammengesetzt ist und2 shows a typical discharge characteristic of a battery for alarm systems made from MALLORY-BaT-TERIE standard batteries RM-828-DT cells and two MALLORY-BATTERIE special cells CM-828-DT, which are connected in series, is composed and

Fig. 3 die Entladekapazität der CM-828-DT-Zelle in Milliamperestunden als Funktion des Kadmiumoxidanteils in der positiven Elektrode in Gewichtsprozenten.3 shows the discharge capacity of the CM-828-DT cell in Milliamp hour as a function of the cadmium oxide content in the positive electrode in percent by weight.

F i g. 1 zeigt ein typisches, verallgemeinertes System, das eine mehrzellige Batterie 10 aufweist, um ein Alarmgerät 12 zu betätigen, sobald ein Seiisorkreis 14 auf die zu prüfende Meßgröße anspricht, weil sie sich nicht mehr im zulässigen Rahmen bewegt Der Sensorkreis 14 enthält ein geeignetes Sensorsystem, das bestimmte Operationen auszulösen und einen Schaltkreis oder ein Relais zu betätigen hat, wenn die Meßgröße einen vorbestimmten Wert passiertF i g. 1 shows a typical, generalized system which has a multi-cell battery 10 in order to activate an alarm device 12 as soon as a safety circuit 14 responds to the measured variable to be tested because it is no longer moving within the permissible range. which has to initiate certain operations and actuate a circuit or a relay when the measured variable passes a predetermined value

Die Batterie muß dazu in der Lage sein, das Alarmgerät 12 zu speisen, sobald sie vom Sensorkreis entsprechend beeinflußt wird. Sie wird daher durch einen Batterieprüfkreis 16 überwacht, der im wesentlichen einen auf Spannung ansprechenden Schalter oder ein derartiges Relais enthält, derart, daß der Schalter oder das Relais solange offen gehalten werden, wie die Batteriespannung über einem vorbestimmten Wert liegt. Fällt die Batteriespannung auf oder unter diesen Wert, so wird dadurch der notwendige Austausch der Batterie angezeigt, indem der Batterieprüfkreis 16 das Alarmgerät 12 betätigt.The battery must be able to feed the alarm device 12 as soon as it is disconnected from the sensor circuit is influenced accordingly. It is therefore monitored by a battery test circuit 16, which is essentially includes a voltage-responsive switch or relay such that the switch or the relay can be kept open as long as the battery voltage is above a predetermined value lies. If the battery voltage drops to or below this value, the necessary replacement of the Battery indicated by the battery test circuit 16 actuates the alarm device 12.

Um Irreführungen auszuschalten, kann der Sensorkreis 14 beispielsweise ein Dauersignal des Alarmgerätes 12, der Batterieprüfkreis 16 hingegen ein intermittierendes Signal erzeugen. Auch besteht die Möglichkeit, «o für den Batterieprüfkreis 16 ein separates Alarmgerät mit völlig anderer Signalcharakteristik einzusetzen.In order to eliminate misleading guidance, the sensor circuit 14 can, for example, send a continuous signal from the alarm device 12, while the battery test circuit 16 generates an intermittent signal. There is also the possibility of «o to use a separate alarm device with completely different signal characteristics for the battery test circuit 16.

Die Art der Batteriefunktion geht beispielhaft aus Fig.2 hervor. Die Kurve 20 stellt die Ausgangsspannung VaIs Funktion der Entladezeit 7"(in Stunden) einer «5 Batterie aus sieben konventionellen MALLORY-BAT-TERIE-Zellen de-τ Typs RM-828-DTdar. Es handelt sich dabei um einen beschleunigten Entladetest, der bei einer nominellen Entladerate von 1,0 Milliampere durchgeführt worden ist. Tatsächlich wird der Sensorkreis die Batterie nur mit 50 Mikroampere entladen; es wird also etwa ein Jahr vergehen, ehe die Batterie ersetzt werden muß. Unter normalen Verhältnissen mit minimaler Beanspruchung würde die Batteriespannung während einer Lebensdauer von etwa 1100 Stunden konstant auf dem Niveau der Kurve 20 verharren, wobei die Entnahmestromstärke im Sensorkreis 14 von Fig. 1 bei etwa 1,0 Milliampere liegen würde. Das Alarmgerät 12 würde etwa 50 Milliampere verbrauchen.The type of battery function is shown in FIG. 2 as an example. The curve 20 represents the output voltage VaIs function of the discharge time 7 "(in hours) of a« 5 battery made up of seven conventional MALLORY-BAT-TERIE cells de-τ type RM-828-DT. This is an accelerated discharge test, the at a nominal discharge rate of 1.0 milliamps. In fact, the sensor circuit will only discharge the battery to 50 microamps, so it will be about a year before the battery needs to be replaced. Under normal, minimal stress, battery voltage would be during would remain constant at the level of curve 20 for a service life of approximately 1100 hours, with the extraction current intensity in sensor circuit 14 of Fig. 1 being approximately 1.0 milliamps, and alarm device 12 consuming approximately 50 milliamps.

