DE3542838A1 - Ueberbrueckungselement - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Überbrückungselement
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Solche Überbrückungselemente finden vor allem in Hoch
temperatur-Batterien eine Anwendung, die aus wiederauf
ladbaren elektrochemischen Speicherzellen aufgebaut
sind. Sie dienen hier zur Überbrückung von zerstörten
Speicherzellen, die auf diese Weise aus dem Stromkreis
der Hochtemperatur-Batterie herausgetrennt werden kön
nen, so daß die Funktionsfähigkeit der Batterie im we
sentlichen erhalten bleibt. Bei Hochtemperatur-Batte
rien, die für Fahrzeuge verwendet werden, besteht die
Notwendigkeit, viele elektrochemische Speicherzellen in
Serie und nur wenige Speicherzellen parallel zu schal
ten. Gründe hierfür sind dadurch gegeben, daß der Ener
gieinhalt einer solchen Batterie im allgemeinen kleiner
als 40 kWh sein soll. Der Energieinhalt einer einzelnen
Speicherzelle ist jedoch größer als 80 Wh. Daraus folgt,
daß eine Fahrzeugbatterie nicht mehr als 500 Speicher
zellen enthalten wird. Falls mit einer solchen Batterie
bei einer Spannung der einzelnen Speicherzelle von etwa
2 V insgesamt 200 V erzeugt werden sollen, müssen 100
Speicherzellen in Serie geschaltet werden. Das bedeutet,
daß höchstens 5 Speicherzellen parallel geschaltet wer
den können. Da die Redundanz bei 5 parallel geschalteten
Speicherzellen noch nicht sehr groß ist, ist es zweckmä
ßig, möglichst viele Speicherzellen in Serie zu schal
ten. Derartige Zweige können dann parallel geschaltet
werden, so daß sich das in Fig. 1 dargestellte Schalt
schema ergibt. Die Speicherzellen sind in dieser Zeich
nung nur durch ihre elektrischen Anschlußpole darge
stellt. Wie anhand dieser Zeichnung zu sehen ist, sind
jeweils n-Speicherzellen zu einem Zweig serienartig zu
sammengeschaltet. m-Zweige mit jeweils n-Speicherzellen
sind parallel geschaltet und bilden einen Block. Die
gesamte Batterie ist aus p-solchen seriengeschalteten
Blöcken zusammengesetzt. Sie enthält gemäß dem in Fig. 1
gezeigten Beispiel p-Speicherzellen.
Probleme treten bei der beschriebenen Schaltung dann
auf, wenn eine Speicherzelle defekt wird. Bei Natrium/-
Schwefel-Speicherzellen hat es sich gezeigt, daß ein
Deffekt meist dadurch auftritt, daß der Festelektrolyt
Risse bekommt, so daß die Reaktionsstoffe Natrium und
Schwefel direkt miteinander reagieren können. Die Spei
cherzelle gibt dann keine Spannung mehr ab und weist
einen großen Innenwiderstand auf, der meist um mehr als
einen Faktor 2 größer ist als der Ohmsche Widerstand
einer intakten Speicherzelle. Die Folge hiervon ist, daß
durch den Zweig mit der deffekten Speicherzelle nur ein
sehr geringer oder kein Lade-oder Entladestrom fließt.
Ist der Widerstand der deffekten Speicherzelle sehr
groß, so fällt der Zweig, in dem die Speicherzelle ange
ordnet ist, vollständig für die Stromversorgung aus.
Dies bedeutet, daß die Kapazität der gesamten Batterie
unter diesen Bedingungen um einen Faktor (m-1)/m kleiner
ist als jene einer intakten Batterie.
