-
Die
Erfindung betrifft eine Sicherheitsvorrichtung für eine elektrischer Akkumulatorenbatterie,
die insbesondere gewährleisten
soll, dass die Zuverlässigkeit
der Batterie bei Ausfall eines der Akkumulatoren aufrechterhalten
wird, insbesondere im Fall einer Batterie mit hoher Kapazität, die aus
in Reihe geschalteten Gruppen von Akkumulatoren, die selber parallel
geschaltet sind, besteht.
-
Der
Einsatz elektrischer Akkumulatorenbatterien bedingt häufig, dass
der Strom und/oder die Spannung, die einer Anwendung von einer Batterie geliefert
werden, durch die Batterie aufrechterhalten werden können, selbst
wenn einer ihrer Akkumulatoren gebrauchsunfähig wird, und dies, ohne dass
die Batterie zu irgendeinem Zeitpunkt in offenem Stromkreis ist.
Das ist insbesondere der Fall, wenn ein Reparatureingriff auf der
Batterie unmöglich
ist. Eine solche Aufrechterhaltung ist insbesondere ausführbar, wenn
die Batterie hierzu vorgesehen ist und sie beispielsweise aus in
Reihe geschalteten Gruppen von parallel geschalteten Akkumulatoren,
so wie oben angegeben, besteht.
-
Es
muss dann für
die Abschaltung des ausgefallenen Akkumulators gesorgt werden, was
insbesondere durch Isolierung dieses ausgefallenen Akkumulators
von der Reihenschaltung geschieht, ohne dass zu irgendeinem Zeitpunkt
ein offener Stromkreis in der Batterie verursacht wird. Dies lässt sich
durch eine totale Nebenschlussbildung mittels einer leitenden Vorrichtung
in Parallelschaltung mit dem ausgefallenen Akkumulator, um einen
beinahe totalen Nebenschluss des Stroms, der den ausgefallenen Akkumulator
oder die ausgefallene Gruppe von Akkumulatoren durchströmt, erreichen.
-
Es
gibt bereits Nebenschlussvorrichtungen, die zu diesem Zweck mittels
Dioden oder funktionell entsprechenden elektronischen Bauteilen
ausgeführt werden,
welche den Strom eines Akkumulators oder einer ausgefallenen Gruppe
von Akkumulatoren nebenschließen,
sobald diese einen vorgesehenen Betriebsspannungsbereich verlässt. Diese
Vorrichtungen haben den Nachteil, dass sie stark wärmeabführend sind,
insbesondere wenn sie Lithium-Ionen-Akkumulatoren zugeordnet sind, bei welchen
der Betriebsbereich zwischen 2,5 und 4,2 Volt liegt, oder im Fall
von Akkumulatoren mit hoher Kapazität anderer Technologien, die
insbesondere Nickel-Wasserstoff und Nickel-Cadmium einsetzen, wenn
die Entladungsströme
umfangreich und beispielsweise höher als
80 Ampere sind.
-
Es
gibt auch so genannte „nicht
abführende" Vorrichtungen, die
insbesondere für
Nickel-Wasserstoff-Batterien
benutzt werden. Diese Vorrichtungen haben in der Regel den Nachteil,
dass sie den ausgefallenen Akkumulator extern kurzschließen, wenn
sie aktiviert sind, was im Fall eines Ausfalls, der einen Akkumulator
im geladenen Zustand beeinflusst, nicht akzeptierbar ist. Nun können aber
bekanntlich solche Ausfälle
insbesondere bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren
angetroffen werden. Um diesen Nachteil zu beheben, sind einige Batterien
mit unterbrechungslosen Vorrichtungen (make before break) ausgerüstet, die
es ermöglichen,
zuerst einen zu einem ausgefallenen Akkumulator parallelen Stromkreis
zu schließen,
um den darin zirkulierenden Strom in diesen umzuleiten, bevor der
Reihenschaltungskreis unterbrochen wird. Diese Vorrichtungen ermöglichen
es, den ausgefallenen Akkumulator von den anderen mit ihm in der
Batterie in Reihe geschalteten Akkumulatoren zu isolieren, und dies
in einer ausreichend kurzen Zeit von üblicherweise ein paar Millisekunden, damit
der auf diese Weise verursachte externe Kurzschluss nicht schädlich ist.