Die Kurve 22 zeigt die unter denselben Verhältnissen ablaufende Entladung zweier Zellen CM-828-DT, die sich von den Zellen RM-828-DT dadurch unterscheiden, daß ihre positiven Elektroden als zusätzlichen Aktivwerkstoff Kadmiumoxid enthalten. Die Zellenspannung sinkt deshalb nach etwa 450 Stunden Entladezeit von 1,25 V auf etwa 0,5 V ab, wie Kurve 22 zeigtCurve 22 shows the discharge taking place under the same conditions of two cells CM-828-DT, which differ from cells RM-828-DT in that their positive electrodes contain cadmium oxide as an additional active material. The cell voltage therefore drops from 1.25 V to about 0.5 V after a discharge time of about 450 hours, as curve 22 shows

Wie zuvor beschrieben, enthält die positiv Elektrode einer CM-828-DT-Zelle Mangandioxid, Quecksilberoxid und Kadmiumoxid sowie als reaktionsträgen Füllstoff noch Graphit Das Mangandioxid reagiert zuerst, danach das Quecksilberoxid Das Kadmiumoxid verbleibt also als letzter Energieträger in der Zelle, wobei die Zellenspannung auf einen Bereich von 0,5 oder 0,6 V abfälltAs previously described, contains the positive electrode a CM-828-DT cell manganese dioxide, mercury oxide and cadmium oxide as well as inert filler still graphite The manganese dioxide reacts first, then the mercury oxide. The cadmium oxide remains So as the last energy carrier in the cell, with the cell voltage in a range of 0.5 or 0.6 V. falls off

Setzt man eine eine Batterie aus sieben RM-828-DT-Zellen mit einer Spannungskurve 20 und zwei CM-828-DT-Zellen mit einer Spannungskurve 22 zusammen, so liefert die Batterie insgesamt eine Spannung, deren Verlauf in Kurve 24 wiedergegeben ist. Dabei stellt sich gleichermaßen ein Spannungsabfall von 1,5 V ein, wenn das Mangandioxid und das Quecksilberoxid der CM-828-DT-Zellen chemisch reagiert und seine Energie abgegeben hat Das Auftreten dieses Spannungsahfalles signalisiert, daß eine gewisse Energiemenge aus der Batterie abgezogen wurde. Umgekehrt wird dabei auch angegeben, wie groß der restliche Energievorrat in der Batterie ist. Somit wird die Betriebssicherheit der Anlage wesentlich erhöht. Denn man erhält nach einer vorherbestimmbaren Energieentnahme einen zuverlässigen Hinweis, daß die Batterie ausgetauscht werden muß, ohne daß dabei das Risiko eingegangen werden muß, daß beim nächstfolgenden Alarmfall keine ausreichende Energiereserve mehr in der Batterie vorhanden istIf a battery is put together from seven RM-828-DT cells with a voltage curve 20 and two CM-828-DT cells with a voltage curve 22 , the battery delivers a total voltage, the course of which is shown in curve 24. There is also a voltage drop of 1.5 V when the manganese dioxide and the mercury oxide of the CM-828-DT cells react chemically and have given up their energy. The occurrence of this voltage drop signals that a certain amount of energy has been withdrawn from the battery. Conversely, it also indicates how large the remaining energy supply is in the battery. This significantly increases the operational safety of the system. This is because after a predeterminable energy consumption one receives a reliable indication that the battery has to be replaced without having to take the risk that the battery will no longer have a sufficient energy reserve in the next alarm event