Es ist bereits ein Überbrückungselement für Speicherzel
len bekannt. Dieses wird durch ein Halbleiterbauelement
gebildet, das wenigstens bereichsweise von einer elek
trisch leitenden Schicht umgeben und über elektrische
Anschlußelemente mit dem positiven und dem negativen
Anschlußpol einer Speicherzelle verbunden wird. Bei kor
rekter Funktionsweise der Speicherzelle ist das Halblei
terbauelement in Sperrichtung geschaltet. Ist die Spei
cherzelle hochohmig, so kommt es bekanntlich an ihren
Stromkollektoren zu einer Spannungsumkehr, so daß auch
an den Anschlußelementen des Überbrückungselements eine
Spannungsumkehr stattfindet, und das Halbleiterbauele
ment in Durchlaßrichtung geschaltet wird. Der Strom, der
normalerweise durch die Speicherzelle fließt, wird nun
von dem Überbrückungselement aufgenommen. Der anwachsen
de Diodenstrom des Halbleiterbauelemets bewirkt einen
Temperaturanstieg innerhalb des Überbrückungselements,
wodurch es zu einem Schmelzen des Haltleiterbauelements
und der angrenzenden elektrisch leitenden Schicht kommt,
so daß diese zu einem Kurzschlußelement zusammenlegiert
werden, das den Strom dauerhaft übernehmen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Über
brückungselement der eingangs genannten Art so zu schaf
fen, daß der Sperrstrom des Halbleiterbauelements bei
der Arbeitstemperatur des zu überbrückenden elektrischen
Bauteils einen Minimalwert aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich
nenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Durch die Verkleinerung der Sperrschichtfläche des
pn-Überganges wird, z.B. die Selbstentladung intakter Bat
terien reduziert. Wird eines dieser Bauelemente zu denen
die Überbrückungselemente parallel geschaltet sind hoch
ohmig, so kann das jeweils parallel geschaltete Über
brückungselement nicht nur den Strom übernehmen, viel
mehr ist zusätzlich eine Aufweiterung seines Stromquer
schnittes möglich. Dies geschieht durch das Durchlegieren
des jeweiligen Halbleiterbauelements, insbesondere der
Halbleiterdiode, die jedes Überbrückungselement auf
weist. Hierdurch wird der Widerstand des durchgeschalte
ten Überbrückungselementes verringert.
Weitere erfindungswesentliche Merkmale sind in den Un
teransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen
näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Batterie,
Fig. 2 ein Überbrückungselement,
Fig. 3 das in dem Überbrückungselement verwendete
Halbleiterbauelement,
Fig. 4 eine Variante des erfindungsgemäßen Überbrük
kungselements.
Fig. 5 die Serienschaltung von drei Speicherzellen zu
denen drei Überbrückungselemente parallel ge
schaltet sind.
Das in Fig. 2 dargestellte Überbrückungselement 1 wird
im wesentlichen durch ein Halbleiterbauelement 2 in Form
einer Halbleiterdiode, ein metallisches Bauteil 3 und
ein Gehäuse 4 gebildet. Dieses ist becherförmig ausge
bildet. Der Aufbau des Halbleiterbauelementes 2, das den
Kern des Überbrückungselementes 1 bildet, ist in Fig. 3
dargestellt. Wie Fig. 3 zeigt, ist das Halbleiterbauele
ment 2 scheibenförmig ausgebildet. In Anspassung an den
Innenraum des Überbrückungselementes 1, insbesondere an
den Innendurchmesser des Gehäuses 4, weist es einen qua
dratischen Querschnitt auf. Die Deckflächen 2 O und 2 U
des Halbleiterbauelemets 2 werden durch eine Metall
schicht, insbesondere eine Aluminiumschicht gebildet.
Das Kernstück des Halbleiterbauelementes 2 bildet die
sehr groß ausgebildete n-leitende Schicht 2 N. Ihr Quer
schnitt ist ebenso groß wie der Querschnitt der beiden
Deckschichten 2 O und 2 U. Die n-leitende Schicht be
steht aus Silizium, das mit Phosphor dotiert ist. Sie
weist auf ihrer der Deckschicht 2 O zugewandten Seite
einen Bereich 2 A in Form einer Ausnehmung auf, in der
die p-leitende Schicht 2 P angeordnet ist. Die n-leitende
Schicht 2 N ist bei dem hier dargestellten Ausführungs
beispiel um mindestens das zwanzigfache größer als die
p-leitende Schicht 2 P. Zwischen der n-leitenden Schicht
2 N und der Deckschicht 2 O ist eine siliziumoxidhaltige
Passivierungsschicht 2 Z angeordnet, derart, daß die der
Deckschicht 2 O zugewandte Oberfläche der p-leitenden
Schicht 2 P freibleibt und direkt mit der Deckschicht 2 O
in Verbindung steht.
Wie Fig. 2 zeigt, ist dieses Halbleiterbauelement 2 in
die Ausnehmung 3 A eines metallischen Bauteils 3 einge
bettet. Die Ausnehmung 3 A befindet sich an der ersten
Stirnseite des Bauteils 3. Bei dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel wird das Bauteil 3 durch eine metal
lische Schicht aus Kupfer oder Aluminium gebildet. Der
Querschnitt des Bauteils 3 ist an den Innendurchmesser
des Gehäuses 4 angepaßt, vorzugsweise jedoch etwas klei
ner ausgebildet. Das Bauteil 3 ist mit der Ausnehmung 3
A dem Boden 4 B des Gehäuses 4 zugewandt. Zwischen dem
Boden 4 B des Gehäuses 4 und dem Halbleiterbauelement 2
befindet sich ein metallisches Kontaktelement 5. Dieses
dient der elektrisch leitenden Verbindung des Halblei
terbauelements 2 mit dem Gehäuse 4. Die Tiefe der Aus
nehmung 3 A ist gerade so groß gewählt, daß die Ober
fläche des Halbleiterbauelementes 2 bündig mit der Ober
fläche des Bauteils 3 abschließt. Das metallische Kon
taktelement 5 ist so zwischen dem Halbleiterbauelement 2
und dem Boden 4 B angeordnet, daß es elektrisch leitend
mit dem ersten Anschlußpol (hier nicht dargestellt) des
Halbleiterbauelementes 2 in Verbindung steht und gleich
zeitig einen elektrisch leitenden Kontakt mit dem Boden
4 B besitzt.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das
Kontaktelement 5 als Blattfeder ausgebildet. Das nega
tive elektrische Anschlußelement 6 des Überbrückungs
elementes 1 ist als Lasche ausgebildet und elektrisch
leitend mit der Außenfläche 4 des Bodens 4 B verbunden.
Der zweite Anschlußpol (hier nicht dargestellt) des
Halbleiterbauelementes 2 ist über das elektrisch lei
tende Bauteil 3 und einen Innenleiter 7, der als
zylindrischer Stab ausgebildet und elektrisch leitend
mit dem Bauteil 3 in Verbindung steht, an das positive
Anschlußelement 8 des Überbrückungselementes 1 ange
schlossen. Das Gehäuse 4 des Überbrückungselementes 1
wird nach außen hin durch eine Glaseinschmelzung 9
verschlossen, die von dem stabförmigen Innenleiter 7
mittig durchsetzt ist.
Fig. 4 zeigt eine Variante des in Fig. 2 dargestellten
Überbrückungselementes 1. Die hier gezeigte Ausfüh
rungsform weist als Kernstück ebenfalls ein Halbleiter
bauelement 2 auf, das in entsprechender Weise wie das in
Fig. 3 dargestellte Halbleiterbauelement 2 ausgebildet
ist. Es ist ebenfalls in der Ausnehmung 3 A eines Bau
teils 3 angeordnet. Dieses ist auch hierbei wieder in
nerhalb eines Gehäuses 4 installiert, welches das Über
brückungselement 1 nach außen hin begrenzt. Der Unter
schied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht im
Aufbau des Bauteils 3. Diese wird in der hier darge
stellten Ausführungsform durch zwei übereinander ange
ordnete Schichten 3 B und 3 C gebildet wird. Die erste
Schicht 3 B ist aus Zink oder Aluminium gefertigt und
auf die zweite Schicht 3 C, die aus Kupfer hergestellt
ist, aufgetragen. In der Stirnseite der Schicht 3 B ist
die Ausnehmung 3 A vorgesehen. Sie ist dem Boden 4 B des
Gehäuses 4 zugewandt. Der elektrische Kontakt zwischen
dem ersten Anschlußpol (hier nicht dargestellt) des
Halbleiterbauelementes 2 und dem metallischen Gehäuse 4
wird auch hierbei durch ein als Feder ausgebildetes Kon
taktelement 5 bewirkt, das elektrisch leitend zwischen
den Halbleiterbauelement 2 und dem Boden 4 B des Gehäu
ses 4 angeordnet ist. Das negative Anschlußelement 6 des
Überbrückungselementes 1 ist als Lasche ausgebildet und
auf der Außenseite des Bodens 4 B des Gehäuses 4 elek
trisch leitend befestigt. Das Gehäuse 4 wird nach außen
hin durch eine Glaseinschmelzung 9 verschlossen. Das
Bauteil 3 und die Glaseinschmelzung 9 werden mittig von
einem Innenleiter 7 durchsetzt, welcher elektrisch lei
tend mit dem zweiten Anschlußpol (hier nicht darge
stellt) des Halbleiterbauteils 2 in Verbindung steht.
