DE68921435T2

DE68921435T2 - Umleitungskreis für Zelle.

Info

Publication number: DE68921435T2
Application number: DE68921435T
Authority: DE
Inventors: Jerry Herrin
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1988-12-05
Filing date: 1989-11-30
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2009-12-01
Also published as: AU606539B2; EP0372823B1; DE68921435D1; EP0372823A3; US4935315A; EP0372823A2; CA2002069A1; CA2002069C; JPH02266834A; AU4584489A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Batteriesysteme. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Systeme zum Schützen gegen Ausfall von elektrischen Batterien.
Obgleich die vorliegende Erfindung hierin unter Bezugnahme auf erläuternde Ausführungsformen für besondere Anwendungen beschrieben ist, versteht es sich, daß die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Diejenigen, die durchschnittliches Fachwissen aufweisen und Zugriff auf die hierin enthaltenen Lehren haben, werden zusätzliche Abwandlungen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche erkennen.

Beschreibung des Stands der Technik:

Batterien werden verwendet, um eine alternative Energiequelle für verschiedenste Stromversorgungsanordnungen vorzusehen. Wie technisch bekannt ist, erzeugt der Ausfall einer Zelle in einer Batterie einen "offenen Stromkreis" in dem System, mit welchem die Batterie verbunden ist. Unglücklicherweise würde in vielen Anwendungen ein solcher Ausfall aufgrund eines offenen Stromkreises bedeutende nachteilige Konsequenzen nach sich ziehen. Zum Beispiel würde in Satellitenanwendungen der Ausfall einer Zelle einer Batterie den zu dem Prozessor eines Raumfahrzeugs gelieferten Strom unterbrechen. Die Inhalte jedes flüchtigen Speichers können verlorengehen und demgemäß würde das System als Auswirkung hinsichtlich der Schritte, die verarbeitet werden, fehlplaziert sein, wenn und falls der Strom wiederhergestellt wird. Schlimmstenfalls kann das System in einen Zustand geraten, der die Raumfahrzeugsmission gefährden könnte, nämlich falsches Zünden eines Hilfsantriebs.
Der Aufbau von Satellitenprozessoren, um diese Möglichkeit zu verhindern, ist teuer und drängt typischerweise einige Ausführungskompromisse auf. Demgemäß ist der üblichere Lösungsweg der gewesen, einige Einrichtungen zum Erfassen und Nebenschließen eines Zellenausfalls vorzusehen. Zwei Verfahren sind technisch bekannt. Eines verwendet ein Diodennetzwerk, in welchem eine Diode zu jeder Zelle parallelgeschaltet ist. In dieser Ausführung, ist die Diode in Rückwärtsrichtung gepolt, elektrisch offen und im wesentlichen für die Umgebungsschaltung unsichtbar, solange die Zelle betrieben wird. Wenn die Zelle ausfällt, wird die Zelle durch den Strom, der durch die gesunden Zellen geliefert wird, in Vorwärtsrichtung gepolt, und liefert um die defekte Zelle herum einen Nebenschluß. Während dieser Lösungsweg wirkungsvoll und billig ist, läßt der Eigenwiderstand der Diode Energie aus den anderen Zellen abfließen und breitet sie in Form von Hitze aus. Der Stromabfluß erzwingt die Erfordernis von zusätzlichen Sonnenzellenflächen oder Batteriezellen auf dem System, um gegen diesen Ausfallzustand zu schützen. Die Ausbreitung von Energie in der Form von Hitze kann die Funktionsweise der Batterie oder anderer empfindlicher Systeme des Systems nachteilig beeinflussen. Das oft verwendete Verfahren von Hitzesenkung der Diode steigert die Herstellungskosten und das Gewicht des Satelliten, während nichts bezüglich des Stromabflußproblems unternommen wird.
Ein alternatives herkömmliches Verfahren verwendet die Überwachung des Strompegels jeder Zelle, um einen drohenden Ausfall zu erfassen. Die Spannungspegel werden von einem Controller oder Bediener auf einer Bodenstation ferngemessen. Der Bediener reagiert auf Daten für einen drohenden Ausfall durch Senden eines Befehls an den Satelliten, um die aus fallende Zelle im Vorhinein von einem Ausfall durch einen offenen Stromkreis nebenzuschließen. Da der Nebenschluß durch eine Kurzschlußschaltung mit im wesentlichen keinem Widerstand verursacht wird, wird mit diesem Verfahren keine Energie ausgebreitet. Unglücklicherweise benötigt der wirkungsvolle Betrieb dieses Systems die Anwesenheit eines menschlichen Bedieners, um die notwendigen Befehle in einer ausreichenden zeitlichen Weise zu liefern. Die offensichtlichen Nachteile einer Vorhersage eines erfolgreichen Satellitenbetriebs auf zufälliger Anwesenheit eines menschlichen Bedieners machen diese Alternative um einiges weniger als vollkommen zufriedenstellend.
