DE3721754A1 - Ueberbrueckungselement zur sicherung von batteriezellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Überbrückungselement zur Sicherung von Batteriezellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und findet vorzugsweise Anwendung bei aus wiederaufladbaren elektrochemischen Speicherzellen aufgebauten Hochtemperatur-Speicherbatterien.

Ein solches Überbrückungselement zur Sicherung von Bat­ teriezellen ist aus der DE-PS 28 19 584 bekannt. Dort werden die Vor- und Nachteile von wiederaufladbaren elektrochemischen Batteriezellen mit Festelektrolyten erläutert. Der z.B. bei Natrium/Schwefel-Speicherzellen verwendete Elektrolyt aus β -Aluminiumoxid hat im Ge­ gensatz zum Blei-Akkumulator den Vorteil, daß praktisch keine Selbstentladung stattfindet und beim Laden keine Nebenreaktionen ablaufen, wie etwa eine Wasserzersetzung beim Blei/Bleioxidsystem. Diesen Vorteilen steht der betriebliche Nachteil gegenüber, daß solche Zellen weder überladen noch entladen werden können, wie dies im Blei-Akkumulator möglich ist.

Aus diesem Grund wird ohne den Einsatz von überbrücken­ den Hilfsmitteln in einer Serienschaltung die Gesamtka­ pazität durch die Zelle mit der geringsten Kapazität bestimmt. Besonders schwerwiegend ist, daß Speicherzel­ len, die z.B. mit einem anderen Ladezustand eingesetzt werden, nie mit dem übrigen Strang synchronisiert werden können. Beim Blei-Akkumulator 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, können zunächst mehrere Speicherzellen parallelgeschaltet werden, bevor mehrere solcher Gruppen aus parallelgeschalteten Zellen in Serie gelegt werden. Dadurch wird erreicht, daß sich innerhalb einer Gruppe, die aus mehreren parallelgeschalteten Zel­ len besteht, aufgrund von Ausgleichsströmen der gleiche Ladezustand aller Zellen einstellt.

Eine grundlegende Verbesserung des Aufladezustandes ei­ ner Batterie läßt sich allerdings so ohne den Einsatz von überbrückenden Hilfsmitteln ebenfalls nicht errei­ chen, da weiterhin der Parallelblock mit der kleinsten Kapazität die Gesamtkapazität der Batterie bestimmt und die Ladezustände verschiedener Blöcke nicht ausgeglichen werden können. In der DE-PS 28 19 584 wird deshalb eine die Batteriezelle (n) überbrückende Schaltung zur Siche­ rung von Speicherzellen vorgeschlagen, die eine voll­ ständige Aufladung einer jeden Speicherzelle bis zu ih­ rer maximalen Kapazität ermöglicht und damit zur Symme­ trierung des Ladungszustandes von Batterien dient. Dabei wird eine Zenerdiode eingesetzt, deren Nennspannung gleich der maximalen Ladespannung der Batteriezelle ist. Aus der DE-OS 35 42 838 ist ein Überbrückungselement zum irreversiblen Kurzschließen von hochohmig ausfallenden (zerstörten) Batteriezellen in einer Batterieverschal­ tung mit mehreren parallelen und seriellen Einzelzellen oder Zellgruppen bekannt. Dabei wird eine Halbleiterdi­ ode als spannungssensitives Element für die Spannungsum­ kehr an der defekten Batteriezelle eingesetzt. Eine Bat­ teriezelle wird insbesondere bei Bruch ihres Festelek­ trolyten hochohmig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Über­ brückungselement zur Sicherung von Batteriezellen der eingangs genannten Art anzugeben, das sowohl eine La­ dungszustandssymmetrierung von intakten Batteriezellen als auch eine irreversible Überbrückung von hochohmig ausfallenden, zerstörten Zellen herstellen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeich­ neten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß das Überbrückungselement sowohl eine vollständige Aufladung aller Batteriezellen einer Hochtemperatur-Speicherbatterie als auch eine Über­ brückung einer defekten Batteriezelle ermöglicht. Das Überbrückungselement stellt quasi ein Kombielement zur Symmetrierung und irreversiblen Überbrückung dar. Trotz­ dem ist das Überbrückungselement sehr einfach und platz­ sparend aufgebaut, ist kostengünstig herstellbar und be­ sitzt eine auch hinsichtlich der hohen Dauerbetriebstem­ peratur von Hochtemperatur-Batterien erforderliche ther­ mische Stabilität.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Den Aufbau eines symmetrierenden Überbrük­ kungselementes,