Das positive Anschlußelement 8 des Überbrückungselemen
tes ist elektrisch leitend mit dem Innenleiter 7 verbun
den.
Fig. 5 zeigt die Serienschaltung von 3 elektrochemischen
Speicherzellen 20, die zu einer Hochtemperaturspeicher
batterie (hier nicht dargestellt) gehören. Die Speicher
zellen 20 sind bei der hier dargestellten Ausführungs
form nur schematisch dargestellt. Jede der Speicherzel
len 20 wird nach außen hin von einem metallischen Gehäu
se 21 begrenzt, innerhalb dessen ein becherförmiger Fe
stelektrolyt 22 angeordnet ist. Dieser ist aus Betaalu
miniumoxid geferigt, und trennt die beiden Reaktanden
räume 23 und 24 voneinander. Der Innenbereich des Feste
lektrolyten 22 dient als Anodenraum 23 und ist mit Na
trium gefüllt, während zwischen dem metallischen Gehäuse
21 und dem Festelektrolyten 22 der Kathodenraum 24 vor
gesehen ist, der Schwefel enthält (hier nicht darg
stellt). In den Reaktandenraum 23, 24 ragt jeweils ein
Stromkollektor 25 bzw. 26. Wie Fig. 5 zeigt, steht der
in den Festelektrolyten 22 hineinragende Stromkollektor
26 über einen elektrischen Leiter 27 mit dem Stromkol
lektor 25 in Verbindung, der in den Kathodenraum 23 der
benachbarten Speicherzelle 20 hineinragt. Gleichzeitig
ist der Stromkollektor 26 mit dem positiven Anschlußele
ment 8 des Überbrückungselementes 1 verbunden, das zur
Speicherzelle 20 parallel geschaltet ist. Der Stromkol
lektor 25 dieser Speicherzelle 20 steht elektrisch lei
tend mit dem negativen Anschlußelement 6 des Überbrük
kungselements 1 in Verbindung. In ensprechender Weise
sind die zu den übrigen Speicherzellen 20 parallel ge
schalteten Überbrückungselemente 1 mit diesen verschal
tet. Solange die Speicherzellen 20 voll funktionsfähig
sind, fließt der Lade- bzw. Entladestrom durch diese
selbst hindurch. Die Überbrückungselemente 1 sind wie
bereits oben erwähnt, so installiert, das bei voller
Funktionsfähigkeit der Speicherzellen 20 durch sie nur
ein sehr sehr kleiner Sperrstrom fließt. Die Überbrük
kungselemente 1 sind erfindungsgemäß so ausgebildet, daß
dieser Sperrstrom bei der Arbeitstemperatur der Spei
cherzellen 20, die bei 350°C liegt, einen Minimalwert
von 1 bis 0,1 mA aufweist. Wird eine Speicherzelle 20
beispielsweise durch den Bruch ihres Festelektrolyten
zerstört, so wird sie hochohmig. Dies bedeutet, daß die
Spannungen an ihren Stromkollektoren 25 und 26 umgepolt
werden. Damit kommt es auch zu einer Umpolung der Span
nung an den elektrischen Anschlußelementen 6 und 8 des
jeweiligen Überbrückungselementes 1. Der Strom fließt
jetzt nicht mehr durch die Speicherzelle 20, sondern
wird von dem Überbrückungselement 1 übernommen. Das in
dem Überbrückungselement 1 angeordnete Halbleiterbau
element 2 ist so über seine Anschlußpole mit den An
schlußelementen 6 und 8 verbunden, daß es jetzt in
Durchlaßrichtung gepolt ist, und damit ein großer Strom
durch selbiges hindurch fließen kann. Durch diesen hohen
Strom kommt es zu einer starken Temperaturerhöhung in
nerhalb des Halbleiterbauelementes 2, so daß seine äuße
ren Schichten 20 und 2 U zu schmelzen beginnen und mit
der p-Schicht 2 P des Halbleiterbauelements 2 zu einem
Kurzschlußelement zusammenlegieren, so daß ein dauerhaft
großer Strompfad durch das Überbrückungselement 1 hin
durch ausgebildet wird. Das Bauteil 3 wird ebenfalls
aufgeschmolzen, so daß ein otimaler elektrisch leitender
Kontakt zwischen dem Bauteil 3 und dem Halbleiterbauele
ment 2 gebildet wird.