Es wird Bezug auf die US-A-3213345 genommen, welche eine gepolte Kurzschlußsicherung beschreibt, die für Batteriezellen geeignet ist, wobei die Sicherung einen Halbleiterübergang, der erste und zweite Bereiche aufweist, erste und zweite Anschlüsse für den Übergang, einen leitenden Pfad, der den ersten Anschluß fortwährend mit dem ersten Bereich verbindet, und eine vorgespannte Kontaktfeder aufweist, wobei ein Ende von ihr mit dem zweiten Anschluß verbunden ist und ein anderes Ende von ihr mittels einer Lötverbindung mit dem zweiten Bereich verbunden ist, wodurch nach dem Durchfluß von Strom durch den Übergang in der Vorwärtsrichtung die Lötverbindung durchbrennt, was die vorgespannte Feder zur Verschiebung in eine Position freigibt, die die Anschlüsse kurzschließt.
Bezug wird ebenso auf die US-A-4303877 genommen, welche eine Batterie beschreibt, die aus elektrochemischen Speicherzellen ausgebildet ist, die vom Alkalimetall- und Chalcogentyp sind, die in Serie geschaltet sind oder in Gruppen mehrerer parallelgeschalteter Speicherzellen in Serie geschaltet sind. Um einheitliches Laden und Entladen der Speicherzellen sicherzustellen, weist jede in Serie geschaltete Zelle oder jede Gruppe parallelgeschalteter Zellen eine zu der Zelle oder Gruppe von Zellen parallelgeschaltete Schutzschaltung auf. Nach dem Erreichen einer gegebenen maximalen Ladung oder Entladung wirkt die Schaltung überbrückend, d.h. die Zelle oder Gruppe von Zellen, welche eine maximale Ladung oder Entladung erreicht hat, kurz schließend, und verhindert weitere Ladung oder Entladung solch einer Zelle oder Gruppe von Zellen. Die Schaltung ist betriebsmäßig mit einem Schalter verbunden, welcher direkt mit den positiven und negativen Elektroden der Zellen und mit den elektrischen Anschlüssen leitend verbindbar ist. Die Schutzschaltung ist mit beiden Anschlüssen direkt verbunden und die Speicherzelle über den Schalter mit mindestens einem der zwei Anschlüsse.
Es verbleibt ein technischer Bedarf nach einem billigen Zellennebenschlußsystem, welches automatisch gegen Zellenausfall schützt, ohne Strom aus dem System abfließen zu lassen, oder anderen nachteilig beeinflußten Systembetrieb.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
Der technische Bedarf richtet sich auf die erfindungsgemäße Zellennebenschlußschaltung. In einer Ausführungsform ist eine Diode zu einer Zelle einer Batterie elektrisch parallelgeschaltet. Ein Thermoschalter ist in elektrischem Kontakt mit der Diode angebracht. Ein Relais ist vorgesehen, das eine Spule und einen Kontakt beinhaltet. Die Spule ist mit dem Thermoschalter verbunden, um durch dessen Aktivierung aktiviert zu werden. Der Relaiskontakt ist zu der Zelle parallelgeschaltet, so daß die Aktivierung der Diode ein Abstrahlen thermischer Energie daraus verursacht, die den Thermoschalter aktiviert. Die Aktivierung des Thermoschalters verursacht die Aktivierung des Relais, welches daraufhin über seine Kontakte einen elektrischen Kurzschluß über der defekten Zelle anbringt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zellennebenschlußschaltung.
Fig.2 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zellennebenschlußschaltung.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die erfindungsgemäße Zellennebenschlußschaltung ist hierin mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform in Fig. 1 und eine alternative Ausführungsform in Fig. 2 offenbart. Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Zellennebenschlußschaltung in einer typischen Batterieschaltung. Die Batterieschaltung 10 beinhaltet eine Batterie 12, die Zellen 14, 16, 18 und 20 aufweist. Zum Zwecke der Erläuterung ist eine Zelle, die vierte Zelle 20, als die defekte Zelle ausgewählt worden und ist darum getrennt von den anderen Zellen 14, 16 und 18 gezeigt. Die Batterie wird über eine durch den Widerstand RL dargestellte Last betrieben. Der negative Anschluß der ersten Zelle 14 ist mit dem Raumfahrzeugsaufbau verbunden, welcher ebenso dem anderen Ende der Last gemeinsam ist. Eine veranschaulichende Darstellung der erfindungsgemäßen Zellennebenschlußschaltung 30 ist über der vierten Zelle 20 der Batterie 12 gezeigt.
Die Zellennebenschlußschaltung 30 beinhaltet eine Diode 32, die zu der Zelle 20 parallelgeschaltet ist. Es ist anzumerken, daß die Anode der Diode mit der Anode der Zelle 20 verbunden ist. Somit fließt kein Strom aus der Zelle 20 durch die Diode 32. Ein Thermoschalter 34 ist in unmittelbarer körperlicher Nähe zu der Diode 32 angebracht, um die thermische Leitfähigkeit dazwischen zu erleichtern. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Thermoschalter 34 thermisch mit der Diode 32 verbunden. Der Thermoschalter 34 ist elektrisch mit der Spule 36 eines Relais 38 verbunden. Ein normalerweise offener Kontakt 40 des Relais 38 ist elektrisch über eine Sicherung 42 über die Diode 32 geschaltet. Die Sicherung 42 ist für den Fall vorgesehen, daß die Nebenschlußschaltung 30 falsch über einer gesunden Zelle ausgelöst wird. Das heißt, daß in einer typischen Raumfahrzeugsanwendung der Ausgangs strom einer einzelnen gesunden Zelle im wesentlichen höher als ein nominaler Raumfahrzeugsstrom sein kann. Somit ist die Sicherung in der bevorzugten Ausführungsform so ausgewählt, daß sie einen Nennwert aufweist, der 4 bis 5 mal höher als der nominale Raumfahrzeugsstromnennwert und 2 bis 3 mal niedriger als der Kurzschlußschaltungsnennwert einer einzelnen Zelle ist.
Eine Bussspannung VB wird über den Thermoschalter 34 und die Relaisspule 36 angelegt. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Zellennebenschlußschaltung 30 in einem vergossenen Würfel ausgebildet und auf der Batterie mit Anschlußkabelleitern verschraubt.
Im Betrieb fließt der Laststrom IL aus der Batterie in die Last RL und die Diode 32 ist rückwärts gepolt und ausgeschaltet, solange die vierte Zelle gesund ist. Wenn die vierte Zelle ausfällt, öffnet sie sich und verhindert den Stromfluß dadurch. Wenn der Abfall über der defekten Zelle 20 die Einschaltspannung der Diode 32 übersteigt, schaltet sich die Diode 32 ein und beginnt zu leiten. Der Laststrom IL fließt nun durch die Diode 32 und sie beginnt aufgrund des Innenwiderstands der Diode 32 thermische Energie abzustrahlen. Die thermische Strahlung aus der Diode 32 wird von dem Thermoschalter 34 empfangen. Wenn die thermische Strahlung der Diode den Schwellwert des Thermoschalters 34 übersteigt, schaltet sich der Thermoschalter 34 ein und ein Strom 1B fließt durch die Spule 36 des Relais 38. Dieses aktiviert das Relais, so daß sich der normalerweise offene Kontakt 40 des Relais 38 schließt. Da der Kontakt 40 elektrisch zu der Diode und der Zelle 20 parallelgeschaltet ist, bringt die Aktivierung des Relais 36 einen elektrischen Kurzschluß über der Zelle 20 an. Somit wird der Laststrom IL um die defekte Zelle herum umgeleitet. Da die defekte Zelle 20 durch das Relais nebengeschlossen ist, kühlt die Diode 32 ab und der Thermoschalter 34 öffnet sich und beseitigt die Erregung aus der Spule 36 des Relais 38. Das Relais 38 ist vom magnetisch selbsthaltenden Typ und verbleibt halbpermanent in einem von beiden von zwei möglichen Zuständen, d.h. geöffnet oder geschlossen, abhängig davon, welches die betätigte Funktion ist. Die Öffnungsbetätigungsspule ist in der Nebenschlußschaltung 30 nicht dargestellt, weil sie während der Herstellung und einem Bodentest verwendet wird, um das Relais 38 auf den Öffnungszustand zu initialisieren. Andere Selbsthalterelaisaufbauten, die mechanische und elektrische betätigte Selbsthalter beinhalten, sind möglich.
Fig. 2 zeigt einen weiteren Aspekt der Erfindung, in welchem die Diode 32 von Fig. 1 durch eine lichtabstrahlende Diode 32' ersetzt worden ist und der Thermoschalter 34 von Fig. 1 durch ein optisches Sensorelement 34' ersetzt worden ist. Die Funktionsweise dieser Ausführungsform ist. mit Ausnahme dessen im wesentlichen die gleiche, wie die von Fig 1, daß durch die stromerfassende Fotodiode 32' abgestrahltes Licht die Funktion der Hitzeabstrahlung der Diode 32 durchführt und ein optisches Erfassen anstelle von einem Erfassen der Hitze verwendet wird, um das Relais 38 zu aktivieren.

