DE3541503C2 - Explosionsgeschützte Ladeeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für elektro- chemische Energiespeicher im Bergbau unter Tage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Ladeeinrichtung wird in Grubenbauen, die durch Gruben­ gas gefährdet sind, zum Laden von Batterien, die in Behäl­ tern untergebracht sind, eingesetzt. Die Batterien bilden die Stromversorgung z. B. für schienengebundene Gruben­ lokomotiven und Einschienenhängebahnen, die von Batterie­ katzen gezogen werden.

In Anbetracht der untertägigen Verhältnisse werden an elektrische Geräte hinsichtlich des Schlagwetter- und des Explosionsschutzes hohe Sicherheitsanforderungen ge­ stellt. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die im Stein­ kohlenbergbau auftretenden aus Methangas gebildeten Schlag­ wetter gerichtet.

Es gelingt in der Regel, elektrische Aggregate und ihre Stromversorgung leistungsmäßig so auszulegen, daß keine das Methangemisch zündende Funken entstehen können. Trotz­ dem kommt es hin und wieder doch zu Situationen, in denen eine hohe Methangaskonzentration nicht bemerkt wird und das Gas durch andere als elektrische Zündquellen zur Explosion gebracht wird. So wird beim Laden der Batterien bisher nur darauf geachtet, daß diese nicht überladen werden, indem die Ladespannung begrenzt wird. Wei­ terhin werden nur einige wenige Batteriekenndaten ge­ messen und angezeigt. Darüber hinaus werden jedoch keine weiteren Maßnahmen zur Vermeidung einer Explosionsgefahr und zur Aufrechterhaltung des Explosionsschutzes er­ griffen. In den Zellengefäßen der Energiespeicher wie Bleibatterien, ist ständig eine gefährliche und explo­ sionsfähige Atmosphäre vorhanden. Zusätzlich können beim Laden und Entladen der Batterie Wasserstoff und Sauerstoff als Knallgas entstehen, die aus den Zellen­ gefäßen in den Batteriebehälter entweichen. Für die Aufrechterhaltung des Explosionsschutzes ist es daher wichtig, sicherzustellen, daß die Wasserstoffkonzen­ tration im Batteriebehälter einen zulässigen Wert nicht überschreitet. Ferner muß die Methangaskonzentration in der Umgebung der Ladeeinrichtung ständig überwacht werden.

N. Fiedler beschreibt in etz Bd. 100, Heft 23, 1979, S. 1322-1326 Maßnahmen zur Ladungssteuerung von Bleibatterien durch Überwachung und Registrierung des Gasungseinsatzes. Die Probleme, die sich aus dem Einsatz von Bleibatterien im Untertagebergbau ergeben, werden nicht angesprochen. Ferner geht aus DE 32 41 879 A1 eine Rekombinationsanordnung zur katalytischen Rekombination der Ladegase eines Akkumulators hervor, gemäß der in einem Akkumulator entstehender Wasserstoff mit vorhandenem oder extern angesaugtem Sauerstoff katalytisch umgesetzt wird. Auch hier wird die beson­ dere Problematik der Verwendung von Bleiakkumulatoren im Unterta­ gebergbau nicht erwähnt.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ladeeinrichtung der eingangs genannten Art so auszuge­ stalten, daß unzulässige explosive Gaskonzentrationen im Batteriebehälter und in der Nachbarschaft des Batte­ riebehälters nicht auftreten bzw. bei deren Auftreten zur Abschaltung der Ladeeinrichtung führen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der Merkmale des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Mit Druckluft wird das explosive Gasgemisch im Batterie­ behälter auf eine nicht mehr explosionsfähige Konzen­ tration verdünnt. Das ist eine Konzentration von 2 Volumen-%. Im Batteriebehälter sind dazu Meß­ geräte angeordnet, die das Vorhandensein von Druckluft überwachen und die Wasserstoffkonzentration messen. Die Daten dieser Instrumente werden einer Ladesteuereinheit übermittelt, die den Ladevorgang bei Druckluftausfall und/oder Überschreiten der zulässigen Wasserstoffkon­ zentration unterbricht. Weiterhin sind Meßgeräte vorgesehen, die Kenndaten der Batterie wie Batteriestrom, Batte­ riespannung, mehrere Zellenspannungen, mehrere Zellen­ gruppenspannungen, entnommene Elektrizitätsmenge in Amp´restunden, zugeführte Elektrizitätsmenge, Iso­ lationswiderstand zwischen Pluspol und Batteriebehäl­ ter, Temperatur in einer oder mehreren Zellen, gege­ benenfalls Säuredichte in einer oder mehreren Zellen und Elektrolytstand in einer oder mehreren Zellen mes­ sen und die Daten ebenfalls an die Ladesteuereinheit weitergeben.

Auf diese Weise ist es möglich, daß die Zellen nicht überladen werden, wenig gasen, die Wasserstoffkonzen­ tration von 2 Volumen-% im Batteriebehälter gar nicht erst erreicht wird und Zellenausfälle frühzeitig erkannt werden.

Die Verbindung zwischen Ladegerät und der Batterie wird u. a. dann so lange unterbrochen, solange eine der fol­ genden Bedingungen erfüllt sind:

• a) Es ist keine Druckluft vorhanden,
• b) die Wasserstoffkonzentration im Batteriebehälter ist zu hoch.

Das Sicherheitsniveau beim Laden der Batterie wird er­ höht, indem ein unzulässiges Ansammeln von Brenngas vermieden wird. Durch die Aufzeichnung der oben genann­ ten Batteriekenndaten wird die Batterie ihrem jeweiligen Zustand entsprechend optimal behandelt. Dadurch ist eine Begrenzung der Ladespannung nicht notwendig. Weiterhin wird so ein abweichendes, möglicherweise gefährliches Verhalten einzelner Zellen frühzeitig erkannt.

Gemäß dem Merkmal des Anspruchs 2 befindet sich außer im Batteriebehälter auch im Druckluftkanal ein Druck­ aufnehmer für die Druckluft. Der Druckluftkanal hat einen Druckluftanschluß an das Druckluftnetz, einen Filter und einen Druckminderer. Der Filter reinigt die Druck­ luft, während der Druckluftminderer den Druckluftstrom so reduziert, daß dessen Geschwindigkeit im Luftkanal- Behälter zur Vermeidung von z. B. elektrostatischer Auf­ ladung stets kleiner als 5 m pro sec. ist. Der Luft­ kanal ist in seinen Abmessungen dem jeweiligen Behäl­ ter angepaßt und wird wahlweise an einer oder an zwei Stellen angeordnet.

Anspruch 3 schlägt vor, außer im Batteriebehälter auch in den Batteriezellen Meßwertaufnehmer für die Wasser­ stoffkonzentration anzuordnen.

Da jeder Batteriebehälter über eine schlagwetterge­ schützte Steckvorrichtung für die Batterie verfügt, schlägt der Anspruch 4 vor, im Gehäuse der Steckvor­ richtung die Ladesteuereinheit einzubauen. Sie ist eine elektronische Schaltung, die den Ladevorgang steuert und bei Bedarf neben den Batteriekenndaten, den Druckluftwerten und den Wasserstoffkonzentrations­ daten zusätzliche wichtige Informationen wie Tiefent­ ladung und Anzahl der Tiefentladungen für das Wartungs­ personal anzeigt. Hierzu verfügt die Ladesteuereinheit über, einen Speicher, der die Batteriekenndaten und an­ dere oben beschriebene Daten über mehrere Entladezyklen speichert.

Nach dem Merkmal des Anspruchs 6 ist in der Umgebung des Batteriebehälters ein Meßinstrument zum Messen der Methankonzentration angeordnet, welches die Meß­ werte der Ladesteuereinheit übermittelt. Steigt die Methangaskonzentration auf z. B. 2 Volumen-% an, so unterbricht die Ladesteuereinheit ebenfalls den Lade­ vorgang.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung dargestellt und näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein explosionsgeschützter Batterie­ behälter mit 1 bezeichnet. An einer Schmalseite des Be­ hälters 1 ist eine Batteriesteckvorrichtung 2 angeord­ net, in die schlagwettergeschützt eine Ladesteuerein­ heit 3 eingebaut ist. An der rechten Breitseite des Behälters 1 mündet ein Druckluftkanal 4. Seine Mündung ist an der oberen Behälterkante angesetzt. Der Deckel des Behälters 1 besteht aus versetzt zueinander ange­ ordneten Blechen 6, 7, 8, die Schlitze zum Gasaustausch freilassen. Der Luftkanal 4 verjüngt sich vom Behälter 1 weg und führt zum Druckluftanschluß des unter Tage vor­ handenen Druckluftnetzes. In den Kanal 4 sind ein Druck­ aufnehmer, ein Filter 10 und ein Druckminderer 11 einge­ baut. Der Filter 10 reinigt die Druckluft, während der Druckminderer 11 die Geschwindigkeit des Druckluft­ stromes auf einen Wert < 5 m pro sec. reduziert, um elektrostatische Aufladungen zu vermeiden. Der Druck­ aufnehmer meldet der Ladesteuereinheit 3, ob im Kanal 4 Druckluft vorhanden ist. Im Batteriebehälter 1 sind weitere Meßwertaufnehmer (nicht dargestellt), die einerseits der Ladesteuereinheit 3 melden, ob im Behälter 1 Druckluft vorhanden ist und andererseits, wie hoch die Wasserstoffkonzentration im Behälter 1 oder in einzelnen Zellen der nicht dargestellten Batterie ist. Außerhalb des Behälters 1 in der näheren oder weiteren Umgebung ist ein Meßwertaufnehmer 12 angeordnet, der die Methangaskonzentration in der Umgebung der Lade­ einrichtung mißt und diese Werte an die Ladesteuer­ einheit 3 weitergibt. Die Ladesteuereinheit ist einer­ seits mit einem schlagwettergeschützten Ladegerät 13 und dem Meßwertaufnehmer 12 verbunden. Die Ladesteuer­ einheit 3 verfügt zudem noch über einen Speicher, in dem die der Ladesteuereinheit 3 von den Druckaufnehmer 9 und dem Meßwertaufnehmer 12 übermittelten Daten über mehrere Entladevorgänge hinweg gespeichert werden.

Das Ladegerät 13, welches von der Ladesteuereinheit 3 gesteuert wird, lädt die im Behälter 1 angeordnete Batterie. Durch den Druckluftkanal 4 strömt Druckluft aus dem Druckluftnetz unter Tage in den Batteriebehäl­ ter ein. Die Druckluft verdünnt dabei die im Behälter 1 herrschende Brenngaskonzentration. Druckaufnehmer 9 im Kanal 4 als auch im Behälter 1 signalisieren der Lade­ steuereinheit 3, ob im Kanal 4 und im Behälter 1 Druck­ luft vorhanden ist. Ist das nicht der Fall, unterbricht die Ladesteuereinheit 3 den Ladevorgang. Der Ladevorgang wird ebenfalls unterbrochen, wenn trotz allem im Behäl­ ter 1 oder in den Zellen der Batterie Wasserstoffkon­ zentrationen von mehr als 2 Volumen-% auftreten. Der Meßwertaufnehmer 12 mißt in der Umgebung der Ladeein­ richtung die Methangaskonzentration und übermittelt die Meßwerte ebenfalls an die Ladesteuereinheit. Übersteigt die Methangaskonzentration einen gerade noch ungefähr­ lichen Wert (z. B. 2 Volumen-%), so unterbricht die Ladesteuereinheit 3 ebenfalls den Ladevorgang. Der Ladevorgang wird jedoch ebenfalls unterbrochen, wenn die in der Zeichnung nicht dargestellten Meßwertaufneh­ mer für spezielle Batteriekenndaten, abweichende bzw. unzulässige Werte messen. Derartige Batteriekenndaten können z. B. sein: Batteriestrom, Batteriespannung, mehrere Zellenspannungen, mehrere Zellengruppenspan­ nungen, entnommene Elektrizitätsmenge, zugeführte Elektrizitätsmenge, Isolationswiderstand zwischen Pluspol und Batteriebehälter, Temperatur in einer oder mehreren Zellen, gegebenenfalls Säuredichte in einer oder mehreren Zellen und Elektrolytstand in einer oder mehreren Zellen. Zusätzlich ist bei der Lade­ steuereinheit vorgesehen, daß sie zusätzliche wichtige Informationen anzeigt, wie z. B. eine Tiefentladung. Da die Ladesteuereinheit über einen Speicher verfügt, kön­ nen Daten über mehrere Entladezyklen gespeichert werden. Somit ist es auch möglich, daß die Anzahl der Tiefent­ ladungen für das Wartungspersonal angezeigt werden können. Die Ladeeinrichtung überwacht sich somit selbst, so daß auf eine Begrenzung der Ladespannung verzichtet werden kann.

Claims (6)

1. Ladeeinrichtung für elektrochemische Energie­ speicher wie Batterien, insbesondere für schienengebundene Lokomotiven und Einschienen­ hängebahnen im Einsatz im Bergbau unter Tage, bestehend aus einem Ladegerät und Meß- und Anzeigeinstrumenten von Batteriekenndaten, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher in einem explosionsge­ schützten Behälter (1) untergebracht ist, der über zumindest einen Luftkanal (4) zur Zuführung von Druckluft verfügt sowie über Meß­ instrumente für die Überwachung des im Behälter (1) vorhandenen Drucks der Druckluft und der Konzentration des von dem Energiespeicher gebildeten Wasserstoffes, und daß eine Ladesteuereinheit (3) vorgesehen ist, die aus den gemessenen Kenndaten des Energie­ speichers, den Druckwerten, der Druckluft und den die Konzentrationen explosiver Gase Sig­ nale bildet, die das Ladegerät (13) steuern.

2. Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, als Meßinstrument für den Druck der Druckluft Druckaufnehmer (9) im Luftkanal (4) und im Behälter (1) angeordnet sind.

3. Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Energiespeicherzellen und/oder im Raum über dem Energiespeicher Meßwertaufnehmer für die Wasserstoffkonzentration angeordnet sind.

4. Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicherbehälter (1) über eine schlagwettergeschützte Steckvorrichtung (2) für den Energiespeicher verfügt, in deren Gehäuse die Ladesteuereinheit (3) eingebaut ist.

5. Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladesteuereinheit (3) über einen Speicher verfügt, der die der Ladesteuereinheit (3) zuge­ führten Meßwerte über mehrere Entladezyklen speichert.

6. Ladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umgebung des Behälters (1) ein Meß­ instrument (12) zum Messen der Methangaskonzen­ tration angeordnet ist, welches die Meßwerte der Ladesteuereinheit (3) übermittelt.