DE4411289A1 - Mehrzellige Akkumulatorenbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Akkumulatorenbatterie mit einer Mehrzahl von normalerweise gasdicht verschlossenen Zellen, die jeweils eine bei Übersteigen eines vorbestimmten Innendrucks ansprechende Drucksicherung aufweisen.

In gasdichten Akkumulatorenzellen treten bei einer Überladung oder Aufladung mit zu hohen Strömen sowie auch nach einer Umpolung hohe innere Gasdrücke auf, die schließlich zu einem Bersten solcher Zellen führen können. Zur Beherrschung der Über­ drücke und der damit verbundenen Sicherheitsrisiken bringt man bei kleineren Akkumu­ latoren Schwachstellen, sogenannte Sollbruchstellen, am Gehäuse an, während man für größere Akkumulatoren Druckentlastungsventile oder Berstscheiben benutzt.

Ein vorzugsweises Anwendungsgebiet der Erfindung liegt bei prismatischen Nickel/Hydrid-Zellen, insbesondere bei Batteriemodulen, die aus derartigen Zellen zu­ sammengesetzt sind und u. a. als Antriebsquelle für Elektrostraßenfahrzeuge entwickelt wurden.

Prismatische Nickel/Hydrid-Zellen haben gegenüber Rundzellen den Vorteil einer besse­ ren Raumökonomie, lassen es jedoch oft an der notwendigen Formstabilität beim Auftre­ ten höherer Gasdrücke unter extremen Betriebsbedingungen fehlen. Die Verhinderung von Verformungen des Zellengehäuses durch rechtzeitig es Abblasen von Gas oder Auf­ sprengen einer Berstscheibe ist in diesem Fall besonders wichtig.

Die Ausbeulung geht meist Hand in Hand mit anderen Störungen an der Zelle wie z. B. Erwärmung, Spannungsabweichung nach unten bei Belastung, nach oben bei der La­ dung usw., so daß bei entsprechend weit vorangeschrittener Schädigung und besonders bei Mißachtung der genannten Erscheinungen im Betrieb mit der weitgehend ausge­ trockneten Zelle ein gefährlicher Zustand erreicht wird. Dabei kann sie sich mit einem zündfähigen Gasgemisch füllen, sich aufgrund der zu geringen Elektrolytmenge erhitzen, oder es kann durch Versagen des Separators ein Kurzschluß entstehen, der eine Zün­ dung mit Explosion auslöst und damit die Batterie zerstört.

In aller Regel wird dies durch die genannten Drucksicherungen verhindert, obwohl bei diesen auch Mängel bestehen, indem z. B. das Ventil zwar für ein Wiederschließen der Zelle und damit für eine Verlängerung der Betriebsdauer sorgt, nicht aber ein klares Signal gibt, das eine Schädigung der Zelle anzeigt.

Oft ist auch der Strömungswiderstand des geöffneten Ventils so groß, daß der Öffnungsquerschnitt nicht ausreicht, um den Überdruck abzufangen. Bei heftiger Über­ ladung mit 10 × I₅ bis 20 × I₅ und nicht begrenzter Spannung ist der Druckanstieg in der Zelle so schnell, daß das erzeugte Gas nicht mehr rasch genug durch das Über­ druckventil abströmt und daß es zum Platzen des Zellgefäßes kommt.

In diesem Fall bietet sich der Ersatz des Ventils durch eine einfacher gebaute, leichtere und auch kostengünstigere Berstscheibe an. Denn während das Ventil selbst bei korrek­ ter Funktion wegen des Abgebens von Gas eine schleichende Schädigung der Zelle nicht verhindert, ist bei einer geplatzten Berstscheibe der Schaden so deutlich, daß es zum alsbaldigen Austausch der Zelle kommt.

In beiden Fällen, d. h. bei Verwendung eines Ventils wie auch bei Einsatz einer Berst­ scheibe, ist es wichtig, daß ein Gasverlust anzeigt wird.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 67 51 613 ist bereits eine der direkten Sichtkon­ trolle zugängliche Drucksicherung bekannt, bei der oberhalb einer eigentlichen Spreng­ membran, die mittels Sprengnadel zerstört werden kann, eine eingefärbte und daher gut beobachtbare Sichtmembran vor der Außenatmosphäre schützt. Die Sichtmembran be­ sitzt jedoch einen Berstdruck, der kleiner ist als der Ansprechdruck der Berstmembran. Wird daher diese zerstört, so hat dies die sofortige Belastung und Zerstörung auch der Sichtmembran zur Folge. Eine unverzügliche Reaktion auf dieses augenfällige Ereignis setzt die ständige Nähe und Aufmerksamkeit einer Wartungsperson voraus.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach überwachbare Batterie mit integrierten Drucksicherungen anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Akkumulatorenbatterie gelöst, wie sie in Pa­ tentanspruch 1 definiert ist.

