DE102011077073A1

DE102011077073A1 - Notfallsystem für Stromausfälle

Info

Publication number: DE102011077073A1
Application number: DE102011077073A
Authority: DE
Inventors: Edward Pytlik; Rainer Hald
Original assignee: VARTA Microbattery GmbH
Current assignee: VARTA Microbattery GmbH
Priority date: 2011-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2012-12-13
Also published as: WO2012168080A1; CN103765719B; CN103765719A; US9653930B2; US20140103882A1; EP2719053A1

Abstract

Beschrieben wird ein Notfallsystem für Stromausfälle, umfassend eine ein- oder mehrzellige, wiederaufladbare Batterie aus der Gruppe mit NiMH-, NiCd-, NiZn-, Ag2O/Zn- oder Lithium-Ionen-Batterien sowie eine Ladeelektronik zum Laden dieser Batterie, wobei die Ladeelektronik eine Ladespannung bereitstellt, bei der die Batterie auch bei einer Temperatur von bis zu 80°C, bevorzugt von bis zu 85°C, nicht überlädt. Weiterhin werden eine Platine für eine Datenverarbeitungseinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Datenverarbeitungseinrichtung beschrieben, bei denen ein solches Notfallsystem zum Einsatz kommt. Auch die Verwendung einer Kombination aus einer ein- oder mehrzelligen, wiederaufladbaren Batterie und der erwähnten Ladeelektronik als elektronisches Bauelement mit den Eigenschaften eines Doppelbeschichtkondensators wird beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Notfallsystem für Stromausfälle, welches insbesondere den Betrieb einer Datenverarbeitungseinrichtung absichern kann. Das Notfallsystem umfasst eine ein- oder mehrzellige, wiederaufladbare Batterie sowie eine Ladeelektronik zum Laden dieser Batterie, die gemeinsam auf einer Platine einer Datenverarbeitungseinrichtung angeordnet werden können.
Notfallsysteme für Stromausfälle sind aus vielen Bereichen der Technik bekannt. Insbesondere im Bereich der Datenverarbeitung ist es erforderlich, dass Datenverluste durch unkontrollierte Abschaltungen von Datenverarbeitungseinrichtungen in Folge von Stromausfällen und Stromunterbrechungen vermieden werden. Geeignete Notfallsysteme sollen in diesen Fällen kurzzeitig die Energieversorgung zumindest der wichtigsten Komponenten von Datenverarbeitungseinrichtungen übernehmen um ein ordnungsgemäßes Herunterfahren derselben zu ermöglichen.
Es ist bekannt, flüchtige Speicher von Datenverarbeitungseinrichtungen sowohl mit wiederaufladbaren Batterien als auch mit Kondensatoren abzusichern. Eine wiederaufladbare Nickelmetallhydrid-Batterie, die sich grundsätzlich für derartige Anwendungen eignet, ist beispielsweise in der EP 1 011 163 B1 beschrieben. Als Kondensatoren eignen sich insbesondere sogenannte Doppelschichtkondensatoren („Supercaps”). Deren Verwendung als Energiequelle für ein Notfallsystem für Stromausfälle ist beispielsweise in der DE 20 2004 017 545 U1 beschrieben.
Doppelschichtkondensatoren haben den großen Vorteil, dass sie sehr schnell sehr hohe Pulsströme liefern können. Ihre Kapazität ist allerdings entsprechend der Natur eines Kondensators begrenzt. Darüber hinaus weisen sie wie alle Kondensatoren eine abfallende Spannungskennlinie auf.
Eine deutlich höhere Kapazität bieten wiederaufladbare Batterien wie beispielsweise die in der EP 1 011 163 B1 beschriebenen. Diese haben allerdings den Nachteil, dass sie bei den relativ hohen Temperaturen, die in Datenverarbeitungseinrichtungen im Betrieb auftreten können, überladen werden können, was zu einer drastischen Verringerung ihrer Lebenserwartung führen kann.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Notfallsystem für Stromausfälle bereitzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Notfallsystem für Stromausfälle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Notfallsystems sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben. Weiterhin sind die Platine mit den Merkmalen des Anspruchs 9, das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und die Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 11 angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Das erfindungsgemäße Notfallsystem für Stromausfälle umfasst eine ein- oder mehrzellige, wiederaufladbare Batterie sowie eine Ladeelektronik zum Laden dieser Batterie.
