DE2819584A1

DE2819584A1 - Schaltung zur sicherung von speicherzellen

Info

Publication number: DE2819584A1
Application number: DE19782819584
Authority: DE
Inventors: Henner Dipl Phys Dr Meinhold
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1978-05-05
Filing date: 1978-05-05
Publication date: 1979-11-08
Also published as: DE2819584C2

Description

Schaltung zur Sicherung von Sneicherzellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zur gleichmäßigen Ladung und Entladung für in Serienschaltung zu einer Batterie zusammengeschalteten elektrochemischen Speicherzellen oder Gruppen von mehreren parallelgeschalteten Speicherzellen auf der Basis von Alkalimetall und Chalkogen mit mindestens einem für die Aufnahme des Anolyten bestimmten Anodenraum und einem für die Aufnahme des Katholyten bestimmten Kathodenraum, welche durch eine alkali-ionenleitende Festelektrolytwand voneinander getrennt sind.
Solche wiederaufladbaren elektrochemischen Speicherzellen mit Festelektrolyten eignen sich sehr gut zum Aufbau von Akkumulatoren höherer Energie- und Leistungsdichte. Der z.B.
bei Natrium/Schwefel-Speicherzellen verwendete Elektrolyt aus p #-Aluminiumoxid läßt nur Natriumionen passieren. Dies bedeutet im Gegensatz zum Blei-Akkumulator, daß praktisch keine Selbstentladung stattfindet und beim Laden keine Nebenreaktionen ablaufen, wie etwa eine Wasserzersetzung beim Blei/Bleioxid-System. Die Stromausbeute, d.h. der Faraday-Wirkungsgrad einer Natrium/Schwefel-Speicherzelle liegt daher bei 100 %.
Diesen Vorteilen steht der betriebliche Nachteil gegenüber, daß solche Zellen weder überladen noch überentladen werden können, wie dies im Bleiakkumulator möglich ist.
Aus diesem Grund wird in einer Serienschaltung die Gesamtkapazität durch die Zelle mit der geringsten Kapazität bestimmt. Besonders schwerwiegend ist, daß Speicherzellen, die z.B. mit einem anderen Ladezustand eingesetzt werden, nie mit dem übrigen Strang synchronisiert werden können. Beim Bleiakkumulator ist es möglich, durch tberladung - mit Wasserstoff/Sauerstoff-Entwicklung (Ausgleichsladung) - alle Zellen in den gleichen Zustand zu versetzen.
Um dieser unterschiedlichen Aufladung der Speicherzellen einer Batterie entgegen zu wirken, werden zunächst mehrere Speicherzellen parallelgeschaltet, bevor mehrere solcher Gruppen aus parallelgeschalteten Zellen in Serie gelegt werden. Dadurch wird erreicht, daß sich innerhalb einer Gruppe, die aus mehreren parallelgeschalteten Zellen besteht, aufgrund von Ausgleichsströmen der gleiche Lade zustand aller Zellen einstellt. Statistisch gesehen unterscheiden sich die Gesamtkapazitäten der einzelnen Gruppen weniger voneinander als die Kapazitäten einzelner Speicherzellen.
Eine grundlegende Verbesserung des Aufladezustandes einer Batterie läßt sich allerdings so ebenfalls nicht erreichen, da weiterhin der Parallelblock mit der kleinsten Kapazität die Gesamtkapazität der Batterie bestimmt und die Lade zu stände verschiedener Blöcke nicht ausgeglichen werden können.
Ein weiterer Nachteil dieser elektrochemischen Speicherzellen zeigt sich bei der Entladung einer Batterie. Ist beispielsweise eine Zelle einer Serienschaltung von vielen Zellen oder sind die parallelgeschalteten Zellen einer Gruppe, die mit weiteren Gruppen in Serie geschaltet ist, bereits entladen, so wirkt der Entladupstrom der noch nicht entladenen Zellen der Batterie auf die bereits entladenen Zellen als ein von außen aufgezwungener Strom. Unter der Einwirkung dieses aufgezwungenen Stromes kommt es zu einer Umpolung der Zellspannung der bereits entladenen Zellen. Diese entladen sich weiter und werden dabei zerstört.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung für eine elektrochemische Speicherzelle oder mehrere parallelgeschalteten Speicherzellen einer Gruppe so zu schaffen, daß bei der Serienschaltung mehrerer Speicherzellen oder solcher Gruppen von parallelgeschalteten Speicherzellen zu einer Batterie die vollständige .Aufladung einer jeden Speicherzelle bis zu ihrer maximalen Kapazität möglich wird.
Ferner soll die Schaltung die Überentladung jeder Speicherzelle der Batterie verhindern.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß jeder in Serie geschalteten Speicherzelle oder jeder Gruppe von Speicherzellen mindestens je ein Schutzelement parallelgeschaltet ist, das beim Erreichen einer vorgegebenen maximalen Auf- oder Entladung der Speicherzelle(n) deren Stromkreis überbrückt und das steuernd mit einem Schalter in Verbindung steht, der mit den negativen und positiven Elektroden dieser Speicherzellen und den Anschlußpólen direkt leitend verbindbar ist und daß das Schutzelement an beide Anschlußpole direkt und die Speicherzelle(n) an mindestens einen der beiden Anschlußpole über den Schalter angeschlossen sind.
In vorteilhafter Weise kann mit dieser Schaltung jede Zelle der Batterie auf ihre Maximalkapazität aufgeladen werden.
Ferner besteht auch die Möglichkeit, Zellen in die Batterie einzusetzen, die sich in einem anderen Ladezustand als die übrigen Zellen der Batterie befinden, da mit dieser Schaltung eine Synchronisierung dieser Zellen mit dem übrigen Serienstrang von einzelnen oder in Gruppen zusammengefaßten Zellen in Parallelschaltung möglich ist. Bei der Parallelschaltung von Zellen zu einer Gruppe stellt sich aufgrund von Ausgleichsströmen innerhalb dieser Gruppe der gleiche Ladezustand bei allen Zellen ein.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltung besteht das Schutzelement aus der Serienschaltung einer Zenerdiode und einem Heizelement. Die negative Elektrode der Zener-Diode ist hierbei mit dem positiven Anschlußpol verbunden.
In vorteilhafter Weise wird bei Erreichen der maximalen Ladekapazität der Zelle oder den parallelgeschalteten Zellen einer Gruppe der Ladestrom von der Zenerdiode übernommen.
Beim Erreichen einer bestimmten Unterentladung der Zellen übernimmt die Zener-Diode ebenfalls den von außen aufgezwungenen Strom. Zusätzlich spricht das Heizelement auf diesen aufgezwungenen Strom an und betätigt über die wärmeleitende Verbindung den Schalter, so daß die Zelle(n) aus dem Stromkreis herausgetrennt werden.
In vorteilhafter Weise ist die Nennspannung der Zener-Diode so gewählt, daß sie der maximalen Ladespannung der Zelle oder den in einer Gruppe parallelgeschalten Zellen entspricht.
Desweiterensiet die hierbei verwendete Zener-Diode so ausgebildet, daß/bei einer Entladespannung der Zelle oder den Zellen von - 0,7 V ebenfalls stromführend ist.
Bei einer weiteren Auführungsform der Erfindung besteht das Schutzelement aus der Reihenschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandes und einem Heizelement. Diese schützen die Zellen ebenfalls vor einer Über- bzw. Unterentladung. In vorteilhafter Weise wird auch hier beim Erreichen der maximalen Ladekapazität der Zelle(n) der Ladestrom von dem spannungsabhängigen Widerstand übernommen. Das Gleiche geschieht.
beim Erreichen einer bestimmten Unterentladung der Zelle(n).
Der spannungsabhängige Widerstand ist so ausgelegt, daß er beim Erreichen der maximalen Ladekapazität der Speicherzelle(n) stromführend ist. Das Gleiche gilt beim Erreichen einer Entladespannung, deren Wert zwischen - 0,7 und -2,5 V. liegt.
Auf den von außen aufgezwungenen Entladestrom spricht das Heizelement an und betätigt über die wärmeleitende Verbindung der Schalter, der die Zellen aus dem Stromkreis heraustrennt.
Nachfolgend werden die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näner erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 die Schaltung mit einer Zener-Diode und einem Heizelement in Verbindung mit einer Gruppe von drei parallelgeschalten Speicher zellen, Fig. 2 die Schaltung mit einer Zener-Diode und einem Heizelement in Verbindung mit einer einzigen Speicherzelle, Fig. 3 die Schaltung mit einem spannungsabhängigen Widerstand und einem Heizelement in Verbindung mit mehreren parallelgeschalteten Speicherzellen, Fig. 4 die idealisierte Strom-Spannungs-Kennlinie einer Speicherzelle.
Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung ist im wesentlichen aus einer Zenerdiode 1, einem Heizelement 2, einem Schalter 3 und drei Speicherzellen 4 aufgebaut.
Die drei Speicherzellen 4 sind parallelgeschaltet und bilden eine Gruppe. Eine solche Gruppe kann mit weiteren Gruppen, die ebenfalls mehrere parallelgeschaltete Speicherzellen aufweisen, in Form einer Serienschaltung zu einer Batterie zusammengefaßt werden.
Die positiven Elektroden der Speicherzellen 4 sind mit dem Anschlußpol 5 verbunden. Die Kathode der Zenerdiode 1 ist ebenfalls an diesen positiven Anschlußpol 5 angeschlossen.
Die Anode der Zenerdiode 1 steht über das Heizelement 2 mit dem negativen Anschlußpol 6 in Verbindung.
Eine wärmeleitende Verbindung 7 besteht zwischen dem Heizelement 2 und dem Schalter 3. Der elektrisch leitende Kontakt des Schalters 3 ist im normalen Betriebs zustand mit dem Kontaktpunkt 8 verbunden, an den die negativen Elektroden der Speicherzellen 4 angeschlossen sind.
Ein weiterer Kontaktpunkt 9 ist an die positiven Elektroden der Speicherzellen 4 und an den positiven Anschlußpol 5 angeschlossen. Mit ihm ist der Schalter 3 ebenfalls verbindbar. Es besteht auch die Möglichkeit, die Zellen 4 direkt mit dem negativen Anschlußpol 6 zu verbinden und den Schalter 3 zwischen den Zellen 4 und dem Anschlußpol 5 anzuordnen.
Der Kontaktpunkt 9 ist dann mit dem Anschlußpol 6 zu verbinden.
Alle Elemente der Schaltung, außer der Zenerdiode, können innerhalb der Batterie angeordnet werden, da sie temperaturunempfindlich sind.
Wie Fig. 2 zeigt, kann die erfindungsgemäße Schaltung nicht nur bei einer Vielzahl von parallelgeschalteten Speicherzellen 4 Verwendung finden. Es besteht auch die Möglichkeit, diese Schaltung auf eine Einzelzelle anzuwenden. Die Schaltung für eine Zelle ist ebenso aufgebaut wie die Schaltung für mehrere parallelgeschaltete Zellen. Auch sie weist eine Zenerdiode 1, ein Heizelement 2 und einen Schalter 3 auf. Die positivie Elektrode der Speicherzelle 4 sowie die Kathode der Zenerdiode 1 und ein Kontaktpunkt 9 sind an den positiven Anschlußpol 5 angeschlossen.
Die Anode der Zenerdiode 1 steht auch hierbei über das Heizelement 2 mit dem negativen Anschlußpol 6 in Verbindung. Die negative Elektrode der Zelle 4 ist über den Kontaktpunkt 8 und den Schalter 3 ebenfalls an den negativen Anschlußpol 6 anschließbar. Auch hierbei besteht zwischen dem Heizelement 2 und dem Schalter 3 eine wärmeleitende Verbindung 7. Im störungsfreien Betrieb der SpeicherzeLe ist der Schalter 3 mit dem Kontaktpunkt 8 verbunden.
Nachfolgend wird die Wirkungsweise der Schutzschaltung näher erläutert. Zum besseren Verständnis ihrer Funktionsweise und der Funktionsweise einer Speicherzelle dient die in Fig. 4 dargestellte idealisierte Stromspannungskennlinie einer Speicherzelle.
Um eine leere Speicherzelle oder mehrere parallelgeschaltete leere Speicherzellen aufzuladen, wird an die Anschlußpole 5 und 6 eine Stromquelle angeschlossen (hier nicht dargestellt), die den negativen Ladestrom 11 liefert. Hat die Spannung der Zellen den in Fig. 4 mit A bezeichneten Wert erreicht, so sind sie auf ihre maximale Kapazität aufgeladen. Zwischen mehreren parallelgeschalteten Zellen einer Gruppe fließt ein Ausgleichsstrom, der den gleichmäßigen ladezustand aller Zellen bewirkt. Durch die Aufladung sind die Zellen hochohmig geworden, d.h.-der durch sie fließende Strom wird kleiner. Bei der Aufladung kann die Spannung der Zellen maximal bis. zu dem mit B bezeichneten Wert ansteigen.
Wie dem Diagramm in Fig. 4 zu entnehmen ist, fließt jetzt durch die Zellen nur noch ein sehr kleiner Strom Im. Das bedeutet, daß weitere, mit dieser Einzelzelle oder dieser Gruppe verbundene, noch nicht vollständig auf ihre Naximalkapazität aufgeladene Einzel-Zellen oder Gruppen nicht mehr weiter aufgeladen werden. Anders ausgedrückt, bei einer Serienschaltung bestimmt die Zelle oder die Gruppe von Zellen mit der geringsten Kapazität die Gesamtkapazität aller Zellen der Batterie.
Eine vollständige Aufladung aller in Serie geschalteten Zellen oder Gruppen von parallelgeschalteten Zellen wird nun durch die Parallelschaltung der erfindungsgemäßen Schaltung ermöglicht. Zu diesem Zweck wird in der Schaltung eine Zenerdiode verwendet, deren Nennspannung der maximalen Ladespannung der Zelle oder den Zellen einer Gruppe entspricht.
Hat die Zelle bzw. haben die Zellen einer Gruppe bei der Aufladung eine Spannung mit dem Wert B erreicht, so ist damit auch die erforderliche Nennspannung für die Zenerdiode gegeben. Dies bedeutet, daß der Strom jetzt nicht mehr über die Zellen, sondern über die Zenerdiode fließt. Da der für die vollständige Aufladung der übrigen Zellen noch fließende Strom relativ klein ist, spricht das mit der Zenerdiode in Reihe geschaltete Heizelement 2 nicht an. Das Ansprechen der Zenerdiode gibt also genaue Auskunft über den Zeitpunkt, zu dem die Zelle oder die Gruppe von Zellen volzständig aufgeladen ist. Durch Anschluß eines Anzeigegerätes an die Zenerdiode kann dieser Zeitpunkt erfaßt und optisch angezeigt werden.
Mit dieser erfindungsgemäßen Schaltung kann der Stromkreis der bereits aufgeladenen Zellen überbrückt werden, bis alle Zellen einer Batterie auf ihre maximale Kapazität aufgeladen sind. Schon bei der Ruhespannung- bzw. bei der Entladung, d.h.
bei der Belastung der Batterie, sinkt die Spannung der Zelle(n) wieder unter die Nennspannung der Zenerdiode , so daß diese wieder stromfrei werß~n) Der Schnittpunkt der Kurve l, die den jeweiligen Lade zustand der Zelle kennzeichnet, mit der Ordinate U wird als Ruhespannung der Zelle bezeichnet. Bei Belastung einer Zelle oder den Zellen einer Gruppe fließt ein Entladungsstrom und die Spannung der Zellen nimmt ab, bis die Spannung den Wert Null erreicht hat und ein Kurzschlußstrom fließt. Sind zu diesem Zeitpunkt die mit dieser Gruppe in Serie geschalteten Gruppen noch nicht vollständig entladen, so wird der bereits entladenen Zelle oder Gruppe von Zellen von außen ein Strom 1a aufgezwungen. Dieser bewirkt die Umpolung der Zelispannung, d.h. sie wird negativ und kann beispielsweise den im Diagramm mit C bezeichneten Wert erreichen. Ist nun in der Schutzschaltung eine Zenerdiode eingebaut, deren Durchlaßspannung relativ klein ist, so wird damit erreicht, daß der von außen aufgezwungene Strom 1a bei Erreichen der Durchlaßspannung der Zenerdiode auf selbige übergeht. Da der jetzt durch die Zenerdiode fließende Strom sehr groß ist, spricht das mit ihr in Reihe geschaltete Heizelement 2 an.
Über die wärmeleitende Verbindung 7 nimmt das Heizelement 2 Einfluß auf den Kontakt des Schalters 3 und unterbricht seine bisherige Verbindung mit dem Kontaktpunkt 8 und stellt die Verbindung zwischen dem Schalter und dem Kontaktpunkt 9 her. Die über die Verbindung 7 geleitete Wärmqkann beispielsweise einem Bimetall zugeführt werden, das den Kontakt des Schalters 3 steuert. Andere wärmegesteuerte Elemente sind ebenfalls verwendbar, Auch ein mechanische Kräfte übertragendes Relais könnte zwischen dem Heizelement und dem Schalter angeordnet werden, um den Kontakt zu steuern. Damit sind die Zellen der betrachteten Gruppe aus dem Stromkreis herausgetrennt und vor einer Zerstörung geschützt.
Die vollständige Entladung der übrigen, noch teilweise geladenen Zellen kann nun ungehindert erfolgen.
Unter Verwendung bekannter Schaltelemente kann die Verbindung des Schalters 3 mit dem Kontaktpunkt 9 zeitlich begrenzt oder dauerhaft erfolgen. Während dieser Zeit erfolgt der Stromfluß von einem Anschlußpol zum anderen über den Schalter 8 und den Kontaktpunkt 9.
Die erfindungsgemäße Schaltung kann nun so aufgebaut werden, daß die Verbindung des Schalters 3 mit dem Kontaktpunkt 9 irreversibel ist. Dies ist dann der Fall, wenn der Kontaktdes Schalters 3 über eine Schmelzsicherung gesteuert wird.
Das heißt, die gefährdete Zellgruppe kann nur durch einen Eingriff in der Werkstatt wieder in Gang gesetzt werden.
Nachdem alle Zellen geprüft und nachgeladen sind.
Die Schaltung kann jedoch auch so ausgebildet werden, daß der Schalter 3 nur für eine endliche Zeit mit dem Kontaktpunkt 9 verbunden wird, d.h. daß eine kurzzeitige Überentladung durch Verminderung des Stromes, eine Ruhepause und eine Nachladung wieder behoben wird.
Eine sehr vereinfachte Ausführungsform der Erfindung wäre dadurch zu erreichen, daß das Heizelement 2 und der Schalter 3 entfallen und der Zelle oder den Zellen einer Gruppe nur eine Zenerdiode parallelgeschaltet wird, die in dem Augenblick, indem die Zelle(n), gleichgültig aus welchem Grund, hochohmig werden, den Strom übernimmt.
Eine weitere Ausführungsform der Schaltung zeigt Fig. 3.
Anstelle der Zenerdiode 1 ist hier ein spannungsabhängiger Widerstand vorgesehen. Er ist zum einen ebenso wie die positiven Elektroden der drei Zellen 4 an den positiven Anschlußpol 5 angeschlossen. Zum anderen ist er über das Heizelement 2 mit dem negativen Anschlußpol 6 verbunden. Zwischen dem Heizelement 2 und dem Schalter 3 besteht auch hier eine wärmeleitende Verbindung 7. Der Schalter 3 stellt im normalen Betriebszustand die Verbindung zwischen den negativen Elektroden der Zellen und dem negativen Anschlußpol 6 her. Zu diesem Zweck ist der Schalter 3 an den Kontaktpunkt 8 angeschlossen. Sollen die Zellen 4 bei einer möglichen Unterentladung aus dem Stromkreis herausgetrennt werden, so wird der Schalter 3 unter dem Einfluß des Heizelementes 2 mit dem Kontaktpunkt 9 verbunden. Dieser ist an die positiven Elektroden und an den Anschlußpol 5 angeschlossen. Eine andere Anordnung des Schalters und der Kontaktpunkte ist auch hierbei möglich.
Die Wirkungsweise dieser Schaltung entspricht der in Figur 1 gezeigten. Sind die Zellen auf ihre maximale Kapazität aufgeladen, d.h. sie haben ihre maximale Spannung erreicht und sind hochohmig geworden, so übernimmt der spannungs abhängige Widerstand 1 den Strom. Er ist so eingestellt, daß er beim Erreichen der maximalen Ladespannung der Zellen anspricht.
Der kleine, durch ihn fließende Strom läßt das Heizelement 2 nicht ansprechen.
Kommt es zu einer Unterentladung der Zeilen und werden diese dadurch hochohmig, so fließt der von außen aufgezwungene Strom ab einem bestimmten negativen Wert der Spannung - 0,7 bis - 2,5 V, wieder über den spannungsabhängigen Widerstand und das Heizelement 2. Auch dieser Spannungswert ist am Widerstand einstellbar. Da der bei einer Unterentladung der Zellen von außen aufgezwungene Strom sehr groß ist, spricht das Heizelement 2 an. Dies steuert den Schalter 3 über die wärmeleitende Verbindung 7 an. Durch die Verbindung des Schalters mit dem Kontaktpunkt 9 sind die Zellen wiederum aus dem Stromkreis herausgetrennt und vor einer Zerstörung bewahrt.
Mit einer geeigneten Schaltung, die mit bekannten Elementen aufgebaut ist, kann die Verbindung des Schalters 3 mit dem Kontaktpunkt 9 dauerhaft erfolgen oder zeitlich begrenzt werden.
Das in der Schaltung benutzte Schutzelement ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Es können vielmehr alle Bauelemente eingesetzt werden, deren Kennlinien der in Fig. 4 gezeichneten Kurve k entsprechen.
Leerseite

Claims

Patntansprche I t) (;) Schaltung zur gleichmäßigen Ladung und Entladung für in Serienschaltung zu einer Batterie zusaininengeschalteten elektrochemischen Speicherzellen oder Gruppen von mehreren parallelgeschalteten Speicherzellen auf der Basis von Alkalimetall und Chalkogen mit mindestens einem für die Aufnahme des Anolyten bestimmten Anodenraum und einem für die Aufnahme des Katholyten bestinmten Kathodenraum, welche durch eine alkali-ionenleitende Fnestelektrolytwand voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder in Serie geschalteten Speicherzelle (4) oder jeder Gruppe von Speicherzellen (4) mindestens je ein Schutzelement (1, 2, 3, 10) parallelgeschaltet ist, das beim Erreichen einer vorgegebenen maximalen huf- oder Entladung der Speicherzelle(n) (4) deren Stromkreis überbrückt und das steuernd mit einem Schalter (3) in Verbindung steht, der mit den negativen und positiven Elektroden dieser Speicherzelle(n) (4) und den Anschlußpolen (5 und 5) direkt leitend verbindbar ist, und daß das Schutzelement (1, 2, 3,10) an die beiden Anschlußpole (5 und 6) direkt und die Speicherzelle(n) (4) an einen der beiden Anschlußpole (5,6) über den Schalter (3) angeschlossen sind.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzelement eine Reihenschaltung einer Zenerdiode (i) mit einem Heizelement (2) umfaßt und daß zwischen dem Heizelement (2) und dem Schalter (3) eine wärmeleitende Verbindung (7) besteht.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nennspannung der Zenerdiode (1) gleich der maximalen Ladespannung der Speicherzelle(n) (4) ist und daß die Zenerdiode (1) bei einer Entladespannung der Zellen (4) von - 0,7 V ebenfalls stromführend ist.
4. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzelement die Serienschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandes (1) und eines Heizelementes (2) umfaßt und daß zwischen dem Heizelement (2) und dem Schalter (3) eine wärmeleitende Verbindung besteht.
5. Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (1) auf die maximale Lade- und Entladespannung der Zelle(n) (4) einstellbar und ab diesen Werten stromführend ist.