DE10216906A1

DE10216906A1 - Temperaturstabilisierte, portable Spannungsversorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE10216906A1
Application number: DE2002116906
Authority: DE
Inventors: Heinz Schaefer; Andreas Zemla; Hidir Irmak
Original assignee: Dynamit Nobel GmbH
Current assignee: Dynamit Nobel GmbH
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2003-11-06

Abstract

Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt steigt in Batterien mit zunehmend abfallender Temperatur der Innenwiderstand in den Zellen so stark an, dass selbst eine vollgeladene Batterie nicht ihre volle elektrische Nennleistung erbringen kann. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, dass neben den Versorgungs-Batterien (2) zur Versorgung eines angeschlossenen Verbrauchers eine zweite, tieftemperatur-stabile Batterie (5) zur Lieferung des Heizstroms für eine Widerstandsheizung (4) zur Erwärmung der Versorgungs-Batterien (2) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spannungsversorgungseinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Batterien im Sinne von elektrochemischen Energiespeichern haben den Nachteil, dass die in ihnen ablaufende elektrochemische Reaktion und damit die maximale Leistung, die ihnen entnommen werden kann, im wesentlichen von der Innentemperatur ihrer Zellen abhängt. Insbesondere bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nimmt, abhängig von dem Batterietyp, die chemische Reaktion an den Elektroden und der Stofftransport innerhalb des Elektrolyten ab. Dadurch steigt der Innenwiderstand in den Zellen einer unterkühlten Batterie so stark an, dass selbst eine vollgeladene Batterie nicht ihre volle elektrische Nennleistung erbringen kann.

Sowohl beim zivilen als auch beim militärischen Einsatz elektronischer Geräte ist selbst bei tiefen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, bis zu -40°C, die Einsatzmöglichkeit sicherzustellen. Solche Geräte sind beispielsweise Funktelefone, Geräte zur drahtlosen oder drahtgebundenen Signalübertragung an Meßstationen, Auslöseeinrichtungen für militärische Zünder oder zivile Zünder (bei der Exploration) oder metereologische Meßgeräte.

Aus dem Stand der Technik sind deshalb bereits Verfahren und Vorrichtungen bekannt, um eine unterkühlte Batterie auf eine solche Temperatur zu erwärmen, dass sie eine vom Verbraucher geforderte elektrische Leistung erbringen kann.

Die DE 41 42 628 C1 betrifft eine Batterieheizvorrichtung für eine Starterbatterie, wie sie zum Starten von Kraftfahrzeugen üblich ist. Das Erwärmen erfolgt durch Entnahme des zum Heizen vorgesehenen Stroms aus der Batterie selbst zur Speisung von Leistungstransistoren als Heizelemente, die im Batterieraum selbst untergebracht sind. Eine Steuerschaltung regelt, abhängig von der Temperatur der Batterie, die Entnahme des Heizstromes.

Aus der DE 199 04 181 A1 ist eine Vorrichtung zum Reaktivieren von Batterien zum Einsatz in Geräten für eine drahtlose Kommunikation, insbesondere Funktelefone, bekannt, die aufgrund von Frosteinwirkung nicht in der Lage sind, einen benötigten Mindestwert an elektrischer Leistung abzugeben. Durch gesteuerte periodische Kurzschlussströme in der Batterie selbst erfolgt die Erwärmung.

Nachteilig bei den Aufheizverfahren nach dem Stand der Technik ist, dass zum Erwärmen einer Batterie aus dieser Batterie selbst Energie entnommen werden muss, die für den angeschlossenen Verbraucher verloren geht. Das Heizen mit dem Eigenstrom einer Batterie lohnt sich nur dann, wenn die Batterie eine entsprechende Kapazität aufweist. Bei kleinen Geräten, Handgeräten, mit einer Versorgung durch Einzellen-Batterien, beispielsweise der IEC-Größen R03, R6, R14 oder R20, wäre eine solche Art der Beheizung aufgrund der begrenzten Kapazität dieser Batterien nicht möglich. Batterien, die eine starke Unterkühlung bis etwa -40°C ohne größere Leistungsverluste aushalten, sind Lithium-Ionen- Batterien, die aber im Vergleich zu den Batterien mit anderer Elektrodenzusammensetzung teuer sind, so dass eine Vollversorgung mit diesen Batterien nur dann vorgesehen werden sollte, wenn keine Beheizung der Versorgungs-Batterien möglich ist. Auch Trocken-Blei-Batterien weisen bei Temperaturen bis zu -40°C kaum Leistungsverluste auf. Trocken-Blei-Batterien sind aber voluminös und schwer. Insbesondere bei portablen Spannungsversorgungseinrichtungen ist eine Vollversorgung mit Hilfe dieser Batterien deshalb keine Alternative.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine portable Spannungsversorgungseinrichtung mit herkömmlichen Trocken-Batterien vorzustellen, die auch bei Temperaturen, die normalerweise zu einem Leistungsabfall führen, die für einen angeschlossenen Verbraucher erforderliche Leistung erbringen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beansprucht.

Erfindungsgemäß weist die Spannungsversorgungseinrichtung eine erste Batterie oder mehrere erste Batterien auf, die ausschließlich einen angeschlossenen Verbraucher versorgen, sowie eine zweite Batterie, die ausschließlich dazu genutzt wird, bei einer vorgegebenen Temperatur, die unter dem Gefrierpunkt liegt, eine elektrische Heizung zu versorgen, um die Versorgungs-Batterien auf eine vorgegebene Temperatur zu erwärmen, damit von dem Verbraucher aus diesen stets eine bestimmte elektrische Leistung entnommen werden kann.

Als zweite Batterie für den Heizstrom eignen sich nur tieftemperatur-stabile Batterien, d. h. Batterien, die selbst bei -40°C keine merkbaren Verluste beim Erbringen ihrer elektrischen Nennleistung erkennen lassen. Solche Batterien sind vorzugsweise Trocken-Blei-Batterien und Litium-Ionen-Batterien. Der Vorteil gegenüber einer Vollversorgung mittels dieser Batterien liegt darin, dass zum Heizen jeweils nur eine Batterie dieses Typs erforderlich ist und dadurch Gewicht beziehungsweise Kosten eingespart werden können.

Wenn der Verbraucher elektrische Energie benötigt, wird von einer Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur die Temperatur der Versorgungs-Batterien gemessen. Ist eine vorgegebene Temperatur unterschritten, wird von dieser Einrichtung ein Signal erzeugt, das zum Schließen eines Schalters genutzt wird, mit dem der Stromkreis von der zweiten Batterie zur Heizung geschlossen wird. Die Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Versorgungs-Batterien kann ein Temperaturfühler sein. Ist die Heizung eine Widerstandsheizung, beispielsweise eine Folienheizung, kann die Einrichtung eine Schaltung zur Messung des Widerstandes der Heizung sein, mittels der die Temperatur ermittelt wird. Möglich, aber wegen der Belastung der Versorgungs-Batterien weniger zu empfehlen, ist eine Schaltung zur Messung des Innenwiderstands der Batterien, der einen Rückschluss auf ihre Temperatur ermöglicht.

Als Heizung wird eine Widerstandsheizung gewählt. Der Vorteil einer solchen Heizung liegt darin, dass der Stromfluss durch einen Widerstand direkt zu einer Erwärmung desselben führt und durch die Vorgabe des Stromflusses die Erwärmung gesteuert werden kann. Stellt die Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Versorgungs-Batterien fest, dass die vorgegebene Temperatur in den Versorgungs-Batterien erreicht oder überschritten ist, wird der Schalter geöffnet und der Heizstrom unterbrochen.

Die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinrichtung hat gegenüber den bekannten Vorrichtungen den Vorteil, dass die zur Versorgung des Verbrauchers bestimmten Batterien keine elektrische Leistung zum Betreiben der Heizung abgeben müssen und dadurch nicht geschwächt werden. Nach der Erfindung ist nur eine Batterie für den Heizstrom als zusätzlicher Raum-, Gewichts- oder Kostenfaktor zu berücksichtigen.

Die Versorgungs-Batterien müssen nicht nach ihrer Kälteempfindlichkeit gewählt werden. Beispielsweise durch den Einsatz einer einzigen Trocken-Blei-Batterie der Größe D (ANSI-Norm) mit 2 V Spannung und einer Leistung von 2,5 Ah ist es möglich, bei etwa -40°C zehn Batterien der Größe R14 auf eine Temperatur von über -10°C zu erwärmen und damit für die erforderliche Leistungsabgabe einsatzfähig zu machen. Herkömmliche Nickel-Metallhydrid-Batterien beispielsweise sind noch bis etwa -10°C, Nickel-Cadmium-Batterien sogar bis etwa -20°C einsatzfähig.

Wird durch eine Batterie an den angeschlossenen Verbraucher eine Leistung erbracht, wärmt sich durch den in den Zellen ablaufenden chemischen Prozess die Batterie selbst auf. Dadurch ist es in der Regel nur vor der Leistungsaufnahme durch den Verbraucher erforderlich, die Versorgungs-Batterien zu erwärmen. Bei nur kurzzeitiger oder periodischer Leistungsaufnahme mit größeren Pausen durch den Verbraucher kann allerdings wieder eine Abkühlung der Versorgungs- Batterien unter die kritische Temperatur erfolgen, in der der Innenwiderstand für eine genügende Leistungsabgabe zu hoch wird. Dadurch, dass die für die Heizung vorgesehene Batterie beim Einschalten der Heizung direkt eine hohe Leistung erbringen muss, erfolgt in ihr eine entsprechende Eigenerwärmung, so dass sie in der Regel zuvor nicht erwärmt werden muss.

In vorteilhafter Weise kann die Erwärmung der Versorgungs-Batterien entsprechend dem Bedarf vorgenommen werden. Die Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Versorgungs-Batterien misst ständig die Temperatur, so dass mittels eines Reglers die Heizung so regelbar ist, dass sie die Versorgungs- Batterien während der Zeit, in der sie durch den Verbraucher genutzt werden, ständig auf der vorgegebenen Temperatur hält. Die Regelung entspricht beispielsweise einer Zweipunkt-Regelung. Wenn nach einer Phase des Aufheizens die vorgegebene Temperatur durch Abkühlung wieder unterschritten ist, ist mittels eines Signals der Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Versorgungs-Batterien der Schalter im Stromkreis von der zweiten Batterie zur Heizung wieder schließbar und ein erneutes Heizen beginnt.

Steht der Zeitpunkt bereits fest, an dem der Verbraucher die elektrische Leistung aus den Versorgungs-Batterien benötigt, kann, in Abhängigkeit von dem Signal der Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Versorgungs-Batterien, durch eine Zeitschaltuhr die Heizung bereits vor dem Zeitpunkt eingeschaltet werden, damit in den Versorgungs-Batterien dann, wenn der Verbraucher eingeschaltet wird, die Zellen der Versorgungs-Batterien auf eine solche Temperatur erwärmt sind, dass sie die geforderte elektrische Leistung erbringen können. Die Zeitschaltuhr kann beispielsweise eine mechanische oder eine elektronische sein, bei der der zum Betrieb erforderliche geringe Strom, in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme der Uhr und der Zeitdauer, entweder der zum Heizen vorgesehenen Batterie oder den Versorgungs-Batterien entnommen werden kann.

Bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt steigt der Innenwiderstand der Batterien mit fallenden Temperaturen deutlich an. Für einen Einsatz bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt können erfindungsgemäß handelsübliche Batterien, beispielsweise des Typs Nickel-Metallhydrid oder Nickel-Cadmium, eingesetzt werden, wenn sie mindestens auf eine Temperatur von etwa -10°C beziehungsweise etwa -20°C erwärmt werden. Selbst bei solch niedrigen Eigentemperaturen können sie noch eine für die Versorgung des Verbrauchers genügende Leistung abgeben. Wenn diese Batterien bis zu den angegebenen Temperaturen erwärmt werden, sind sie bis zu Temperaturen von etwa -40°C einsetzbar.

Wird der Verbraucher eingeschaltet, erfolgt eine Eigenerwärmung der Batterien, die in der Regel eine weitere Heizung überflüssig macht. Der Vorteil bei diesen Batterietypen ist, dass eine Erwärmung erst bei Minustemperaturen erforderlich wird, die überwiegend nur in polaren Regionen oder im Hochgebirge die Regel sind. Beispielsweise ist auch der Einsatz von Alkali-Mangan-Zink-Rundzellen, Nickel-Zink- oder Zink-Kohle-Rundzellen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt möglich, wenn sie bis zu diesem erwärmt werden.

Es ist ökonomisch, wegen der größeren gewichts- und volumenbezogenen Energiedichte als Batterie für den Heizstrom eine Primärbatterie zu wählen. Je nach Anwendungsfall, insbesondere wenn das Gerät mit der Spannungsversorgungseinrichtung nicht nur einmal genutzt wird, ist die Wahl von aufladbaren Batterien, Sekundärbatterien, sowohl für die Batterie der Heizung als auch für die Versorgungs-Batterien, empfehlenswert. Sekundärbatterien zeichnen sich durch eine höhere Belastbarkeit als Primärbatterien aus.

Da es sich um portable Geräte handelt, in denen die erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinrichtung eingesetzt wird, müssen die Batterien klein und leicht sein. Akkumulatoren mit Flüssig-Elektrolyt sind deshalb ungeeignet. Handelsübliche Batterien beispielsweise in den ICE-Größen R03, R6, R14 oder R20 eignen sich besonders dadurch, dass durch eine geeignete Auswahl an Größe und eine entsprechende Schaltung der Batterien jede gewünschte Versorgung in den erwähnten Anwendungsgebieten abgedeckt werden kann. Mit diesen Beispielen ist die Auswahl der Batterien aber nicht beschränkt. Es können durchaus auch Batterien einer anderen Größe, beispielsweise Monoblock, Mehrzellen-Trockenbatterien, Flachbatterien oder Knopfzellen eingesetzt werden.

Durch eine Parallelschaltung der Batterien kann eine Erhöhung der Kapazität bei gleicher Spannung erreicht werden. Durch eine Hintereinanderschaltung, eine Serienschaltung, wird die Spannung erhöht, wobei durch die Hintereinanderschaltung von zwei Batterien des gleichen Typs und der gleichen Spannung die zur Verfügung stehende Spannung verdoppelt wird.

Die erwähnten Anwendungsgebiete der Spannungsversorgungseinrichtungen verlangen in der Regel eine strenge Begrenzung des Gewichts und des Platzes, so dass eine möglichst effektive Heizeinrichtung für die Versorgungs-Batterien erforderlich ist. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine Folienheizung, da sie wenig Raum einnimmt, aufgrund ihrer Flexibilität an die Raumverhältnisse angepasst werden kann, um sich an die Konturen der zu erwärmenden Batterien anzuschmiegen, und eine flächige und damit gleichmäßige Beheizung ermöglicht.

Das Erwärmen der Versorgungs-Batterien kann vorteilhaft unterstützt werden, wenn eine Isolierung zumindest des Gehäuses oder Fachs erfolgt, in dem sie sich befinden. Allerdings ist es natürlich sinnvoll, auch die für die Heizung vorgesehene Batterie zu isolieren, vor allem, um die bei der Heizung der Versorgungs-Batterien entstehende Eigenerwärmung zu unterstützen und zu erhalten.

Je nach Verwendungszweck der Spannungsversorgungseinrichtung können nur einmal verwendbare Batterien, Primärbatterien, oder wieder aufladbare, Sekundärbatterien, eingesetzt werden. Bei Wiederverwendung der Geräte ist es deshalb sinnvoll, insbesondere bei Primärbatterien, eine Austauschmöglichkeit vorzusehen. Bei Sekundärbatterien wäre bei entsprechend vorgesehenen Anschlüssen eine Auflademöglichkeit in dem Gerät selbst möglich, allerdings erscheint im Hinblick auf eine schnelle Wiederverwendbarkeit eine Austauschmöglichkeit der Batterien sinnvoller.

Anhand eines Blockschaltbilds wird die Erfindung näher erläutert. Mit 1 ist eine erfindungsgemäße Spannungsversorgungseinrichtung bezeichnet. Das Gehäuse zur Aufnahme der Batterien und die Isolierung des Gehäuses sind hier nicht dargestellt. Mit 2 sind die ersten Batterien, die Versorgungs-Batterien, bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel sind fünf Batterien hintereinandergeschaltet, um einen hier nicht dargestellten Verbraucher über den mit 3 bezeichneten Anschluss zu versorgen. Die Heizung ist eine Folienheizung 4 und umgibt die Versorgungs- Batterien 2 vollständig. Sie ist als Widerstand symbolisiert. Die Heizung 4 ist an eine zweite Batterie 5 über einen Regler 6 angeschlossen. Der Regler 6 empfängt im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem Temperaturfühler 7 als Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Versorgungs-Batterien 2 ein Temperatursignal. Liegt die an den Versorgungs-Batterien 2 gemessene Temperatur unter einer vorgegebenen Temperatur, wird ein mit 8 angedeuteter Schalter im Stromkreis von der zweiten Batterie 5 zur Heizung 4 geschlossen und die Heizung erwärmt die Versorgungs-Batterien 2 auf die vorgegebene Temperatur. Wird diese Temperatur erreicht oder überschritten, wie der Temperaturfühler 7 feststellt, wird der Schalter 8 durch den Regler 6 geöffnet und das Heizen beendet.

Claims

1. Spannungsversorgungseinrichtung, bestehend aus mindestens einer ersten Batterie, die zur Versorgung eines angeschlossenen Verbrauchers mit einer bestimmten elektrischen Leistung auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vorgesehen ist, sowie einer elektrischen Heizung zur Erwärmung der ersten, zur Versorgung vorgesehenen Batterien bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (4) eine Widerstandsheizung ist, die an einer zweiten Batterie (5) angeschlossen ist, dass diese, zur Lieferung des Heizstroms vorgesehene Batterie (5), eine tieftemperatur-stabile Batterie ist, dass eine Einrichtung (7) zur Ermittlung der Temperatur der Versorgungs-Batterien (2) vorgesehen ist, dass mittels eines Signals der Einrichtung (7) zur Ermittlung der Temperatur ein Schalter (8) im Stromkreis von der zweiten Batterie (5) zur Heizung (4) betätigbar ist und dass vor und/oder bei der Anforderung einer Leistung durch den Verbraucher bei einer unterschrittenen vorgegebenen Temperatur der Versorgungs-Batterien (2) der Schalter (8) im Stromkreis mit der Heizung (4) geschlossen und nach Erreichen oder Überschreiten der vorgegebenen Temperatur geöffnet ist.

2. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Lieferung des Heizstroms vorgesehene, tieftemperatur-stabile Batterie (5) aus Trocken-Bleizellen besteht oder eine Lithium-Ionen-Batterie ist.

3. Spannungsversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Versorgungs-Batterien (2) ein Temperaturfühler (7) ist.

4. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Ermittlung der Temperatur der Versorgungs-Batterien eine Schaltung zur Messung des Widerstandes der Widerstandsheizung ist.

5. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regler (6) vorgesehen ist zur Konstanthaltung der Versorgungs-Batterien (2) auf der vorgegebenen Temperatur.

6. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitschaltuhr vorgesehen ist zum Einschalten der Heizung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in Abhängigkeit vom Signal des Temperaturfühlers.

7. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungs-Batterien (2) Nickel- Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Batterien sind.

8. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungs-Batterien (2) wieder aufladbare Batterien sind.

9. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungs-Batterien (2) Batterien der IEC-Größen R03, R6, R14 oder R20 sind.

10. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungs-Batterien (2) hintereinander geschaltet sind.

11. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungs-Batterien parallel geschaltet sind.

12. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung eine Folienheizung (4) ist.

13. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmedämmung mindestens für das Gehäuse oder Fach vorgesehen ist, in der sich die Versorgungs-Batterien befinden.

14. Spannungsversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungs-Batterien und die den Heizstrom liefernde Batterie auswechselbar in der Spannungsversorgungseinrichtung angeordnet sind.