Bei der Batterie kann es sich insbesondere um eine NiMH-Batterie (Nickel-Metallhydrid), eine NiCd-Batterie (Nickel-Cadmium), NiZn-Batterie (Nickel-Zink), Ag₂O/Zn-Batterie (Silberoxid-Zink) oder eine Lithium-Ionen-Batterie handeln. Alle diese elektrochemischen Systeme kommen grundsätzlich in Frage. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Batterie allerdings um eine Batterie mit einem wässrigen, alkalischen Elektrolyten. Entsprechend sind Batterien auf Basis von NiCd, NiMH und NiZn besonders bevorzugt.
Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Notfallsystemen zeichnet sich das erfindungsgemäße Notfallsystem insbesondere dadurch aus, dass die Ladeelektronik eine Ladespannung bereitstellt, bei der die Batterie auch bei einer Temperatur von bis zu 80°C, bevorzugt sogar von bis zu 85°C, nicht überlädt.
Besonders bevorzugt ist die Ladeelektronik derart ausgebildet, dass sie eine Ladespannung bereitstellt, bei der die Batterie in einen Ladezustand überführt und/oder in einem Ladezustand gehalten wird, in welchem sie auf einen Wert zwischen 1% und 30%, bevorzugt zwischen 5% und 25%, insbesondere zwischen 10% und 20%, ihrer nominalen Kapazität (bei 20 ± 2°C) geladen ist.
Der Spannungsverlauf von Batterien bei Lade- und Endladevorgängen ist grundsätzlich sehr stark von der Temperatur abhängig. Beispielsweise bedarf es bei niedrigen Temperaturen (z. B. zwischen 0 und 20°C) relativ hoher Spannungen, um eine Batterie des oben genannten Typs vollständig zu laden. Bei hohen Temperaturen (z. B. zwischen 60 und 80°C) kann eine Batterie bei gleichen Spannungen (sowie ansonsten gleichen Ladeparametern) sehr schnell überladen.
Die Spannungsgrenze, ab der eine Batterie bei einer gegebenen Temperaturen nicht überlädt, muss grundsätzlich systemabhängig ermittelt werden. Es gilt aber grundsätzlich immer, dass bei einer Ladespannung, bei der eine Batterie in die genannten Ladezustände (geladen auf zwischen 5% und 30% ihrer nominalen Kapazität) überführt wird, auch keine Überladung bei den erwähnten Temperaturen eintritt.
Batterien in dem angegebenen Ladezustand eignen sich besonders gut als Energieversorgungseinheit für Notfallsysteme für Stromausfälle, da sie in der Lage sind, in kurzer Folge mehrere sehr hohe Pulsströme abzugeben. Aufgrund ihres niedrigen Ladezustandes können sie bei den in Datenverarbeitungseinrichtungen üblicherweise herrschenden Temperaturen niemals überladen werden. In der Folge haben sie unter den genannten Bedingungen eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer.
Trotz des absolut gesehen sehr niedrigen Ladezustandes überschreitet die in der erfindungsgemäß verwendeten Batterie zur Verfügung stehende Strommenge die eines Doppelstromkondensators gleichen Volumens erheblich. In der Regel lassen sich Pulsströme mit bis zu ca. 5 bis 10-facher Pulslänge ohne weiteres abrufen.
Die Ladespannungen, bei denen eine Batterie bei den genannten Temperaturen nicht überlädt, lassen sich von einem Fachmann einfach bestimmen. In bevorzugten Ausführungsformen gilt, dass

• als Batterie für das Notfallsystem eine NiMH-Batterie gewählt wird und die Ladespannung pro Zelle der Batterie 1,325 V ± 5 mV beträgt,
• als Batterie eine NiCd-Batterie gewählt wird und die Ladespannung pro Zelle der Batterie 1,335 V ± 5 mV beträgt,
• als Batterie eine NiZn-Batterie gewählt wird und die Ladespannung pro Zelle der Batterie 1,90 V ± 50 mV beträgt,
• als Batterie eine Ag₂O/Zn-Batterie gewählt wird und die Ladespannung pro Zelle der Batterie 1,605 V ± 5 mV beträgt oder
• als Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie gewählt wird und die Ladespannung pro Zelle der Batterie 1,875 V ± 25 mV (für LiCoO₂ als Aktivmaterial) beträgt.

