DE4031713A1 - Hochtemperaturbatterie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochtemperaturbat­ terie nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Batterie ist z. B. aus der EP-A2 03 20 831 bekannt. Die Speicherzellen solcher Batterien arbeiten z. B. auf Basis von Natrium/Schwefel- oder Na­ trium/Nickelchlorid-Reaktionen, die bei Temperaturen um ca. 300°C herum reversibel ablaufen. Die Einzelzellen ha­ ben normalerweise eine Spannung zwischen 2 und 2,6 V. Es ist im allgemeinen erforderlich, durch Reihenschaltung von Einzelzellen zu Zellsträngen zu kommen, die eine für die Praxis geeignete Spannung liefern, wie es von anderen Bat­ terien her bekannt ist. Die Zellenstränge können dann par­ allel geschaltet werden, wodurch man die gewünschte Kapazität einer Batterie erhält.

Ein relativ einfacher Aufbau der Batterie ergibt sich, wenn der Platzbedarf einer Zellreihe oder eines Zellstran­ ges mit der Länge der Batterie übereinstimmt. Dann befin­ det sich der eine Pol der Batterie an einem Ende und der zweite Pol am anderen Ende der Batterie.

Da solche Batterien Zellgehäuse haben, die gleichzeitig einen Pol der Zelle bilden, muß beim Aufbau solcher Batte­ rien darauf geachtet werden, daß die Isolierung zwischen den Zellen erhalten bleibt, um keine Kurzschlüsse zu ver­ ursachen. Es muß aber damit gerechnet werden, daß bei be­ sonders hoher mechanischer Beanspruchung der Batterie die Isolierung zwischen den Zellen durchstoßen werden kann. Darin kommt es zum Kurzschluß zwischen benachbarten Zel­ len. Da Hochenergiebatterien über sehr hohe Kapazität und hohe Leistungsfähigkeit verfügen, muß die Freisetzung von Energie beim Kurzschluß soweit als möglich begrenzt blei­ ben, um die Sicherheit der Batterie auch in einem solchen Fall zu gewährleisten. Bestehen zwischen benachbarten Zel­ len höhere Spannungen, treten zu hohe Kurzschlußleistungen auf.

Es ist weiter davon auszugehen, daß Batteriegeometrien gefordert werden, die es nicht zulassen, daß gerade ein Strang oder ein Doppelstrang von in Reihe geschalteten Zellen der geforderten Batterielänge entspricht, d. h. nor­ malerweise wird die geometrische Anordnung von Zellen in­ nerhalb der Batterie in Reihen unterschiedlich sein zur elektrischen Anordnung von Zellen in einem Strang.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Verschaltung von Zellen in einer Batterie anzugeben, bei der die Potential­ differenz benachbarter Zellen minimiert ist, auch wenn die Zellenzahl einer geometrischen Reihe nicht mit der Zellen­ zahl der elektrischen Reihe übereinstimmt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa­ tantanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Un­ teransprüchen angegeben. Das Wesen der Erfindung besteht also darin, daß die für die elektrische Reihenschaltung (elektrische Reihe von Zellen) benötigten Zellen in einer ersten geometrischen Reihe angeordnet sind und daß die für die elektrische Reihe noch fehlenden Zellen aus der näch­ sten geometrischen Reihe zugeordnet werden.

Anhand der in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestell­ ten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer ein­ zelnen stabförmigen Speicherzelle 1 deren Gehäuse 3 den Minuspol bildet und die an ihrem einen Ende die isoliert aus dem Gehäuse 3 heraus geführte Pluspol-Elektrode 2 auf­ weist.

Die Fig. 2 und 3 zeigen schematisch eine Aufsicht auf Hochtemperaturbatterien mit einer Vielzahl von Speicher­ zellen 1, die in nebeneinanderliegenden geometrischen Rei­ hen A, B . . . I . . . innerhalb eines thermischen isolierenden Batteriegehäuses 8 angeordnet sind.

In Fig. 2 besteht die Batterie aus 60 einzelnen Zellen 1, die in sechs geometrischen Reihen A bis F zu je 10 Zellen angeordnet sind.

Für den Betrieb dieser Batterie ist jedoch eine Spannung erforderlich, die der Reihenschaltung von 12 Zellen ent­ spricht. Die Maße des Batteriegehäuses sollen jedoch nicht verändert werden. Die Minus-Anschlüsse 5 sollen an der einen Seite der Batterie und die Plusanschlüsse 4 an der gegenüberliegenden Seite der Batterie angeordnet sein. Zwischen räumlich benachbarten Zellen 1 sollen möglichst geringe elektrische Spannungsdifferenzen bestehen. Die Zellen der Batterie sind nun elektrisch so miteinander verschaltet, daß fünf Reihenschaltungen von je 12 Zellen gebildet werden. Zu diesem Zweck werden jeder geometri­ schen Zellenreihe A . . . F elektrisch Zellen der benachbar­ ten geometrischen Reihe zugeordnet. Mit den Zellen der geometrischen Reihe A sind zwei Zellen der geometrischen Reihe B elektrisch verschaltet; mit den verbleibenden acht Zellen der Reihe B sind vier Zellen der Reihe C verschal­ tet; mit den verbleibenden sechs Zellen der Reihe C sind sechs Zellen der Reihe D verschaltet usw., wie die Fig. 2 zeigt.

Dabei wird zwischen den Zellen der beiden Reihen eine Zickzackverschaltung gewählt. Durch diese Zickzackschal­ tung wird erreicht, daß die Spannungen von benachbarten Zellen auf ein Minimum begrenzt bleiben. Die zweite elek­ trische Reihe wird in der Form gebildet, daß die übrig­ gebliebenen Zellen der zweiten geometrischen Reihe verbun­ den werden und die noch fehlenden Zellen aus der dritten geometrischen Reihe genommen werden. Die Zickzackverschal­ tung erfolgt am Übergangspunkt von der zweiten zur dritten Reihe. Aus Fig. 2 ist zu ersehen, daß in dieser Form ein Netzwerk von parallelgeschalteten Ketten aufgebaut werden kann, das aufgrund der Zickzackverschaltung zu einem Auf­ bau führt, bei dem benachbarte Zellen minimale Potential­ differenzen aufweisen. Mit dieser Anordnung kann auch er­ reicht werden, daß sich die Spannung einer Batterie von einem Ende zum anderen Ende hin kontinuierlich aufbaut. Die Poldurchführungen für Plus und Minus im Batteriege­ häuse befinden sich dann am Anfang und am Ende dieser Bat­ terie.

Der zentrale kleine Kreis jeder Zelle 1 in den Fig. 2 und 3 stellt jeweils die positive Elektrode dar, die in Fig 1 mit 2 bezeichnet ist. Zur elektrischen Reihenschal­ tung sind jeweils die positive Elektrode mit den entspre­ chenden Gehäusen, die wie in Fig. 1 gezeigt, den Minuspol 2 bilden und elektrisch verbunden sind. Bei z. B. 2,5 Volt Zellenspannung ergibt sich für Fig. 2 eine Batteriespan­ nung von 30 Volt.

In der Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die geometrischen Reihen A...I... altenierend aus zehn und elf Zellen 1 bestehen. Die Reihen A, C, E, G, I... bestehen aus 10 Zellen, die geometrischen Reihen B, D, F, H... bestehen aus jeweils 11 Zellen. Zwischen den, wiederum an gegenüberliegenden Sei­ ten des Batteriegehäuses 8 angeordneten Pluspolen 6 und Minuspolen 7 soll eine Spannung vorhanden sein, die der elektrischen Reihenschaltung von 22 Zellen entspricht. Es werden also für eine elektrische Reihe Zellen von drei ne­ beneinanderliegenden geometrischen Reihen, z. B. von den Reihen A, B und C oder von den Reihen C, D und E benötigt. Auch hier führt, wie in Fig. 3 gezeigt, die Zickzack­ schaltung zu einer Minimierung der Potentialdifferenz zwi­ schen einzelnen Zellen. Dies erfolgt in der Form, daß zwei geometrische Reihen in der Fig. 3 angegebenen Weise ge­ schaltet sind und daß die zusätzlichen Zellen, die aus der dritten geometrischen Reihe benötigt werden, über die Zickzackverschaltung zu einer elektrischen Reihe zusammen­ gefaßt sind.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel baut sich die elektri­ sche Spannung in allen geometrischen Reihen von der einen Polseite zur anderen Polseite hin schrittweise auf, ohne daß zwischen räumlich benachbarten Zellen allzugroße Po­ tentialdifferenzen auftreten, und dies obgleich sich die Anzahl der Zellen (10 oder 11) pro geometrischer Reihe von der Zellenzahl (22) der benötigten elektrischen Reihen­ schaltung wesentlich unterscheidet. Bei beispielsweise ei­ ner Zellenspannung von 2,5 Volt ergibt sich für Fig. 3 zwischen den Anschlüssen 6 und 7 eine Batteriespannung von 55 Volt.

Claims (5)

1. Hochtemperaturbatterie, mit einem wärmedämenden Ge­ häuse in dem eine Vielzahl von stabförmigen Speicherzellen in zueinander parallelen geometrischen Reihen angeordnet und derart elektrisch miteinander verschaltet sind, daß sich die, die Batteriespannung führenden Anschlußkontakte an den Enden der Reihen befinden und bei der die Batterie­ spannung größer ist als die Summenspannung der elektri­ schen Reihenschaltung der in einer geometrischen Reihe an­ geordneten Speicherzellen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine und höchstens die Hälfte der Speicherzel­ len (1) einer benachbarten geometrischen Speicherzellen­ reihe mit benachbarten Speicherzellen der anderen geome­ trischen Reihe elektrisch in Reihe geschaltet sind.

2. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Batteriespannung aus der elek­ trischen Reihenschaltung von Speicherzellen einer geome­ trischen Reihe und der benachbarten geometrischen Reihe zusammensetzt.

3. Hochtemperaturbatterie nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich die Batteriespannung aus der elek­ trischen Reihenschaltung von Speicherzellen dreier benach­ barter geometrischer Reihen zusammensetzt.

4. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Speicherzellen ne­ beneinanderliegender geometrischer Reihen zickzackförmig miteinander verschaltet sind.

5. Hochtemperaturbatterie nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einbeziehung von mehr als zwei geometrischen Reihen in eine elektrische Reihenschal­ tung eine Verschaltung von der ersten zur letzten geome­ trischen Reihe der jeweiligen elektrischen Reihe geführt wird.