Fig. 2 den Anschluß des symmetrierenden Über­ brückungselementes an eine Batteriezelle,

Fig. 3 eine Serienschaltung von drei Batteriezellen, zu denen drei symmetrierende Überbrückungsele­ mente parallelgeschaltet sind,

Fig. 4 den schematischen Aufbau einer Hochtempera­ tur-Speicherbatterie,

Fig. 5 die Strom/Spannungs-Kennlinie des symmetrie­ renden Überbrückungselementes.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines symmetrierenden Über­ brückungselementes 1 dargestellt. Das Überbrückungsele­ ment 1 weist zwei übereinanderliegende, scheibenförmige Halbleiterbauelemente 2 und 3 auf. Als Halbleiterbauele­ mente finden vorzugsweise Dioden Verwendung (es sind die Kathode des Bauelementes 2 und die Anode des Bauelemen­ tes 3 miteinander kontaktiert). Die beiden Halbleiter­ bauelemente 2, 3 liegen in einer Ausnehmung 4 einer scheibenförmigen, metallischen Kontaktscheibe 5 (vor­ zugsweise aus Kupfer), und zwar ist die Unterseite des Halbleiterbauelementes 3 (= Kathode) mit der Kontakt­ scheibe 5 kontaktiert. Auf die Oberseite des Halbleiter­ bauelementes 2 (= Anode) drückt eine metallische Kon­ taktfeder 6 (Blattfeder). Die Kontaktfeder 6 stützt sich gegen eine Ausnehmung 7 eines metallischen Gehäuses 8 ab. Mit der Oberseite des Gehäuses ist ein stabförmiges negatives Anschlußelement 9 verbunden.

An die Kontaktscheibe 5 ist ein das Gehäuse überragen­ der, stabförmiger Innenleiter 10 angeformt. Zwischen dem stabförmigen Innenleiter 10 und dem Gehäuse 8 befinden sich eine Glaseinschmelzung 11 sowie eine abdichtende Isolierhülle 12. Die Glaseinschmelzung 11 ist nach außen mit einer Isolierscheibe 13 abgeschlossen. Auf das Ende des stabförmigen Innenleiters 10 ist ein positives An­ schlußelement 14 aufgesetzt.

In Fig. 2 ist der Anschluß eines symmetrierenden Über­ brückungselementes an eine Batteriezelle (elektrochemi­ sche Speicherzelle 15 einer Hochtemperatur-Speicherbat­ terie dargestellt. Das Überbrückungselement 1 ist über sein negatives Anschlußelement 9 mit dem negativen Pol und über sein positives Anschlußelement 14 mit dem posi­ tiven Pol der Batteriezelle 15 verbunden. Das Überbrük­ kungselement 1 ist als Serienschaltung der zwei Halb­ leiterbauelemente 2, 3 dargestellt, wobei Halbleiterdi­ oden vorgesehen sind. Der innere Widerstand der Batte­ riezelle 15 ist mit R _i bezeichnet. Die EMK der Batterie­ zelle 15 beträgt z.B. 2 Volt.

In Fig. 3 ist eine Serienschaltung von drei Batterie­ zellen (elektrochemische Speicherzellen) gezeigt, zu denen drei symmetrierende Überbrückungselemente paral­ lelgeschaltet sind. Die schematisch dargestellten Batte­ riezellen 16, 17, 18 gehören zu einer hier nicht darge­ stellten Hochtemperatur-Speicherbatterie. Jede der Bat­ teriezellen 16, 17, 18 wird nach außen hin von einem me­ tallischen Gehäuse 19 begrenzt, innerhalb dessen ein be­ cherförmiger Festelektrolyt 20 angeordnet ist. Dieser ist aus Betaaluminiumoxid gefertigt und trennt die bei­ den Reaktandenräume 21 und 22 voneinander. Der Innenbe­ reich des Festelektrolyten 20 dient als Anodenraum 21 und ist mit Natrium gefüllt, während zwischen dem metal­ lischen Gehäuse 19 und dem Festelektrolyten 20 der Kat­ hodenraum 22 vorgesehen ist, der Schwefel enthält. In den Reaktandenraum 21, 22 ragt jeweils ein Stromkollektor 23 bzw. 24. Wie Fig. 3 zeigt, steht der in den Feste­ lektrolyten 20 der Batteriezelle 18 hineinragende Strom­ kollektor 23 über einen elektrischen Leiter 25 mit dem Stromkollektor 24 in Verbindung, der in den Kathodenraum 22 der benachbarten Batteriezelle 17 hineinragt. Gleich­ zeitig ist der Stromkollektor 23 mit dem positiven An­ schlußelement 14 des Überbrückungselementes 1 verbunden, das zur Speicherzelle 19 parallel geschaltet ist. Der Stromkollektor 24 dieser Batteriezelle 18 steht elek­ trisch leitend mit dem negativen Anschlußelement 9 des Überbrückungselementes 1 in Verbindung. In entsprechen­ der Weise sind die zu den übrigen Batteriezellen paral­ lelgeschalteten Überbrückungselemente 1 mit diesen ver­ schaltet.

In Fig. 4 ist der schematische Aufbau einer Hochtempe­ ratur-Speicherbatterie dargestellt. Die Batterie ist aus p in Serie geschalteten Blöcken gebildet, wobei jeder Block m parallele Zweige aufweist, die jeweils aus n in Serie liegenden Batteriezellen bestehen. Die äußeren Anschlußpole der Batterie sind mit Ziffern 26, 27 be­ zeichnet. Nach der Beschreibung des Aufbaues eines Über­ brückungselementes, des Aufbau einer Hochtemperatur- Speicherbatterie und der Beschaltung einer Batteriezelle mit einem Überbrückungselement wird nachfolgend die Funktionsweise eines Überbrückungselementes erläutert. Hierzu wird auf Fig. 5 verwiesen. In Fig. 5 ist die Strom/Spannung/Kennlinie des symmetrierenden Über­ brückungselementes dargestellt. Diese Kennlinie erhält man durch die Hintereinanderschaltung von zwei Dioden als Halbleiterbauelemente 1, 2 mit jeweils unterschiedli­ cher Durchbruchspannung (Sperrspannung) und jeweils un­ terschiedlichem Leckstrom (Sperrstrom). Die Durchbruch­ spannung des ersten Halbleiterbauelementes 2 beträgt z. B. U _Rmax = 3 Volt, der Leckstrom beträgt z. B. I _S2 = - 3 Milliampere, die Durchbruchspannung des zweiten Halbleiterbauelementes 3 beträgt z. B. U _Rmax3 = - 12 Volt, der Leckstrom z. B. I _S3 = 10 Milliampere. Der Quadrant I der Fig. 5 zeigt den bei defekter Batteriezelle 15 (z.B. hochohmig durch Bruch des Festelektrolyten) gültigen Kennlinienast und der Quadrant II zeigt den bei intakter Batteriezelle gültigen Kennlinienast.

Nachfolgend wird zuerst der Quadrant II der Kennlinie gemäß Fig. 5 betrachtet, d.h. es wird insbesondere das Verhalten des Überbrückungslementes 1 bei potentiosta­ tischer Überladung erläutert. Um die leeren Batteriezel­ len der Hochtemperatur-Speicherbatterie gemäß Fig. 4 aufzuladen, wird an die äußeren Anschlußpole 26, 27 der Batterie eine Stromquelle angeschlossen, die den Lade­ strom liefert. Die Halbleiterbauelemente 2, 3 der den Zellen parallelliegenden Überbrückungselemente befinden sich im Sperrzustand, so daß kein Strom über die Über­ brückungselemente fließt. Hat die Spannung der Batterie­ zelle einen Wert von z.B. 2 Volt erreicht (= EMK der Batteriezelle), so sind sie auf ihre maximale Kapazität aufgeladen. Durch die Aufladung sind die Zellen hochoh­ mig geworden, d.h. der durch sie fließende Strom wird wesentlich geringer. Da der durch die geladenen Zellen fließende Strom sehr klein ist, hat dies zur Folge, daß weitere mit den geladenen Zellen in Serie liegende, noch nicht vollständig auf ihre Maximalkapazität aufgeladene Zellen, nicht mehr weiter aufgeladen werden, d.h. bei einer Serienschaltung ohne überbrückende Hilfsmittel bestimmt die Zelle oder die Gruppe von Zellen mit der geringsten Kapazität die Gesamtkapazität aller Zellen der Batterie.