Es wurde gefunden, daß mechanische Formänderungen von Drucksicherungen im Au­ genblick ihres Ansprechens, etwa bei Aufreißen einer Berstmembran oder bei der Bewe­ gung eines Ventilstößels, grundsätzlich geeignet sind, eine bis dahin bestehende Ver­ koppelung der Drucksicherungen mit einer Überwachungseinrichtung aufzuheben, wobei die Überwachungseinrichtung mit einem optischen oder elektrischen Signal die Entkop­ pelung anzeigt.

Besonders vorteilhaft kann die Formänderung dazu benutzt werden, eine elektrisch lei­ tende Verbindung zu unterbrechen oder den Weg eines Lichtstrahls zu verstellen, der, ähnlich einer Lichtschranke, längs den in einer Reihe angeordneten Drucksicherungen verläuft. Die Unterbrechung einer derartigen "Signalstrecke" löst dann in der Überwa­ chungseinrichtung ein elektrisches oder optisches Störsignal aus. Das Ansprechen der Drucksicherungen wird dem Betreiber der Batterie auch dann signalisiert, wenn die Bat­ terie sich außer Sichtweite, beispielsweise in einem abgeschlossenen Batterieraum be­ findet.

Anhand einiger Figuren werden verschiedene praktische Ausführungsformen der Erfin­ dung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine nicht wieder schließende Ventilklappe gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein nicht wieder schließendes Kugelventil gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Berstscheibe gemäß der Erfindung.

Fig. 4 zeigt ein Überdruckventil gemäß der Erfindung.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Überdruckventil gemäß der Erfindung.

Fig. 6 zeigt ein Überdruckventil in Kombination mit einer Berstsicherung gemäß der Erfindung.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Drucksicherungseinrichtung gemäß Fig. 6.

Fig. 8 zeigt einen Unterbrechersensor gemäß der Erfindung.

Nach Fig. 1 ist die von einem Tubus 1 gebildete Öffnung eines Zellendeckels 2 durch ei­ ne Berstscheibe 3, die mittels einer Andrückmutter 4 und einer Ringdichtung 5 gegen eine Aufnahme 6 gedrückt wird, hermetisch verschlossen. Unmittelbar auf dem Rand des Tubus liegt ein Deckel 7, der eine Anlenkung 8 besitzt und mittels einer Schnapp­ kante 9 in seiner normalen Schließposition fixiert ist. Ein Lichtstrahl 10 läuft über die Anordnung hinweg. Platzt bei Erreichen eines vorgegebenen Innendrucks die Berst­ scheibe auf, schwenkt zugleich der Deckel nach oben und verstellt dem Lichtstrahl den Weg.

Besonders vorteilhaft ist die batteriegemäße Anordnung einer Vielzahl von Zellen in Reihe, über die der Lichtstrahl verläuft. Eine solche Photostrecke kann mit einem einzi­ gen Sensor überwacht werden.

Ebenfalls eine optische Störanzeige liefert die in Fig. 2 wiedergegebene Einrichtung. In einer Aufnahme 11 über der Öffnung im Zellendeckel 2 wird eine Kugel 12 mittels Druckfeder 13 gegen eine Dichtlippe 14 gedrückt und so in Schließstellung gehalten. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Innendrucks wird die Kugel, deren Durchmesser grö­ ßer als derjenige der ringförmigen Dichtlippe ist, durch diese hindurch in einen Käfig 15 gepreßt, wobei ein den Käfig passierender Lichtstrahl 10 eine Unterbrechung erfährt. Das Kugelventil bleibt in diesem Zustand geöffnet.

Nach Fig. 3 ist eine Zellenöffnung im Zellendeckel 2 durch eine Berstscheibe 3 mit der schraubbaren Halterung 16 und deren Gegenstück 17 verschlossen. Die Berstscheibe ist vorzugsweise mit der Halterung laserverschweißt und weist auf ihrer Oberseite eine Be­ schichtung mit einem Leitlack 18 auf. Ableiterdrähte 19 verbinden die Lackschicht mit den Berstscheiben benachbarter Zellen bzw. mit der Überwachungseinrichtung. Unter­ brechung der Leitfähigkeitsstrecke durch Bersten einer Scheibe, die vorzugsweise ent­ lang einer Bruchzone A-A aufplatzt, erzeugt bei der Überwachungseinrichtung ein elektrisches Signal, welches den sofortigen Austausch der geschädigten Zelle verlangt.

Bei Verwendung eines wiederschließenden Ventils ist wegen der sehr geringen Formän­ derung die Anzeige zuweilen problematisch. Da aber in diesem Fall die Zelle nicht sofort ausgetauscht werden muß, genügt eine optische Anzeige, die anläßlich der Wartung der Batterie auffällt.

Die technische Realisierung einer solchen Anzeige ist gemäß Fig. 4 mit Hilfe eines Si­ cherungslacks möglich, der bei Verschiebung des Ventilstempels platzt. Das Ventil 20 ist hier durch eine Aufnahme 21 im Zellendeckel 2 gehaltert.

Ein zwischen Ventilkopf 22 und Ventilgehäuse 23 um laufender Ringspalt wird durch ei­ nen Sicherungslack 24 überbrückt. Eine aufgebrochene Lacksiegelzone zeigt an, daß das Ventil angesprochen hat.

Als Alternative zum Siegellack kann nach Fig. 5 eine über dem Ventilkopf aufgespannte Membran 25 die Anzeigefunktion übernehmen: beult sie sich aus und hebt ab, so zeigt dies an, daß durch das Ventil Gas ausgetreten ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drucksicherung kann schließlich aus einer Kombination von Berstscheibe und Ventil bestehen. Diese Kombi­ nation läßt sich wiederum mit den genannten Zustandsanzeigen verbinden.

Gemäß Fig. 6 wird auf dem Deckel 2 einer prismatischen Nickel/Hydrid-Zelle ein rohr­ förmiges Kunststoffteil 26 befestigt, z. B. über ein Gewinde im unter dem Deckel liegen­ den Verdrehschutz 27. Dieses Rohr trägt am oberen Ende das Überdruckventil 20. Es besitzt oberhalb seines Fußes mit Abplattungen 28 und der Aufnahme für den Dichtring 29 eine ganz oder teilweise umlaufende Rille 30, die als geschwächte Zone für ein Auf­ platzen beim Erreichen eines oberen Grenzdruckes dient. Solange dieser kritische Druck (z. B. 4 bar) nicht erreicht wird, arbeitet das Überdruckventil beim vorgegebenen Arbeits­ druck.

Wichtig bei dieser Anordnung ist die parallele Funktion von Ventil und Bersteinrichtung:
solange nur eine geringe Gasmenge aus der Zelle entweichen muß, arbeitet das Ventil und hält die Zelle noch betriebsbereit. Erst wenn aufgrund einer massiven Mißhandlung oder eines groben Versagens der Druck schnell ansteigt und eine große Gasmenge aus der Zelle entweichen muß, spricht die Berstzone an und gibt einen großen Querschnitt frei.

Da eine Überwachung durch Fernanzeige wegen des sehr geringen Hubs von Ventilen umständlich sein kann, wird es in der Regel günstiger sein, wenn die direkte Meldung der Fehlfunktion der Batterie an den Benutzer durch die Berstscheibe ausgelöst wird. Deshalb ist die mechanische, elektrische oder optische Fernanzeige an die Lage des Rohres zu binden, z. B. durch die Vorgabe der Richtung, in die das Rohr samt Ventil sich bewegt, wenn die geschwächte Zone aufreißt. Nach Fig. 7 ist die Richtung, in der sich das Rohrteil zur Seite neigt, durch eine Anlenkung 8 vorgegeben. Dabei unterbricht es z. B. einen über alle Zellen gehenden Lichtstrahl 10, der über eine Lichtschranke dem Benutzer den Schaden meldet.

Als weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Drucksicherung sei der in Fig. 8 wieder­ gegebene Unterbrechungssensor genannt. Er enthält in einem auf dem Zellendeckel 2 montierten und gegen den Zelleninnenraum durch eine Membran 31 hermetisch abge­ dichteten Gehäuse 32 eine Kontaktfeder 33 mit Aufleger 34 sowie eine an der Schraube 35 befestigte Vorspannfeder 36. Mit 37 ist ein Lüftungsloch bezeichnet.

Durch Ableiterdrähte 19 lassen sich, ähnlich wie am Beispiel der Fig. 3 gezeigt, viele derartige Unterbrechungssensoren zu einem Widerstandsmeßkreis verbinden. Bei Über­ schreiten eines kritischen Druckwertes, der vorher durch Einstellen der Federkraft der Vorspannfeder gewählt werden kann, wird der Widerstandsmeßkreis unterbrochen und damit dem Meßgerät angezeigt, daß der Batteriebetrieb eingestellt werden muß.

Besonders vorteilhaft kann der eben beschriebene Unterbrechungssensor zu einem Ventil (nicht dargestellt) ausgestaltet sein. In diesem Falle ruht die Kontaktfeder 33 statt auf der Membran 31, welche entfällt, auf der Oberfläche eines Ventilkopfes der in den Fig. 4 und 5 wiedergegebenen Art, welcher im Tubus des Deckels 2 geführt ist. Das Bewegungsspiel des Ventilkopfes bei Druckschwankungen in der Zelle teilt sich dann durch Öffnen und Schließen des Meßkreises mit.

Claims (9)

1. Akkumulatorenbatterie mit einer Mehrzahl von normalerweise gasdicht verschlosse­ nen Zellen, die jeweils eine bei Übersteigen eines vorbestimmten Innendrucks an­ sprechende Drucksicherung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksi­ cherungen bei ihrem Ansprechen eine mechanische Formänderung eines ihrer Bautei­ le erfahren und daß sie sämtlich mit einer Überwachungseinrichtung gekoppelt sind, die auf die Formänderung auf optischem oder elektrischem Wege anspricht.

2. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksi­ cherungen mittels eines Lichtstrahls oder einer elektrisch leitenden Verbindung ge­ koppelt sind, und daß durch mechanische Formänderung verursachte Unterbrechun­ gen in der Überwachungseinrichtung ein Störsignal auslösbar ist.

3. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksi­ cherung aus einer bei einem vorgegebenen Innendruck platzenden Berstscheibe (3) und einer schwenkbaren Deckelauflage (7) besteht, die durch Hochklappen den Weg eines Lichtstrahls (10) verstellt.

4. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksi­ cherung von einem Käfiggehäuse (11, 15) mit darin eingeschlossener Kugel (12) ge­ bildet ist, wobei die Kugel bei einem vorgegebenen Innendruck gegen den Wider­ stand einer Dichtlippe (14) von einem Teil des Käfigs in einen anderen Teil (15), wel­ cher im Wege eines Lichtstrahls (10) liegt, verlagerbar ist und den Lichtweg verstellt.

5. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksi­ cherung aus einer Berstscheibe (3) mit einer darauf aufgebrachten elektrisch leiten­ den Lackschicht (18) besteht, deren Zerstörung beim Aufbrechen der Berstscheibe unter einem vorgegebenen Innendruck von der Überwachungs-Einrichtung erfaßbar ist.

6. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksi­ cherung aus einem wiederschließenden Überdruckventil (20) mit einer im Originalzu­ stand vorhandenen Versiegelung durch einen Sicherungslack (24) gebildet ist, wel­ che bei einer erstmaligen Relativbewegung des Ventilstempels gegenüber dem Ven­ tilgehäuse aufbricht.

7. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksi­ cherung aus einem wiederschließenden Überdruckventil (20) gebildet ist, über des­ sen Ventilkopf (22) eine Membran (25) aufgespannt ist, die sich bei Austritt von Gas aus dem Ventil ausbeult.

8. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksi­ cherung ein auf dem Batteriedeckel befestigtes rohrförmiges Kunststoffteil (26) um­ faßt, dessen oberer Abschnitt ein Überdruckventil (20) aufnimmt und unterhalb des­ selben eine umlaufende Rille (30) als geschwächte Wandzone aufweist, welche bei einem die Funktionsgrenze des Überdruckventils übersteigenden Grenzdruck an­ spricht und durch Bersten einen großen Querschnitt freigibt.

9. Akkumulatorenbatterie nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nei­ gungsrichtung des sich beim Bersten der Rille abtrennenden Rohrabschnitts, welcher das Überdruckventil enthält, durch eine Anlenkung (8) derart vorgebbar ist, daß er einem Lichtstrahl (10) den Weg versperrt.