-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung des Betriebszustands einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Zellen umfasst.
-
Eine solche elektrochemische Vorrichtung kann beispielsweise als ein Akkumulator ausgebildet sein, der mehrere Akkumulatorzellen umfasst.
-
Zur Gewährleistung eines sicheren Betriebs einer solchen elektrochemischen Vorrichtung sollen die elektrochemischen Zellen möglichst kontinuierlich auf ihren Betriebszustand hin überwacht werden.
-
Hierzu werden von an den elektrochemischen Zellen oder an Gruppen von elektrochemischen Zellen angeordneten Sensoren Signale an eine Auswertungsvorrichtung gesandt.
-
Die Auswertungsvorrichtung wertet die empfangenen Signale aus und leitet bei einem erkannten kritischen Zustand einer elektrochemischen Zelle oder einer Gruppe von elektrochemischen Zellen Schutzmaßnahmen ein.
-
Die an den elektrochemischen Zellen oder an Gruppen von elektrochemischen Zellen angeordneten Sensoren geben die von ihnen jeweils gemessene Betriebsmessgröße als Analog- oder Digitalsignal an die Auswertungsvorrichtung weiter. Die Auswertungsvorrichtung überprüft, ob die gemessenen Werte unterhalb oder oberhalb einer Zulässigkeitsgrenze liegen. Diese Zulässigkeitsgrenze kann beispielsweise durch den Bereich der Stabilität der chemischen Verbindungen innerhalb der einzelnen elektrochemischen Zellen vorgegeben sein.
-
Bei einer größeren Anzahl von zu überwachenden elektrochemischen Zellen und insbesondere bei der Überwachung von mehreren unterschiedlichen Betriebsmessgrößen an jeder elektrochemischen Zelle wird sehr schnell eine große Anzahl von Anschlussleitungen notwendig, welche die Sensoren mit der Auswertungsvorrichtung verbinden.
-
So benötigen n Sensoren im Allgemeinen 2n Anschlussleitungen. Wenn der Einsatz einer gemeinsamen Masse möglich ist, kann diese Zahl zwar auf bis zu n + 1 Anschlussleitungen reduziert werden, bleibt aber immer noch sehr hoch.
-
Beispielsweise ergibt sich in einem Akkumulatormodul, in dem an 12 elektrochemischen Zellen jeweils ein Temperatursensor und ein Drucksensor angeordnet sind, eine Zahl von mindestens 25 bis zu 50 Anschlussleitungen.
-
Durch diese große Zahl von Anschlussleitungen besteht, insbesondere bei begrenztem Bauraum, ein hohes Risiko von Verwechslungen und Fehlzuordnungen der Leiter bei der Montage, der Wartung oder der Reparatur der elektrochemischen Vorrichtung. Außerdem entstehen sowohl durch den hohen Materialaufwand als auch durch den höheren Zeitbedarf für die Montage hohe Kosten.
-
Wenn mehrere Analogsensoren direkt parallel oder in Reihe zueinander geschaltet werden und nur das Gesamtergebnis der Sensorengruppe an die Auswertungsvorrichtung übertragen wird, so tritt hierbei eine Mittelung der von der Sensorgruppe gemessenen Werte für die Betriebsmessgrößen ein. Aus einem von der Auswertungsvorrichtung registrierten erhöhten Mittelwert kann daher nicht mehr festgestellt werden, ob die zugehörige Messgröße in mehreren elektrochemischen Zellen nur leicht erhöht ist oder in einer einzelnen elektrochemischen Zelle so stark erhöht ist, dass ein kritischer Zustand vorliegt. Außerdem können Abweichungen des Werts der Betriebsmessgröße mit entgegengesetztem Vorzeichen sich gegenseitig ausmitteln.
-
Wird zum Beispiel von einer Gruppe von mehreren Temperatursensoren nur ein gemitteltes Temperatursignal an die Auswertungsvorrichtung gesandt, so lässt sich nicht mehr feststellen, ob eine Erhöhung des Temperaturmittelwerts auf in mehreren elektrochemischen Zellen leicht erhöhte Temperaturen oder aber auf eine einzelne stark erwärmte elektrochemische Zelle in einer im Übrigen kühlen Zellgruppe zurückzuführen ist. Außerdem kann eine Temperaturerhöhung in einer elektrochemischen Zelle durch eine Temperaturerniedrigung in einer anderen elektrochemischen Zelle der Zellgruppe ausgeglichen werden.
-
Durch die Verwendung von Digitalsensoren können zwar Anschlussleitungen eingespart werden, da Digitalsensoren häufig die Verwendung derselben Anschlussleitung durch mehrere Sensoren ermöglichen. Diesem Vorteil steht jedoch der aufwändigere Aufbau der Digitalsensoren im Vergleich zu Analogsensoren gegenüber, da jeder Digitalsensor neben dem die eigentliche Messung ausführenden Baustein noch einen weiteren Baustein benötigt, der die ermittelten Daten in das jeweils geforderte digitale Übertragungsprotokoll umwandelt. Außerdem benötigt jeder Digitalsensor für seinen Betrieb eine Versorgungsspannung, die in weiteren Anschlussleitungen zugeführt werden muss.
-
Digitalsensoren eignen sich daher für Überwachungsaufgaben nur dann, wenn sie direkt an ein größeres Bussystem angebunden sind, wenn jeder Digitalsensor mehrere Signale erfasst und/oder wenn über große Entfernungen hinweg eine genaue Zuordnung zwischen Sensor und Messsignal erforderlich ist.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung des Betriebszustands einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Zellen umfasst, zu schaffen, welche einfach aufgebaut ist und dennoch eine zuverlässige Erkennung von kritischen Zuständen der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Überwachungsvorrichtung mindestens ein Schaltelement umfasst, das mit mindestens einem Sensor gekoppelt ist, der eine Betriebsmessgröße einer elektrochemischen Zelle erfasst, und ein Betriebszustandssignal in Abhängigkeit von dem erfassten Messwert der Betriebsmessgröße von einem Normalzustand, der einen ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung anzeigt, in einen kritischen Zustand, der einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung anzeigt, umschaltet.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, statt einer Vielzahl analoger oder digitaler Ausgangssignale einzelner Sensoren nur das von dem Schaltelement beeinflusste Betriebszustandssignal an die Auswertungsvorrichtung der Überwachungsvorrichtung zu übermitteln.