Aber solche Vorrichtungen sind komplex, denn sie ähneln pyrotechnischen Vorrichtungen
und ihr Hauptnachteil besteht darin, dass sie ein zusätzliches
Sicherungs- oder Kurzschlusselement in der Reihenschaltung der Akkumulatoren
oder Gruppe von Akkumulatoren der Batterie umfassen. Dieses Element
ist folglich ein Minderungsfaktor der Zuverlässigkeit der die Batterie bildenden
Einheit.
-
Eine
nicht wärmeabführende Sicherheitsvorrichtung
durch Nebenschlussbildung für
eine aus Akkumulatoren mit hoher Spannung gebildete Batterie, insbesondere
in Lithium-Ionen-Technologie, und/oder
für eine
Batterie, die eine hohe Stromstärke liefert,
ist folglich wünschenswert.
Ferner muss eine derartige Sicherheitsvorrichtung durch Nebenschlussbildung
gefunden werden, die mit einem Akkumulator im geladenen Zustand
funktionieren kann, ohne Gefahr zu laufen, einen externen Kurzschluss auf
diesem Akkumulator zu bewirken. Außerdem darf diese Vorrichtung
kein zusätzliches
Kurzschlusselement, das die Zuverlässigkeit der auf der Batterie
vorgesehenen Reihenschaltungsanordnung reduzieren könnte, umfassen.
-
Die
Erfindung schlägt
folglich eine auf die Behebung dieser Nachteile hinzielende Sicherheitsvorrichtung
für verschiedene
Batterieanordnungen von elektrischen Akkumulatoren vor, insbesondere für Batterien
mit mehreren individuellen Akkumulatoren, die in Reihe geschaltet
sind, und für
Batterien, die mit Hilfe von Gruppen gebildet sind, die aus parallel
geschalteten Akkumulatoren bestehen und in denen die Gruppen in
Reihe geschaltet sind.
-
Diese
Sicherheitsvorrichtung für
eine Batterie von elektrischen Akkumulatoren, die aus in Reihe geschalteten
Modulen besteht, die jeweils einen Akkumulator oder eine Gruppe
von Akkumulatoren und insbesondere eine parallel geschaltete Gruppe
von Akkumulatoren aufweisen, umfasst mindestens eine Anordnung,
mittels welcher sich ein Modul bei Ausfall dieses Moduls individuell
kurzschließen
lässt,
wobei die elektrische Kontinuität
zwischen den anderen mit ihm in Reihe geschalteten Modulen ständig aufrechterhalten
werden kann.
-
Gemäß einem
Merkmal der Erfindung umfasst die individuelle Modulanordnung, die
die Sicherheitsvorrichtung praktisch anwendet, einen ersten Nebenschlussstromkreis,
der mit den zwei Endklemmen eines Moduls in der Batterie verbunden
ist und der ein Verbrauchselement elektrischer Energie in Reihe
mit einem Umschaltelement umfasst, das den Aufbau eines Nebenschlusses
zwischen den Klemmen des Moduls über
das Verbrauchselement ermöglicht,
wenn die Spannung an den Klemmen dieses Moduls oberhalb eines bestimmten
oberen Spannungsschwellwerts ist, wobei die Anordnung das Kurzschließen der
Klemmen des Moduls gewährleistet,
wenn die Spannung an den Klemmen dieses Moduls einen bestimmten
unteren Spannungsschwellenwert unterschreitet.
-
Gemäß einer
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bewirkt die Anordnung ein internes Kurzschließen des Moduls, an dessen Klemmen
es durch einen ersten Nebenschlussstromkreis durch zeitliche Verlängerung
der Entladung dieses Moduls mit Hilfe des ersten Nebenschlussstromkreises
derart verbunden ist, dass, sobald die Batterie erneut durch die
Entladung beansprucht wird, das Modul bis zu einer Polaritätsumkehr
entladen wird, was einer negativen Spannungsschwelle an den Klemmen
des Moduls entspricht und sein Kurzschließen bewirkt.
-
Gemäß einer
Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst eine Modulanordnung einen zweiten Nebenschlussstromkreis,
der an den zwei Endklemmen des Moduls in der Batterie mit dem diesem
Modul zugeordneten ersten Nebenschlussstromkreis parallel geschaltet
ist, wobei der zweite dieser Stromkreise ein Umschaltelement umfasst,
welches die Klemmen des Moduls direkt kurzschließen kann, wenn die Spannung
an den Klemmen des Moduls einen bestimmten unteren Spannungsschwellenwert
(V2) unterschreitet.
-
Die
Erfindung betrifft auch die elektrischen Akkumulatorenbatterien,
die aus in Reihe geschalteten Modulen bestehen, wobei jedes einen
Akkumulator oder eine Gruppe von Akkumulatoren umfasst und insbesondere
eine Gruppe von parallel geschalteten Akkumulatoren, die eine Sicherheitsvorrichtung mit
den oben definierten Merkmalen anwenden.
-
Die
Erfindung, ihre Merkmale und ihre Vorteile werden näher in der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit den nachstehend angeführten Figuren
erläutert.
-
1 stellt
ein Prinzipschaltbild einer der individuellen Anordnungen einer
Sicherheitsvorrichtung dar, die gemäß der Erfindung jeweils für ein Modul
einer Batterie, die durch mehrere Module in Reihe gebildet wird,
welche jeweils aus einem elektrischen Akkumulator oder einer Gruppe
von elektrischen Akkumulatoren bestehen, vorgesehen sind.
-
2 stellt
ein Prinzipschaltbild einer individuellen Sicherheitsvorrichtungsanordnung
gemäß der Erfindung
im Fall einer Schaltung dar, wo diese Vorrichtung durch eine extern
programmierte Steuereinheit gesteuert wird.
-
3 stellt
ein Prinzipschaltbild einer individuellen Sicherheitsvorrichtungsanordnung
gemäß der Erfindung
im Fall einer Schaltung dar, wo diese Vorrichtung über eine
interne Steuerung verfügt.
-
4 stellt
ein Prinzipschaltbild einer individuellen Sicherheitsvorrichtungsanordnung
gemäß der Erfindung
in einer Schaltung dar, wo diese Vorrichtung durch eine Mischsteuereinheit
gesteuert wird.
-
Die
individuelle Sicherheitsvorrichtungsanordnung, die in der 1 schematisch
dargestellt ist, soll einem Modul einer Batterie von elektrischen
Akkumulatoren zugeordnet werden, die häufig aus üblicherweise identischen Modulen
bestehen, die in Reihe geschaltet und durch drei von ihnen symbolisiert sind,
die in der 1 die Bezugszeichen 1, 1' und 1'' haben. Wie bereits zuvor angegeben,
kann jedes Modul aus einem elektrischen Akkumulator oder einer Gruppe
von elektrischen Akkumulatoren und beispielsweise einer Gruppe von „p" identischen Akkumulatoren
bestehen, die parallel geschaltet sind.
-
Jedes
Modul ist mit einer individuellen Sicherheitsvorrichtungsanordnung
ausgerüstet
vorgesehen, so wie es in 1 für das Modul 1' schematisiert
ist. Die dargestellte Anordnung umfasst zwei Nebenschlussstromkreise,
die an den Endklemmen eines Moduls in der Batterie parallel geschaltet
sind, d. h. an den Klemmen 2' und 2'' beim Modul 1'.
-
Ein
erster der zwei Nebenschlussstromkreise umfasst ein Verbrauchselement
elektrischer Energie wie zum Beispiel einen Verlustleistungswiderstand 3 in
Reihe mit einem beispielsweise bistabilen Umschaltelement 4.
Dieser erste Stromkreis ist in einer Weise vorgesehen, dass er durch
Einwirkung auf das Umschaltorgan 4 derart in Betrieb gesetzt
werden kann, dass er durchlassend ist und die Klemmen 2' und 2'' es Moduls 1' durch das Verbrauchselement 3 unter
allen Bedingungen und insbesondere, wenn der oder die Akkumulatoren
des Moduls 1' im
geladenen und eventuell vollgeladenen Zustand sind, kurzgeschlossen
wird. Das Verbrauchselement 3 wird folglich in Abhängigkeit
von der Kapazität
des Moduls derart gewählt,
um eine langsame Entladung dieses Moduls mit einer mit dem Batterieumfeld
verträglichen
Verlustleistung und typischerweise einem Strom, der gleich dem Zehntel
oder dem Hundertstel des Kapazitätswerts
des Moduls 1' ist,
zu ermöglichen.
Bei Ausfall des Moduls 1' ist
vorgesehen, dass sich der Akkumulator oder die Gruppe von Akkumulatoren
dieses Moduls auf diese Art in Bezug auf die anderen Akkumulatoren
der die Batterie bildenden Reihenschaltung entlädt, als ob sein Fehlerstrom
um den das Verbrauchselement 3 durchströmenden Strom erhöht würde. Das
Setzen in den Durchlasszustand oder leitenden Zustand des Umschaltelements 4 wird
als direkt oder indirekt durch einen Auslöser 5 gesteuert angenommen,
zum Beispiel mit Erkennung der Überschreitung
eines oberen Spannungsschwellenwerts V1 durch die Spannung an den
Klemmen des Moduls 1'.
Wie nachstehend erläutert,
lassen sich das Umschaltelement und der Auslöser derart kombinieren, dass
der erste Nebenschlussstromkreis auf autonome Weise funktioniert.
Sie können
auch eventuell getrennt sein, und das Umschaltelement kann mit Hilfe
einer externen programmierten Steuereinheit gesteuert werden.
-
Der
zweite der zwei Nebenschlussstromkreise der in 1 dargestellten
Sicherheitsvorrichtung umfasst beispielsweise ein Einschlag-Umschaltelement 6 und
folglich mit irreversiblem Zustand, das die Klemmen 2' und 2" des Moduls 1 direkt
kurzschließen
kann, wenn es ab einem Zustand, wo es nicht durchlassend ist, auf
leitend umgeschaltet wird. Die Steuerung im leitenden Zustand des
Umschaltelements 6 wird hier als durch einen Auslöser 7 ausgelöst angenommen,
zum Beispiel bei der Überschreitung
eines unteren Spannungsschwellenwerts V2 durch die Spannung an den
Klemmen des Moduls 1', um
einen Kurzschluss zu erzeugen, der zwischen diesen Klemmen endgültig sein
soll. Es versteht sich selbstverständlich, dass die Auslöser 5 und 7 kombiniert
werden können.
-
Gemäß der Erfindung
ist ein aufeinanderfolgender Einsatz des ersten und des zweiten
Nebenschlussstromkreises derart vorgesehen, dass die Spannung an
den Klemmen des Moduls 1' allmählich mittels
des ersten Nebenschlussstromkreises und während einer ersten Phase reduziert
wird, wenn die Spannung an diesen Klemmen den bestimmten oberen
Schwellenwert V1 überschritten
hat, oberhalb dessen das Modul 1' als ausgefallen betrachtet werden
muss. Der zweite Nebenschlussstromkreis setzt sich dann während einer
zweiten Phase in Betrieb, wenn die Spannung an den Klemmen des Moduls 1' auf den Wert
V2 unter Einwirkung des ersten Stromkreises abgefallen ist, um einen
direkten und permanenten Kurzschluss zwischen diesen Klemmen zu ermöglichen.
Der untere Spannungsschwellenwert V2 wird für den Fachmann auf herkömmliche
Weise derart bestimmt, dass ein solches Kurzschließen gefahrlos
ermöglicht
wird, und zwar wird er beispielsweise im Fall eines Akkumulators
gemäß der Lithium-Ionen-Technologie
in der Größenordnung 2,5 Volt
gewählt.
-
Gemäß der Erfindung
ist alternativ vorgesehen, ein internes Kurzschließen zwischen
den Klemmen eines ausgefallenen Moduls zu erreichen, indem die Entladung
dieses Moduls mit Hilfe des ihm zugeordneten ersten Nebenschlussstromkreises
bis zur elektrischen Kontinuität
zwischen den Klemmen eines Moduls ab dem Zeitpunkt verfolgt wird,
wo die Spannung an den Klemmen dieses Moduls den oberen Spannungsschwellenwert
V1 überschritten
hat. Diese Entladung wird dann mit Hilfe dieses ersten Nebenschlussstromkreises
fortgesetzt, und zwar bis zu einer Umkehr der Polarität, die einer
negativen Schwelle der an den Klemmen des Moduls anliegenden Spannung
entspricht und die erreicht wird, während die Batterie erneut durch
die Entladung beansprucht wird. Er weist dann einen sehr schwachen
internen Widerstand auf, mittels dessen er endgültig kurzgeschlossen wird.
-
In
einer Ausführungsform
ist das Umschaltelement 4 eventuell ein Relais. Dieses
Relais ist kalibriert, um den Strom, den das Modul 1' durch den Widerstand 3 liefert
im Fall eines ernsten Ausfalls, bei welchem die Spannung an den
Klemmen des Moduls den oberen Schwellenwert V1 überschreitet, aushalten zu
können.
Der Widerstand 3 ist selbstverständlich aus dem gleichen Grund
ebenfalls kalibriert. Im Ausführungsbeispiel,
das in der 2 schematisch dargestellt ist,
wird das Relais, welches das Umschaltelement 4 bildet,
durch eine sicherheitsvorrichtungs-externe programmierte Steuereinheit 8,
so wie durch die Verbindung L1 symbolisiert, gesteuert. Diese programmierte
Steuereinheit 8 ist beispielsweise eine um einen Prozessor,
der mit Speichern und mindestens einer Schnittstelle, über welche
eine an den Klemmen des Moduls 1' entnommene Spannungswertinformation
V empfangen wird, versehen ist, organisierte logische Einheit. Sie
steuert das Umschaltelement 4 des ersten Nebenschlussstromkreises und
das Umschaltelement 6 des zweiten Nebenschlussstromkreises
nach einem bestimmten Programm und aufeinanderfolgend.
-
Eine
solche ordnungsgemäß programmierte Steuereinheit
ermöglicht
die Anwendung verschiedener Steuerprogramme für die Umschaltelemente. Es ist
insbesondere möglich,
das Umschaltelement 4 auf eine andere Weise als wie zuvor
angegeben zu steuern, damit es auf eine Unterbrechungsposition zurückgebracht
werden kann, und zwar ab der Position, wo es leitend ist und für welche
ein Strom den Widerstand 3 durchströmt, weil an den Klemmen des Moduls 1' eine Spannung
V angelegt wird, die größer als
V1 ist, wenn die Spannung V wieder zeitlich verlängert auf unterhalb von V1
abfällt.
-
Gemäß einer
in den 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsform
ist mindestens eines der Umschaltelemente, hier die Bezugszeichen 4', 6', der Sicherheitsvorrichtung ein
wärmeempfindliches Element,
das von einem nicht leitenden Zustand in einen leitenden Zustand
wechselt, wenn es erwärmt wird.
In einer Ausführungsform
wechseln solche wärmeempfindlichen
Elemente auf irreversible Weise ab einem nicht leitenden Zustand
in einen leitenden Zustand, wenn sie über eine bestimmte minimale Schwellentemperatur
erwärmt
werden.
-
Im
Fall der 3 wird angenommen, dass die
zwei Umschaltelemente 4' und 6' jeweils durch ein
wärmeempfindliches
Element gebildet sind, und diese Elemente sind Auslösern 5' und 7' der Art Heizelement
zugeordnet.
-
Vom
Auslöser 5', der mit den
Klemmen des Moduls 1' verbunden
ist, wird hier angenommen, dass er durch mehrere in Reihe geschaltete
Dioden gebildet wird und die derart angeordnet sind, dass sie das
wärmeempfindliche
Element, welches das Umschaltelement 4' bildet, erwärmen. Dieser Auslöser funktioniert,
wenn die Spannung V zwischen der Klemme 2'' und
der Klemme 2' größer als
der obere Schwellenwert V1 ist. Die Reihenschaltung der Dioden,
die eventuell einem nicht dargestellten Reihenwiderstand zugeordnet
sind, ist auf eine dem Fachmann bekannte Weise derart ausgeführt, dass
eine ausreichende Erwärmung
erzeugt wird, damit das Umschaltelement 4' unter diesen Bedingungen umschalten
kann.
-
Vom
Auslöser 7', der auch mit
den Klemmen des Moduls 1' verbunden
ist, wird hier angenommen, dass er durch eine einzige Diode gebildet
wird, die in umgekehrter Richtung in Bezug auf die Dioden in Reihe
des Auslösers 5' geschaltet
ist, das heißt
mit ihrer mit der Klemme 2' verbundenen
Kathode und ihrer mit der Klemme 2'' verbundenen
Anode. Diese einzige Diode ist derart angeordnet, dass sie das wärmeempfindliche
Element, welches das Umschaltelement 6' derart bildet, dass es umgeschaltet
wird, wenn die Spannung V zwischen den Klemmen 2'' und 2' den unteren Schwellenwert V2 unterschreitet, erwärmt. Die
somit ausgeführte
Sicherheitsvorrichtung kann folglich einen gänzlich autonomen Betrieb aufweisen.
-
Im
Fall der 4 wird angenommen, dass die
Sicherheitsvorrichtung ein Umschaltelement 4 des ersten
Nebenschlussstromkreises umfasst, das durch eine sicherheitsvorrichtungs-externe
Steuereinheit 8 wie im Ausführungsbeispiel gemäß 2 gesteuert
wird, wobei diese Steuerung hier auch durch eine Verbindung L1 symbolisiert
ist. Dagegen ist der zweite Nebenschlussstromkreis mit einem Umschaltelement 6' der Art wärmeempfindliches
Element ausgerüstet
vorgesehen, das mit Hilfe eines aus einer Diode bestehenden erwärmenden
Auslösers 7' gemäß einer
Schaltung, die jener entspricht, die für den zweiten Nebenschlussstromkreis
in Verbindung mit 3 vorgesehen ist, gesteuert
wird. In diesem Fall ist es folglich möglich, das Umschaltelement 4 zu
steuern, um es ab der Position, wo es leitend ist, in eine Unterbrechungsposition
zurückzubringen
und für
welche ein Strom den Widerstand 3 durchströmt, weil
eine größere Spannung
V als V1 an den Klemmen des Moduls 1 anliegt, wenn die
Spannung V zeitlich verlängert
unter V1 abfällt.
Dagegen bewirkt der Wechsel der Spannung V unter den unteren Schwellenwert
V2 das endgültige
Kurzschließen des
auf diese Weise kurzgeschlossenen Moduls.
-
Vorzugsweise
ist, egal welche Lösung
gewählt
wird, vorzusehen, jedes der Module in Reihe mit einem oder mehreren
elektrischen Akkumulatoren auszurüsten, aus denen eine Batterie
einer Sicherheitsvorrichtung besteht, die sie im Fall eines Ausfalls,
so wie oben in Erwägung
gezogen, individuell kurzschließen
kann.