DE3112207C2

DE3112207C2 - Zink-Chlor-Batterieanlage und Verfahren zum Betreiben derselben

Info

Publication number: DE3112207C2
Application number: DE3112207A
Authority: DE
Inventors: Matthew Serop Huntington Woods Mich. Mashikian; Curtis Cruver Birmingham Mich. Whittlesey
Original assignee: Energy Development Associates Inc
Current assignee: Energy Development Associates Inc
Priority date: 1980-05-27
Filing date: 1981-03-27
Publication date: 1985-03-21
Also published as: DE3112207A1; FR2483688A1; JPS5717572A; JPH0434267B2; US4287267A; GB2078024B; MX156387A; CA1156717A; BR8103280A; FR2483688B1; GB2078024A

Abstract

Eine Zink-Chlor-Batterie-Anlage und ein Verfahren zur Umleitung des elektrischen Stromes um einen fehlerhaften Batteriemodul. Die Batterieanlage umfaßt eine "Stromaufbereitungseinheit", eine Vielzahl von Batteriemodulen, die zur Bildung von Batteriereihen elektrisch in Serie geschaltet sind, eine Vielzahl von Batteriereihen, die zu der "Stromaufbereitungseinheit" elektrisch parallelgeschaltet sind, und einen Bypass-Schalter für jeden Batteriemodul in der Batterieanlage. Der Bypass-Schalter besitzt einen normalerweise geöffneten Hauptkontakt über die Stromklemmen des Batteriemoduls und einen Satz von normalerweise geschlossenen Hilfskontakten, um die Zufuhr von Reaktionsmitteln zu steuern, die innerhalb der Zellen des Batteriemoduls elektrochemisch umgewandelt werden. Bei Feststellung eines fehlerhaften Zustandes wird der Bypass-Schalter für den fehlerhaften Batteriemodul erregt, um den Hauptkontakt zu schließen und die Hilfskontakte zu öffnen. Innerhalb einer kurzen Zeitspanne fällt der durch den Batteriemodul fließende elektrische Strom aufgrund der Absperrung der Reaktionsmittelzufuhr beträchtlich ab, und der Stromfluß durch die Batteriereihe wird durch den Hauptkontakt des Bypass-Schalters umgeleitet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein gesagt auf elektrochemische Zeilen, genauer gesagt auf Zink-Chlor-Batterien, die zu einer Batterieanlage zusammengefaßt sind.

Aufgrund des ansteigenden Strombedarfes Und der Abnahme der zur Verfügung stehenden Menge (und der ansteigenden Kosten) an Destillatöl und Erdgas begeht ein Bedarf nach Alternativverfahren zur Stromerzeugung bei Spitzenbelastung. Gegenwärtig wird der für Spitzenlasten erzeugte Strom von Dieselmotoren und Verbrennungsturbinen geliefert, die mit Destillatöl und Erdgas arbeiten. Ein derartiges Verfahren betrifft die Verwendung von Sekundärenergiespcirherbatterieri, um bei Grundlast während der Nacht oder außerhalb der Spitzenzeiten erzeugten Strom zu speichern und diese Batterien während der Spitzenbelastung des Netzes zu entladen. Die gegenwärtig für diesen Zweck in Frage kommenden Sekundärenergiespeicherbatterien umfassen Blei-Säure*, Lithium-Eisensulfid-, Natrium-Schwefel-, Natrium-Chiorid- und Zink-Chlor-Batterien. Damit diese Batterien für den hier in Rede stehenden An'venJu-jgszweck eingesetzt werden können, müssen sie zu Battericanlagen zusammengefaßt werden, die in der Lage sind, bei einer einzigen Entladung elektrische Energie im Bereich von 100 Megawattstunden zu liefern. Diese Zusammenfassung wird normalerweise dadurch verwirklicht, daß man eine große Anzahl von Zellen zu modulartigen Einheiten kombiniert und eine geeignete Anzahl von diesen Moduln miteinander verbindet

Eines der Hauptprobleme bei einer derartigen Zusammenfassung von Batterien besteht in der Betriebssicherheit der Anlage. Oie Betriebssicherheit ist normalerweise abhängig von der Zahl der Ausfälle der Batteriemoduln. Da diese Moduln normalerweise in Reihe geschaltet sind und Batteriereihen bilden, wird durch das Versagen eines einzigen Moduls die gesamte Batteriereihe in Mitleidenschaft gezogen. Wenn das Versa-

gen derart ist, daß die Batteriereihe von dem in der Batterieanlage fließenden elektrischen Strom abgeschaltet werden muß, fallen naturgemäß alle Batteriemoduln in der Reihe aus.

Die vorliegende Erfindung schlägt eine neuartige Batterieanlage und ein Verfahren zum Umleiten des elektrischen Stromes um einen fehlerhaften Modul herum vor, so daß nur der fehlerhafte Modul entfernt und die Betriebssicherheit der Batterieanlage auf ein Maximum gebracht wird. Die erfindungsgemäß ausgestaltete Batterieanlage umfaßt insbesondere einen Bypass-Schaiter für jeden Batteriemodul in der Anlage. Der Bypass-Schalter enthält einen normalerweise offenen Hauptkontakt über die Stromklemmen des Battcriemoduls und eine Vielzahl von normalerweise geschlossenen Hilfskontakten zur Steuerung der Zuführung der Reaktionsmittel, die innerhalb der Zellen des Batteriemoduls elektrochemisch umgewandelt werden. Somit wird bei Feststellung eines fehlerhaften Zustandes der Bypass-Schalter geschaltet, um den Hauptkontakt zu schließen und in Verbindung damit die Hilfskontakte zu öffnen. Wenn die Zufuhr der Reaktionsmittel zu den Zellen abgestellt wird, fällt der durch die Batterie fließende elektrische Strom sehr schnell ab, und der durch die Batteriereihe fließende Strom wird durch den Hauptkontakt des Bypass-Schalters umgeleitet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung finden desweiteren Batteriereihen-Trennschalter Verwendung, die den fließenden Gleichstrom nicht unterbrechen müssen, wenn die gesamte Batteriereihe in Ansprache auf einen fehlerhaften Zustand abgetrennt werden muß. Dies wird dadurch erreicht, daß zuerst die Zufuhr der Reaktionsmittel zur gesamten Batteriereihe abgeschaltet wird, indem mindestens einer der Hilfsschalter geschaltet wird. Innerhalb einer kurzen Zeitspanne, nachdem die ReakiionSniiiieizüfuhf äogcschäitci worden ist, nimmt der durch die Batteriereihe fließende elektrische Strom beträchtlich ab, so daß der Trennschalter für die abzutrennende Reihe im wesentlichen unter lastfreien Bedingungen geöffnet werden kann.

Obgleich sich die vorliegende Beschreibung auf Zink-Chlor-Batterien bezieht, kann die Erfindung auch in Verbindung mit anderen geeigneten elektrochemischen Zellen Verwendung finden, die die Reaktionsmittel von dem Reaktionsort entfernt speichern und die hohe Kurzschlußströme tolerieren können. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung hervor. Es zeigt

F i f; 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Zink-Chlor-Batterie-Anlage;

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Zink-Chlor-Batterie-Moduls;

Fig.3 eine schematische Darstellung eines Bypass-Schalters in Verbindung mit einem Zink-Chlor-Batterie-Modul;

F i g. 4 ein Diagramm, das den KurzschluDstromfluß durch einen Zink-Chlor-Batterie-Modul unmittelbar nach Schaltung des Bypass-Schalters verdeutlicht;

F i g. 5 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines einzelnen Zink-Chlor-Batterie-Etagengestells;

Fig.6 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Zink-Chlor-Batterie-Moduin in einer Baiterie-Anlage ohne Verwendung eines Bypass-Schalters für jeden Batterie-Modul;

Fig,7 eine schematische Darstellung einer Anordnung von Zink-Chlor-Batterie-Moduln in einer Batterieanlage unter Verwendung einen Bypass-Schalters für jeden Batterie-Modul; und

Fig.8 eine schematische Darstellung einer Strom- »Aufbcreitungs«-Einheit für eine Zink-Chlor-Baueric-Anlage.

Fig. I zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Zink-Chlor-Batterie-Auiage 10 für 100 Megawattstunden (MWh). Der Wert von 100 MWh bezieht sich auf die projezierte Energieabgabekapazität

ίο während der Entladung der Battcrieanlagc. Die Anlage 10 besteht aus vier separaten Balteriecinheiten 12. Jede Batterieeinheit umfaßt vier Battoriereihen 14, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, ein Kältebzw. Kühlsystem 18 und ein Strom-»Aufberei-

is tungs«-System 20. Jede Battericreihe weist 120BaUcriemoduln 16 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Im Betrieb speichert die Balterieanlagc elektrische Energie, die sie von einer Grundiasi-Siromerzeugungseinrichtung während der Nachit oder außerhalb der Spitzenzeiten (beim Ladezyklus) erhält, und speist die gespeicherte Energie während Spitzenzeiten (im Entladungszyklus) wieder in das Netz ein.

Fig.2 zeigt eine schematische Darstellung eines Zink-Chlor-Batterie-Moduls 22. Im Stapelbereich des Moduls befinden sich sechs Untermoduln 24. Jeder Untermodul umfaßt normalerweise eine große Anzahl von elektrisch«*.-»Zellen, die aus einem Zink- und Chlor-Elcktrodenpaar bestehen. Die Bezeichnung »Zinkelektrode« bedeutet in diesem Falle, daß während des Ladens der Batterie metallisches Zink elektrochemisch auf dieser Elektrode abgeschieden wird. In ähnlicher Weise bedeutet die Bezeichnung »Chlorelektrode«, daß während des Ladens der Batterie an dieser Elektrode gasförmiges Chlor abgeschieden wird. Der »Sumpfabschnitt« des Moduls umfaßt normalerweise einen Elektrolytspeicher 26 und eine Elektrolytpu^ps 28. Sowohl während des Lade- als auch des Entladezyklus wird Zink-Chlor-Elektrolyt im Speicher 26 durch das Verteilerrohr 29 allen Zellen in den Untermoduln 24 zugepumpt. Der Elektrolyt strömt über die Zellen des Batteriestapels und kehrt durch getrennte Rückführkanäle durch Schwerkraftwirkung zum Elektrolytspeicher zurück. Das durch diese Zellen erzeugte gasförmige Chlor wird durch eine Gaspumpe 32 über das Rohr 30 in den Hydratspeicherabschnitt des Moduls gepumpt. Diese Pumpe drückt darüber hinaus Wasser von dem Speicher 33 durch das Rohr 34, wo es in dem Wärmetauscher 38 gekühlt und mit dem Chlorgas vermischt wind. Diese Mischung aus kaltem Wasser und Chlorgas wird dann durch das R^br

so 42 gepumpt, in dem Chlorhydrat gebildet wird. Der Filter 36 verhindert, daß das in den Speicher 33 verschüttete Chlorhydrat den Einlaß zum Rohr 34 blockiert Das Rohr 40 stellt die Kühlmittelversorgungsleitung von der Kälteanlage zum Wärmetauscher 38 dar.

Die Gaspumpe 32 erzeugt darüber hinaus eine durchschnittliche Druckdifferenz von 035 bar zwischen den Stapel- und Hydratspeicherabschnitten des Moduls, und zwar sowohl während des Lade- als auch des Entladezyklus. Ein Druckentlastungsventil 44 stellt sicher, daß diese Druckdifferenz nicht übermäßig groß wird. Während der Entladung steuert das Ventil 46 die Geschwindigkeit der Elektrolytförderung durch den Wärmetauscher 48 im Hydratspeicherabschnitt. Die von diesem warmen Elektrolyten abgegebene Wärmeenergie zersetzt das

« Chlorhydrat wieder in gasförmiges Chlor und Wasser. Das dadurch wiedergewonnene gasförmige Chlor wird vom Gasraum 52 im Hydratspeicherabschnitt durch das Verteilerrohr 29 unter Steuerung des Solenoidventiles

50 wieder zu den Unicrmoduln 24 im Stapclabschnitt zurückgeführt Das Chlorgas löst sich dann im Elektrolyten und wird auf elektrochemische Weise verbraucht oder in Chloridionen umgewandelt. Gleich/eilig wird das während des Ladezyklus auf den Zinkclekirodcn abgelagerte metallische Zink auf elektrochemische Weise t'.v Zinkionen umgewandelt. Diese elektrochemischen Reaktionen bewirken das Fließen eines elektrischen Stromes durch den Batteriestapel und erzeugen einen elektrischen Strom an den Klemmen des Moduls (nicht gezeigt), die an die Untermoduln 24 angeschlossen sind.

Die Zellen in den Unicrmoduln 24 erzeugen darüber hinaus auch eine kleine Menge an gasförmigem Wasserstoff. Um die Ansammlung dieses gasförmigen Wasserstoffes zu verhindern, sind im Stapelabschnitt Leuchtstofflampen 54 vorgesehen, damit der gasförmige Wasserstoff mit dem gasförmigen Chlor reagiert und HCI-Gas bildet. Die Zellen der Untermoduln 24 erzeugen darüber hinaus auch eine geringe Menge gasförmiges Kohlendioxid. Obgleich dies nicht dargestellt ist, ist eine Abweisungsvorrichtung für Inertgas, die auf einer elektrochemischen Chlor-Chlor-Zelle basiert, vorgesehen, um dieses Kohlendioxid sowie alle anderen Gase, die für das System inert sind, vom Modul zu entfernen. Der »Sumpfabschnitt« umfaßt darüber hinaus einen Wärmetauscher 55, der dazu dient, die Temperatur des Elektrolyten auf einem gewünschten Niveau zu halten. Das Rohr 56 stellt die Kühlmittelversorgungsleitung für den Wärmetauscher dar. Das Gehäuse 58 bildet eine hermetisch gekapselte Umhüllung für die vorstehend genannten Bestandteile des Moduls. Dieses Gehäuse umfaßt normalerweise eine innere Kunststoffauskleidung, eine äußere Fiberglashülle und eine dazwischen angeordnete Schicht aus einem isolierenden Material. Schließlich ist ein Siäniirägcfclcmcni 60 am Gehäuse 58 befestigt, um die Bewegung des Moduls zu erleichtern.

F i g. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Bypass-Schalters 61 in Verbindung mit einem Zink-Chlor-Batterie-Modui 62. Diese Darstellung zeigt insbesondere die verschiedenartigen elektrischen Verbindungen (für die Elektrolyt- und Gaspumpen, das Chlorgasversorgungssolenoidventil, die I nertgasabweisungsvorrichtung, den Wasserstoff-Leuchtstofflampen-Reaktor und den Druckumformer für den Stapelabschnitt) und die mechanischen Verbindungen (für das Hydratspeicherkühlmittel und das Kühlmittel für den Sumpf) zum Modul. Der Bypass-Schalter 61 ist über die Stromklemmen 63 geschaltet, die den elektrischen Strom in den Batteriemodul hinein und aus diesem heraus leiten. Der Bypass-Schalter besitzt einen Hauptkontakt 64 und vier Hilfskontakte 66. Der Hauptkontakt ist normalerweise geöffnet, so daß elektrischer Strom durch die Batterie fließen kann. Die drei normalerweise geschlossenen Hilfskontakte ermöglichen einen elektrischen Stromfluß zum Elektrolytpumpenmotor, zum Gaspumpenmotor und zum Chlorgasversorgungssolenoidventil. bis der Bypass-Schalter geschaltet wird. Die normalerweise geöffneten Hilfskontakte verhindern einen elektrischen Stromfluß zu einer Alarmschaltung, bis der Bypass-Schalter geschaltet wird. Wie durch die gestrichelte Linie angedeutet ist, die die Haupt- und Hilfskontakte miteinander verbindet, kann der Bypass-Schalter so konstruiert sein, daß alle Kontakte bei Schaltung des Bypass-Schalters gleichzeitig geschlossen oder geöffnet werden. Alternativ dazu kann der Bypass-Schalter so konstruiert sein, daß die Hilfskontakte geschlossen oder geöffnet werden, bevor der Hauptkontakt geschlossen wird. Darüber hinaus können die Hilfskontakte auch entfernt von dem Bypass-Schalter angeordnet werden und auf diese Weise einen Hilfsschalter bilden.

Bevor erläutert wird, in welcher Weise der Bypasses Schalter in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird, wird auf F i g. 4 verwiesen. Diese Figur zeigt ein Diagramm 68 des Kurzschlußstromflusses durch den Batteriemodul unmittelbar nach Schaltung (Erregung) des Bypass-Schalters. Die Kurzschlußstromkurve 70 wurde auf experimentellem Wege von einem Batteriemodul gewonnen, der unmittelbar vor dem Kurzschließen mit einem elektrischen Strom von 540 A arbeitete. Bei Erzeugung eines Kurzschlusses an den Polklemmen, d. h. Schließen der Hauptkontakte) stieg der Stromfluß

is durch den Batteriemodul sprungartig auf 15 000 A an. Dieser Kurzschlußstrom fiel jedoch sehr schnell in einigen Sekunden ab. Dies war darauf zurückzuführen, daß der Elektrolytpumpenmotor, der Gaspumpenmotor und das Chlorgasversorgungssolenoidventil abgeschaltet wurden (d. h. die drei normalerweise geschlossenen Hilfskontakte wurden geöffnet), und zwar in dem Moment, in dem der Kurzschluß erzeugt wurde. Durch Abschalten dieser Hilfsbestandteile wurde die Zufuhr an Elektrolyt und Chlorgas zu den Untermoduln im Stapeiabschnitt des Batteriemoduls unterbrochen. Ohne eine kontinuierliche Elektrolyt- und Chlorgaszufuhr ergibt sich jedoch ein rascher Verbrauch der in den Zellen vorhandenen Reaktionsmittel (Zink- und Chlorid-Ionen während des Ladezyklus und gelöstes Chlorgas während des Entladezyklus). Dadurch werden weitere elektrochemische Reaktionen in den Zeilen verhindert und somit ein elektrischer Stromfluß durch die Zelle beendet oder unterbrochen. In diesem Zusammenhang ist noch darauf hinzuweisen, daß derartige Zink-Chlor-Batterie-Moduln in der Lage sind, ohne wesentliche Beschädigung derart große rCurzsehlußsiröme auszühalten.

Es ist offensichtlich, daß die große Anzahl von Batteriemoduln in der Batterieanlage und die Komplexität der Batteriemoduln selbst die Wahrscheinlichkeit erhöhen, daß irgendein Modul nicht richtig funktioniert oder fehlerhaft arbeitet In diesem Fall wird durch die Verwendung eines Bypass-Schalters für jeden Batteriemodul eine Umleitung des elektrischen Stromes um den fehlerhaften Batteriemodul herum möglich. Um festzustellen, ob ein Batteriemodul richtig funktioniert, wird der Gasdruck im Stapelabschnitt periodisch überprüft. Andere Betriebsparameter können ebenfalls überprüft werden, wie beispielsweise Temperaturen und Drücke an verschiedenen Punkten im Batteriemodul, die Drehzahl der Elektrolyt- und Gaspumpenmotoren und der pH-Wert und das spezifische Gewicht des Elektrolyten. Die automatische Kontrolleinrichtung für die Batterieanlage überprüft einen oder mehrere dieser Betriebsparameter und stellt einen fehlerhaften Zustand fest, wenn ein bestimmter vorgegebener Bereich überschritten wird. Derjenige Batteriemodul, der diesen fehlerhaften Zustand erzeugt wird dann identifiziert und der Bypass-Schalter wird in Ansprache auf diesen fehlerhaften Zustand eingeschaltet

Der Bypass-Schalter kann so konstruiert sein, daß er auf elektromagnetischem Wege ausgelöst und manuell ruckgestellt wird. Folglich kann das Schließen des Hauptkontaktes, das öffnen der drei normalerweise geschlossenen Kontakte und das Schließen des normaleres weise geöffneten Hiifskontaktes durch eine Feder bewirkt werden, die auf manuellem Wege gespannt wird. Alternativ dazu kann ein drehbarer Nockenmechanismus Verwendung finden, in welchem Falle kein Eingrei-

fen des Bedienungsmannes zur Rückstellung des Schalters erforderlich ist. Der Bypass Schalter wird nur dann rückgestellt, wenn der elektrische Stromfluß durch die Batteriereihe unierbrochen ist. Da mit dem Bypass-Schalter keine Unterbrechung des Gleichstromflusses beabsichtigt wird, muß der Schalter keine komplizierte Konstruktion besitzen. Die Hilfskontakte müssen nur so ausgebildet sein, daß sie in der Lage sind, einen Wechselstromfluß im Bereich von 15 A zu unterbrechen. Da darüber hinaus die Spannung zwischen den Stromklemmen des Batteriemoduls im Bereich von 20 Volt Gleichstrom liegt, braucht die Trennung des Hauptkontaktes nur einen Bruchteil von einem Zentimeter zu betragen. Da jedoch unmittelbar nach dem Schließen der Kurzschlußstrom sehr hoch ist, sollte der Bypass-Schalter so konstruiert sein, daß der gesamte Kontaktbereich sofort in engen Kontakt tritt

in Fig.5 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils eines einzelnen Zink-Chlor-Batterie-Etagengestells 72 dargestellt Dieses Batteriegestell bildet einen Teil der aus drei Etagen bestehenden Biitterieanlage der Fig. 1. F i g. 5 zeigt eine Vielzahl von Batteriemoduln 74 in einem Gestell 76, wobei jeder Batteriemodul mit einem Gaspumpenmotor 78, einem Elektrolytpumpenrnotor 80, einem Satz von Hydratspeicher-Kühlmittelrohren 82 und 84 und einem Satz von Sumpf-Kühlmittelrohren 86 und 88 versehen ist Jeder Batteriemodul umfaßt darüber hinaus einen Bypass-Schalter 90 zwischen den Stromklemmen des Batteriemoduls. Der Bypass-Schalter ist in einem Gehäuse untergebracht, um eine Korrosion der Kontakte durch in der Luft vorhandene Verschmutzungen zu verhindern. Darüber hinaus zeigt diese Figur desweiteren, daß jeder Batteriemodul über elektrische Leitungen 92 und 94 mit den anderen Batteriemoduln einer Reihe elektrisch in Serie geschaltet ist

F i g. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung 96 von Zink-Chlor-Batteriemoduln 98 in einer Batterieanlage. Bei dieser frühen Ausführungsform fanden keine Bypass-Schalter Verwendung. Wenn daher ein Modul versagte, wie bei 100 angedeutet, mußte die gesamte Reihe der in Serie geschalteten Moduln vom System abgetrennt werden, um den fehlerhaften Modul zu isolieren. Dies wurde dadurch erreicht daß ein Batteriereihentrennschalter 102 geöffnet wurde, der einen elektrischen Stromfluß von einer »Stromaufbereitungseinheit« 104 über elektrische Leitungen 106 und 108 zu dieser Batteriereihe bzw. in umgekehrter Weise verhinderte. Diese Vorgehensweise ist jedoch mit zwei Nachteilen verbunden. Zum ersten nimmt die Betriebssicherheit der Batterieanlage ab, wenn eine Anzahl von Moduln aus dem Betrieb genommen werden muß, wenn ein einziger Modul versagt Zum zweiten muß der Batteriereihentrennschalter notwendigerweise sehr teuer ausgebildet sein, da er in der Lage sein muß, Gleichströme im Bereich von 500 A zu unterbrechen. Natürlich kann auch die Anzahl der in einer Batteriereihe vorhandenen Batteriemoduln verringert werden. Dies würde jedoch die Zahl der erforderlichen Batteriereihentrennschalter erhöhen und den Wirkungsgrad der »Stromaufbereitungsanlage« verringern. Dieser niedrigere Wirkungsgrad würde dazu führen, daß man hochgespannten Wechselstrom während des Ladezyklus in Gleichstrom niedriger Spannung transformieren und diesen Vorgang während des Entladezyklus umkehren müßte.

F i g. 7 zeigt eine schematische Darstellung eir^.r Anordnung HO von Zink-Chlor-Batteriemoduln 98 für zwei Reihern einer Batterieanlage. Bei dieser Ausführungsform findet für jeden Batteriemodul ein Bypass-Schalter 112 Verwundung. Wenn jetzt ein Batteriemodul ausfüllt, wird der Bypass-Schalter erregt, und der elektrische Strom wird um den ausgefallenen Modul hcrumgelcitct. Somit ist bei dieser Anordnung die Betricbssichcrheit der Battcrieanlage auf ein Maximum gebracht, da nur der ausgefallene Modul aus dem System entfernt wird.

Fig.7 dient darüber hinaus dazu, einen anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung aufzuzeigen, der spezielle Kurzschlußeigenschaften des Zink-Chlor-Batteriemoduls in bezug auf die Batteriereihentrennschalter 114 und 116 betrifft. Wenn alle Elektrolytpumpenmotoren. Gaspumpenmotoren und Chlorgasversorgungssolcnoidventile für eine gesamte Reihe von Baueriemoduln gleichzeitig abgeschaltet werden könnten, wären in kurzer Zeit alle Reaktionsmittel in den Zellen dieser Batteriemoduln aufgebraucht und der elektrische Stromfluß durch die entsprechende Reihe (über die Leitungen 122 und 124) würde beträchtlich abfallen. Da-

durch würde ein öffnen des Batteriereihentrennschalters (114 oder 116) bei einem sehr niedrigen Gleichstrom möglich. Obgleich dies in F i g. 7 nicht gezeigt ist. findet bei dieser Batterieanlage in jeder der Wechselstromleitungen für diese Hilfsteile ein Schalter Verwendung, um die elektrische Stromzufuhr zu den Hilfsteilen für die gesamte Batteriereihe zu steuern. Somit rindet ein einziger Schalter Verwendung, um alle Elektrolytpumpenmotoren in einer Batteriereihe abzuschalten. Wie bei dem Bypass-Schalter können auch diese Hilfsschalter und die Batteriereihentrennschalter auf elektromagnetischem Wege ausgelöst oder über die automatische Kontrolleinrichtung für die Batterieanlage durch einen drehbaren Nocken betätigt werden. Bei dieser Konstruktion kann die automatische Kontrolleinrichtung fehlerhafte Zustände in der Batteriereihe ertasten und durch Erregung der normalerweise geschlossenen Hilfsschalter zum öffnen derselben auf einen fehlerhaften Zustand ansprechen. Nach Ablauf einer ausreichenden Zeitspanne, um ein beträchtliches Absinken des Stromflusses durch die Batteriereihe zu ermöglichen, kann der Trennschalter für diese Reihe erregt werden, damit er sich öffnet Beispielsweise kann ein derartiger fehlerhafter Zustand durch eine plötzliche Änderung des Stromflusses durch die Batteriereihe infolge der Entwicklung eines Erdungsfehlers verursacht werden.

In F i g. 7 sind darüber hinaus getrennte »Stromaufbereitungseinrichtungen« 118 und 120 für jede Batteriereihe dargestellt Dies dient dazu, Stromunglcichgewichte

so in der Battcrieanlage auf ein Minimum zu bringen, die sich dadurch ergeben, daß ein fehlerhafter Modul umgangen wird. Wenn beispielsweise bei der Batteriemodulanordnung der Fig.6 ein Bypass-Schalter für jeden Batteriemodul Verwendung findet bewirkt das Umgehen eines fehlerhaften Battcriemoduls in einer der Reihen, daß diese Reihe eine geringere Spannung aufweist als die anderen Reihen. Da jedoch alle Batteriereihen parallel zueinander geschaltet sind, erfolgt eine Umverteilung des Stromes, so daß der Strom in der Reihe mit dem fehlerhaften Modul erhöht wird, um die Reihenspannung zu erhöhen.

Fig.8 zeigt eine schematische Darstellung einer »Stromaufbereitungseinheit« 126 (für eine Satlerieutnhest). Wie man der Darstellung entnehmen kann, findet für jede der vier Batterierethen eine separate Konverter-Brücke Verwendung. Der Trennschalter 128 bildet eine sichtbare Anzeige dafür, ob die Batterieeinheit an das elektrische Wechselstromnetz angeschlossen ist

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oder nicht. Zwischen den Trennschalter und den Transformator sir.d Lcistungsfaktorvcrbcsserungskor.densatoren 130 und ein harmonischer Filter 132 geschaltet. Die Primärwicklungen 134 und 136 des Transformators weisen jeweils einen Satz von Sekundärwicklungen 138 s und 140 auf. Jede Konverter-Brücke umfaßt normalerweise eine ö-lmpuls-Thyristorbrückc 142 zum Laden und Entladen. Die Gleichstromleitungen sind über elektrische Leitungen 144 und 146 an die Battcriereihe angeschlossen, und der zwischen diese geschaltete Block 148 stellt die Gleichstromstandardschutzausrüsiung dar. Oa jede Konverter-Brücke einzeln gesteuert wird, können Änderungen in der Battcriereihenspannung (beispielsweise hervorgerufen durch einen umgangenen Batteriemodul) durch Laden der Thyristorzündwinkel kompensiert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Unterbrechen des elektrischen Stromflusses durch mindestens einen Sekundärenergiespeicherfaatteriemodul in einer Batterieanlage mit einer Vielzahl von Batteriemoduln, die zur Bildung einer Batteriereihe elektrisch in Serie geschaltet sind, wobei eine Vielzahl dieser Batteriereihen zueinander elektrisch parallel geschaltet ist, ersten Schalteinrichtungen zur Steuerung der Zufuhr von mindestens einem Reaktionsmittel, das in den Batteriemoduln elektrochemisch umgewandelt wird, und zweiten Schalteinrichtungen zum Umleiten des elektrischen Stromes durch die Batterieanlage, gekennzeichne t durch die nachfolgenden Schutte:

Erregen der ersten Schalteinrichtungen, so daß die Zufuhr des Revklionsmittels in mindestens einem der Baticncfnöuuin unterbrochen wird; und Erregen der zweiten Schalteinrichtungen, so daß der elektrische Stromfluß in mindestens einem der Batteriemoduln unterbrochen und durch die Batterieanlage umgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schalteinrichtungen einen normalerweise geöffneten Bypass-Schalter für jeden Batteriemodul in der Batterieanlage umfassen, der über die Stromklemmen geschaltet ist, die den Batteriemoduln elektrischen Strom zuführen.

3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schalteinrichtungen erste, normalerweise geschlossene HilfssKhalteinrichtungen umfassen, die jeweils einem der Bypass-Schalter zugeordnet sind, um die Zufuhr von mindestens einem Reaktionsmittel zu steuern, das in den Batteriemoduln elektrochemisch umgewandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als zusätzlichen Schritt das Abtasten von mindestens einem Betriebsparameter für jeden Batteriemodul in der Batterieanlage umfaßt

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es als zusätzlichen Schritt das Bestimmen eines fehlerhaften Zustandes umfaßt, wenn der Betriebsparameter für einen der Batteriemoduln einen vorgegebenen Bereich überschreitet.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es als zusätzlichen Schritt das Identifizieren desjenigen Batteriemoduls umfaßt, der den fehlerhaften Zustand erzeugt. so

7. Verfahren nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Ansprache auf den fehlerhaften Zustand die ersten Hilfsschalteinrichtungcn für den fehlerhaften Modul erregt werden, so daß sie sich öffnen, und daß der Bypass-Schalter für den fehlerhaften Modul erregt wird, so daß er sich schließt, um auf diese Weise den elektrischen Stromfluß durch den fehlerhaften Batteriemodul zu unterbrechen.

8. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schalteinrichiungen normalerweise geschlossene Trennschalteinrichtungen umfassen, um elektrischen Strom durch jede Batteriereihe in der Batterieanlage zu leiten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schalteinrichtiingcn zweite, normalerweise geschlossene Hilfsschalteinrichtungen für jede Batteriereihe umfassen, um die Zufuhr von mindestens einem Rcaktionsmittel für alle Bat

teriemoduln in der Batteriereihe zu steuern.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es das Abtasten des elektrischen Stromflusses durch jede Batteriereihe umfaßt

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es das Bestimmen eines fehlerhaften Zustandes aus einer vorgegebenen Änderung des elektrischen Stromflusses durch die Batterierc-ihe umfaßt

12. Verfahren nach Anspruch 1I₁ dadurch gekennzeichnet, daß in Ansprache auf den fehlerhaften Zustand die zweiten, normalerweise geschlossenen Schalteinrichtungen für die fehlerhafte Reihe zum öffnen erregt werden und daß die normalerweise geschlossenen Trennschalteinrichtungen erregt werden, so daß sie sich nach einer Zeitspanne öffnen, um einen beträchtlichen Stromabfall durch die Batiariereihe zuzulassen.

13. Verfahren zum Umgehen einer fehlerhaften elektrochemischen Zeile in einer Reihe von elektrochemischen Zellen, die elektrisch in Serie geschaltet sind und von denen jede Zelle Stromklemmen zum Einleiten von elektrischem Strom in die Zelle und zum Herausleiten von elektrischem Strom aus der Zelle, einen normalerweise geöffneten Schalter, der über die Stromklemaien geschaltet ist, und einen normalerweise geschlossenen Schalter zum Steuern der Zufuhr von mindestens einem Reaktionsmittel, das in der Zelle elektrochemisch umgewandelt wird, umfaßt gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

öffnen des normalerweise geschlossenen Schalters für die fehlerhafte Zelle, um die Zufuhr des Reaktionsmittels zu unterbrechen; und
Schließen des normalerweise geöffneten Schalters für die fehlerhafte Zelle, um den Stromklemmcn elektrischen Strom zuzuführen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, »üdurch gekennzeichnet, daß es als zusätzlichen Schritt das Ertasten von mindestens einem Betriebsparameter für jede Zelle in der Reihe umfaßt

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß es als zusätzlichen Schritt das Bestimmen eines fehlerhaften Zustandes umfaßt wenn der Betriebsparameter für eine der Zellen einen vorgegebenen Bereich übersteigt

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß es als zusätzlichen Schritt das Identifizieren derjenigen Zelle umfaßt, die den fehlerhaften Zustand er/.eugt.

17. Verfahren nach Anspruch 18. dadurch gekennzeichnet, daß das öffnen des normalerweise geschlossenen Schalters und das Schließen des normalerweise geöffneten Schalters in Ansprache auf den fehlerhaften Zustand vor sich geht.

18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das öffnen des normalerweise geschlossenen Schalters vor dem Schließen des normalerweise geöffneten Schalters vor sich geht

19. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das öffnen des normalerweise geschlossenen Schalters in Verbindung mit dem Schließen des normalerweise geöffneten Schalters vor sich geht

20. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der normalerweise geschlossene Schalter dem normalerweise geöffneten Schalter zugeordnet ist.

21. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der elektrochemischen Zeile um eine Sekundärenergiespeicherbatterie handelt

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Sekundärenergiespeicherbatterie um eine Zink-Chlor-Batterie handelt

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsparameter ein Druckparameter ist

24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der normalerweise geschlossene Schalter eine Vielzahl von Kontakten umfaßt

25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet daß einer der Kontakte zur Steuerung des Elektrolytstromes, der in der Zink-Chlor-Batterie is umgewälzt wird, verwendet wird.

26. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet daß einer der Kontakte ein Chlorgasversorgungsventil in der Zink-Chlor-Batterie steuert

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet daß es als weiteren Schritt das Erzeugen eines Alarmsignales in Ansprache auf den fehlerhaften Zustand umfaßt

28. Verfahren zum Isolieren einer Reihe von Sekundärenergiespeicherbatterien, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, in einer Batterieanlage, die eine Vielzahl von derartigen Batteriereihen aufweist, die elektrisch parallel zueinander geschaltet sind, wobei jede der Batteriereihen einen ersten, normalerweise geschlossenen Schalter zur Zuführung von elektrischem Strom zur Batteriereihe und zur Abführung desselben von der Batteriereihe und einen zweiten, normalerweise geschlossenen Schalter zur Zuführung von elektrischem Strom zu einer Hilfseinrichtung, die zur Zufuhr von mindestens einem Reaktionsmittel dient das in jeder der Sekundärenergiespeicherbatterien in der Reihe elektrochemisch umpewandelt wird, aufweist gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte:

Öffnen des zweiten, normalerweise geschlossenen Schalters für die zu isolierende Battcriereihe, um die Zufuhr des Reaktionsmittels zu den Batterien zu unterbrechen; und

Öffnen des ersten, normalerwebe geschlossenen Schalters für die zu isolierende Batteriereihe nach einer Zeitspanne, die ausi eicht um einen beträchtlichen elektrischen Stromabfall durch die Batteriereihe zu ermöglichen.

29. Verfahren nach Anspruch 28. dadurch gekennzeichnet daß es das Abtasten des elektrischen Stromflusses durch jede der Batteriereihen umfaßt.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet daß es das Bestimmen eines fehlerhaften Zustandes aus einer vorgegebenen Änderung des elektrischen Stromflusses durch die Batteriereihe umfaßt.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das öffnen des zweiten, normalerweise geschlossenen Schalters in Ansprache auf den fehlerhaften Zustand der Reihe erfolgt.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß es das Erzeugen eines Alarmsignales in Ansprache auf den fehlerhaften Zustand umfaßt.

33. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß es sich hei den Sekundärencigiespeicherbatterien um Zink-Chlor-Batterien handelt.

34. Batterieanlage zur Durchführung der Verfahren nach den vorhergr^nden Ansprüchen 1 bis 33, gekennzeichnet durch:

»Stromaufbereitungseinrichturigen«. zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom während des Ladezyklus der Batterieanlage und zur Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom während des Entladezyklus der Batterieanlage;
eine Vielzahl von Batteriereihen, die zu den »Stromaufbereitungseinrichtungen« elektrisch parallel geschaltet sind;

eine Vielzahl von Batteriemoduln, die zur Bildung der Batteriereihen elektrisch in Serie geschältet sind; und Bypass-Schalteinrichtungen, die jedem Batteriemodul zugeordnet sind, um in Ansprache auf einen fehlerhaften Zustand elektrischen Strom um einen fehlerhaften Modul herumzuleiten.

35. Batterieanlage nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet daß sie desweiteren umfaßt:
Hilfsschaiteinrichtungen zum Steuern der Zufuhr von mindestens einem Reaktionsvuitel, das in den Batteriemoduin elektrochemisch umgewandelt wird, für alle Batteriemoduln in der Batteriereihe; und
Trennschalteinrichtungen zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung zwischen mindestens einer der Br Heriereihen und den »Stromaufbereitungseinrichtungen« in Ansprache auf einen fehlerhaften Zustand und das öffnen der Hilfsschaiteinrichtungen.