-
Hierfür ist statt einer Vielzahl von Anschlussleitungen für die Sensoren lediglich eine Betriebszustandssignalleitung erforderlich, die bei Vorhandensein einer Mehrzahl von Schaltelementen einfach durch die mehreren Schaltelemente durchgeschleift werden kann.
-
Vorzugsweise ist das Betriebszustandssignal bivalent ausgebildet, so dass es lediglich den Normalzustand, der einen ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung anzeigt, oder den kritischen Zustand, der einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung anzeigt, annehmen kann.
-
Die Auswertung des Betriebszustandssignals vereinfacht sich dadurch sehr stark, da lediglich ermittelt werden muss, ob das Betriebszustandssignal sich in seinem Normalzustand oder in seinem kritischen Zustand befindet.
-
Für die Kopplung zwischen einem Schaltelement und einem dem Schaltelement zugeordneten Sensor gibt es verschiedene Möglichkeiten.
-
So kann vorgesehen sein, dass das Schaltelement und der Sensor verschiedene Bauteile sind.
-
In diesem Fall kann vorgesehen sein, dass der Sensor ein von dem erfassten Messwert der Betriebsmessgröße abhängiges Signal an das zugeordnete Schaltelement übermittelt und das Schaltelement in Abhängigkeit von diesem Signal das Betriebszustandssignal von dem Normalzustand in den kritischen Zustand umschaltet.
-
Es kann aber auch vorgesehen sein, dass ein Schaltelement einen dem Schaltelement zugeordneten Sensor enthält und der Sensor gegebenenfalls ein Umschalten des Betriebszustandssignals von dem Normalzustand in den kritischen Zustand veranlasst, ohne dass ein von dem erfassten Messwert der Betriebsmessgröße abhängiges Signal erzeugt wird.
-
Ferner kann die Kopplung zwischen einem Schaltelement und einem dem Schaltelement zugeordneten Sensor auch darin bestehen, dass das Schaltelement selbst zugleich als Sensor dient und das Betriebszustandssignal in Abhängigkeit von dem jeweiligen Messwert der Betriebsmessgröße von dem Normalzustand in den kritischen Zustand umschaltet.
-
In diesem Fall übt ein und dasselbe Bauteil sowohl die Funktion eines Schaltelements als auch die Funktion eines mit dem Schaltelement gekoppelten Sensors aus.
-
Ein solches Schaltelement, das zugleich als Sensor dient, kann beispielsweise als ein Temperaturschalter oder als ein Druckschalter ausgebildet sein.
-
Vorzugsweise ist mindestens ein Schaltelement jeweils einer elektrochemischen Zelle der elektrochemischen Vorrichtung zugeordnet und insbesondere an der elektrochemischen Zelle, welcher das Schaltelement zugeordnet ist, angeordnet.
-
Besonders bevorzugt sind alle Schaltelemente der Überwachungsvorrichtung jeweils einer elektrochemischen Zelle zugeordnet und insbesondere an der elektrochemischen Zelle, welcher sie jeweils zugeordnet sind, angeordnet.
-
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung eine Mehrzahl von Schaltelementen, die jeweils mit mindestens einem Sensor gekoppelt sind, insbesondere zwei oder mehr Schaltelemente, besonders bevorzugt vier oder mehr Schaltelemente.
-
Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Auswertungsvorrichtung, welche den Zustand des Betriebszustandssignals überwacht und mindestens eine Schutzmaßnahme auslöst, wenn das Betriebszustandssignal in den kritischen Zustand umgeschaltet worden ist.
-
Eine solche Schutzmaßnahme kann beispielsweise ein Trennen einer Verbindung zwischen der elektrochemischen Vorrichtung und einem Verbraucher oder eine Drosselung einer Leistungsabgabe der elektrochemischen Vorrichtung an den Verbraucher umfassen.
-
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass eine Schutzmaßnahme eine Erhöhung einer Kühlleistung einer Kühlvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung umfasst.
-
Alternativ oder ergänzend hierzu kann ferner vorgesehen sein, dass eine Schutzmaßnahme eine Ausgabe eines, beispielsweise optischen und/oder akustischen, Warnsignals umfasst.
-
Das Betriebszustandssignal kann im Normalzustand eine von null verschiedene zeitlich konstante Spannung oder eine zeitlich variierende Spannung und/oder ein von null verschiedener zeitlich konstanter Strom oder ein zeitlich variierender Strom sein.
-
Beispielsweise kann das Betriebszustandssignal im Normalzustand eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom, eine Rechteckspannung oder ein Rechteckstrom oder eine Folge von Spannungspulsen oder Strompulsen sein.
-
In diesem Fall können auch Defekte in der Betriebszustandssignalleitung, welche das Schaltelement mit der Auswertungsvorrichtung verbindet, von der Auswertungsvorrichtung erkannt werden.
-
Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das Betriebszustandssignal im Normalzustand eine Nullspannung und/oder ein Nullstrom ist. Hierdurch wird der Energiebedarf der Überwachungsvorrichtung im ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung minimiert.
-
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Schaltelement einen Signalpfad für das Betriebszustandssignal durch das Schaltelement öffnet (und damit den Signalpfad unterbricht), um das Betriebszustandssignal vom Normalzustand in den kritischen Zustand umzuschalten.
-
Ein solches Schaltelement ist somit als ein Öffner ausgebildet.
-
Wenn alle Schaltelemente der Überwachungsvorrichtung als Öffner ausgebildet sind, erhält die Auswertungsvorrichtung im ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung ein von einem Nullsignal verschiedenes Betriebszustandssignal, so dass jeder Ausfall des Betriebszustandssignals einen Fehler darstellt, der insbesondere auch ein Defekt in der Betriebszustandssignalleitung sein kann.
-
Wenn das Betriebszustandssignal im Normalzustand eine zeitlich variierende Spannung und/oder ein zeitlich variierender Strom ist, so wird insbesondere verhindert, dass ein Defekt, bei dem die Betriebszustandssignalleitung ein Zellgehäuse einer elektrochemischen Zelle berührt und dadurch auf ein hohes Potential gebracht wird, unerkannt bleibt.
-
Vorzugsweise umfasst die Überwachungsvorrichtung mehrere Schaltelemente, die im Signalpfad des Betriebszustandssignals in einer Reihenschaltung miteinander verbunden sind.