Eine vollständige Aufladung aller in Serie geschalteter Zellen oder Gruppen parallelgeschalteter Zellen wird durch die Parallelschaltung der Überbrückungselemente an die Batteriezellen ermöglicht. Die Durchbruchspannung des ersten Halbleiter-Bauelementes 2 entspricht exakt der maximalen Ladespannung einer Zelle oder der maxima­ len Ladespannung der Zellen einer Gruppe. Hat die Zelle bzw. haben die Zellen einer Gruppe bei der Aufladung eine Spannung von z.B. 3 Volt erreicht (potentiosta­ tische Überladung), so bricht das erste Halbleiterbau­ element 2 (Sperrspannung U _Rmax2 = - 3 Volt) zusammen und der Sperrstrom I _S3 des zweiten Halbleiterbauelementes mit U _Rmax = - 12 Volt bestimmt dann den zum Ladungsausgleich beitragenden Sperrstrom, d.h. der zur weiteren Aufladung von noch nicht ihre Maximalkapazität aufwei­ senden Zellen notwendige Strom fließt jetzt nicht mehr über die bereits vollständig geladene Batteriezelle, sondern nur noch über das parallele Überbrückungsele­ ment. Damit kann der Stromkreis der bereits aufgeladenen Zellen überbrückt werde, bis alle Zellen der Batterie auf ihre maximale Kapazität aufgeladen sind. Nach Abbau der Überspannung an der überladenen Zelle sinkt der Strom vom Wert des Sperrstromes I _S3 wieder auf den sehr geringen Wert des Leckstromes I _IS2 des ersten Halbleiter­ bauelementes 2 ab, d.h. das Überbrückungselement wird wieder stromfrei bzw. fast stromfrei.

Nachfolgend wird der Quadrant I der Kennlinie gemäß Fi­ gur 5 betrachtet, d.h. es wird das Verhalten des Über­ brückungselementes beim hochohmigen Ausfall einer zer­ störten Batteriezelle erläutert. Bei Natrium/Schwefel- Batteriezellen (siehe Fig. 3) hat es sich gezeigt, daß ein derartiger Defekt meist dadurch auftritt, daß der Festelektrolyt Risse bekommt, so daß die Reaktionsstoffe Natrium und Schwefel direkt miteinander reagieren kön­ nen. Die Batteriezelle gibt dann keine Spannung mehr ab mehr als einen Faktor 2 größer ist, als der ohmsche Wi­ derstand einer intakten Batteriezelle. Die Folge hiervon ist, daß durch den Zweig mit der defekten Batteriezelle nur ein sehr geringer oder kein Lade- oder Entladestrom fließt. Ist der Widerstand der defekten Batteriezelle sehr groß, so fällt der Zweig, in dem die Batteriezelle angeordnet ist, vollständig für die Stromversorgung aus. Dies bedeutet, daß die Kapazität der gesamten Batterie unter diesen Bedingungen um ein Faktor (m-1)/m klei­ ner ist als jene einer intakten Batterie (siehe hierzu auch Fig. 4).

Wird eine z.B. durch den Bruch ihres Festelektrolyten zerstörte Batteriezelle hochohmig, so bedeutet dies, daß die Spannungen an ihren Stromkollektoren 23 und 24 umge­ polt werden (Spannungsumkehr). Damit kommt es auch zu einer Umpolung der Spannung an den elektrischen An­ schlußelementen 9 und 14 des jeweiligen Überbrückungs­ elementes 1. Der Strom fließt jetzt nicht mehr durch die Batteriezelle, sondern wird von dem Überbrückungselement 1 übernommen. Die im Überbrückungselement 1 angeordneten Halbleiterbauelemente 2, 3 (Dioden) sind so über ihre Anschlußpole mit den Anschlußelementen 9 und 14 verbun­ den, daß das Überbrückungselement jetzt in Durchlaßrich­ tung gepolt ist, d.h. es kann ein großer Strom durch es hindurchfließen. Durch diesen hohen Strom kommt es zu einer starken Temperaturerhöhung innerhalb der Halb­ leiterbauelemente 2, 3, die zu einer Durchlegierung der in Flußrichtung betriebenen Halbleiterbauelemente führt, so daß ein dauerhaft großer Strompfad durch das Überbrückungselement 1 hindurch ausgebildet wird. Die metallische Kontaktscheibe 5 wird ebenfalls aufgeschmolzen, so daß ein optimaler elektrisch leitender Kontakt zwischen der Kontaktscheibe 5 und dem Halbleiterbauelement 2, 3 gebildet wird. Auf diese Weise wird die defekte Bat­ teriezelle irreversibel niederohmig kurzgeschlossen und behindert nicht die Auf- bzw Entladung der intakten Bat­ teriezellen.

Die monolitische Integration der zwei seriell verschal­ teten Halbleiterbauelemente 2, 3 (Dioden) in einem Chip ist möglich. Ein wesentlicher Vorteil des Kombielementes gegenüber einem reinen Überbrückungselement mit nur ei­ nem Halbleiterbauelement ist die Eigenschaft, daß Unsym­ metrien durch die streuenden und temperaturabhängigen Sperrströme nur eines Halbleiterbauelementes (Halbleit­ erdiode) im Überbrückungselement ausgeglichen werden.

Als Halbleiterbauelemente 2, 3, werden vorzugsweise Halb­ leiterdioden verwendet, wie bereits erwähnt. Es können jedoch auch Varistoren (variable resistor = Halbleiter, dessen Widerstand mit zunehmender Spannung abnimmt) und NTC-Widerstände (Negativ temperature-coeffizient-Wider­ stand = Halbleiterwiderstand, dessen Widerstand bei Er­ wärmung, z.B. infolge Stromdurchgang, abnimmt; Heißlei­ ter) eingesetzt werden. Auch bei Einsatz von Varistoren oder NTC-Widerständen ist es wesentlich, daß jeweils zwei Halbleiterbauelemente mit unterschiedlicher Strom/- Spannung-Charakteristik zusammengesetzt werden, um eine Kennlinie ähnlich der in Fig. 5 dargestellten zu erzie­ len.

Claims (10)

1. Überbrückungselement zur Sicherung von in Seri­ enschaltung zu einer Batterie zusammengeschalteten elek­ trochemischen Batteriezellen oder Gruppen von mehreren parallelgeschalteten Batteriezellen auf der Basis von Alkalimetall, Chalkogen und einem alkali-ionenleitenden Festelektrolyten, wobei jeder in Serie geschalteter Bat­ teriezelle oder jeder Gruppe von Batteriezellen mindest­ ens je ein Überbrückungslement parallelgeschaltet ist, das beim Erreichen einer vorgebbaren, maximalen Auflade­ kapazität der Batteriezellen deren Stromkreis über­ brückt, gekennzeichnet durch die Serienschaltung von zwei in Abhängigkeit des Stromes oder der Spannung einen hochohmigen bzw. niederohmigen Zustand annehmenden Halb­ leiterbauelementen (2, 3) mit jeweils unterschiedlicher Strom/Spannung-Charakteristik, wobei das erste Halblei­ erbauelement (2) im hochohmigen Zustand einen geringeren Leckstrom (I _S2) aufweist, als das zweite Halbleiterbauelement (3; I _S3), das zweite Halbleiterbauelement (3) bei einer höheren Spannung (U _rmax3) bzw. einem höheren Strom vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand übergeht als das erste Halbleiterbauelement (2, U _Rmax2) und das erste Halbleiterbauelement (2) exakt bei Erreichen der maximalen Ladespannung der Batteriezelle bzw. der Batteriezellengruppe vom hochohmigen in den niederohmi­ gen Zustand wechselt.

2. Überbrückungselement nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch den Einsatz von Halbleiterdioden als Halbleiterbauelemente.

3. Überbrückungselement nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch den Einsatz von Varistoren als Halbleit­ erbauelemente.

4. Überbrückungselement nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch den Einsatz von NTC-Widerständen als Halbleiterbauelemente.

5. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauele­ mente (2, 3) zusammen mit einem schmelzbaren Bauteil (5) innerhalb eines Gehäuses (8) angeordnet sind, das aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt und mit einem positiven und negativen elektrischen Anschlußele­ ment (9, 14) ausgerüstet ist, mit denen jeweils ein An­ schlußpol eines Halbleiterbauelementes (2, 3) elektrisch leitend in Verbindung steht, während die weiteren beiden Anschlußpole der Halbleiterbauelemente (2, 3) miteinander verbunden sind.

6. Überbrückungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anschlußpol des ersten Halbleiterbauelementes (2) über ein elektrisch leitendes Kontaktelement (6) in Form einer Feder mit dem Gehäuse (8) und dem daran befestigten Anschlußelement (9) in elektrisch leitender Verbindung steht.

7. Überbrückungselement nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschlußpol des zweiten Halbleiterbauelementes (3) über einen stabförmi­ gen Innenleiter (10) direkt oder zusätzlich über das schmelzbare Bauteil (5) an das positive Anschlußelement (14) elektrisch leitend angeschlossen ist.

8. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) durch eine temperaturbeständige Glaseinschmelzung (11) ver­ schlossen ist.

9. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbauele­ mente (2, 3) wenigstens bereichsweise in einer Ausnehmung (4) des schmelzbaren Bauteils (5) angeordnet sind.

10. Überbrückungselement nach Anspruch 2, gekenn­ zeichnet durch eine monolitische Interagtion der zwei seriell verschalteten Dioden auf einem Halbleiterchip.