DE60109130T2

DE60109130T2 - Elektrische Akkumulatorbatterie

Info

Publication number: DE60109130T2
Application number: DE2001609130
Authority: DE
Inventors: Antonio Ripoll Anton; Rafael Ruiz Rodriguez
Original assignee: Exide Technologies SA; Sociedad Espanola del Acumulador Tudor SA
Current assignee: Exide Technologies SA
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2021-01-23
Also published as: EP1225651B1; PT1225651E; US20020098412A1; US6528206B2; ES2239115T3; DE60109130D1; EP1225651A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Akkumulatorbatterie, und zwar eine Blei-Säure-Batterie, die beispielsweise beim Starten, Beleuchten und bei der Semitraktion von Motorfahrzeugen eingesetzt wird.
Genauer gesagt bezieht sich die erfindungsgemäße Batterie auf eine Batterie der herkömmlichen Art oder eine Rekombinations-Batterie, die eine allgemein prismatisch geformte Aufnahme aufweist, welche oben mittels einer Abdeckung verschlossen ist, durch welche hindurch die Verbindungsanschlüsse hervorstehen, wobei die Aufnahme innen in Zellen aufgeteilt ist, vorzugsweise mehr als sechs Zellen, in welchen sich isolierte positive und negative Elektroden mit dazwischen liegenden Separatoren befinden.
Die momentane Entwicklung von Motorfahrzeugen in Richtung immer ausgefeilterer interner und externer Ausstattung und die Notwendigkeit, bei der zur Produktion solcher Motorfahrzeuge erforderlichen Investition wirtschaftlich vorzugehen, erzeugen eine steigende Nachfrage für elektrischen Strom an Bord des Fahrzeugs, wobei öfter und öfter auf die Batterie zurückgegriffen wird, und die Nachfrage nach Strom steigt an, was wiederum zu Kabeln mit größerem Querschnitt führt und die Batterie auch viel stärker entlädt, was zu einer beträchtlichen Verkürzung der Lebensdauer der Batterie führt.
Die herkömmliche Ausgestaltung der Batterien, die als Energiequelle in Motorfahrzeugen verwendet werden, ist gegenwärtig standardisiert in der Kopplung von sechs in Reihe geschalteten Elementen, von denen jedes eine vorbestimmte Anzahl positiver und negativer Elektroden hat, die parallel geschaltet sind und physikalisch durch ein poröses Material getrennt sind, welches die freie Zirkulation der Ionen erlaubt, die bei den elektrochemischen Reaktionen des Ladens und Entladens intervenieren.
Aufgrund der steigenden Nachfrage der Automobilhersteller bezüglich des Stroms, wobei die äußeren Abmaße beibehalten und sogar reduziert werden sollen, sind die Hersteller der Batterien nun gezwungen, die Anzahl der Elektroden pro Element zu erhöhen, indem deren Dicke reduziert wird, da die Standardspannung 12 Volt beträgt und die Gesamtabmaße auch respektiert werden müssen. Die Verminderung der Dicke der Elektroden führt zu einer Verminderung der Betriebsdauer, im Allgemeinen aufgrund des destruktiven Effekts der Korrosion der Gitter, die als Halter des aktiven Materials der Elektroden und als Leiter des erzeugten elektrischen Stroms dienen. Als Folge davon haben die 12 Volt-Batterien, die zum Zuführen von hohen Energiestufen ausgestaltet sind, eine sehr beschränkte Lebensdauer und zeigen außerdem vorzeitige Ausfälle unter den extremsten Bedingungen, denen moderne Fahrzeuge ausgesetzt sind.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Batterie, die geeignete Abmaße innerhalb der internen Architektur des Fahrzeugs beibehalten kann, in das sie eingebaut werden soll, und die auch den erforderlichen starken Strom zur Verfügung stellen kann, und zwar mehr als die 12 Volt, die bisher Standard waren.
Einige Hersteller von Motorfahrzeugen fordern Studien, um die Verwendung von Batterien mit einer Nennspannung von mehr als den bis jetzt verwendeten und standardisierten 12 Volt zu erzielen, mit der Bedingung, dass entweder die standardisierten Außenabmaße beibehalten werden oder die Dimensionen geeignet sind für das Abteil, das in dem Fahrzeug zum Aufnehmen der Batterie vorhanden ist; genauer gesagt wünschen sich die Hersteller von Motorfahrzeugen Batterien mit 36 Volt, vor allem um den Startvorgang sicherzustellen, da der zum Starten des Fahrzeugs notwendige Strom ungefähr ein Drittel des gegenwärtig erforderlichen wäre, und das zusätzliche Ziel wäre eine Einsparung bei den Kosten der Hauptverkabelung, deren Querschnitt gleichzeitig mit dem Anstieg der Spannung reduziert würde.
Die Ausgestaltung einer 36 Volt-Batterie kann gemäß der vorliegenden Erfindung gemacht werden, indem 18 Elemente in Reihe geschaltet werden, die Elektroden haben, die flach oder anders ausgestaltet sein können, beispielsweise eine spriralförmige Gestalt haben können, wobei der Anstieg des Oberflächenbereichs der Elektroden durch die interne Geometrie jedes Elements und durch die Dicke der Platten und Separatoren beschränkt ist.
Die Herstellung von 12 Volt-Batterien ist Standardpraxis, und daher wäre es nur notwendig, drei Batterien in Serie zu schalten, um eine 36 Volt-Batterie zu erreichen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Batterie von mehr als 12 Volt, allgemein 36 Volt in einer einzelnen Aufnahme, die auch dazu ausgestaltet ist, in das Abteil zu passen, das von den Herstellern moderner Motorfahrzeuge zur Verfügung gestellt wird.
Andererseits bedeutet die Herstellung einer Batterie von mehr als 12 Volt in einem reduzierten Raum auch, dass die Elemente aufeinander getürmt werden müssen, was zu thermischen Unterschieden aufgrund der Schwierigkeit einer gleichmäßigen Kühlung führt; es ist bekannt, dass die durch den Motor des Fahrzeugs verursachte hohe Temperatur einen starken Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie hat, und unter anderem aufgrund der größeren Konzentration des Elektrolyts, verursacht durch die stärkere Verdampfung von Wasser aufgrund der erhöhten Temperatur, aber auch aufgrund des höheren Ladestroms, der auftritt, wenn das Fahrzeug läuft, welcher wiederum der Grund für einen Überladungseffekt ist, wodurch eine größere Menge des in dem Elektrolyt gehaltenen Wassers zersetzt wird, was wiederum zu einer vorzeitigen Leistungsverminderung der Batterie führt; daher verschlechtern sich die Elemente, die dem Kühleffekt am wenigsten ausgesetzt sind, vor denjenigen, die besser gekühlt sind, und führen zu einer vorzeitigen Zerstörung der Einheit, obwohl es andere Elemente gibt, die noch nicht beschädigt sind.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie zu schaffen, die bei einer Nennspannung von mehr als 12 Volt, im Allgemeinen 36 Volt, entweder in einer standardisierten Größe für die Verwendung in Motorfahrzeugen untergebracht ist oder eine Größe hat, die adäquat ist für die Raumanforderungen im Inneren des Motorfahrzeugs, unter der Bedingung, dass die Batterie die vorderen Zellen oder Elemente gekühlt halten kann, um die thermischen Unterschiede zu verhindern, die zu einem vorzeitigen Ausfall der Batterie führen.
Dazu ist gemäß der Erfindung die Batterieaufnahme innen in sechs Zellen, und vorzugsweise in zehn und acht Zellen unterteilt, die in zwei parallelen Reihen verteilt sein sollen, zwischen welchen die Aufnahme zumindest einen dazwischenliegenden Leerraum bildet, welche Leerräume durch die Basis und die Abdeckung hindurchtreten und Lüftungskanäle bilden.
Außerdem bildet die Abdeckung der Aufnahme an zwei ihrer entgegengesetzten Kanten, unter der oberen Fläche der Abdeckung, Hohlräume, die so groß sind, dass die Finger eingebracht werden können, und die als Griffe dienen, die die Handhabung und Transportierung der Batterie erleichtern.
Die eben erwähnten Merkmale und Vorteile können einfacher verstanden werden durch die nun folgende Beschreibung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen, in welchen eine Ausführungsform dargestellt ist, die aber nicht beschränkend verstanden werden soll.
In den Zeichnungen ist
1 eine Draufsicht einer gemäß der Erfindung aufgebauten Batterie mit flachen Elektroden, ohne die obere Abdeckung dargestellt, um die Ausgestaltung der Zellen zu veranschaulichen.
2 ist eine vertikale Querschnittsansicht der Batterie der 1.
3 ist eine Draufsicht der Batterie der 1 mit der Abdeckung.
4 ist eine Ansicht in Perspektive der elektrolytischen Rekombination, mit Spiralelektroden, welche die Merkmale der Erfindung verkörpert.
5 ist eine Draufsicht der Batterie der 4.
6 ist eine Ansicht ähnlich 5, die eine Ausführungsvariante zeigt.
7 zeigt in Perspektive eine andere Ausführungsform.
8 ist eine Ansicht ähnlich 4, die eine Variante zeigt.
9 zeigt in Perspektive ein weiteres Beispiel einer Ausführungsform.
Die in 1 dargestellte Batterie beinhaltet eine Aufnahme 1 in einer rechteckigen prismatischen Gestalt, die innen in insgesamt 18 Zellen unterteilt ist, die mit der Ziffer 2 bezeichnet sind, wobei diese Zellen in zwei längsverlaufenden Reihen verteilt sind. Diese beiden Reihen sind durch einen dazwischenliegenden längsverlaufenden Hohlraum 3 getrennt, der durch den Boden der Aufnahme hindurch auftritt und auch durch die Abdeckung hindurch, wie sich aus 3 ergibt, und einen Belüftungskanal definiert, mittels dessen eine verbesserte Kühlung der unterschiedlichen Zellen erreicht wird.
Innerhalb jeder der Zellen 2 befinden sich positive und negative Platten, bezeichnet mit den Ziffern 4 und 5, zwischen welchen Separatoren 6 angeordnet sind. Um den Raum der Zellen 2 am besten auszunutzen, sind die Separatoren 6 in Beutelform angebracht, und in ihnen ist immer die Platte einer Polarität platziert. Die Bezugszeichen 7 und 8 bezeichnen die Anschlüsse der Batterie.
Die Platten gleicher Polarität sind in jeder Zelle durch die Streifen 9 verbunden. Die Streifen unterschiedlicher Polarität, die zu aufeinander folgenden Zellen gehören, sind ihrerseits mittels Streifen 10 elektrisch verbunden.
Wie sich aus 1 ergibt, verläuft der Kanal 3 zwischen einer der querverlaufenden Wände 11 der Aufnahme und der äußersten Zelle 12 der beiden Reihen von Zellen, die mittels einer Zwischentrennwand 13 getrennt sind, durch welche die elektrische Verbindung mittels Streifen 9a gemacht ist.
In 2 sind die Elektroden 4 und 5 und der Separator 6 zu sehen, die Position des Anschlusses 7, die die Platten verbindenden Streifen 9 und die Zwischenverbindungsstreifen 10 zwischen den aufeinanderfolgenden Zellen. Zwischen den beiden Reihen von Zellen 2 ist der Raum 3 zu finden, der durch den Boden der Aufnahme hindurch und die Abdeckung 14 hindurch auftritt. Anschlüsse 7 und 8 münden in externe Energiepunkte 15.
Die Abdeckung 14 hat, ausgehend von zwei ihrer gegenüberliegenden Seiten und unterhalb der oberen Fläche Hohlräume 16 mit einer Größe, die die Einbringung der Finger ermöglichen und die als Griff dienen, ohne dass diese Hohlräume einen negativen Effekt hätten, aufgrund ihrer Position, auf andere Merkmale der Batterie, wie beispielsweise ihrer Stapelbarkeit, eine wichtige Eigenschaft für die Aufbewahrung der Batterien.
Die Abdeckung 14 hat eine Vertiefung in der Mitte, in welcher die Öffnungen 17 für aus den Zellen entweichende Gase vorhanden sein sollten, wobei ein Labyrinth das Befüllen mit Elektrolyt und das Entweichen von Gasen aus den Zellen ermöglicht. Die Labyrinthanordnung verhindert, dass Flüssigkeit ausläuft, selbst wenn die Batterie übermäßig geneigt wird, und gleichzeitig verhindert sie den möglichen Austritt von Flüssigkeitströpfchen, die in den durch die Batterie produzierten Gasen mit getragen werden könnten. Die Vertiefung der Abdeckung 14 ist mittels eines Deckels 18 verschlossen.
Der Deckel 18 hat eine längsverlaufende Nut 19, die zu dem dazwischenliegenden Hohlraum 3 hinweist, um die Zirkulation von Kühlluft zu ermöglichen und die, wenn notwendig, gezwungen werden kann, beispielsweise durch mittels eines Lüfters oder dergleichen zugeführter Luft.
Die 4 und 5 zeigen eine perspektivische Draufsicht einer Elektrolyt-Rekombinations-Batterie mit Spiralelektroden und einer prismatischen Ausgestaltung. Anschlüsse 7 und 8 sind in gegenüberliegenden Ecken positioniert. Die 4 beinhaltet einen Abschnitt des unteren Teils der Batterieaufnahme, um die Zellen 2 und die leeren Räume 20 zu zeigen, die von diesen Zellen begrenzt sind und die als Kühlkanäle zum Erreichen einer gleichmäßigen Temperatur dienen, gemäß der vorliegenden Erfindung, und die eine identische Funktion wie der Leerraum 3 der in den 1 bis 3 gezeigten Batterie haben.
Wie im Fall der 1 und 3 sind die Platten der unterschiedlichen Zellen mittels Streifen 9 verbunden. Die Streifen unterschiedlicher Polarität, die zu aufeinaderfolgenden Zellen gehören, sind miteinander durch Streifen 10 verbunden. Die Ziffer 23 bezeichnet einen der geschweißten Plattenverbinder, anders als die Streifen 10 aufgrund von Designanforderungen.
In 6 ist eine Draufsicht einer Batterie mit Spiralelektroden dargestellt, in welcher Anschlüsse 7 und 8 gesehen werden können, die sich auf der gleichen Seite der Batterieabdeckung befinden, um die Anforderungen von bestimmten Fahrzeugherstellern zu erfüllen. Um diese Anordnung zu erreichen, ist ein S-förmiger Verbinder gestaltet worden, hier mit Ziffer 24 bezeichnet. In dieser Ausführungsform sind, ebenso wie bei allen Ausführungsformen, die die Merkmale der Erfindung aufweisen, Kühlöffnungen 20 vorgesehen.
In 7 ist eine andere Batterieausgestaltung dargestellt mit Spiralelektroden und mit Anschlüssen 7 und 8 für die an einer der kürzeren Seiten der Batterie vorhandenen Energiepunkte. Diese Ausgestaltung würde eine Kühlung der Außenfläche aller Elemente oder Zellen ermöglichen. Außerdem gibt es die äußere Verbreiterung 25, die ausreichend hervorsteht, um die Einführung von Fingern oder robotischer Handhabungsinstrumente zu ermöglichen.
Die in 8 dargestellte Anordnung, die eine Variante der Batterie der 4 ist, beinhaltet eine Seitenwand 26, die die Kühlung jedes der Elemente oder Zellen ermöglicht, nicht nur über die Zwischenkanäle 20, sondern auch über die Kanäle 20a, die zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden äußersten Zellen oder Elementen beschränkt sind.
Schließlich zeigt 9 die Anordnung der 7 innerhalb der Wand oder Aufnahme 27.

Claims

Elektrische Blei-Säure-Akkumulatorenbatterie, die ein Gefäß mit einem Deckel umfasst, mit einer im Allgemeinen rechteckigen prismatischen Form und solche Abmessungen, die sich einem für diesen Zweck bestimmten Raum in einem Kraftfahrzeug anpassen, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Gefäß intern in mehr als 6 Zellen unterteilt ist, die in zwei oder mehrere parallele Reihen verteilt sind, zwischen welche dieses Gefäß einige Belüftungszwischenräume bildet, die durch Boden und Deckel bis zur Außenseite durchdringen und Belüftungskanäle bilden.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Zellen in zwei Reihen verteilt sind, zwischen welche sich ein Belüftungshohlraum befindet, der zwischen einer der Querwände des Gefäßes und der letzten Zelle der beiden Reihen verläuft, wobei diese Reihen durch eine dazwischenliegende Trennwand getrennt sind, durch welche ein elektrischer Anschlussstreifen zwischen den Platten hindurchgeht.
Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel des Gefäßes in zwei seiner gegenüberliegenden Seiten und unterhalb der oberen Oberfläche Vertiefungen mit einer solchen Größe, dass die Finger eingeführt werden können bildet.
Batterie nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die genannten Belüftungshohlräume zwischen jeweils vier benachbarte in der Mitte gelegene Zellen befinden, wodurch eine einheitliche Temperatur dieser Zellen ermöglicht wird.
Batterie nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Belüftungshohlräume zwischen jeweils drei benachbarte Zellen begrenzt sind.
Batterie nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Belüftungshohlräume zwischen jeweils zwei aufeinander folgende äußerste Zellen begrenzt sind.
Batterie nach den Ansprüchen 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die positiven und negativen die Elektroden bildenden Platten von einer schwammigen ebenen Art sind, bei der alle Platten mit einer einheitlichen Polarität in einem Trennelement enthalten sind, um diese physikalisch von den Platten entgegengesetzter Polarität zu trennen.
Batterie nach den Ansprüchen 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement, welches die Platten einer Polarität von den Platten entgegengesetzter Polarität trennt, von der Art aus Mikroglasfaser ist, und dass der Deckel mindestens ein Gasdruck-Sicherheitsventil aufweist, wobei eine Batterie des Rekombinationstyps mit dem im Trennelement aus Mikroglasfaser angebrachten Elektrolyt gebildet wird.
Batterie nach den Ansprüchen 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel mindestens ein Druckgas-Sicherheitsventil aufweist und dass der Elektrolyt im Inneren jeder Zelle durch die Bildung eines Gels angebracht ist, wobei auf diese Weise eine Batterie des Rekombinationstyps mit dem festen angebrachten Elektrolyt gebildet wird.
Batterie nach den Ansprüchen 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass die positiven und negativen die Elektroden jeder Zelle bildenden Platten zu einer Spirale gewickelt und durch eine Umhüllung aus Mikroglasfaser getrennt sind, wobei auf diese weise eine Batterie des Rekombinationstyps mit dem in einem Trennelement aus Mikroglasfaser angebrachten Elektrolyt gebildet wird, deren Deckel mindestens ein Druckgas-Sicherheitsventil aufweist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Gefäß intern in 18 Zellen unterteilt ist.