-
Dabei wird das Betriebszustandssignal von seinem Normalzustand in den kritischen Zustand umgeschaltet, wenn irgendeines der in der Reihenschaltung miteinander verbundenen Schaltelemente den Signalpfad des Betriebszustandssignals öffnet (und damit den Signalpfad unterbricht).
-
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Schaltelemente jeweils einen Signaleingang und einen Signalausgang aufweisen und dass ein Signalausgang eines Schaltelements mit einem Signaleingang eines im Signalpfad des Betriebszustandssignals auf dieses Schaltelement folgenden Schaltelements verbunden ist.
-
Wenn auf diese Weise stets ein Signalausgang eines Schaltelements mit einem Signaleingang eines im Signalpfad des Betriebszustandssignals darauf folgenden Schaltelements verbunden ist, so bietet dies den Vorteil, dass am Signaleingang und am Signalausgang jedes Schaltelements jeweils dieselbe Polarität des Betriebszustandssignals anliegt. Die Schaltelemente und gegebenenfalls auch die mit den Schaltelementen gekoppelten Sensoren können dann durch das Betriebszustandssignal mit der erforderlichen Betriebsspannung versorgt werden.
-
Ferner kann auch vorgesehen sein, dass mindestens ein Schaltelement einen Signalpfad des Betriebszustandssignals durch das Schaltelement schließt (und damit den Signalpfad freigibt), um das Betriebszustandssignal vom Normalzustand in den kritischen Zustand umzuschalten.
-
Ein solches Schaltelement ist somit als ein Schließer ausgebildet.
-
Wenn ein solches als Schließer ausgebildetes Schaltelement den Signalpfad für das Betriebszustandssignal schließt (und damit den Signalpfad freigibt), empfängt die Auswertungsvorrichtung ein von einer Nullspannung und einem Nullstrom verschiedenes Betriebszustandssignal, das einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung anzeigt.
-
Dabei umfasst die Überwachungsvorrichtung vorzugweise mehrere Schaltelemente, die im Signalpfad des Betriebszustandssignals in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind.
-
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens einer elektrochemischen Zelle der elektrochemischen Vorrichtung mindestens zwei Schaltelemente zugeordnet sind und/oder dass mindestens einer elektrochemischen Zelle der elektrochemischen Vorrichtung mindestens ein Schaltelement zugeordnet ist, das mit mindestens zwei Sensoren gekoppelt ist. In diesen Fällen wird durch das erfindungsgemäße Konzept eine besonders deutliche Reduktion der Anzahl der erforderlichen Anschlussleitungen erzielt.
-
Mindestens ein Schaltelement und/oder mindestens ein mit einem Schaltelement gekoppelter Sensor können in einem Innenraum eines Zellgehäuses einer elektrochemischen Zelle, an einer Außenseite eines Zellgehäuses einer elektrochemischen Zelle und/oder an einer Durchtrittsöffnung eines Zellgehäuses einer elektrochemischen Zelle angeordnet sein.
-
Die Sensoren der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung sind vorzugsweise als Analogsensoren ausgebildet.
-
Ferner kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Schaltelement einen Temperaturschalter, einen Druckschalter, einen Sensor mit einer stufenförmigen Kennlinie und/oder eine Baugruppe mit einem schaltenden Ausgang umfasst.
-
Das Schaltelement und mindestens ein mit dem Schaltelement gekoppelter Sensor können zusammen eine bauliche Einheit bilden und insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen des Betriebszustands einer elektrochemischen Vorrichtung, die mehrere elektrochemische Zellen umfasst.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein solches Verfahren zu schaffen, welches einen geringen apparativen Aufwand erfordert und dennoch ein zuverlässiges Erkennen von nicht ordnungsgemäßen Betriebszuständen der elektrochemischen Vorrichtung ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, welches Folgendes umfasst:
- – Erfassen mindestens einer Betriebsmessgröße einer elektrochemischen Zelle mittels mindestens eines Sensors;
- – Umschalten eines Betriebszustandssignals von einem Normalzustand, der einen ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung anzeigt, in einen kritischen Zustand, der einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung anzeigt, mittels mindestens eines Schaltelements, das mit dem mindestens einen Sensor gekoppelt ist.
-
Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung erläutert worden.
-
Die elektrochemischen Zellen können insbesondere als jeweils eine Akkumulatorzelle, insbesondere eine Lithium-Ionen-Akkumulatorzelle, ausgebildet sein.
-
Die elektrochemische Vorrichtung, welche mehrere elektrochemische Zellen umfasst und mittels einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung auf ordnungsgemäßen Betrieb überwacht wird, kann ein mehrere, beispielsweise 6 bis 24, elektrochemische Zellen umfassendes Zellmodul oder auch eine mehrere solcher Zellmodule umfassende zusammengesetzte Vorrichtung sein.
-
Die elektrochemischen Zellen eines Zellmoduls können in Reihenschaltung und/oder in Parallelschaltung elektrisch miteinander verbunden sein.
-
Ein solches Modul kann ein eigenes Gehäuse aufweisen und lässt sich vorzugsweise als eine zusammenhängende Komponente handhaben.
-
Ferner weist jedes Zellmodul vorzugsweise eine eigene Überwachungsvorrichtung auf.
-
Die von den mit den Schaltelementen gekoppelten Sensoren überwachten Betriebsmessgrößen sind beispielsweise eine Spannung oder ein elektrisches Potential, ein Strom, eine Temperatur, ein Druck, die Anwesenheit eines Gases und/oder die Konzentration eines Gases.
-
Die vorliegende Erfindung vereinfacht die Auswertung der Sensorsignale durch die lokale Kopplung der Sensoren an Schaltelemente.
-
So wird bei einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung beispielsweise statt eines reinen Temperatursensors ein Temperaturschalter verbaut. Dessen Schalttemperatur kann fest vorgegeben und beispielsweise abhängig von der verwendeten Zellchemie gewählt werden oder frei einstellbar sein, so dass die Schalttemperatur den Anforderungen eines Nutzers entsprechend gewählt werden kann. Der Schalter wird an die Betriebszustandssignalleitung angeschlossen, welcher eine Spannung aufgeprägt wird, so dass je nach Stellung des Schalters ein Betriebszustandssignalstromkreis geschlossen oder geöffnet wird. Die Schalterstellung ändert sich dabei an der fest vorgegebenen oder vorher definierten Schaltgrenze.
-
Hierdurch ändert sich die grundsätzliche Funktion der Anschlussleitung des Schalters weg von einer Sensorsignalleitung, die Messwerten entsprechende Signale transportiert, hin zu einer Betriebszustandssignalleitung, die ein bivalentes Signal führt, welches nur die Zustände "in Ordnung" (Normalzustand) und "nicht in Ordnung" (kritischer Zustand) aufweist.
-
Hierdurch ergibt sich eine deutliche Vereinfachung, insbesondere wenn mehrere Sensoren an derselben elektrochemischen Zelle verwendet werden.
-
Die Betriebszustandssignalleitung kann zwischen Schaltelementen, die Sensoren für unterschiedliche Betriebsmessgrößen (beispielsweise Temperatur oder Druck) zugeordnet sind, einfach durchgeschleift werden.
-
Besonders zum Tragen kommt der Vorteil der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung bei deren Verwendung in einer elektrochemischen Vorrichtung mit mehreren elektrochemischen Zellen, in welcher wiederum mehrere, vorzugsweise alle, elektrochemische Zellen mit mindestens einem Sensor versehen sind, da auch hier die Betriebszustandssignalleitung einfach durch die den Sensoren zugeordneten Schaltelemente durchgeschleift werden kann. So ist für eine beliebig große Anzahl von Sensoren immer eine Betriebszustandssignalleitung (mit einem zu der Auswertungsvorrichtung hinführenden Abschnitt und einem von der Auswertungsvorrichtung wegführenden Abschnitt) ausreichend.
-
Beide Abschnitte der Betriebszustandssignalleitung können in einem Leitungspaar von den elektrochemischen Zellen zu der Auswertungsvorrichtung geführt werden.
-
Die Auswertungsvorrichtung kann eine einfach aufgebaute Elektronik aufweisen, da die Auswertungselektronik nur auf eine Zustandsveränderung des Betriebszustandssignals hin einen vorgegebenen Befehl, insbesondere die Einleitung einer Schutzmaßnahme, ausführen muss.
-
Bei der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung geht die Ortsinformation über den Sensor verloren, welcher den Übergang des Betriebszustandssignals vom Normalzustand in den kritischen Zustand ausgelöst hat. Diese Information ist jedoch im Allgemeinen unnötig, da die im Falle eines kritischen Zustands des Betriebszustandssignals ausgelösten Schutzmaßnahmen nicht auf einzelne elektrochemische Zellen bezogen sind.
-
Ferner geht bei der erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung die Information über den genauen Wert der Betriebsmessgröße, welche den Übergang des Betriebszustandssignals vom Normalzustand in den kritischen Zustand ausgelöst hat, verloren. Es wird lediglich die Information übertragen, ob der gemessene Wert der Betriebsmessgröße innerhalb eines fest vorgegebenen oder vorher eingestellten zulässigen Bereiches liegt. Auf die Information über den genauen Signalwert kann jedoch in vielen Fällen verzichtet werden, da für viele Überwachungsstrategien der genaue Signalwert nicht benötigt wird.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
-
In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung, die zwei elektrochemische Zellen umfasst, wobei jeder elektrochemischen Zelle ein Schaltelement zugeordnet ist, das mit mindestens einem Sensor gekoppelt ist, der eine Betriebsmessgröße der jeweiligen elektrochemischen Zelle erfasst, und ein Betriebszustandssignal in Abhängigkeit von dem erfassten Messwert der Betriebsmessgröße von einem Normalzustand, der einen ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung anzeigt, in einen kritischen Zustand, der einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung anzeigt, umschaltet, und wobei die elektrochemische Vorrichtung ferner eine Strom- oder Spannungsquelle für die Erzeugung des Betriebszustandssignals und eine Auswertungsvorrichtung zum Überwachen des Zustands des Betriebszustandssignals umfasst;
-
2 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufs einer Betriebsmessgröße (Temperatur am Sensor), des Betriebszustandssignals (Schaltersignal) und der von der Auswertungsvorrichtung eingeleitete Schutzmaßnahmen im normalen Betrieb und im kritischen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung;
-
3 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung mit vier elektrochemischen Zellen, deren Schaltelemente in Reihe geschaltet sind, wobei die Schaltelemente jeweils einen Signaleingang und einen Signalausgang aufweisen und die Signalausgänge dreier Schaltelemente jeweils mit einem Signaleingang eines im Signalpfad des Betriebszustandssignals auf dieses Schaltelement folgenden Schaltelements verbunden sind;
-
4 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung mit vier elektrochemischen Zellen, deren Schaltelemente in Reihe geschaltet sind, wobei die Schaltelemente jeweils einen Signaleingang und einen Signalausgang aufweisen, die Signalausgänge zweier Schaltelemente mit einem Signalausgang eines im Signalpfad des Betriebszustandssignals auf das jeweilige Schaltelement folgenden Schaltelements verbunden sind und der Signaleingang eines Schaltelements mit einem Signaleingang eines im Signalpfad des Betriebszustandssignals auf das betreffende Schaltelement folgenden Schaltelements verbunden ist;
-
5 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle mit einem Schaltelement einschließlich eines Sensors, das im Innenraum eines Gehäuses der elektrochemischen Zelle angeordnet ist;
-
6 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle mit einem Schaltelement einschließlich eines Sensors, das an einer Durchtrittsöffnung eines Zellgehäuses der elektrochemischen Zelle angeordnet ist;
-
7 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle mit einem Schaltelement einschließlich eines Sensors, das an einer Außenseite eines Zellgehäuses der elektrochemischen Zelle angeordnet ist;
-
8 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle, in deren Innenraum mehrere, beispielsweise drei, Schaltelemente (einschließlich mindestens jeweils eines dem betreffenden Schaltelement zugeordneten Sensors) angeordnet sind, welche in Reihenschaltung miteinander verbunden sind;
-
9 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Vorrichtung mit vier elektrochemischen Zellen, deren Schaltelemente in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind; und
-
10 eine schematische Darstellung einer elektrochemischen Zelle mit zwei Schaltelementen (einschließlich jeweils mindestens eines dem betreffenden Schaltelement zugeordneten Sensors), wobei die Schaltelemente in einem Innenraum eines Zellgehäuses der elektrochemischen Zelle angeordnet und in Parallelschaltung miteinander verbunden sind.
