-
Die
Erfindung betrifft eine Batterie mit flüssigem Elektrolyt, nachfolgend
Flüssigelektrolytbatterie genannt,
die vorzugsweise in bewegten Fahrzeugen, wie z. B. in PKW, Booten
oder Flugzeugen zum Einsatz kommt und eine Vorrichtung zur Elektrolytdurchmischung
aufweist.
-
Das
Bestreben der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch
die Einsparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die
Anforderung nach höherer
Batterieleistung, da neben der herkömmlichen Energie zum Starten,
z. B. eines PKW, auch Energie für
zusätzliche
Aggregate wie elektrische Fensterheber, Stellmotore zum Verstellen der
Sitze oder auch zum elektrischen Beheizen der Sitze benötigt wird.
Ferner ist es wünschenswert,
die Batterieleistung über
die Lebensdauer der Batterie möglichst
auf einem konstant hohen Niveau zu halten, da zunehmend auch sicherheitsrelevante
Funktionseinheiten wie Lenkung und Bremsen elektrisch gesteuert
und betätigt
werden. Unter Batterieleistung wird nachfolgend die Kapazität der Batterie,
sowie die Fähigkeit
der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur Stromaufnahme verstanden.
Die Batterieleistung wird von verschiedenen, dem Fachmann bekannten Faktoren
beeinflußt.
-
Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Leistung
einer Batterie mit einem flüssigen
Elektrolyten, wie z. B. einer Blei-Säure-Batterie, zu erhöhen. Ein
besonderes Problem bei Blei-Säure-Batterien ist die
sogenannte Stratifikation der Säure,
d. h. die Säurekonzen tration ist
bezüglich
der Elektrodenfläche
nicht gleichmäßig. Das
bewirkt, daß die
Elektroden an Stellen, an denen die Säurekonzentration zu hoch ist,
korrodieren, so daß sich
die Lebensdauer der Batterie vermindert, und an den Elektrodenstellen,
an denen die Säurekonzentration
zu gering ist, erreicht die Batterie nicht ihre volle Leistung.
-
Daher
sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren entwickelt worden,
um den Elektrolyten umzuwälzen,
damit die Säurekonzentration
in allen Volumenabschnitten der Batterie gleich groß ist. Bei
stationären
Batterien wird z. B. Luft in den Elektrolyten eingeblasen. Für Fahrzeugbatterien
sind Elektrolytdurchmischungsvorrichtungen bekannt, die als hydrostatische
Pumpen bezeichnet werden. Diese Vorrichtungen sind nur bei sich
bewegenden Fahrzeugen wirksam, da sie Brems- und Beschleunigungsvorgänge in Verbindung
mit der Massenträgheitskraft
des flüssigen
Elektrolyten nutzen. Diese Technik ist dem Fachmann bekannt, so
daß lediglich beispielhaft
auf die Dokumente
US 4,963,444 ;
US 5,096,787 und
US 5,032,476 und
DE 297 18 004.5 verwiesen
wird.
-
Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch ermittelt, daß mit diesen
aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen noch keine optimale
Elektrolytdurchmischung erreichbar ist.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Flüssigelektrolytbatterie
mit Elektrolytdurchmischung durch beschleunigte Bewegungen der Batterie,
wobei die Elektrolytdurchmischung gegenüber dem Stand der Technik verbessert
werden soll. Gleichzeitig besteht der Bedarf nach einer besonders
einfachen und kostengünstigen
Lösung.
-
Die
Aufgabe wird mittels einer Batterie nach Anspruch 1 gelöst, wobei
die Batterie aufweist:
Ein Gehäuse mit Seitenwänden, einem
Gehäuseboden
und einer Abdeckung. Dieses Gehäuse
bildet eine Batteriezelle. Häufig
sind mehrere solcher Batteriezellen zu einer Batterie mit einem
Mehrfachgehäuse
zusammengefaßt.
In dem vorzugsweise rechteckigen Gehäuse sind die plattenförmigen Elektroden
angeordnet, die von dem Flüssigelektrolyt
bedeckt sind.