Claims

1. Zellennebenschlußschaltung (30) mit: einer Diode (32) die der Zelle (20) elektrisch parallelgeschaltet ist;

einem Thermoschalter (34)

dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoschalter (34) thermisch mit der Diode (32) verbunden ist, wobei der Thermoschalter (34) im Ansprechen auf Hitze aus der Diode betätigt wird und beim Abkühlen der Diode zu seinem Ursprungszustand zurückkehrt;

weiterhin gekennzeichnet durch eine Selbsthalterelaiseinrichtung (38), die eine Relaisspule 36) und einen Relaiskontakt (40) beinhaltet, wobei die Spule (36) so an den Thermoschalter (34) angeschlossen ist, daß sie auf die Aktivierung des Thermoschalters (34) hin aktiviert wird, und wobei der Relaiskontakt (40) der Zelle parallelgeschaltet ist und in diesem Zustand selbsthaltend bleibt, wenn die Spule (36) deaktiviert wird;

wobei das Leiten der Diode 32) verursacht, daß thermische Energie von ihr abgestrahlt wird, wodurch der Thermoschalter (34) aktiviert wird, wobei der Thermoschalter (34) die elektrische Selbsthalterelaiseinrichtung (38) aktiviert, um den Kontakt (40) zu schließen, um mittels des Kontakts (40) über der Zelle (20) einen elektrischen Kurzschluß hervorzurufen.

2. Zellennebenschlußschaltung nach Anspruch 1, die zwischen einem Anschluß des Kontakts (40) und einem Anschluß der Zelle (20) eine elektrische Sicherung (42) beinhaltet.

3. Zellennebenschlußschaltung (39) gekennzeichnet durch: eine elektrisch parallel an die Zelle (20) angeschlossene Fotodiode (32');

eine lichtempfindliche Einrichtung (34'), die das von der Fotodiode (32') abgestrahlte Licht erfaßt;

ein Selbsthalterelais (38), das eine Spule (36) und einen Kontakt (40) beinhaltet, wobei die Spule an die lichtempfindliche Einrichtung (34') angeschlossen ist, um durch deren Aktivierung aktiviert zu werden und wobei der Kontakt (40) der Zelle (20) parallelgeschaltet ist;

wobei die Aktivierung der Diode (32') eine Abstrahlung optischer Energie aus ihr hervorruft, die die lichtempfindliche Einrichtung (34') aktiviert, wobei die Aktivierung der lichtempfindlichen Einrichtung die Aktivierung des Relais (38) bewirkt, welches danach einen elektrischen Kurz schluß mittels der Kontakte 40) über der Zelle 20) hervorruft und in diesem Zustand verriegelt gehalten wird, wenn die Spule (36) deaktiviert wird.

4. Zellennebenschlußschaltung nach Anspruch 3, die zwischen einem Anschluß des Kontakts und einem Anschluß der Zelle (20) eine elektrische Sicherung 42) beinhaltet.

5. Verfahren für den Nebenschluß einer defekten Zelle (20) einer Batterie (12), mit den folgenden Schritten:

a) Überwachen des Stromflusses durch die Zelle 20);

gekennzeichnet durch:

b) Aktivieren einer lichtabstrahlenden Diodeneinrichtung (32'), wenn der Stromfluß durch die Zelle unter einen vorbestimmten Schwellenwert absinkt;

c) Abstrahlen von Lichtenergie aus dieser Diodeneinrichtung (32') bei deren Aktivierung;

d) Erfassen der Lichtstrahlung aus der Diodeneinrichtung;

e) Aktivieren eines Relais (38), das eine Spule (36) und einen Kontakt (40) umfaßt, unter Zugrundelegung der erfaßten Strahlung aus der Diodeneinrichtung;

f) Kurzschließen der defekten Zelle (20), unter Zugrundelegung der Aktivierung des Relais (38); und

g) Halten des Relais (38) in seinem Selbsthaltezustand, wenn die Spule deaktiviert wird.