-
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
-
Eine in 1 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete elektrochemische Vorrichtung umfasst mehrere, beispielsweise zwei, elektrochemische Zellen 102, insbesondere eine erste elektrochemische Zelle 102a und eine zweite elektrochemische Zelle 102b.
-
Jede elektrochemische Zelle 102 umfasst ein Zellgehäuse 106, ein in dem Zellgehäuse 106 angeordnetes elektrochemisches Element 112 mit mindestens einem ersten Anschluss 114 und mindestens einem zweiten Anschluss 116, ein erstes Zellterminal 118 und ein zweites Zellterminal 120, einen das erste Zellterminal 118 mit dem ersten Anschluss 114 des elektrochemischen Elements 112 elektrisch leitend verbindenden ersten Verbindungsleiter 122, einen das zweite Zellterminal 120 elektrisch leitend mit dem zweiten Anschluss 116 des elektrochemischen Elements 112 verbindenden zweiten Verbindungsleiter 124, ein den ersten Verbindungsleiter 122 und/oder das erste Zellterminal 118 im Bereich eines Durchbruchs durch das Zellgehäuse 106 umgebendes und gegen das Zellgehäuse 106 abdichtendes erstes Dichtelement 126 und ein den zweiten Verbindungsleiter 124 und/oder das zweite Zellterminal 120 im Bereich eines Durchbruchs durch das Zellgehäuse 106 umgebendes und gegen das Zellgehäuse 106 abdichtendes zweites Dichtelement 128.
-
Die Zellterminals 118 und 120 können mittels (nicht dargestellter) Zellverbinder oder Anschlusselemente elektrisch leitend mit den Zellterminals anderer elektrochemischer Zellen 102 oder mit Stromanschlüssen der elektrochemischen Vorrichtung 100 verbunden werden.
-
Das elektrochemische Element 112 kann beispielsweise als ein Zellwickel oder ein Zellstapel ausgebildet sein.
-
Das elektrochemische Element 112 enthält die elektrochemisch aktiven Bestandteile der elektrochemischen Zelle 102, insbesondere einen Elektrolyten und zwei Elektroden, welche mit jeweils einem der Anschlüsse 114 beziehungsweise 116 des elektrochemischen Elements 112 verbunden sind.
-
Ferner umfasst jede elektrochemische Zelle 102 jeweils ein Schaltelement 130, das bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 angeordnet ist.
-
Das Schaltelement 130 ist mit mindestens einem Sensor gekoppelt, der eine Betriebsmessgröße der jeweils zugeordneten elektrochemischen Zelle 102 erfasst, beispielsweise eine Temperatur, einen Druck oder die Konzentration eines Gases.
-
Jedes Schaltelement 130 weist einen Signaleingang 134 und einen Signalausgang 136 auf.
-
Die Schaltelemente 130 mehrerer, beispielsweise zweier, elektrochemischer Zellen 102 sind in einem Betriebszustandssignalstromkreis 138, der eine Betriebszustandssignalleitung 140 umfasst, miteinander in Reihe geschaltet.
-
Der Betriebszustandssignalstromkreis 138 umfasst ferner eine Strom- oder Spannungsquelle 142 und eine Auswertungsvorrichtung 144.
-
Die Betriebszustandssignalleitung 140 führt von einem Pol der Strom- oder Spannungsquelle 142 durch die Schaltelemente 130 der elektrochemischen Zellen 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 zu der Auswertungsvorrichtung 144 und von dort zu dem anderen Pol der Strom- oder Spannungsquelle 142.
-
Die Strom- oder Spannungsquelle 142 prägt auf den Betriebszustandssignalstromkreis 138 eine Spannung auf, insbesondere eine zeitlich variierende Spannung, vorzugsweise eine Wechselspannung.
-
Die aufgeprägte Spannung kann beispielsweise eine Rechteckspannung von beispielsweise 2,1 V sein.
-
Die von der Strom- oder Spannungsquelle 142 aufgeprägte Spannung bildet den Normalzustand eines Betriebszustandssignals, wobei der Normalzustand einen ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 anzeigt.
-
Die Auswertungsvorrichtung 144 überwacht den Zustand des Betriebszustandssignals, beispielsweise durch eine Strommessung.
-
Solange der von der Auswertungsvorrichtung 144 überwachte Zustand des Betriebszustandssignals dem Normalzustand, das heißt der von der Strom- oder Spannungsquelle aufgeprägten Spannung, entspricht, löst die Auswertungsvorrichtung 144 keine Schutzmaßnahme aus.
-
Die Schaltelemente 130 der elektrochemischen Zellen 102 sind als Öffner ausgebildet.
-
Solange die mit den Schaltelementen 130 gekoppelten Sensoren eine ordnungsgemäße Funktion der jeweiligen elektrochemischen Zelle 102 anzeigen, sind die Schaltelemente 130 alle geschlossen, das heißt sie lassen ein dem Normalzustand des Betriebszustandssignals entsprechendes Signal, insbesondere einen der dem Betriebszustandssignalstromkreis 138 von der Strom- oder Spannungsquelle 142 aufgeprägten Strom, passieren.
-
Dies ist schematisch in 2 dargestellt.
-
Wenn die mit den Schaltelementen 130 gekoppelten Sensoren der elektrochemischen Zellen 102 Temperatursensoren sind, so bleiben die Schaltelemente 130 geschlossen, solange die von jedem Sensor gemessene Temperatur unterhalb eines Schwellenwerts Tkritisch bleibt, was in dem Schaubild von 2 bis zum Zeitpunkt tS der Fall ist. Während dieses normalen Betriebs der elektrochemischen Vorrichtung 100 bleibt das Betriebszustandssignal in seinem Normalzustand, der einen ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 anzeigt (entsprechend dem Schaltersignal "1" in 2).
-
Da die Auswertungsvorrichtung 144 während dieses normalen Betriebs keine Schutzmaßnahmen einleitet, ist der für die Schutzmaßnahmen im Schaubild von 2 angezeigte Wert "0".
-
Wenn nun der von einem Temperatursensor gemessene Temperaturwert den Schwellenwert Tkritisch erreicht oder überschreitet, was ab dem Zeitpunkt tS der Fall ist, öffnet das das dem betreffenden Temperatursensor zugeordnete Schaltelement 130, so dass der Signalpfad vom Signaleingang 134 des betreffenden Schaltelements 130 zu dessen Signalausgang 136 unterbrochen wird.
-
Das Betriebszustandssignal geht hierdurch von seinem Normalzustand, der einen ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 anzeigt, in seinen kritischen Zustand über, der einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 anzeigt.
-
Im diskutierten Ausführungsbeispiel geht insbesondere der im Betriebszustandssignalstromkreis 138 fließende Strom, der von der Auswertungsvorrichtung 144 gemessen wird, auf null zurück, weil der Stromkreis von mindestens einem Signalelement 130 unterbrochen worden ist.
-
Der kritische Zustand des Betriebszustandssignals entspricht dem Schaltersignal "0" im Schaubild von 2.
-
Sobald die Auswertungsvorrichtung 144 detektiert, dass das Betriebszustandssignal in den kritischen Zustand umgeschaltet worden ist, löst die Auswertungsvorrichtung 144 mindestens eine Schutzmaßnahme für die elektrochemische Vorrichtung aus, was im Schaubild von 2 dem Wert "1" für die Schutzmaßnahmen entspricht.
-
Eine solche Schutzmaßnahme kann darin bestehen, dass, beispielsweise über einen Schutzschalter, die elektrische Verbindung zwischen den elektrochemischen Zellen 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 und einem an die elektrochemische Vorrichtung 100 angeschlossenen (nicht dargestellten) Verbraucher, beispielsweise einem Elektromotor, getrennt wird.
-
Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine von der Auswertungsvorrichtung 144 ausgelöste Schutzmaßnahme eine Drosselung einer Leistungsabgabe der elektrochemischen Vorrichtung 100 an den Verbraucher, eine Erhöhung einer Kühlleistung einer Kühlvorrichtung der elektrochemischen Vorrichtung 100 und/oder eine Ausgabe eines Warnsignals, insbesondere eines akustischen und/oder optischen Warnsignals, sein.
-
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der in 1 dargestellten elektrochemischen Vorrichtung 100 ist jedem Schaltelement 130 nicht nur ein einziger Sensor, beispielsweise ein Temperatursensor, ein Drucksensor oder ein Gaskonzentrationssensor, zugeordnet, sondern ist jedes Schaltelement 130 mit mehreren solcher Sensoren gekoppelt, wobei das Erreichen eines Schwellenwerts einer der Betriebsmessgrößen, beispielsweise einer Temperatur, eines Drucks oder einer Gaskonzentration, an mindestens einem der mit einem Schaltelement 130 gekoppelten Sensoren dazu ausreicht, das Schaltelement 130 in den offenen Zustand zu schalten, in welchem der Signalpfad durch das Schaltelement 130 unterbrochen ist.
-
Unabhängig von der Anzahl der jeweils mit den Schaltelementen 130 der elektrochemischen Zellen 102 gekoppelten Sensoren genügt aber stets eine einzige Betriebszustandssignalleitung 140, um den Übergang der elektrochemischen Vorrichtung 100 von einem ordnungsgemäßen Betrieb in einen kritischen Betriebszustand, in dem mindestens eine Betriebsmessgröße an mindestens einer elektrochemischen Zelle 102 einen kritischen Wert annimmt, anzuzeigen und mittels der Auswertungsvorrichtung 144 zu detektieren.
-
Da das von der Betriebszustandssignalleitung 140 transportierte Betriebszustandssignal der elektrochemischen Vorrichtung 100 entweder den Normalzustand oder den kritischen Zustand und somit stets einen von nur zwei möglichen Zuständen annimmt, ist das Betriebszustandssignal ein bivalentes Signal, das stets einen von nur zwei möglichen Zuständen innehat, so dass eine Änderung des Zustands des Betriebszustandssignals besonders einfach und zuverlässig detektierbar ist.
-
Eine bevorzugte Verschaltung von Schaltelementen 130 verschiedener elektrochemischer Zellen 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 in Reihenschaltung ist in 3 dargestellt.
-
Dabei wird die Betriebszustandssignalleitung 140 an einen Signaleingang 134 eines Schaltelements 130 einer ersten elektrochemischen Zelle 102a angeschlossen.
-
Der Signalausgang 136 dieses Schaltelements 130 wird über eine Zwischenleitung 146 mit dem Signaleingang 134 des Schaltelements 130 einer weiteren elektrochemischen Zelle 102b verbunden.
-
Der Signalausgang 136 des Schaltelements 130 der elektrochemischen Zelle 102b wird über eine weitere Zwischenleitung 146 mit dem Signaleingang 134 des Schaltelements 130 einer weiteren elektrochemischen Zelle 102c verbunden.
-
Der Signalausgang 136 des Schaltelements 130 der elektrochemischen Zelle 102c wird mittels einer weiteren Zwischenleitung 146 mit dem Signaleingang 134 des Schaltelements 130 einer weiteren elektrochemischen Zelle 102d verbunden.
-
Der Signalausgang 136 des Schaltelements 130 der elektrochemischen Zelle 102d ist an die Betriebszustandssignalleitung 140 angeschlossen.
-
Die elektrochemische Vorrichtung 100 kann auch weniger oder mehr als vier elektrochemische Zellen 102 umfassen, deren Schaltelemente 130 in der vorstehend beschriebenen Weise in Reihe geschaltet sind, wobei die Polarität des Betriebszustandssignals an jedem Signaleingang 134 und an jedem Signalausgang 136 der Schaltelemente 130 der elektrochemischen Zellen 102 jeweils gleich ist.
-
Hierdurch ist es insbesondere möglich, die mit jeweils einem Schaltelement 130 gekoppelten Sensoren über den Betriebszustandssignalstromkreis 138 mit der erforderlichen Betriebsspannung zu versorgen und somit die Energiezufuhr zu diesen Sensoren über den Betriebszustandssignalstromkreis 138 durchzuführen.
-
Eine alternative Verschaltung der Schaltelemente 130 der elektrochemischen Zellen 102 einer elektrochemischen Vorrichtung 100, bei welcher die Schaltelemente 130 in Reihe geschaltet werden, ist in 4 dargestellt.
-
Dabei wird die Betriebszustandssignalleitung 140 an den Signaleingang 134 des Schaltelements 130 einer ersten elektrochemischen Zelle 102a angeschlossen.
-
Der Signalausgang 136 dieses Schaltelements 130 wird über eine Zwischenleitung 146 mit dem Signalausgang 136 des Schaltelements 130 einer weiteren elektrochemischen Zelle 102b verbunden.
-
Der Signaleingang 134 des Schaltelements 130 der elektrochemischen Zelle 102b wird über eine weitere Zwischenleitung 146 mit dem Signaleingang 134 des Schaltelements 130 einer weiteren elektrochemischen Zelle 102c verbunden.
-
Der Signalausgang 136 des Schaltelements 130 der elektrochemischen Zelle 102c wird über eine Zwischenleitung 146 mit dem Signalausgang 136 des Schaltelements 130 einer weiteren elektrochemischen Zelle 102d verbunden.
-
Der Signaleingang 134 des Schaltelements 130 der elektrochemischen Zelle 102d wird an die Betriebszustandssignalleitung 140 angeschlossen.
-
Die elektrochemische Vorrichtung 100 kann auch bei dieser Verschaltungsform weniger als vier elektrochemische Zellen oder mehr als vier elektrochemische Zellen 102 umfassen.
-
Bei dieser Verschaltungsweise weist das Betriebszustandssignal an den Signaleingängen 134 und an den Signalausgängen 136 verschiedener elektrochemischer Zellen 102 unterschiedliche Polaritäten auf.
-
Wenn es für die Versorgung der mit den Schaltelementen 130 gekoppelten Sensoren auf die Polarität einer Betriebsspannung des jeweiligen Sensors ankommt, kann bei dieser Verschaltungsform daher die für die Sensoren erforderliche Betriebsspannung nicht über den Betriebszustandssignalstromkreis 138 bereitgestellt und die Energie für den Betrieb der Sensoren nicht durch den Betriebszustandssignalstromkreis 138 zugeführt werden.
-
Wenn es hingegen für den Betrieb der mit den Schaltelementen 130 gekoppelten Sensoren nicht auf die Polarität der Betriebsspannung ankommt, kann auch bei der in 4 dargestellten Verschaltungsweise die Betriebsspannung für die Sensoren mittels des Betriebszustandssignalstromkreises 138 bereitgestellt und die für den Betrieb der Sensoren benötigte Energie über den Betriebszustandssignalstromkreis 138 zugeführt werden.
-
Die 5 bis 7 zeigen beispielhaft verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung eines Schaltelements 130 an einer elektrochemischen Zelle 102, welcher das Schaltelement 130 zugeordnet ist.
-
Bei der in 5 dargestellten Anordnungsmöglichkeit ist das Schaltelement 130 im Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 der elektrochemischen Zelle 102 angeordnet.
-
Diese Variante eignet sich insbesondere dazu, Betriebsmessgrößen direkt im Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 zu messen.
-
Zwei Abschnitte der Betriebszustandssignalleitung 140 werden bei dieser Ausführungsform vorzugsweise durch das Zellgehäuse 106 hindurch geführt.
-
An den Durchführungsstellen ist vorzugsweise eine Dichtung angeordnet.
-
Bei der in 6 dargestellten Anordnungsvariante ist das Schaltelement 130 an einer Durchtrittsöffnung 148 des Zellgehäuses 106 angeordnet, durch welche das Schaltelement 130 in Fluidverbindung mit dem Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 steht.
-
Hierdurch ist eine direkte Verbindung des Schaltelements 130 mit der Atmosphäre im Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 gegeben, so dass eine Temperatur, ein Druck und/oder eine Gaskonzentration im Innenraum 132 hinreichend genau bestimmt werden können.
-
Bei der in 7 dargestellten Anordnungsvariante ist das Schaltelement 130 an einer Außenseite 150 des Zellgehäuses 106 angeordnet, ohne dass durch eine Durchtrittsöffnung 148 hindurch eine Fluidverbindung mit dem Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 besteht.
-
Hierdurch ist es nicht möglich, den Druck oder eine Gaskonzentration im Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 hinreichend genau zu erfassen.
-
Diese Anordnung des Schaltelements 130 eignet sich aber immer noch dazu, die Temperatur im Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 mit hinreichender Genauigkeit zu erfassen.
-
Bei den Anordnungsvarianten aus den 6 und 7 muss die Betriebszustandssignalleitung 140 nicht durch das Zellgehäuse 106 hindurch geführt werden, so dass auch eine Abdichtung einer Durchführung der Betriebszustandssignalleitung 140 durch das Zellgehäuse 106 entfällt.
-
Die mit dem jeweiligen Schaltelement 130 gekoppelten Sensoren für jeweils eine Betriebsmessgröße der elektrochemischen Zelle 102, beispielsweise für eine Temperatur, einen Druck oder eine Gaskonzentration der elektrochemischen Zelle 102, sind in das jeweilige Schaltelement 130 integriert.
-
Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, einen oder mehrere mit einem Schaltelement 130 gekoppelte Sensoren räumlich von dem jeweils zugeordneten Schaltelement 130 getrennt anzuordnen.
-
So könnte insbesondere vorgesehen sein, dass das Schaltelement 130 außerhalb des Zellgehäuses 106 der elektrochemischen Zelle 102 angeordnet ist, während ein oder mehrere mit dem Schaltelement 130 gekoppelte Sensoren im Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 angeordnet sind.
-
In diesem Fall muss mindestens eine Kopplungsleitung, welche den Sensor mit dem zugeordneten Schaltelement 130 verbindet, durch das Zellgehäuse 106 hindurch geführt werden.
-
Eine Durchführung der Betriebszustandssignalleitung 140 durch das Zellgehäuse 106 ist in diesem Fall jedoch nicht erforderlich.
-
Grundsätzlich können die vorstehend beschriebenen und insbesondere die in den 5 bis 7 dargestellten Anordnungsvarianten für das Schaltelement 130 in den verschiedenen elektrochemischen Zellen 102 einer elektrochemischen Vorrichtung 100 in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
-
Aus Gründen einer rationalisierten Produktion ist es jedoch günstig, wenn alle elektrochemischen Zellen 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100, einschließlich der daran angeordneten Schaltelemente 130 und Sensoren, im Wesentlichen identisch miteinander ausgebildet sind.
-
Bei der Ausführungsform einer elektrochemischen Zelle 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 gemäß 8 ist der elektrochemischen Zelle 102 nicht nur ein einziges Schaltelement 130 zugeordnet; vielmehr weist die elektrochemische Zelle 102 mehrere, beispielsweise drei, Schaltelemente 130a, 130b, 130c auf, welche im Betriebszustandssignalstromkreis 138 miteinander in Reihe geschaltet sind.
-
Dabei sind die Schaltelemente 130 in 8 beispielhaft so dargestellt, dass sie im Innenraum 132 des Zellgehäuses 106 der elektrochemischen Zelle 102 angeordnet sind.
-
Grundsätzlich kann jedes dieser Schaltelemente 130 aber auch in anderer Position an der elektrochemischen Zelle 102 angeordnet sein, also beispielsweise auch an einer Durchtrittsöffnung 148 des Zellgehäuses 106 oder an der Außenseite 150 des Zellgehäuses 106.
-
Alle diese Schaltelemente 130 sind als Öffner ausgebildet, das heißt sie unterbrechen den Signalpfad des Betriebszustandssignals durch das jeweilige Schaltelement 130, wenn mindestens ein mit dem jeweiligen Schaltelement 130 gekoppelter Sensor einen Wert für die jeweils ermittelte Betriebsmessgröße (beispielsweise Temperatur, Druck oder Gaskonzentration) erfasst, welcher einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Zelle 102 anzeigt.
-
Im ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 kann das dem Betriebszustandssignalstromkreis 138 aufgeprägte Betriebszustandssignal in seinem Normalzustand also die in Reihe geschalteten Schaltelemente 130 passieren.
-
Insbesondere fließt im ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 ein Ruhestrom durch die Schaltelemente 130 des Betriebszustandssignalstromkreises 138.
-
Ein solcher Betriebszustandssignalstromkreis 138 arbeitet somit nach dem Ruhestromprinzip; der durch den Betriebszustandssignalstromkreis 138 fließende Ruhestrom wird abgeschaltet, wenn ein mit einem der Schaltelemente 130 gekoppelter Sensor einen nicht ordnungsgemäßen Wert der jeweils gemessenen Betriebsmessgröße erfasst.
-
Eine in 9 dargestellte zweite Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 weist eine Überwachungsvorrichtung auf, bei der die den verschiedenen elektrochemischen Zellen 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 zugeordneten Schaltelemente 130 nicht in Reihenschaltung, sondern in einer Parallelschaltung miteinander verbunden sind.
-
Diese elektrochemische Vorrichtung umfasst mehrere, beispielsweise vier, elektrochemische Zellen 102a bis 102d.
-
Die Signaleingänge 134 der Schaltelemente 130 aller elektrochemischer Zellen 102a bis 102d sind über einen ersten Abschnitt 140a der Betriebszustandssignalleitung 140 mit einem ersten Pol der Strom- oder Spannungsquelle 142 verbunden.
-
Die Signalausgänge 136 der Schaltelemente 130 aller elektrochemischer Zellen 102a bis 102d sind über einen zweiten Abschnitt 140b der Betriebszustandssignalleitung 140 mit einem zweiten Pol der Strom- oder Spannungsquelle 142 verbunden.
-
Die Schaltelemente 130 aller elektrochemischer Zellen 102a bis 102d sind somit im Betriebszustandssignalstromkreis 138 parallel zueinander geschaltet.
-
Die Schaltelemente 130 sind bei dieser Ausführungsform als Schließer ausgebildet, das heißt jedes Schaltelement 130 schließt den Signalpfad für das Betriebszustandssignal von seinem Signaleingang 134 zu seinem Signalausgang 136, wenn mindestens einer der mit dem jeweiligen Schaltelement 130 gekoppelten Sensoren (für jeweils eine dem Sensor zugeordnete Betriebsmessgröße, wie beispielsweise Temperatur, Druck oder Gaskonzentration) für die von dem jeweiligen Sensor erfasste Betriebsmessgröße einen Wert misst, der einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Zelle 102 anzeigt.
-
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass im Normalzustand des Betriebszustandssignals bei ordnungsgemäßem Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 kein Strom durch den Betriebszustandssignalstromkreis 138 fließt.
-
Wenn mindestens ein Sensor einen Wert für die jeweilige Betriebsmessgröße misst, welcher einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der jeweiligen elektrochemischen Zelle 102 anzeigt, gibt das diesem Sensor zugeordnete Schaltelement 130 den Strompfad durch das jeweilige Schaltelement 130 frei, so dass ein Strom durch den Betriebszustandssignalstromkreis 138 fließt.
-
Dieser Arbeitsstrom wird von der Auswertungsvorrichtung 144 detektiert, was zur Auslösung der jeweils vorgesehenen Schutzmaßnahmen durch die Auswertungsvorrichtung 144 führt.
-
In diesem Fall arbeitet die Überwachungsvorrichtung somit nach dem Arbeitsstromprinzip, so dass bei ordnungsgemäßem Betrieb der elektrochemischen Vorrichtung 100 kein Strom durch den Betriebszustandssignalstromkreis 138 fließt.
-
Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte zweite Ausführungsform der elektrochemischen Vorrichtung 100 mit Überwachungsvorrichtung hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der vorstehend (in verschiedenen Varianten) in den 1 bis 8 dargestellten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
-
Alternativ oder ergänzend zu einer Parallelschaltung von Schaltelementen 130 verschiedener elektrochemischer Zellen 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 kann auch vorgesehen sein, dass mindestens einer elektrochemischen Zelle 102 der elektrochemischen Vorrichtung 100 mehrere, beispielsweise zwei, Schaltelemente 130 zugeordnet sind, welche in Parallelschaltung miteinander verbunden sind, wie in 10 dargestellt.
-
Die mehreren parallel zueinander geschalteten Schaltelemente 130 sind dabei als Schließer ausgebildet, so dass sie den Signalpfad für das Betriebszustandssignal durch das jeweilige Schaltelement 130 freigeben, wenn mindestens ein Sensor, der mit dem jeweiligen Schaltelement 130 gekoppelt ist, einen Wert für die von dem betreffenden Sensor gemessene Betriebsmessgröße (beispielsweise Temperatur, Druck, oder Gaskonzentration) misst, welcher einen nicht ordnungsgemäßen Betrieb der elektrochemischen Zelle 102 anzeigt.
-
Auch diese Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 mit Überwachungsvorrichtung arbeitet somit nach dem Arbeitsstromprinzip.
-
Im Übrigen stimmt die in 10 dargestellte dritte Ausführungsform einer elektrochemischen Vorrichtung 100 mit Überwachungsvorrichtung hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 1 bis 8 (in verschiedenen Varianten) dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