Claims (8)
1. Überbrückungselement, mit einem Halbleiterbau
element (2) und zwei elektrischen Anschlußelementen (6
und 8), dadurch gekennzeichnet, daß die p-leitende
Schicht (2 P) des Halbleiterbauelements (2) in ihren Ab
messungen mindestens um das zwanzigfache kleiner als die
n-leitende Schicht (2 N) ausgebildet ist.
2. Überbrückungselement nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (2) eine
Siliziumdiode ist, deren p-leitende Schicht (2 P) so
klein ausgebildet ist, daß der Sperrstrom bei 350°C nur
1 bis 0,1 mA beträgt.
3. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbau
element (2) zusammen mit einem schmelzbaren Bauteil (3)
innerhalb eines Gehäuses (4) angeordnet ist, das aus
einem elektrisch leitenden Material gefertigt und mit
einem positiven und negativen elektrischen Anschlußele
ment (6, 7) ausgerüstet ist, mit denen die Anschlußpole
des Halbleiterbauelementes (2) elektrisch leitend in
Verbindung stehen.
4. Überbrückungselement nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Anschlußpol des Halblei
terbauelementes (2) über ein elektrisch leitendes Kon
taktelement (5) in Form einer Feder mit dem Gehäuse (4)
und dem daran befestigten Anschlußelement (6) in elek
trisch leitender Verbindung steht.
5. Überbrückungselement nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der zweite Anschlußpol des Halblei
terbauelementes (2) über einen stabförmigen Innenleiter
(7) direkt oder zusätzlich über das Bauteil (3) an das
positive Anschlußelement (8) elektrisch leitend ange
schlossen ist.
6. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) durch
eine temperaturbeständige Glaseinschmelzung (9) ver
schlossen ist.
7. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbau
element (2) wenigstens bereichsweise in einer Ausnehmung
(3 A) des schmelzbaren Bauteils (3) angeordnet ist.
8. Überbrückungselement nach einem der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (3) aus
ein oder zwei schmelzbaren Schichten (3 B, 3 C) aufgebaut
ist, von denen mindestens eine aus Zink oder Aluminium
und die andere aus Kupfer besteht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853542838 DE3542838A1 (de) | 1985-12-04 | 1985-12-04 | Ueberbrueckungselement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853542838 DE3542838A1 (de) | 1985-12-04 | 1985-12-04 | Ueberbrueckungselement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3542838A1 true DE3542838A1 (de) | 1987-06-11 |
Family
ID=6287584
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19853542838 Withdrawn DE3542838A1 (de) | 1985-12-04 | 1985-12-04 | Ueberbrueckungselement |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3542838A1 (de) |
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1985
- 1985-12-04 DE DE19853542838 patent/DE3542838A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: BBC BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ASEA BROWN BOVERI AG, 6800 MANNHEIM, DE |
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8141 | Disposal/no request for examination | ||
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8180 | Miscellaneous part 1 |
Free format text: IM HEFT 10/93, SEITE 2701, SP.1: DIE VEROEFFENTLICHUNG IST ZU STREICHEN |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |