DE102004008569A1 - Eigensichere Batteriestromversorgung für den untertägigen Bergbau - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine eigensichere Batteriestromversorgung für elektrische Betriebsmittel im untertägigen Bergbau und in anderen, explosionsgefährdeten Bereichen, mit wenigstens einer in einem Batteriegehäuse angeordneten, aufladbaren Akkuzelle. Erfindungsgemäß besteht die wenigstens eine Akkuzelle aus einer aufladbaren Lithium-Akkuzelle und das Batteriegehäuse ist druckfest für eine explosionsgeschützte Aufnahme aller Lithium-Akkuzellen ausgebildet. Die druckfeste Ausgestaltung des Batteriegehäuses bildet die Voraussetzung für die Verwendung von Lithium-Akkuzellen im Bergbau. Erfüllt dann die Batteriestromversorgung alle Anforderungen an eine Zündschutzartzulassung, können im Batteriegehäuse auch Lithium-Akkuzellen modernerer Bauarten angeordnet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine eigensichere Batteriestromversorgung für elektrische Betriebsmittel im untertägigen Bergbau und in anderen, explosions- oder schlagwettergefährdeten Bereichen, mit wenigstens einer in einem Batteriegehäuse angeordneten, aufladbaren Akkuzelle.
  • Im untertägigen Bergbau sowie in anderen, explosions- oder schlagwettergefährdeten Bereichen besteht ein Bedarf, elektrische Betriebsmittel unabhängig von einem Stromversorgungsnetzwerk mit einer ausreichenden, eigensicheren Spannung zu versorgen. Im untertägigen Bergbau beispielsweise wird bei Raubsteuergeräten, bei Fernbedienungen, für Meßgeräte an schwer zugänglichen Stellen und für andere elektrische Betriebsmittel eine aufladbare Batteriestromversorgung eingesetzt, die Nikkel-Cadmium-Akkuzellen (NiCa-Akkus) verwenden. Die NiCa-Akkus weisen eine geringe Ladekapazität und schlechte Wiederaufladeeigenschaften auf, da sich immer dann, wenn der NiCa-Akku vor einer erneuten Wiederaufladung nicht vollständig entladen war, aufgrund des sogenannten "Memory-Effektes" eine verringerte nutzbare Ladekapazität einstellt. Aufgrund der geringen Ladekapazität von NiCa-Akkus wird im untertägigen Bergbau eine große Anzahl von Reserveakkus benötigt, die zuerst nach Untertage gebracht und dann dort zwischengelagert werden müssen. Die Wiederaufladung der NiCa-Akkus erfolgt ausschließlich Übertage, weshalb der Transport geladener bzw. entladener Akkus auch ein logistisches Problem darstellt.
  • Im untertägigen Bergbau dürfen ausschließlich Stromversorgungsquellen eingesetzt werden, die für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zugelassen sind und den für den Einsatzbereich geltenden Zündschutzartbestimmungen (z.B. ATEX, IEC, Eex etc.) entsprechen. Jede Zulassungsprüfung ist hierbei mit erheblichen Kosten verbunden. Es ist daher aus Kostengründen kaum möglich, wiederholt veränderte Akkuzellen erneut für die Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen zuzulassen.
  • Im untertägigen Bergbau werden daher häufig eigensichere Batteriestromversorgungen eingesetzt, welche technologisch nicht dem neusten Stand entsprechen und in ihrem grundlegenden Aufbau in der DE 30 50 751 C2 aus dem Jahre 1980 offenbart sind. Die Batteriestromversorgungen umfassen NiCa-Akkuzellen, die in einem Batteriegehäuse angeordnet sind, sowie eine nicht eigensichere Elektronik umfassen, die mit Silikonkautschuk vergossen in ein Elektronikgehäuse eingebettet ist, wobei die beiden Gehäuse zusammen in einem Übergehäuse eingesetzt sind. Alternativ hierzu können die Akkuzellen zugleich zusammen mit einer notwendigen Schutzbeschaltung vergossen werden, um der für die Zulassung geltenden Zündschutzart zu genügen. Eine Reparatur derartiger Batteriestromversorgungen, insbesondere ein Austausch von Akkus bei derartigen Batteriestromversorgungen, ist mit vertretbarem Aufwand nicht möglich.
  • Außerhalb des untertägigen Bergbaus, insbesondere im Bereich der Kommunikations- und Unterhaltungsindustrie, ersetzen zunehmend Lithiumakkuzellen die früher verwendeten bleihaltigen Batterien und NiCa-Akkus. Es bestehen daher grundlegende Bestrebungen, Lithium-Akkuzellen auch für andere Bereiche der Technik einsetzen zu können, wie dies beispielsweise der DE 695 18 147 T2 entnommen werden kann, welche aufladbare, wässrige Lithium-Wasserstoffionenbatterien betrifft. Allerdings treten bei Lithium-Akkuzellen erhebliche Sicherheitsprobleme hinsichtlich möglicher Explosionen der Akkuzellen auf, wie der DE 695 18 147 T2 entnommen werden kann. Eine Verwendung von Lithium-Akkuzellen im untertägigen Bergbau und in anderen explosionsgefährdeten Bereichen hat daher bis heute nicht stattgefunden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine eigensichere Batteriestromversorgung für elektrische Betriebsmittel zu schaffen, die im untertägigen Bergbau und in anderen, explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar ist, die Akkuzellen umfassen kann, welche dem aktuellen technischen Entwicklungsstand entsprechen und welche mit minimalem oder zusätzlichem Kostenaufwand eine Zulassungsprüfung für die jeweilige Zündschutzart besteht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die wenigstens eine Akkuzelle aus einer aufladbaren Lithium-Akku-Zelle besteht und daß das Batteriegehäuse druckfest für eine explosionsgeschützte Aufnahme aller Lithium-Akkuzellen ausgebildet ist. Nach der Erfindung umfaßt mithin die eigensichere Batteriestromversorgung ein Batteriegehäuse, welches derart druckfest ausgeführt ist, daß alle in ihm aufgenommenen Lithium-Akkuzellen keine Explosionsgefahr für die Umgebung bilden. Bei einer erfindungsgemäßen Batteriestromversorgung durchläuft mithin nur das druckfeste Batteriegehäuse die Zulassung für die jeweilige Zündschutzart und genügt einer hierfür vorgeschriebenen Innendruck-Druckfestigkeit bezüglich eines Innendruckes, der durch eine Explosion einer Lithium-Akkuzelle ausgelöst werden könnte. Selbst ein Austausch der tatsächlich innerhalb des die Zulassungsprüfung bestandenen druckfesten Batteriegehäuses angeordneten Lithium-Akkuzellen führt dann nicht zum Erlöschen der Zulassung für die Batteriestromversorgung.
  • Durch die druckfeste Ausführung des Batteriegehäuses lassen sich nun auch Lithium-Akkuzellen im untertägigen Bergbau verwenden. Bei diesen tritt kein merkbarer "Memory-Effekt" auf, sie haben eine wesentlich längere Lebensdauer und sie ermöglichen bei einer wesentlich höheren Ladekapazität zugleich eine deutlich längere Betriebsphase Untertage.
  • In bevorzugter Ausgestaltung ist das Batteriegehäuse druckfest und gasfest. Weiter vorzugsweise ist das Batteriegehäuse elektrolyt-resistent ausgebildet. Die vorgenannten Maßnahmen sorgen dafür, daß für die Lithium-Akkus unterschiedliche Akku-Technologien eingesetzt werden können, ohne daß eine erneute Zulassung für die Zündschutzart erfolgen muß. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß kleinere Änderungen in der Zellen-Bauform, der tatsächlichen Zusammensetzung der Lithium-Akku-Zelle und im Gehäuse der Lithium-Akkuzelle keine erneute Zündschutzart-Zulassung erfordern. Neue Akkutechnologien können daher unverzüglich in die eigensichere, erfindungsgemäße Batteriestromversorgung integriert werden.
  • Die Lithium-Akkuzellen können grundsätzlich nach jeder möglichen Akkutechnologie funktionieren. In bevorzugter Ausgestaltung kann es sich um Lithium-Ionen-Akkuzellen, Lithium-Polymer-Akkuzellen oder Lithium-Akkuzellen mit einem flüssigen Elektrolyten handeln. Beispielhaft wird hierbei auf die DE 695 18 147 T2 verwiesen.
  • Um eine elektrisch einwandfreie Funktion von Lithium-Akkuzellen, die in druckfeste Batteriegehäuse eingebaut sind, unabhängig von dem technologischen Aufbau der Lithium-Akkuzellen zu gewährleisten, ist vorzugsweise im Batteriegehäuse zusammen mit den Lithium-Akkuzellen eine vorzugsweise eigensichere Schaltung zur Überstrombegrenzung und/oder Überspannungsbegrenzung angeordnet. Durch diese Schaltung kann der an den Kontaktklemmen oder Kontakten des druckfesten Batteriegehäuses anstehende Strom und die dort anstehende Spannung immer akkuseitig auf bestimmte elektrische Maximalparameter unabhängig vom verwendeten Akkutyp begrenzt werden.
  • Bei einem möglichen Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu den Akkumulatoren im Batteriegehäuse eine Ladeschaltung angeordnet, so daß die Lithium-Akkuzellen über einen Ladestecker, der mit dem untertägigen, eigensicheren Stromversorgungsnetz verbunden ist, geladen werden können. In bevorzugter Ausgestaltung jedoch ist das Batteriegehäuse in einem Übergehäuse aufgenommen oder mit einem Um- oder Zusatzgehäuse versehen, so daß die eigensichere Batteriestromversorgung im wesentlichen nach einem Baukastenprinzip aufgebaut werden kann, indem im druckfesten Batteriegehäuse explosionssicher abgekapselte Lithium-Akkuzellen angeordnet sind, die mit allen erforderlichen oder erwünschten, im Um- oder Übergehäuse angeordneten Schaltungen kombiniert werden können. Bei dieser Ausgestaltung kann außerdem das Batteriegehäuse aus einem leichtgewichtigen, druckspannungsresistenten Material wie einem Leichtmetall, insbesondere Aluminiumblech, bestehen, während das Übergehäuse aus einem geeigneten Kunststoff besteht.
  • Die Batteriestromversorgung kann vorzugsweise eine Ladeschaltung, insbesondere eine eigensichere Ladeschaltung umfassen, die innerhalb des Übergehäuses und außerhalb des Batteriegehäuses angeordnet ist. Grundsätzlich ist hierbei von Vorteil, wenn die Ladeschaltung eine Regelelektronik zur Regelung des Ladestroms und der Ladespannung für die Lithium-Akkuzellen umfaßt. Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mit Übergehäuse ist besonders vorteilhaft, wenn am Übergehäuse eine Ladebuchse befestigt ist, in die ein mit dem Strom des untertägigen Stromversorgungsnetzwerks speisbarer Ladestecker einsteckbar ist. Am Übergehäuse können dann weiter vorzugswei se auch die Lade- und Stromentnahmebuchsen und/oder Betriebsumschalter und/oder Ein-/Ausschalter befestigt sein. Weiter vorzugsweise kann bei dieser Ausgestaltung innerhalb des Übergehäuses und außerhalb des Batteriegehäuses eine für den Betrieb notwendige äußere Schutzbeschaltung angeordnet sein. Zweckmäßigerweise sind dann die Ladeschaltung und die Schutzbeschaltung elektrisch zwischen elektrischen Kontaktstellen- oder Anschlußleitungen am druckfesten Batteriegehäuse für die Lithium-Akkuzellen und den Lade- und Stromentnahmebuchsen zwischengeschaltet.
  • Bei der insbesondere bevorzugten Ausgestaltung liefern die Lithium-Akkuzellen im druckfesten Batteriegehäuse zusammen eine interne Betriebsspannung, die größer ist als die externe, an den elektrischen Betriebsmitteln eigensicher anlegbare Betriebsspannung. Um ein ausreichend hohes Spannungspotential zu erhalten, können mehrere Lithium-Akkuzellen in Reihenschaltung angeordnet sein. Um trotz des höheren, internen Spannungspotentials eine Ladung mit dem eigensicheren, untertägigen Stromversorgungsnetzwerk zu erreichen und außerdem keine Spannungsüberhöhung am Endverbraucher hervorzurufen, sind zweckmäßigerweise die Ladeschaltung und/oder die Strombegrenzungsschaltung mit Gleichstromwandler zum Transformieren der Spannungspotentiale auf die entsprechend höhere interne Betriebsspannung bzw. entsprechend niedrigere externe Betriebsspannung versehen. Zur Transformation können insbesondere DC/DC-Wandler verwendet werden.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel.
  • In der einzigen 1 ist insgesamt mit Bezugszeichen 10 eine Batteriestromversorgung für den untertägigen Bergbau bezeich net. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt die Batteriestromversorgung ein druckfestes Batteriegehäuse 1 sowie ein Um- oder Zusatzgehäuse 2. Das Batteriegehäuse 1 umfaßt einen Batteriekasten 3, in dessen Aufnahmeraum 4 eine Lithium-Ionen-Akkuzelle 5, welche vorzugsweise aus mehreren, in Reihe geschalteten Lithium-Ionen-Akkuzellen besteht, angeordnet ist. Der Batteriekasten 3 ist mit einem Batteriekastendeckel 6, durch den hindurch die Lithium-Ionen-Akkuzelle im Aufnahmeraum 4 montiert werden kann, druckfest verschlossen, beispielsweise durch mehrere, in der Zeichnung angedeutete Verschraubungen 7. Die Wandstärke der Umgebungswände des Batteriekastens 3 und des Deckels 6 sowie die Verschraubung 7 sind derart ausgeführt, daß das Batteriegehäuse 1 selbst dann druck- und gasdicht verschlossen bleibt, wenn im Innenraum 4 eine Explosion mit einem bestimmten, maximalen Explosionsdruck auftritt. Die Druckfestigkeit des Batteriegehäuses 1 ist hierbei an den maximal bei Lithium-Akkuzellen 5 zu erwartenden Berstdruck angepaßt. Das Material für den Batteriekasten 3 und den Deckel 6 sowie die zwischen beiden vorhandenen Dichtungen sind derart gewählt, daß das Batteriegehäuse 1 gasdicht und resistent gegenüber solchen Elektrolyten ist, welche die aufladbare Lithium-Akkuzelle 5 für die Bewegung und Leitung der Ionen verwendet, um mit der oder den Lithium-Akkuzellen 5 eine Energieversorgung für eigensichere Betriebsmittel im untertägigen Bergbau zu schaffen.
  • Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Umgehäuse 2 an einer Stirnseite des Batteriekastens 3, gegenüber dem Deckel 6, mittels einer Verschraubung 8 angeschraubt. Das Ausführungsbeispiel dient nur zur schematischen Erläuterung des Aufbaus der Erfindung, da in einer insbesondere bevorzugten Ausgestaltung der Batteriekasten 3 und dessen Deckel 6 aus einem Leichtmetall wie insbesondere Aluminium bestehen, während das Umgehäuse 2 aus einem geeigneten Kunststoff besteht und den Batterie kasten und den Deckel 6 vollständig umschließt, so daß die Batteriestromversorgung 10 keine metallischen Oberflächen aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel hingegen könnte die Oberfläche 3' des Batteriekastens 3 und die Oberfläche 6' des Deckels 6, wenn diese aus Aluminiumblechen bestehen, auch mit einem Kunststoffüberzug versehen sein, um den gleichen Effekt zu erreichen.
  • Im Umgehäuse 2 ist eine schematisch mit einer Platine 9 angedeutete Schaltung mit mehreren Funktionen angeordnet. Alle Schaltungen auf der Platine 9 sind vorzugsweise eigensicher. Die Schaltung 9 ist über elektrische Verbindungen 11, 12 oder Verbindungsleitungen sowie wenigstens eine Sensorleitung 13 für einen Temperatursensor mit den entsprechenden Kontaktstellen an der Lithium-Akkuzelle 5 verbunden. Die Leitungen 11, 12, 13 durchgreifen eine Öffnung 14 im Boden des Batteriekastens 3, wobei die Öffnung 14 auf geeignete Weise durch Einbauteile, Vergußmassen und/oder Stabilitätsstützen als druckfeste Durchführung 15 ausgebildet und verschlossen ist. Auf der Schaltplatine 9 sind zum einen eine eigensichere Ladeschaltung und zum anderen eine eigensichere Schutzbeschaltung angeordnet. Die Schutzbeschaltung ist elektrisch zwischen die Leitungen 11, 12, 13 und eine für die Verwendung im untertägigen Bergbau zugelassene, schematisch angedeutete Stromentnahmebuchse 16 zwischengeschaltet, an welche ein Verbraucher angeschlossen werden kann. Zusätzlich zur Stromentnahmebuchse 16 ist im Umgehäuse 2 noch eine Ladebuchse 17 angeordnet. Die Schaltplatine 9 enthält eine Ladeschaltung, die zwischen der Ladebuchse 17 und den Anschlußleitungen 11, 12 für die Lithium-Akkuzelle 5 zwischengeschaltet ist, damit die Lithium-Akkuzelle der eigensicheren Batteriestromversorgung 10 Untertage über einen nicht dargestellten Ladestecker, der an das untertägige Stromversorgungsnetzwerk angeschlossen ist, wieder aufgeladen werden kann/können.
  • In bevorzugter Ausgestaltung weisen die Lithium-Akkuzellen 5 an den beiden Anschlußklemmen 11, 12 ein Spannungspotential auf, welches größer ist als dasjenige Spannungspotential, welches für den Betrieb von Steuergeräten, Raubsteuergeräten, Meßgeräten und anderen, nicht ortsfesten elektrischen Betriebsmitteln ohne Anschlußmöglichkeit an das untertägige Energieversorgungsnetz benötigt werden. Sowohl die Lade- als auch die Schutzschaltung auf der Schaltplatine 9 umfaßt dann Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler), um die interne Betriebsspannung der Akkuzellen 5 auf die an der Stromentnahmebuchse 16 benötigte externe Betriebsspannung zu transformieren bzw. die an der Ladebuchse 17 anliegende Betriebsspannung auf die benötigte höhere Betriebsspannung zu transformieren.
  • In der Figur ist nicht dargestellt, daß im Innenraum 4 des Batteriegehäuses 1 zusätzlich noch eine Schaltung zur Überstrombegrenzung und/oder Überspannungsbegrenzung angeordnet sein kann, mit denen der Maximalwert der mit den Lithium-Akkuzellen 5 abgegebenen Spannung begrenzt werden kann. Außerdem kann die Ladeschaltung eine Regelelektronik zur Regelung des Ladestroms und der Ladespannung für die Lithium-Akkuzellen umfassen.
  • Für den Fachmann ergeben sich zahlreiche Modifikationen, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen sollen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist rein schematisch und soll den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche nicht begrenzen.

Claims (18)

  1. Eigensichere Batteriestromversorgung für elektrische Betriebsmittel im untertägigen Bergbau und in anderen, explosions- oder schlagwettergefährdeten Bereichen, mit wenigstens einer in einem Batteriegehäuse angeordneten, aufladbaren Akkuzelle, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Akkuzelle aus einer aufladbaren Lithium-Akkuzelle (5) besteht und das Batteriegehäuse (1) druckfest für eine explosionsgeschützte Aufnahme aller Lithium-Akkuzellen (5) ausgebildet ist.
  2. Batteriestromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Batteriegehäuse (1) gasfest ausgebildet ist.
  3. Batteriestromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Batteriegehäuse (1) elektrolytresistent ausgebildet ist.
  4. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithium-Akkuzellen (5) aus Lithium-Ionen-Akkuzellen oder Lithium-Polymer-Akkuzellen bestehen.
  5. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithium-Akkuzellen einen flüssigen Elektrolyten umfassen.
  6. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Batteriegehäuse (1) zusammen mit den Akkuzellen (5) eine vorzugsweise eigensichere Schaltung zur Überstrombegrenzung und/oder Überspannungsbegrenzung angeordnet ist.
  7. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Batteriegehäuse eine Ladeschaltung angeordnet ist.
  8. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Batteriegehäuse (1) in einem Übergehäuse aufgenommen oder mit einem Zusatzgehäuse (2) versehen ist.
  9. Batteriestromversorgung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Batteriegehäuse (1) aus einem leichtgewichtigen, druckspannungsresistenten Material wie einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, und das Übergehäuse oder Zusatzgehäuse (2) aus einem Kunststoff besteht.
  10. Batteriestromversorgung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Über- oder Zusatzgehäuses (2) und außerhalb des Batteriegehäuses (1) eine eigensichere Ladeschaltung (9) angeordnet ist.
  11. Batteriestromversorgung nach Anspruch 7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeschaltung (9) eine Regelelektronik zur Regelung des Ladestroms und der Ladespannung für die Lithium-Akkuzellen umfaßt.
  12. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergehäuse eine Ladebuchse (16) befestigt ist, in die ein mit dem Strom des untertägigen Stromversorgungsnetzwerks speisbarer Ladestecker einsteckbar ist.
  13. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß am Übergehäuse Lade- und Stromentnahmebuchsen (16, 17) und/oder Betriebsumschalter und/oder ein Ein-/Ausschalter befestigt ist.
  14. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Übergehäuses (2) und außerhalb des Batteriegehäuses (1) eine äußere Schutzbeschaltung (9) angeordnet ist.
  15. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeschaltung und die Schutzbeschaltung (9) elektrisch zwischen elektrischen Kontaktstellen am Batteriegehäuse für die Lithium-Akkuzellen und den Lade- und Stromentnahmebuchsen (16, 17) zwischengeschaltet sind.
  16. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithium-Akkuzellen (5) im Batteriegehäuse (1) zusammen eine interne Betriebsspannung liefern, die größer ist als die externe, an den elektrischen Betriebsmitteln eigensicher anlegbare Betriebsspannung.
  17. Batteriestromversorgung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeschaltung und/oder die Strombegrenzungsschaltung mit Gleichstromwandlern zum Transformieren der Spannungspotentiale versehen sind.
  18. Batteriestromversorgung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithium-Akkuzellen (5) über eine druckfeste Durchführung (15) im Batteriegehäuse mit der Schaltung (9) verbunden sind.
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