Die Ladespannung, die von der Ladeelektronik geliefert wird, ist in bevorzugten Ausführungsformen konstant, ändert sich also beim Laden nicht (Konstantspannungs-Ladeverfahren). Bei fortschreitender Aufladung sinkt der Ladestrom wegen der kleiner werdenden Spannungsdifferenz zwischen der von der Ladeelektronik gelieferten Spannung und der der Batterie. Sobald sich die Spannungen angeglichen haben, fließt nur noch ein Reststrom zum Ausgleich der Selbstentladung der Batterie. Die Batterie wird also zunächst in einen definierten Ladezustand überführt und dann auf diesem gehalten. Dieser Vorgang wiederholt sich nach jedem Stromausfall, bei dem das erfindungsgemäße Notfallsystem zum Einsatz kam.
Dem Fachmann ist es bekannt, wie Ladeelektroniken gebaut werden, welche die hier geforderten Charakteristika aufweisen. So kann die Ladespannung beispielsweise mittels geeigneter Widerstände auf die geforderten Werte eingestellt werden.
Wie oben bereits erwähnt, kann die Batterie eines erfindungsgemäßen Notfallsystems grundsätzlich eine ein- oder eine mehrzellige Batterie sein. Im Falle einer mehrzelligen Batterie ist es bevorzugt, dass die einzelnen Zellen der Batterie zueinander seriell geschaltet sind. In diesem Fall beziehen sich die oben genannten Spannungswerte jeweils auch nur auf eine Zelle. Wird z. B. eine Nickel-Metallhydrid-Batterie mit zwei zueinander seriell geschalteten Nickel-Metallhydrid-Zellen verwendet, so beträgt die Ladespannung bevorzugt 2,65 +/– 10 mV.
Wenn die einzelnen Zellen der Batterie zueinander parallel geschaltet sind, beziehen sich die oben genannten Spannungswerte auf die ganze Batterie. Wird z. B. eine Nickel-Metallhydrid-Batterie mit zwei zueinander parallel geschalteten Nickelmetallhydridzellen verwendet, so beträgt die Ladespannung bevorzugt 1,325 +/– 5 mV.
Die in der bereits mehrfach erwähnten EP 1 011 163 B1 beschriebenen Akkumulatoren sind als Batterien für das erfindungsgemäße Notfallsystem sehr gut verwendbar. Der Inhalt der EP 1 011 163 B1 wird hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich zum Inhalt der vorliegenden Beschreibung gemacht.
Besonders bevorzugt sind die Batterie und die Ladeschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei elektrische Kontakte zur Kontaktierung der Ladeschaltung mit einer externen Spannungsquelle und zur Kontaktierung der Batterie des Notfallsystems mit einer mit Notstrom zu versorgenden Einrichtung an dem Gehäuse vorgesehen sind. Ein derartig ausgebildetes erfindungsgemäßes Notfallsystem lässt sich ohne weiteres auf übliche Platinen für Datenverarbeitungseinrichtungen aufbringen. Auch solche Platinen sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Als zu sichernde Datenverarbeitungseinrichtungen kommen insbesondere solche in einer Netzwerkumgebung in Frage, also Serversysteme, bei denen der Aspekt Datensicherheit eine sehr große Rolle spielt. Grundsätzlich lassen sich das erfindungsgemäße Notfallsystem sowie die erfindungsgemäße Platine natürlich aber auch problemlos in Einzelplatzrechnern sowie in mobilen Endgeräten wie Notebooks verbauen.
Auch ein Verfahren zum Betrieb von Datenverarbeitungseinrichtungen wie den erwähnten Servern ist von der vorliegenden Erfindung umfasst. In Übereinstimmung mit den obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Notfallsystem wird eine Datenverarbeitungseinrichtung, die eine ein- oder mehrzellige wiederaufladbare Batterie und eine Ladeelektronik zum Laden dieser Batterie als solche aufweist, gemäß der vorliegenden Erfindung derart betrieben, dass die Batterie von der (entsprechend ausgebildeten) Ladeelektronik in einem Ladezustand gehalten wird, bei der die Batterie auch bei einer Temperatur von bis zu 80°C, bevorzugt von bis zu 85°C, nicht überlädt.
Besonders bevorzugt wird die Batterie dabei von der Ladeelektronik auf einem Ladezustand gehalten, wie er oben bereits definiert wurde.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, eine Batterie bei Parametern zu betreiben, bei denen sie nicht überladen kann, gleichzeitig aber elektrische Eigenschaften aufweist, die denen eines Doppelschichtkondensators gleichen, ist selbstverständlich nicht nur auf dem Gebiet der Notfallsysteme für Stromausfälle interessant. Vielmehr kann die erfindungsgemäße Vorgehensweise Lösungen auf allen technischen Gebieten bieten, in denen Doppelschichtkondensatoren eine Rolle spielen. Entsprechend ist auch die Verwendung einer Kombination aus einer ein- oder mehrzelligen, wiederaufladbaren Batterie, wie sie oben beschrieben wurde, und einer bei den oben definierten Parametern betriebenen Ladeelektronik als elektronisches Bauelement mit den Eigenschaften eines Doppelschichtkondensators Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Näher erläutert werden das erfindungsgemäße Notfallsystem sowie die weiteren erfindungsgemäßen Gegenstände anhand der Zeichnungen, welche im Folgenden beschrieben werden. Es sei an dieser Stelle explizit betont, dass sämtliche in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen fakultativen Aspekte des erfindungsgemäßen Notfallsystems oder der sonstigen erfindungsgemäßen Gegenstände jeweils für sich allein oder in Kombination mit einem oder mehreren der weiteren beschriebenen fakultativen Aspekte bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein können. Die nachfolgende Beschreibung dient lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen.
Figurenbeschreibung
1 zeigt die Ladecharakteristik einer einzelligen Nickel-Metallhydrid-Batterie bei verschiedenen Temperaturen.
Dargestellt ist die Ladecharakteristik der Batterie bei –10°C, 0°C, +10°C, +25°C, +45°C, +55°C, +65°C und +85°C. Zu erkennen ist, dass die Spannung einer Batterie, die eine Temperatur von 85°C aufweist, einen Wert von 1,32 V beim Laden nicht überschreitet. Zum vollständigen Laden einer Batterie, die eine Temperatur von beispielsweise 25°C aufweist, sind wesentlich höhere Spannungen erforderlich. Ein Laden einer Nickel-Metallhydrid-Batterie bei diesen Spannungen würde im Umkehrschluss aber unweigerlich zu einer Überladung der Batterie führen, wenn sich diese auf 85°C erwärmt.
Erfindungsgemäß wird die Ladespannung derart gewählt, dass auch bei 85°C keine Überladung erfolgen kann. Sobald die Batterie die genannte Spannung aufweist, kann der Ladevorgang beendet werden. Dieser Zustand ist, wie 1 klar zu entnehmen ist, bei allen Temperaturen nach zum Teil deutlich weniger als zwei Stunden erreicht. Der Ladezustand der Batterie liegt dann in der Regel zwischen 5% und 30% ihrer nominalen Kapazität (bei 20 ± 2°C). Der sich dabei einstellende Reststrom gleicht nur die Selbstentladung aus und kann (nahezu) beliebig lange beibehalten werden.
Die hohe Pulsstrombelastbarkeit eines erfindungsgemäßen Notfallsystems lässt sich 2A bis 2E entnehmen. Dargestellt sind jeweils Endladekurven einer einzelligen Nickel-Metallhydrid-Batterie, die von einer Ladeelektronik bei unterschiedlichen Temperaturen auf einer Spannung von 1,32 V gehalten wurde:
2A: Nickel-Metallhydrid bei 20°C (50 mA/1,320 V) Entladung über 7/4 W – 15 sec Pulse in Abständen von 30 min
2B: Nickel-Metallhydrid bei 45°C (50 mA/1,320 V) Entladung über 7/4 W – 15 sec Pulse in Abständen von 30 min
2C: Nickel-Metallhydrid bei 60°C (50 mA/1,320 V) Entladung über 7/4 W – 15 sec Pulse in Abständen von 30 min
2D: Nickel-Metallhydrid bei 70°C (50 mA/1,320 V) Entladung über 7/4 W – 15 sec Pulse in Abständen von 30 min
2E: Nickel-Metallhydrid bei 80°C (50 mA/1,320 V) Entladung über 7/4 W – 15 sec Pulse in Abständen von 30 min
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1011163 B1 [0003, 0005, 0021, 0021]
DE 202004017545 U1 [0003]

