DE2819584C2

DE2819584C2 - Schaltung zur Sicherung von Speicherzellen

Info

Publication number: DE2819584C2
Application number: DE2819584A
Authority: DE
Inventors: Henner Dipl.-Phys. Dr. 6902 Sandhausen Meinhold
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1978-05-05
Filing date: 1978-05-05
Publication date: 1983-03-17
Also published as: DE2819584A1

Description

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 ^-Aluminium- oxid 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 Überladung — mit Wasserstoff/ Sauerstoff-Entwicklung (Ausgleichsladung) — alle Zellen in den gleichen Zustand zu versetzen.

Um dieser unterschiedlichen Aufladung der Speicherzellen einer Batterie entgegenzuwirken, werden zunächst mehrere Speicherzellen parallelgeschaltet, bevor mehrere solcher Gruppen aus parallelgeschalteten Zellen in Serie gelegt werdea Dadurch wird erreicht, daß sich innerhalb einer Gruppe, die aus mehreren parallelgeschalteten Zellen besteht, aufgrund von Ausgleichsströmen der gleiche Ladezustand 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 Ladezustände 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 weitere»:. Gruppen in Serie geschaltet ist, bereits entladen, so wirkt der Entladungsstrom der noch nicht entladenen Zeiten 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^) deren Stromkreis überbrückt und das steuernd mit einem Schalter in Verbindung steht, der mit den negativen und positiven Elektroden dieser Speicherzellen und den Anschlußpolen direkt leitend verbindbar ist und daß das Schutzelement an beide Anschlußpole direkt und die Speicherzelle^) an

mindestens einen der beiden Ansehluöpole Ober 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 Ausgleiriisströmen innerhalb dieser Gruppe der gleiche Ladezustand bei allen Zellen ein.

Bei einer Ausführungsfoim der erfindungsgemäßen t5 Schaltung besteht das Schutzelement aus der Serienschaltung einer Zenerdiode und einem Heizelement Die negative Elektrode der Zenerdiode 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. BHm Erreichen eiver 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 parallelgeschalteten Zellen entspricht. Des weiteren ist die hierbei verwendete Zener-Diode so ausgebildet, daß sie bei einer Entladespannung der Zelle oder den Zellen von —0,7 V ebenfalls stromführend ist

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das Schutzelement aus der Reihenschaltung eines spannungsabhängigen Widerstandes und einem Heizejement Diese schützen die Zellen ebenfalls vor einer Über- bz'v. 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 Zellen). Der spannungsabhängige Widerstand iit so ausgelegt, daü er beim Erreichen der maximalen Ladekapazität der Speicherzellen) stromführend ist. Das Gleiche gilt beim Erreichen einer Entladespannung, deren Wert zwischen —0,7 V und — 2,5 V liegt. Auf den vcn außen aufgezwungenen Entladestrom spricht das Heizelement an und betätigt über die wärmeleitende Verbindung den Schalter, der die Zelle(n) aus dem Stromkreis heraustrennt.

Nachfolgend werden die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Schaltung mit einer Zener-Diode und einem Heizelement in Verbindung mit einer Gruppe von drei parallelgeschalteten Speicherzellen,

Fig.2 die Schaltung mit einer Zener-Diode und einem Heizelement in Verbindung mit einer einzigen Speicherzelle,

F i g. 3 die Schaltung mit einem spannungsabhängigen Widerstand und einem Heizelement in Verbindung mit mehreren parallelgeschalteten S peicherzellen,

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 Betriebszustand mit dem Kontaktpunkt 8 verbunden, an den die negativen Elektroden der Speicherzellen 4 angeschlossen sind.

Ein weiterer Kontaktpunkt 9 ist άο 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 Anschlußpoi 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 weis: eine Zenerdiode 1, ein Heizelement 2 und einen Schalter 3 auf. Die positive 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 ZpUe 4 ist über den Kontaktpunkt 8 und den Schalter 3 ebenfalls an den negativen Anschiußpol 6 anschließbar. Auch hierbei besteht zwischen dem Heizelement 2 und dem Schalter 3 eine wärmeleitende Verbindung 7. Im störungsfreien Betrieb der Speicherzelle 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 F i g. 4 dargestellte idealisierte Stromspannungskenminie einer Speicherzelle.

Um eine leere Speicherzelle oder mehrere parallelgeschaltete leere Speicherzellen aufzuladen, wird an die Anschlußpole 5 und β eine Stromquelle angeschlossen (hier nicht dargestellt), die den negativen Ladestrom /; liefert. Hat die Spannung der Zellen den in F i g. 4 mit A bezeichneten Wert erreicht, so sind sie suf ihre maximale Kapazität aufgeladen. Zwischen mehreren parallelgeschalteten Zellen einer Gruppe fließt ein Ausgleichst rom, der ^n 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 D bezeichneten Wert ansteigen.

Wie dem Diagramm in I·' i g. 4 zu entnehmen ist, fließt jetzt durch die Zellen nur noch ein sehr kleiner Strom I_n* Das bedeutet, daß weitere, mit dieser fiinzelzelle oder dieser Gruppe verbundene, noch nicht vollständig auf ihre Maximalkapazität 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 Gcsamtkapazität 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 entsprich!. Hai die Zeiie bzw. haben die Zellen eiiici Gruppe bei der Aufladung eine Spannung mit dem Wert B erreicht, so ist damit auch die erforderliche Nennspannung für die Zenerdiode gegeben. Dies bedeutet, Haß 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 vollständig 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 werden.

Der Schnittpunkt der Kurve /, die den jeweiligen Ladezustand 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 ;₃ aufgezwungen. Dieser bewirkt die Umpolung der Zellspannung, d. h. sie wird negativ und kann beispielsweise den im Diagramm mit Cbezeichneten 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 I₃ 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 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 Kontaktpur.kt 9 her. Die über die Verbindung 7 geleitete Wärme kann beispielsweise einem Bimetall zugeführt werden, das den Kontakt des Schalters 3 steuert Andere wärmegeMcuerte Elemente sind ebenfalls verwendbar. Auch ein mechanische Kräfte übertragendes Relais könnte zwischen dem Heizelement und clem Si halter angeordnet werden, um Ί den Kontakt zu steuern. Damit sind die Zellen der betrachteten Gruppe aus dem Stromkreis herausgetrennt und \or einer Zerstörung geschützt.

Die vollständige Entladung der übrigen, noch teilweise geladenen Zellen kann nun ungehindert ίο erfolgen.

Unter Verwendung bekannter Schaltelemente kann die Verbindung des .Schalters 1 mit dem Kontaktpunkt 9 zeitlich begrenzt nler dauerhaft erfolgen. Während dieser Zeit erfolgt der Stromfluß von einem Anschluß-Ii pol zum anderen über den Schalter 8 und den Kontaktpunkt 9.

Die erfindungsgemäße Schaltung kann nun so aufgebaut werden, daß JIe Verbindung des Schalters 3 mit dem Kontaktpunkt 9 irreversibel ist. Dies ist dann

/<» UCl räli, wcün uci' i\.Oni*iKi ucS jCi'idiicfä .5 üuci" 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 >i Schaltung kann jedoch auch so ausgebildet werden, daß der Schalter 3 nur für eint endliche Zeit mit dem Kontaktpunkt 9 verbunden wird. d. h. daß eine kurzzeitige Überentladung durch Verminderung des Stromei. dine Ruhepause und eine Nachladung wieder jo behoben wird.

Eine sehr vereinfachte Ausführungsform der Erfindung wäre dadurch :.<u erreichen, daß das Heizelement 2 und der Schalter 3 entfallen und der Zelle oder den Zellen einer Gruppe nur eine Zenerdiode parallelge-3ϊ schaltet wird, die in dem Augenblick, in dem die Zelle(n), gleichgültig aus welchem Grund, hochohmig werden, den Strom übernimmt.

Eine weitere Ausführungsform der Schaltung zeigt

Fig.3. Anstelle der Zenerdiode f ist hier ein

■ίο spannungsabhängiger Widerstand vorgesehen. Er ist zum einen ebenso wie die positiven Elektroc^n der dre' 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

μ 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

Fig. 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 spannungsabhängige 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 Zellen und werden diese dadurch hochohmig, so fließt der von

außen aufgezwungene Strom ab einem bestimmten negativen Wert <jcr Spannung. —0.7 V bis —2.5 V, wieder über den spannungsabhiingigcn Widerstand und das Heizelement 2. Auch dieser Spannungswert ist am Widerstand einsteilbar. 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 'e Verbindung des Schalters mit dem Kontaktpunkt 9 iind 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 ί 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 F i g. 4 ίο gezeichneten Kurve kentsprechen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltung zur Sicherung von in Serienschaltung zu einer Batterie zusammengeschalteten elektrochemischen Speicherzellen oder Gruppen von mehre- ren parallel geschalteten Speicherzellen auf der Basis von Alkalimetall, Chalkogen und einem alkali-ionenleitenden Festelektrolyten, dadurch gekennzeichnet, daß jeder in Serie geschalteten Speicherzelle (4) und jeder Gruppe von Speicherzellen (4) mindestens je ein Schutzelement (1,2,3,10) parallel geschaltet ist, das beim Erreichen einer vorgebbaren maximalen Auf- oder Entladekapazität der Speicherzelle^) (4) deren Stromkreis überbrückt und das steuernd mit einem Schalter (3) in Verbindung steht, der mit den negativen und positiven Elektroden dieser Speicherzelle^) (4) und den Anschlußpolen (5 und 6) direkt leitend verbindbar ist, und daß das Schutzelement (1, 2, 3, 10) an die beiden Anschlußpole (5 und 6) direkt und an die Speknierzelle(n) (4) mindestens an einen der beiden AnschiuBpoie (5, 6) über den Schalter (3) angeschlossen ist (sind).

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzelement eine Reihenschal- tung einer Zenerdiode (1) 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^) (4) ist und daß die Ze^rdiode (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.