-
Zum
Umwälzen
des Elektrolyts bei einer positiven oder negativen Beschleunigung
der Batterie in eine Vorzugsrichtung ist eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung
vorgesehen, die nachfolgende Merkmale aufweist:
Parallel zu
den senkrechten Kanten der Elektroden ist je eine Strömungskanalplatte
beabstandet angeordnet, so daß zwischen
der jeweiligen Batteriegehäusewand
und der Strömungskanalplatte
je ein Strömungskanal
ausbildet ist.
-
Am
oberen Ende der linksseitigen Strömungskanalplatte ist an dem
oberen Endabschnitt der Strömungskanalplatte
eine Ablaufplatte vorgesehen, die oberhalb des Pegelstandes angeordnet
ist. Die Länge
dieser Ablaufplatte beträgt
wenigsten 1/3 und höchstens ¾ der Länge der
Kantenlänge
der zugeordneten Elektrodenkanten. Über diese Ablaufplatte fließt der im
linksseitigen Strömungskanal
von unten aufsteigende Elektrolyt ab und durchmischt sich mit dem
Oberflächenelektrolyt.
-
Am
oberen Ende der rechtseitigen Strömungskanalplatte ist eine Elektrolyteinfangöffnung mit
einer Einströmkante
vorgesehen, die oberhalb des Pegelstandes liegt.
-
An
dem unteren Ende der Strömungskanalplatte
ist eine Endplatte vorgesehen, die sich zwischen den Elektrodenunterkanten
und dem Gehäuseboden
erstreckt. Diese Endplatte ist wenigstens 1/8 und höchstens ¾ der Länge der
Kantenlänge
der zugeordneten Elektrodenkanten lang.
-
Die
Erfindung gewährleistet
gegenüber
dem Stand der Technik eine bessere Durchmischung des Elektrolyten.
-
Nach
Anspruch 2 weist die Ablaufplatte Durchbrüche auf, durch die hindurch
der Elektrolyt teilweise abläuft.
Diese Weiterbildung der Erfindung führt zu einer noch besseren
Elektrolytdurchmischung.
-
Nach
Anspruch 3 sind die Durchbrüche
hinsichtlich ihrer Größe und Verteilung
so geformt und angeordnet, daß sich
der ablaufende Elektrolyt nahezu gleichmäßig auf der Elektrolytoberfläche unterhalb
der Ablaufplatte verteilt. Diese Weiterbildung der Erfindung führt zu einer
noch besseren Elektrolytdurchmischung.
-
Nach
Anspruch 4 sind die Durchbrüche
auf der Oberseite der Ablaufplatte mit geradlinigen Kanälen verbunden.
Diese Weiterbildung der Erfindung gewährleistet die weitgehend gleichmäßige Verteilung
des Elektrolyten auch dann, wenn das Fahrzeug Schlingerbewegungen
ausführt.
Darunter ist folgendes zu verstehen:
Das Elektrolytvolumen,
das sich gerade auf der Ablaufplatte befindet, wird durch Schlingerbewegungen des
Fahrzeugs in eine nicht vorhersehbare Richtung gedrängt. Dadurch
kommt es auf der Ablaufplatte zu einer ungleichmäßigen Ausbreitung der Elektrolytwelle.
Mittels der Kanäle
wird diese ungleichmäßige Ausbreitung
weitgehend vermieden, so daß der
Elektrolyt auch bei Schlingerbewegungen in seiner Kanalbahn gehalten
wird und gradlinig und gleichmäßig abläuft. Die
Kanäle
sind wenigstens 0,2 mm tief. Eine Tiefe von ca. 0,5 bis 1 mm ist
optimal. Wenn die Kanäle
noch tiefer ausgebildet werden, bringt das keinen weiteren Vorteil.
Es ist nur zu beachten, daß die Dicke
der Ablaufplatte an die Kanaltiefe angepaßt sein muß.
-
Nach
Anspruch 5 weist die Endplatte Durchbrüche auf, durch die hindurch
der Elektrolyt teilweise ausströmt.
Diese Weiterbildung der Erfindung führt zu einer noch besseren
Elektrolytdurchmischung.
-
Weitere
Maßnahmen
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den beigefügten
schematischen Zeichnungen.
-
1 zeigt
eine seitliche Schnittansicht und zwei Detaildraufsichten einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
-
2 zeigt
eine seitliche Schnittansicht und zwei Detaildraufsichten einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
-
3 zeigt
einen leeren Batteriekasten nach dem Stand der Technik.
-
Die
nachfolgende Erläuterung
der Erfindung beginnt mit dem Stand der Technik aus 3,
da dadurch die Erfindung leichter verständlich wird.
-
Die 3 zeigt
einen Batteriekasten mit 6 Zellen. Alle nachfolgenden Erläuterungen
beziehen sich auf eine einzige Zelle, wobei die Zelle in 1 und 2 von
der Richtung aus dargestellt ist, die in 3 mit dem
Bezugszeichen 1c bezeichnet ist.
-
Die 1 zeigt
eine seitliche Schnittansicht der ersten Ausführungsform der Erfindung:
Ein
Gehäuse
mit Seitenwänden 1a, 1b,
einem Gehäuseboden 1e und
einer Abdeckung enthält
senkrecht stehende Plattenelektroden 2 und einen flüssigen Elektrolyten 3.
Dieses Gehäuse
bildet eine Batteriezelle. Meist sind mehrere solcher Batteriezellen zu
einer Batterie mit einem Mehrfachgehäuse zusammengefaßt. Der
Pegelstand des Elektrolyten ist mit 3a gekennzeichnet.
-
Parallel
zu den senkrechten Kanten der Elektroden ist je eine Strömungskanalplatte 4a und 4b so angeordnet,
daß zwischen
der jeweiligen Batteriegehäusewand 1a, 1b und
der Strömungskanalplatte 4a, 4b je
ein Strömungskanal 5a, 5b ausbildet
ist.
-
Am
oberen Ende der Strömungskanalplatte 4a ist
eine waagerechte oder leicht nach innen geneigte Ablaufplatte 6 vorgesehen,
wobei die Ablaufplatte 6 wenige Millimeter über dem
Elektrolytpegel 3a angeordnet ist.
-
Bei
dieser Ausführungsform
der Erfindung weist die Strömungskanalplatte 4a Durchbrüche 10 auf,
die eine noch bessere Durchmischung bewirken. Diese Durchbrüche 10 sind
hinsichtlich ihrer Größe und Verteilung
so geformt und angeordnet, daß sich der
ablaufende Elektrolyt nahezu gleichmäßig auf der unter der Strömungskanalplatte
liegenden Elektrolytoberfläche
verteilt. Die konkrete Dimensionierung der Durchbrüche kann
der Fachmann sowohl an Hand einiger Versuche ermitteln oder mit
Hilfe von bekannter Software zur Berechnung von strömungsmechanischen
Vorgängen
berechnen.
-
Am
oberen Ende der rechtseitigen Strömungskanalplatte 4b ist
eine Elektrolyteinfangöffnung 7 mit
einer Einströmkante 8 vorgesehen,
die wenige mm oberhalb des Pegelstandes 3a liegt.
-
An
dem unteren Ende der Strömungskanalplatte 4b ist
eine Endplatte 9 vorgesehen, die sich zwischen den Elektrodenunterkanten
und dem Gehäuseboden 1e erstreckt.
Diese Endplatte ist wenigstens 1/8 und höchstens ¾ der Länge der Kantenlänge der
zugeordneten Elektrodenkanten lang.
-
Bei
einer Beschleunigung der Batterie in eine vorbestimmte Richtung
wird der Elektrolyt 3 entweder durch den Strömungskanal 5a nach
oben gedrückt
oder eine Elektrolytwelle schwappt in die Elektrolyteinfangöffnung 7 und sinkt
nach unten, bis sich der Pegelstand 3a mit dem anfangs
etwas höheren Pegelstand 3a' angeglichen
hat. Der nach unten sinkende Elektrolyt wird mittels der Endplatte 9 weitergeleitet
und mischt sich dann am Ende der Endplatte 9 mit dem restlichen
Elektrolytvolumen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung weist
die Endplatte 9 Durchbrüche 11 auf,
die eine noch bessere Durchmischung bewirken. Diese Durchbrüche 11 sind
hinsichtlich ihrer Größe und Verteilung
so geformt und angeordnet, daß sich
der ausströmende
Elektrolyt nahezu gleichmäßig in dem über der
Endplatte 9 liegenden Elektrolytvolumen verteilt. Die konkrete
Dimensionierung der Durchbrüche
kann der Fachmann sowohl an Hand einiger Versuche ermitteln oder
mit Hilfe von bekannter Software zur Berechnung von strömungsmechanischen
Vorgängen
berechnen.
-
Aus
der Ansicht A-A ist erkennbar, daß die Durchbrüche 10 als
runde Löcher
ausgebildet sind, die zur Mitte immer größer werden. Wenn die Säure im linken
Strömungskanal 5a nach
oben schwappt oder strömt,
bildet sich am Ende des Strömungskanals
eine kleine Säurewelle,
die nach rechts abläuft und
durch den geschwungenen Pfeil symbolisch dargestellt ist. Eine erste
Volumenmenge läuft
durch die erste Lochreihe nach unten ab. Dadurch ist das Volumen
der Säuremenge
etwas vermindert. Um zu ermöglichen,
daß bei
der zweiten Lochreihe die gleiche Volumenmenge abläuft, müssen diese
Löcher
etwas größer sein.
Die gleichen Betrachtungen gelten für die weiteren Lochreihen.
Der Rest der Elektrolytwelle läuft
dann über
die Kante der Ablaufplatte 6 ab. Die gleichen Betrachtungen
gelten für
den rechten Strömungskanal 5b und
die Endplatte 9, so daß auf
eine Beschreibung verzichtet werden kann.
-
Es
ist dem Fachmann klar, daß die
Durchbrüche 10 und 11 unterschiedlichste
Formen und die Größen aufweisen
können.
Es bedarf daher keiner erfinderischen Tätigkeit, geeigneten Formen
und Größen für die Durchbrüche und
deren erforderliche Anordnung mit einfachen wenigen Versuchen zu
ermitteln, wenn der Fachmann dazu die technische Lehre des Patentanspruchs
1 anwendet.
-
Die 2 zeigt
eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der
die Durchbrüche 10 mit
geradlinigen Kanälen 12 verbunden
sind, die parallel zur Kante der Elektroden 3 verlaufen.
Diese Kanäle
sind wenigstens 0,2 mm tief. Diese Weiterbildung der Erfindung gewährleistet die
weitgehend gleichmäßige Verteilung
des Elektrolyten auch dann, wenn das Fahrzeug Schlingerbewegungen
ausführt,
denn das Elektrolytvolumen, das sich gerade auf der Ablaufplatte
befindet, wird durch Schlingerbewegungen des Fahrzeugs in eine nicht vorhersehbare
Richtung gedrängt.
Dadurch kommt es zu einem ungleichmäßigen Ablaufen. Durch die Kanäle bleibt
der Elektrolyt auch bei Schlingerbewegungen in seiner Bahn und kann
gleichmäßig ablaufen.
-
Insgesamt
ist festzustellen, daß der
Elektrolytkreislauf bei der Erfindung wesentlich verbessert wurde,
so daß nunmehr
auch dann eine gute Durchmischung eintritt, wenn die Batterie nicht
oder nicht ausschließlich
in der Vorzugsrichtung beschleunigt wird, in der ein besonders ausgeprägtes Säureschwappen
auftritt, sondern die Durchmischung auch dann eintritt, wenn die
Batterie quer zur Vorzugsrichtung eingebaut ist, so daß das gewünschte Schwappen
des Elektrolyts bevorzugt bei Kurvenfahrten eintritt.
-
An
Hand der beschriebenen Ausführungsformen
kann der Fachmann die technische Lehre der vorliegenden Erfindung
vollständig
entnehmen. Es ist klar, daß diese
Ausführungsformen
durch einen Fachmann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre weiterentwickelt
und modifiziert oder kombiniert werden können. Daher fallen auch diese
nicht explizit genannten oder gezeigten weiteren Ausführungsformen
in den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche.