DE3542838A1 - Ueberbrueckungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Überbrückungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Solche Überbrückungselemente finden vor allem in Hoch­ temperatur-Batterien eine Anwendung, die aus wiederauf­ ladbaren elektrochemischen Speicherzellen aufgebaut sind. Sie dienen hier zur Überbrückung von zerstörten Speicherzellen, die auf diese Weise aus dem Stromkreis der Hochtemperatur-Batterie herausgetrennt werden kön­ nen, so daß die Funktionsfähigkeit der Batterie im we­ sentlichen erhalten bleibt. Bei Hochtemperatur-Batte­ rien, die für Fahrzeuge verwendet werden, besteht die Notwendigkeit, viele elektrochemische Speicherzellen in Serie und nur wenige Speicherzellen parallel zu schal­ ten. Gründe hierfür sind dadurch gegeben, daß der Ener­ gieinhalt einer solchen Batterie im allgemeinen kleiner als 40 kWh sein soll. Der Energieinhalt einer einzelnen Speicherzelle ist jedoch größer als 80 Wh. Daraus folgt, daß eine Fahrzeugbatterie nicht mehr als 500 Speicher­ zellen enthalten wird. Falls mit einer solchen Batterie bei einer Spannung der einzelnen Speicherzelle von etwa 2 V insgesamt 200 V erzeugt werden sollen, müssen 100 Speicherzellen in Serie geschaltet werden. Das bedeutet, daß höchstens 5 Speicherzellen parallel geschaltet wer­ den können. Da die Redundanz bei 5 parallel geschalteten Speicherzellen noch nicht sehr groß ist, ist es zweckmä­ ßig, möglichst viele Speicherzellen in Serie zu schal­ ten. Derartige Zweige können dann parallel geschaltet werden, so daß sich das in Fig. 1 dargestellte Schalt­ schema ergibt. Die Speicherzellen sind in dieser Zeich­ nung nur durch ihre elektrischen Anschlußpole darge­ stellt. Wie anhand dieser Zeichnung zu sehen ist, sind jeweils n-Speicherzellen zu einem Zweig serienartig zu­ sammengeschaltet. m-Zweige mit jeweils n-Speicherzellen sind parallel geschaltet und bilden einen Block. Die gesamte Batterie ist aus p-solchen seriengeschalteten Blöcken zusammengesetzt. Sie enthält gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel p-Speicherzellen.

Probleme treten bei der beschriebenen Schaltung dann auf, wenn eine Speicherzelle defekt wird. Bei Natrium/- Schwefel-Speicherzellen hat es sich gezeigt, daß ein Deffekt meist dadurch auftritt, daß der Festelektrolyt Risse bekommt, so daß die Reaktionsstoffe Natrium und Schwefel direkt miteinander reagieren können. Die Spei­ cherzelle gibt dann keine Spannung mehr ab und weist einen großen Innenwiderstand auf, der meist um mehr als einen Faktor 2 größer ist als der Ohmsche Widerstand einer intakten Speicherzelle. Die Folge hiervon ist, daß durch den Zweig mit der deffekten Speicherzelle nur ein sehr geringer oder kein Lade-oder Entladestrom fließt. Ist der Widerstand der deffekten Speicherzelle sehr groß, so fällt der Zweig, in dem die Speicherzelle ange­ ordnet ist, vollständig für die Stromversorgung aus. Dies bedeutet, daß die Kapazität der gesamten Batterie unter diesen Bedingungen um einen Faktor (m-1)/m kleiner ist als jene einer intakten Batterie.

Es ist bereits ein Überbrückungselement für Speicherzel­ len bekannt. Dieses wird durch ein Halbleiterbauelement gebildet, das wenigstens bereichsweise von einer elek­ trisch leitenden Schicht umgeben und über elektrische Anschlußelemente mit dem positiven und dem negativen Anschlußpol einer Speicherzelle verbunden wird. Bei kor­ rekter Funktionsweise der Speicherzelle ist das Halblei­ terbauelement in Sperrichtung geschaltet. Ist die Spei­ cherzelle hochohmig, so kommt es bekanntlich an ihren Stromkollektoren zu einer Spannungsumkehr, so daß auch an den Anschlußelementen des Überbrückungselements eine Spannungsumkehr stattfindet, und das Halbleiterbauele­ ment in Durchlaßrichtung geschaltet wird. Der Strom, der normalerweise durch die Speicherzelle fließt, wird nun von dem Überbrückungselement aufgenommen. Der anwachsen­ de Diodenstrom des Halbleiterbauelemets bewirkt einen Temperaturanstieg innerhalb des Überbrückungselements, wodurch es zu einem Schmelzen des Haltleiterbauelements und der angrenzenden elektrisch leitenden Schicht kommt, so daß diese zu einem Kurzschlußelement zusammenlegiert werden, das den Strom dauerhaft übernehmen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Über­ brückungselement der eingangs genannten Art so zu schaf­ fen, daß der Sperrstrom des Halbleiterbauelements bei der Arbeitstemperatur des zu überbrückenden elektrischen Bauteils einen Minimalwert aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Durch die Verkleinerung der Sperrschichtfläche des pn-Überganges wird, z.B. die Selbstentladung intakter Bat­ terien reduziert. Wird eines dieser Bauelemente zu denen die Überbrückungselemente parallel geschaltet sind hoch­ ohmig, so kann das jeweils parallel geschaltete Über­ brückungselement nicht nur den Strom übernehmen, viel­ mehr ist zusätzlich eine Aufweiterung seines Stromquer­ schnittes möglich. Dies geschieht durch das Durchlegieren des jeweiligen Halbleiterbauelements, insbesondere der Halbleiterdiode, die jedes Überbrückungselement auf­ weist. Hierdurch wird der Widerstand des durchgeschalte­ ten Überbrückungselementes verringert.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Batterie,

Fig. 2 ein Überbrückungselement,

Fig. 3 das in dem Überbrückungselement verwendete Halbleiterbauelement,

Fig. 4 eine Variante des erfindungsgemäßen Überbrük­ kungselements.

Fig. 5 die Serienschaltung von drei Speicherzellen zu denen drei Überbrückungselemente parallel ge­ schaltet sind.

Das in Fig. 2 dargestellte Überbrückungselement 1 wird im wesentlichen durch ein Halbleiterbauelement 2 in Form einer Halbleiterdiode, ein metallisches Bauteil 3 und ein Gehäuse 4 gebildet. Dieses ist becherförmig ausge­ bildet. Der Aufbau des Halbleiterbauelementes 2, das den Kern des Überbrückungselementes 1 bildet, ist in Fig. 3 dargestellt. Wie Fig. 3 zeigt, ist das Halbleiterbauele­ ment 2 scheibenförmig ausgebildet. In Anspassung an den Innenraum des Überbrückungselementes 1, insbesondere an den Innendurchmesser des Gehäuses 4, weist es einen qua­ dratischen Querschnitt auf. Die Deckflächen 2 O und 2 U des Halbleiterbauelemets 2 werden durch eine Metall­ schicht, insbesondere eine Aluminiumschicht gebildet. Das Kernstück des Halbleiterbauelementes 2 bildet die sehr groß ausgebildete n-leitende Schicht 2 N. Ihr Quer­ schnitt ist ebenso groß wie der Querschnitt der beiden Deckschichten 2 O und 2 U. Die n-leitende Schicht be­ steht aus Silizium, das mit Phosphor dotiert ist. Sie weist auf ihrer der Deckschicht 2 O zugewandten Seite einen Bereich 2 A in Form einer Ausnehmung auf, in der die p-leitende Schicht 2 P angeordnet ist. Die n-leitende Schicht 2 N ist bei dem hier dargestellten Ausführungs­ beispiel um mindestens das zwanzigfache größer als die p-leitende Schicht 2 P. Zwischen der n-leitenden Schicht 2 N und der Deckschicht 2 O ist eine siliziumoxidhaltige Passivierungsschicht 2 Z angeordnet, derart, daß die der Deckschicht 2 O zugewandte Oberfläche der p-leitenden Schicht 2 P freibleibt und direkt mit der Deckschicht 2 O in Verbindung steht.

Wie Fig. 2 zeigt, ist dieses Halbleiterbauelement 2 in die Ausnehmung 3 A eines metallischen Bauteils 3 einge­ bettet. Die Ausnehmung 3 A befindet sich an der ersten Stirnseite des Bauteils 3. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Bauteil 3 durch eine metal­ lische Schicht aus Kupfer oder Aluminium gebildet. Der Querschnitt des Bauteils 3 ist an den Innendurchmesser des Gehäuses 4 angepaßt, vorzugsweise jedoch etwas klei­ ner ausgebildet. Das Bauteil 3 ist mit der Ausnehmung 3 A dem Boden 4 B des Gehäuses 4 zugewandt. Zwischen dem Boden 4 B des Gehäuses 4 und dem Halbleiterbauelement 2 befindet sich ein metallisches Kontaktelement 5. Dieses dient der elektrisch leitenden Verbindung des Halblei­ terbauelements 2 mit dem Gehäuse 4. Die Tiefe der Aus­ nehmung 3 A ist gerade so groß gewählt, daß die Ober­ fläche des Halbleiterbauelementes 2 bündig mit der Ober­ fläche des Bauteils 3 abschließt. Das metallische Kon­ taktelement 5 ist so zwischen dem Halbleiterbauelement 2 und dem Boden 4 B angeordnet, daß es elektrisch leitend mit dem ersten Anschlußpol (hier nicht dargestellt) des Halbleiterbauelementes 2 in Verbindung steht und gleich­ zeitig einen elektrisch leitenden Kontakt mit dem Boden 4 B besitzt.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Kontaktelement 5 als Blattfeder ausgebildet. Das nega­ tive elektrische Anschlußelement 6 des Überbrückungs­ elementes 1 ist als Lasche ausgebildet und elektrisch leitend mit der Außenfläche 4 des Bodens 4 B verbunden. Der zweite Anschlußpol (hier nicht dargestellt) des Halbleiterbauelementes 2 ist über das elektrisch lei­ tende Bauteil 3 und einen Innenleiter 7, der als zylindrischer Stab ausgebildet und elektrisch leitend mit dem Bauteil 3 in Verbindung steht, an das positive Anschlußelement 8 des Überbrückungselementes 1 ange­ schlossen. Das Gehäuse 4 des Überbrückungselementes 1 wird nach außen hin durch eine Glaseinschmelzung 9 verschlossen, die von dem stabförmigen Innenleiter 7 mittig durchsetzt ist.

Fig. 4 zeigt eine Variante des in Fig. 2 dargestellten Überbrückungselementes 1. Die hier gezeigte Ausfüh­ rungsform weist als Kernstück ebenfalls ein Halbleiter­ bauelement 2 auf, das in entsprechender Weise wie das in Fig. 3 dargestellte Halbleiterbauelement 2 ausgebildet ist. Es ist ebenfalls in der Ausnehmung 3 A eines Bau­ teils 3 angeordnet. Dieses ist auch hierbei wieder in­ nerhalb eines Gehäuses 4 installiert, welches das Über­ brückungselement 1 nach außen hin begrenzt. Der Unter­ schied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht im Aufbau des Bauteils 3. Diese wird in der hier darge­ stellten Ausführungsform durch zwei übereinander ange­ ordnete Schichten 3 B und 3 C gebildet wird. Die erste Schicht 3 B ist aus Zink oder Aluminium gefertigt und auf die zweite Schicht 3 C, die aus Kupfer hergestellt ist, aufgetragen. In der Stirnseite der Schicht 3 B ist die Ausnehmung 3 A vorgesehen. Sie ist dem Boden 4 B des Gehäuses 4 zugewandt. Der elektrische Kontakt zwischen dem ersten Anschlußpol (hier nicht dargestellt) des Halbleiterbauelementes 2 und dem metallischen Gehäuse 4 wird auch hierbei durch ein als Feder ausgebildetes Kon­ taktelement 5 bewirkt, das elektrisch leitend zwischen den Halbleiterbauelement 2 und dem Boden 4 B des Gehäu­ ses 4 angeordnet ist. Das negative Anschlußelement 6 des Überbrückungselementes 1 ist als Lasche ausgebildet und auf der Außenseite des Bodens 4 B des Gehäuses 4 elek­ trisch leitend befestigt. Das Gehäuse 4 wird nach außen hin durch eine Glaseinschmelzung 9 verschlossen. Das Bauteil 3 und die Glaseinschmelzung 9 werden mittig von einem Innenleiter 7 durchsetzt, welcher elektrisch lei­ tend mit dem zweiten Anschlußpol (hier nicht darge­ stellt) des Halbleiterbauteils 2 in Verbindung steht. Das positive Anschlußelement 8 des Überbrückungselemen­ tes ist elektrisch leitend mit dem Innenleiter 7 verbun­ den.

Fig. 5 zeigt die Serienschaltung von 3 elektrochemischen Speicherzellen 20, die zu einer Hochtemperaturspeicher­ batterie (hier nicht dargestellt) gehören. Die Speicher­ zellen 20 sind bei der hier dargestellten Ausführungs­ form nur schematisch dargestellt. Jede der Speicherzel­ len 20 wird nach außen hin von einem metallischen Gehäu­ se 21 begrenzt, innerhalb dessen ein becherförmiger Fe­ stelektrolyt 22 angeordnet ist. Dieser ist aus Betaalu­ miniumoxid geferigt, und trennt die beiden Reaktanden­ räume 23 und 24 voneinander. Der Innenbereich des Feste­ lektrolyten 22 dient als Anodenraum 23 und ist mit Na­ trium gefüllt, während zwischen dem metallischen Gehäuse 21 und dem Festelektrolyten 22 der Kathodenraum 24 vor­ gesehen ist, der Schwefel enthält (hier nicht darg­ stellt). In den Reaktandenraum 23, 24 ragt jeweils ein Stromkollektor 25 bzw. 26. Wie Fig. 5 zeigt, steht der in den Festelektrolyten 22 hineinragende Stromkollektor 26 über einen elektrischen Leiter 27 mit dem Stromkol­ lektor 25 in Verbindung, der in den Kathodenraum 23 der benachbarten Speicherzelle 20 hineinragt. Gleichzeitig ist der Stromkollektor 26 mit dem positiven Anschlußele­ ment 8 des Überbrückungselementes 1 verbunden, das zur Speicherzelle 20 parallel geschaltet ist. Der Stromkol­ lektor 25 dieser Speicherzelle 20 steht elektrisch lei­ tend mit dem negativen Anschlußelement 6 des Überbrük­ kungselements 1 in Verbindung. In ensprechender Weise sind die zu den übrigen Speicherzellen 20 parallel ge­ schalteten Überbrückungselemente 1 mit diesen verschal­ tet. Solange die Speicherzellen 20 voll funktionsfähig sind, fließt der Lade- bzw. Entladestrom durch diese selbst hindurch. Die Überbrückungselemente 1 sind wie bereits oben erwähnt, so installiert, das bei voller Funktionsfähigkeit der Speicherzellen 20 durch sie nur ein sehr sehr kleiner Sperrstrom fließt. Die Überbrük­ kungselemente 1 sind erfindungsgemäß so ausgebildet, daß dieser Sperrstrom bei der Arbeitstemperatur der Spei­ cherzellen 20, die bei 350°C liegt, einen Minimalwert von 1 bis 0,1 mA aufweist. Wird eine Speicherzelle 20 beispielsweise durch den Bruch ihres Festelektrolyten zerstört, so wird sie hochohmig. Dies bedeutet, daß die Spannungen an ihren Stromkollektoren 25 und 26 umgepolt werden. Damit kommt es auch zu einer Umpolung der Span­ nung an den elektrischen Anschlußelementen 6 und 8 des jeweiligen Überbrückungselementes 1. Der Strom fließt jetzt nicht mehr durch die Speicherzelle 20, sondern wird von dem Überbrückungselement 1 übernommen. Das in dem Überbrückungselement 1 angeordnete Halbleiterbau­ element 2 ist so über seine Anschlußpole mit den An­ schlußelementen 6 und 8 verbunden, daß es jetzt in Durchlaßrichtung gepolt ist, und damit ein großer Strom durch selbiges hindurch fließen kann. Durch diesen hohen Strom kommt es zu einer starken Temperaturerhöhung in­ nerhalb des Halbleiterbauelementes 2, so daß seine äuße­ ren Schichten 20 und 2 U zu schmelzen beginnen und mit der p-Schicht 2 P des Halbleiterbauelements 2 zu einem Kurzschlußelement zusammenlegieren, so daß ein dauerhaft großer Strompfad durch das Überbrückungselement 1 hin­ durch ausgebildet wird. Das Bauteil 3 wird ebenfalls aufgeschmolzen, so daß ein otimaler elektrisch leitender Kontakt zwischen dem Bauteil 3 und dem Halbleiterbauele­ ment 2 gebildet wird.

Claims (8)

1. Überbrückungselement, mit einem Halbleiterbau­ element (2) und zwei elektrischen Anschlußelementen (6 und 8), dadurch gekennzeichnet, daß die p-leitende Schicht (2 P) des Halbleiterbauelements (2) in ihren Ab­ messungen mindestens um das zwanzigfache kleiner als die n-leitende Schicht (2 N) ausgebildet ist.

2. Überbrückungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (2) eine Siliziumdiode ist, deren p-leitende Schicht (2 P) so klein ausgebildet ist, daß der Sperrstrom bei 350°C nur 1 bis 0,1 mA beträgt.

3. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbau­ element (2) zusammen mit einem schmelzbaren Bauteil (3) innerhalb eines Gehäuses (4) angeordnet ist, das aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt und mit einem positiven und negativen elektrischen Anschlußele­ ment (6, 7) ausgerüstet ist, mit denen die Anschlußpole des Halbleiterbauelementes (2) elektrisch leitend in Verbindung stehen.

4. Überbrückungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschlußpol des Halblei­ terbauelementes (2) über ein elektrisch leitendes Kon­ taktelement (5) in Form einer Feder mit dem Gehäuse (4) und dem daran befestigten Anschlußelement (6) in elek­ trisch leitender Verbindung steht.

5. Überbrückungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschlußpol des Halblei­ terbauelementes (2) über einen stabförmigen Innenleiter (7) direkt oder zusätzlich über das Bauteil (3) an das positive Anschlußelement (8) elektrisch leitend ange­ schlossen ist.

6. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) durch eine temperaturbeständige Glaseinschmelzung (9) ver­ schlossen ist.

7. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbau­ element (2) wenigstens bereichsweise in einer Ausnehmung (3 A) des schmelzbaren Bauteils (3) angeordnet ist.

8. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (3) aus ein oder zwei schmelzbaren Schichten (3 B, 3 C) aufgebaut ist, von denen mindestens eine aus Zink oder Aluminium und die andere aus Kupfer besteht.