F i g. 3 zeigt, wie groß die Energie £(in Milliamperestunden) ist, die bis zur Mitte des Spannungsabfalls einer CM-828-DT-Zelle entnommen worden ist in Abhängigkeit zu dem Kadmiumoxidanteil der positiven Elektrode in Gewichtsprozenten. Der diesbezügliche Zusammenhang wird durch die Linie 30 wiedergegeben. Man kann dadurch die Elektrodenzusammensetzung so wählen, daß der Spannungsabfall von 1,5 V jeweils dann eintritt, wenn eine vorbestimmte Energiemenge aus der Batterie abgezogen wurde.F i g. 3 shows how big the energy £ (in mAh) that has been taken from a CM-828-DT cell up to the middle of the voltage drop to the cadmium oxide content of the positive electrode in percent by weight. The related context is represented by line 30. You can choose the electrode composition so that that the voltage drop of 1.5 V occurs when a predetermined amount of energy from the battery was withdrawn.

Wenn also beispielsweise eine Zelle gewünscht wird, die nach einer Leistungsentnahme von 456,8 Milliamperestunden (entsprechend der gestrichelten Linie 32) den kennzeichnenden Spannungsabfall durchmachen soll, so muß der Kadmiumoxidanteil in der positiven Elektrode 45 Gewichtsprozent betragen (entsprechend der gestrichelten Linie 45). Die übrigen Bestandteile der positiven Elektrode machen dann 55 Gewichtsprozent von deren Gesamtgewicht aus. Die gestrichelten Linien 34 und 36 geben den Arbeitsbereich an, in dem das Kadmiumoxid die Energieversorgung übernimmt, nämlich in dem Entnahmebereich zwischen 675 und 225 Milliamperestunden. So if, for example, a cell is desired that can be used after a power draw of 456.8 mAh (corresponding to the dashed line 32) should go through the characteristic voltage drop, so the cadmium oxide content in the positive electrode must be 45 percent by weight (corresponding to the dashed Line 45). The remaining components of the positive electrode then make up 55 percent by weight of theirs Total weight. The dashed lines 34 and 36 indicate the working range in which the cadmium oxide the energy supply takes over, namely in the removal area between 675 and 225 milliampere hours.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Galvanische Batterie aus mehreren gleichartigen, in Serie geschalteten Zellen, die mindestens eine durch Messung der Spannung zur Anzeige des ungefähren Ladezustandes dienende Kontrollzelle enthält, in welcher eine Elektrode verschiedene Bestandteile aufweist, die der Gegenelektrode gegenüber verschiedene Spannungen besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollzelle eine positive Elektrode hat, die im wesentlichen aus Quecksilberoxid und Kadmiumoxid besteht, daß die Gesamtkapazität der positiven Elektrode der Kontrollzelle annähernd gleich bemessen ist wie die Gesamtkapazität der positiven Elektroden aller Zellen der Batterie und daß in allen Zellen die Kapazität der negativen Elektrode geringer ist als die der positiven Elektrode.1. Galvanic battery consisting of several cells of the same type connected in series with at least one By measuring the voltage, the control cell is used to display the approximate state of charge contains, in which an electrode has different components that the counter electrode opposite have different voltages, characterized in that the control cell has a positive electrode which is essentially consists of mercury oxide and cadmium oxide that the total capacity of the positive electrode Control cell is sized approximately the same as the total capacity of all positive electrodes Cells of the battery and that in all cells the capacity of the negative electrode is less than that of the positive electrode.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle positiven Elektroden das gleiche Aktivmaterial, insbesondere Quecksiilberoxid enthalten.2. Battery according to claim 1, characterized in that all positive electrodes are the same Active material, especially mercury oxide.

3. Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode, die verschiedene Aktivmaterialien enthält, etwa 45% Quecksilberoxid, etwa 45% Kadmiumoxid, etwa 3% Mangandioxid und etwa 7% Graphit enthält.3. Battery according to one of the preceding claims, characterized in that the positive electrode, the various active materials contains, about 45% mercury oxide, about 45% cadmium oxide, about 3% manganese dioxide and about Contains 7% graphite.