Claims

Notfallsystem für Stromausfälle, umfassend eine ein- oder mehrzellige, wiederaufladbare Batterie aus der Gruppe mit NiMH-, NiCd-, NiZn-, Ag₂O/Zn- oder Lithium-Ionen-Batterien sowie eine Ladeelektronik zum Laden dieser Batterie, wobei die Ladeelektronik eine (bevorzugt konstante) Ladespannung bereitstellt, bei der die Batterie auch bei einer Temperatur von bis zu 80°C, bevorzugt von bis zu 85°C, nicht überlädt.
Notfallsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeelektronik eine Ladespannung liefert, bei der die Batterie in einen Ladezustand überführt und/oder in einem Ladezustand gehalten wird, in welchem sie auf zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 10% und 20%, ihrer nominalen Kapazität (bei 20 ± 2°C) geladen ist.
Notfallsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine NiMH-Batterie ist und die Ladespannung pro Zelle 1,325 V +/– 5 mV beträgt.
Notfallsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine NiCd-Batterie ist und die Ladespannung pro Zelle 1,335 V ± 5 mV beträgt.
Notfallsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine NiZn-Batterie ist und die Ladespannung pro Zelle 1,900 V ± 50 mV beträgt.
Notfallsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Ag₂O/Zn-Batterie ist und die Ladespannung pro Zelle 1,605 V ± 5 mV beträgt.
Notfallsystem nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie eine Lithium-Ionen-Batterie mit LiCoO₂ als Aktivmaterial ist und die Ladespannung pro Zelle 1,875 V ± 25 mV beträgt.
Notfallsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie und die Ladeschaltung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei elektrische Kontakte zur Kontaktierung der Ladeschaltung mit einer externen Spannungsquelle und zur Kontaktierung der Batterie mit einer mit Notstrom zu versorgenden Einrichtung an dem Gehäuse vorgesehen sind.
Platine für eine Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere in einer Netzwerkumgebung, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Notfallsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Datenverarbeitungseinrichtung, insbesondere in einer Netzwerkumgebung, welche ein Notfallsystem mit einer ein- oder mehrzelligen, wiederaufladbaren Batterie aus der Gruppe mit NiMH-, NiCd-, NiZn-, Ag₂O/Zn- oder Lithium-Ionen-Batterien sowie einer Ladeelektronik zum Laden dieser Batterie aufweist, wobei die Batterie von der Ladeelektronik in einem Ladezustand gehalten wird, bei der die Batterie auch bei einer Temperatur von bis zu 80°C, bevorzugt von bis zu 85°C, nicht überlädt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie von der Ladeelektronik auf einem Ladezustand von zwischen 5% und 30%%, insbesondere zwischen 10% und 20%, ihrer nominalen Kapazität (bei 20 ± 2°C) gehalten wird.
Verwendung einer Kombination aus einer ein- oder mehrzelligen, wiederaufladbaren Batterie und einer Ladeelektronik zum Laden der Batterie, welche eine Ladespannung liefert, bei der die Batterie in einen Ladezustand überführt und/oder in einem Ladezustand gehalten wird, in dem sie auf zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 10% und 20%, ihrer nominalen Kapazität (bei 20 ± 2°C) geladen ist, als elektronisches Bauelement mit den Eigenschaften eines Doppelbeschichtkondensators (Supercaps).