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Fachgebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft elektrische Batterien mit wässerigen Elektrolyten und Systeme
zum automatischen Nachfüllen
von Wasser in die Batterie.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische
Batterien, die wässerige
Elektrolyten haben und in der Industrie Hochleistungsverwendung
finden, wie zum Beispiel Bleisäurebatterien,
die Gabelstapler antreiben, verbrauchen während des Ladens Wasser und
benötigen
daher ein periodisches Nachfüllen
der Wasserkomponente des Elektrolyts in jeder der Zellen der Batterie.
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Befüllen der
Zellen in einer Batterie mit Wasser kann manuell durchgeführt werden;
ein Techniker inspiziert visuell den Wasser-Füllstand in jeder Zelle einer
Batterie und fügt
Wasser allen Zellen hinzu, die einen geringen Elektrolyt-Füllstand aufweisen. Für große Batterien
mit vielen Zellen kann dies ein langwieriger, fehleranfälliger Prozess
sein; somit sind Einzelpunkt-Wasserfüllsysteme
entwickelt worden. Einzelpunkt-Wasserfüllsysteme können zum Beispiel einfache
Schwimmerventile aufweisen, die in jeder Zelle positioniert sind,
wobei die Zellen miteinander durch eine gemeinsame Rohr- bzw. Schlauchleitung zur
Wasserversorgung verbunden sind, welche den Zellen durch die Schwimmerventile
Wasser zuführt. Wenn
ein Füllen
mit Wasser erforderlich ist, wird die Rohr- bzw. Schlauchleitung
zur Wasserversorgung mit einem Wasserreservoir verbunden, Wasser
fließt von
dem Reservoir zu den Zellen und die Schwimmerventile schließen, um
den Wasserfluss zu sperren, wenn ihre jeweiligen Zellen gefüllt sind.
Wasserfüllsysteme
mit erhöhter
Automatisierung sind unter Verwendung von Regelungstechniken entstanden, wodurch
einem Techniker ermöglicht
ist, einfach das Wasserfüllsystem
an eine Batterie anzuschließen und
das System unbeaufsichtigt zu lassen. Bei solchen automatischen
Systemen sind die zum automatischen Befüllen mit Wasser notwendigen
Ausrüstungen
und Steuerungen gewöhnlich
integriert mit einem speziell gestalteten Batterieladegerät. Diese Konfiguration
ist nachteilig, weil die Batterien nun von einem speziellen Ladegerät bei automatischem
Befüllen
mit Wasser abhängig
sind. Somit muss man, um ein automatisches Wasserfüllsystem
zu erhalten, ein neues Ladegerät
kaufen, was eine bedeutsame Geldausgabe bedeutet.
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Wenn
eine Bleisäurebatterie
entladen wird, wird der Säureelektrolyt
verbraucht, wenn die Platten in den Zellen sulfatiert werden, und
Wasser wird innerhalb der Zellen durch die mit dem Entladen verbundenen
chemischen Reaktionen gebildet. Bei einem Wiederaufladen wird konzentrierte
Säure von den
Platten zurück
freigesetzt und sinkt aufgrund einer gegenüber Wasser höheren spezifischen Schwerkraft
auf den Boden der Zellen. Diese konzentrierte Säure kann die Böden der
Platten schädigen, wenn
ihr erlaubt wird, als eine Schicht bestehen zu bleiben. Es wird
daher als wünschenswert
angesehen, irgendein Verfahren zum Mischen der Säure mit dem Wasser in den Zellen
während
des Ladens zu haben, um Säure-Schichtenbildung
zu verhindern.
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Ein
Verfahren zum Verhindern von Säure-Schichtenbildung
ist bekannt als "Luftmischen". Bei diesem Verfahren
wird während
des Ladens in jede Zelle Luft durch Rohr- bzw. Schlauchleitungen gepumpt,
wobei jede Leitung einen Auslass in den unteren Bereichen der Zellen
hat. Die in jede Zelle gepumpte Luft bildet Blasen, die aufsteigen
und dadurch den Elektrolyt mit im Vergleich zum Überladen der Zellen wenig Wasserverlust
mischen. In der Vergangenheit sind eine Luftpumpe und ein Regelungssystem
in oder an dem Batterieladegerät
angebracht worden, um ein automatisches Luftmischen während des
Ladens zu bewirken. Die Luftpumpe gibt unter Kontrolle des Regelungssystems
Luft an die Batteriezellen mittels eines Rohr- bzw. Schlauchleitungssystems,
welches die Luft an jede Zelle zur geeigneten Zeit während des
Ladens verteilt. Das automatische Luftmischsystem ist zugehörig zu dem
Ladegerät, was
somit zu einem ähnlichen
Nachteil für
das automatische Mischsystem führt,
wie er bei dem automatischen Wasserfüllsystem kennengelernt wurde.
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Es
besteht klar ein Bedarf für
ein automatisches Füllen
mit Wasser, welches der elektrischen Batterie zugeordnet ist und
nicht dem Batterieladegerät,
wodurch das routinemäßige Warten
der Batterie unabhängig
von dem Typ des verwendeten Ladegeräts ist.
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Zusammenfassung und Aufgaben der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Batterie mit einem autonomen
Wasserfüllsystem
gemäß Anspruch
1. Die Batterie weist eine Mehrzahl von Zellen mit wässerigem
Elektrolyt auf und ist mit einer Wasserquelle verbindbar, um Wasser
in die Zellen nachzufüllen.
Die Batterie weist eine an der Batterie befestigte Leitung auf,
die mit der Wasserquelle verbunden werden kann, um Wasser aus dieser
aufzunehmen, und die vorzugsweise eine Kupplung zur einfachen Verbindung
mit der Wasserquelle aufweist. Die Leitung ist auch in Fließverbindung
mit jeder der Zellen. Ein mit der Leitung und den Zellen verbundenes
Ventilsystem steuert den Wasserfluss zu den Zellen.
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Weitere
Ausführungsformen
der elektrischen Batterie gemäß der Erfindung
sind in den Ansprüchen
2 bis 12 angegeben.
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Bei
einer Ausführungsform
weist das Ventilsystem ein Leitungsventil auf, das in der Leitung
zwischen der Kupplung und den Zellen zum Steuern des Fluidflusses
dazwischen positioniert ist. Ein jeweiliges Zellventil ist zwischen
der Leitung und jeder der Zellen zum Steuern des Fluidflusses von
der Leitung in jede der Zellen positioniert. Ein Elektrolyt-Füllstandssensor,
der geeignet ist, Signale zu erzeugen, welche die vorhandene Elektolytmenge
anzeigen, ist in zumindest einer der Zellen positioniert. Die eine Zelle,
die den Elektrolyt-Füllstandssensor
besitzt, ist für
alle der Batteriezellen repräsentativ.
Eine Steuereinrichtung ist in oder an der Batterie befestigt, wobei die
Steuereinrichtung in Verbindung mit dem Elektrolyt-Füllstandssensor
und dem Leitungsventil ist. Die Steuereinrichtung öffnet das
Leitungsventil in Reaktion auf die Signale von dem Elektrolyt-Füllstandssensor,
die eine unzureichende Menge an Elektrolyt in der Zelle anzeigen.
Wasser fließt
durch die Leitung zu jeder der Zellen. Wenn jede Zelle mit Wasser
bis zu dem gewünschten
Füllstand
gefüllt
ist, schließt
jeweils jedes Zellventil und stoppt den Wasserfluss zu der Zelle.
Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung programmiert, das Schließen des
Leitungsventils für eine
vorbestimmte Zeitdauer zu verzögern.
Dies stellt sicher, dass alle der Zellen das nötige Wasser erhalten. Die Steuereinrichtung
ist auch vorzugsweise programmiert, das Öffnen des Leitungsventils zu
verzögern,
bis die Spannung in den Zellen einen vorbestimmten Wert während des
Ladens erreicht, zum Beispiel eine Spannung, die mit dem maximalen
Säure-Füllstand
in den Zellen, der durch akkumulierte Gasblasen in den Zellen als
ein Resultat des Ladens bewirkt ist, korreliert. Dieses Verfahren,
das bereits in allgemeiner Anwendung bei konventionellen, Ladegerät-basierten
Wasserfüllsystemen
ist, wird helfen, zu verhindern, dass die Zellen während des
Befüllens mit
Wasser zu stark befüllt
werden.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
besitzt die Kupplung, welche das Anschlussstück von der Wasserquelle in
Eingriff nimmt, ein automatisches Auskupplungsmerkmal. Das automatische
Auskupplungsmerkmal weist ein Vorspannungselement auf, welches zwischen
der Kupplung und dem Anschlussstück
positioniert ist, um das Anschlussstück von der Kupplung fort und
aus dem Eingriff mit der Kupplung zu stoßen, und eine Klinke, die bewegbar
ist zwischen einer ersten Position, die eingreift und das Anschlussstück in Eingriff
mit der Kupplung gegen das Vorspannungselement hält, und einer zweiten Position,
die das Anschlussstück
von dem Eingriff mit der Kupplung frei gibt. Die Klinke wird zwischen
der ersten und der zweiten Position durch die Steuereinrichtung
bewegt, wodurch das automatische Trennen des Anschlussstücks von
der Kupplung ermöglicht wird.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
besitzt die erfindungsgemäße Batterie
zusätzlich
zu einem Wasserfüllsystem
ein Luftmischsystem. Das Luftmischsystem weist einen Ladesensor
auf, der geeignet ist, ein Signal zu erzeugen, das anzeigt, wenn
die Batterie geladen wird. Der Ladesensor kann ein Algorithmus an
der Steuereinrichtung oder ein gesonderter physikalischer Sensor
in oder an der Batterie sein. Der Ladesensor ist in Verbindung mit
der Steuereinrichtung. Eine Luftpumpe ist in oder an der Batterie befestigt
und ist in Fließverbindung
mit einer Luftleitung, die in Fließverbindung mit jeder Zelle
ist. Die Luftleitung ist getrennt von der oben genannten Wasserleitung
zum Füllen
der Zellen mit Wasser, aber die zwei Systeme teilen sich vorzugsweise
dieselbe elektronische Steuereinrichtung.
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Die
Steuereinrichtung aktiviert die Luftpumpe in Reaktion auf Signale
von dem Ladesensor, welche anzeigen, dass die Batterie geladen wird,
wobei die Luftpumpe Luft in die Zellen pumpt, um ein Mischen des
Elektrolyts zu fördern
und dadurch Säure-Schichtenbildung
während
des Ladens zu verhindern.
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Andere
Ausführungsformen
der Batterie weisen eine Mehrzahl von Luftpumpen auf, die in Fließverbindung
mit der Leitung sind, wobei die Steuereinrichtung in Verbindung
mit all den Luftpumpen ist und sie während des Ladens der Batterie
aktiviert und wobei die Luftpumpen Luft in die Zellen pumpen, um ein
Mischen des Elektrolyts zu fördern
und dadurch Säure-Schichtenbildung
während
des Ladens zu verhindern.
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Wenn
mehrere Pumpen vorhanden sind, können
sie dazu bestimmt sein, Luft in verschiedene Gruppen der Zellen
zu pumpen. Solch eine Batterie weist eine Mehrzahl von ersten Zellen,
die den Elektrolyt enthalten, eine erste Luftpumpe und eine erste Leitung,
die in Fließverbindung
mit der ersten Luftpumpe ist, auf. Die erste Leitung ist in Fließverbindung
mit jeder der ersten Zellen. Die Batterie besitzt auch eine Mehrzahl
von zweiten Zellen, die den Elektrolyt enthalten, eine zweite Luftpumpe
und eine zweite Leitung, die in Fließverbindung mit der zweiten
Luftpumpe ist. Die zweite Leitung ist in Fließverbindung mit jeder der zweiten
Zellen. Die Batterie besitzt auch einen Sensor, der geeignet ist,
Signale zu erzeugen, welche anzeigen, wenn die Batterie geladen
wird. Eine in oder an der Batterie befestigte Steuereinrichtung
ist in Verbindung mit dem Sensor und der ersten und der zweiten
Luftpumpe, wobei die Steuereinrichtung die Luftpumpen in Reaktion
auf Signale von dem Sensor, die anzeigen, dass die Batterie geladen
wird, aktiviert und die Luftpumpe Luft in die ersten und die zweiten
Zellen pumpt, um ein Mischen des Elektrolyts zu fördern und
dadurch Säure-Schichtenbildung
während
des Ladens zu verhindern.
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Eine
Brückenleitung
kann auch an der Batterie befestigt sein, um eine Fließverbindung
zwischen der ersten und der zweiten Leitung zu bilden. Die Brückenleitung
erlaubt einer der ersten und der zweiten Pumpe, Luft in sowohl die
ersten als auch die zweiten Zellen während des Ladens der Batterie
zu pumpen, um dadurch Redundanz im Falle eines Luftpumpenausfalls
zu bewirken.
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Für Ausführungsformen
mit mehreren Pumpen kann die Steuereinrichtung auch einen Pumpensensor,
der geeignet ist, ein Signal zu erzeugen, welches einen Ausfall
einer der Pumpen anzeigt, und eine in Verbindung mit der Steuereinrichtung
stehende Alarmvorrichtung aufweisen, wobei die Alarmvorrichtung
auf das Signal des Pumpensensors reagiert und ausgelegt ist, ein
Alarmsignal zu erzeugen, welches den Ausfall anzeigt.
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Bei
all den Ausführungsformen
ist bevorzugt, dass die Batterie eine Abdeckung besitzt, die über den
elektronischen und elektrischen Komponenten, einschließlich der
Steuereinrichtung, des Leitungventils, der Zellventile und der Luftpumpe
bzw. -pumpen, an der Batterie positioniert ist. Die Abdeckung ist
vorzugsweise an der Batterie verschlossen oder verschraubt, um Zugang
zu den Komponenten einzuschränken
und Schaden an diesen zu verhindern. Eine Stahlabdeckung ist bevorzugt,
um eine Wasserstoffexplosion einzudämmen.
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Die
Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Nachfüllen von Wasser in Zellen einer
elektrischen Batterie mit einem wässerigen Elektrolyten, gemäß Anspruch
13. Das Verfahren weist die Schritte auf:
- (A)
Verbinden der Batterie mit einer Wasserquelle;
- (B) Fühlen,
wenn der Elektrolyt in der Batterie niedrig ist;
- (C) Wasser ermöglichen,
von der Wasserquelle zu den Zellen durch eine an der Batterie befestigte
Leitung hindurch zu fließen;
- (D) Fühlen,
wenn der Elektrolyt in der Batterie ausreichend ist; und
- (E) Stoppen des Flusses des Wassers zu den Zellen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Batterie mit einem automatischen
Wasserfüllsystem, welches
unabhängig
von dem Ladegerät
der Batterie ist, zur Verfügung
zu stellen.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Batterie mit sowohl
einem automatischen Wasserfüllsystem
als auch einem Luftmischsystem als Teil der Batterie zur Verfügung zu
stellen, vorzugsweise mit einer gemeinsamen Steuereinrichtung.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Batterie mit mehreren
Luftpumpen als Teil des Luftmischsystems zur Verfügung zu
stellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Batterie zur Verfügung zu
stellen, bei der die mehreren Luftpumpen Luft in verschiedene Zellen
pumpen.
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Es
ist wiederum noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Batterie
zur Verfügung
zu stellen, bei der die mehreren Luftpumpen so miteinander verbunden
sind, dass sie Redundanz schaffen und in der Lage sind, Luft in
mehrere Gruppen von Zellen zu pumpen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Luftmischen
eines Batterieelektrolyts während
des Ladens zur Verfügung
zu stellen, wobei mehrere Luftpumpen verwendet werden, so dass ein
Pumpenausfall durch ein Signal angegeben wird und die verbleibenden
Pumpen bei erhöhtem
Durchsatz oder für
eine längere
Dauer betrieben werden, so dass der reduzierte Luftstrom, der durch
den Ausfall einer oder mehrerer Pumpen verursacht ist, kompensiert
wird.
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden ersichtlich
bei Betrachtung der Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer autonomen Batterie gemäß der Erfindung;
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2 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer autonomen Batterie unter Verwendung mehrerer Pumpen;
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3 ist
eine schematische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform
einer autonomen Batterie mit redundanten Pumpen;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht einer autonomen Batterie gemäß der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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1 ist
eine schematische Ansicht einer elektrischen Batterie 10 gemäß der Erfindung.
Die Batterie 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das in
eine Mehrzahl von Zellen 14 unterteilt ist, wobei die Zellen Akkumulatorenplatten 16 beinhalten,
die in einer flüssigen
Elektrolytlösung 18 eingetaucht
sind. Als ein Beispiel ist die Batterie 10 eine Bleisäurebatterie,
da solche Batterien Wassernachfüllung
erfordern und unter Säure-Schichtenbildung
beim Laden leiden, und diese beiden Aspekte sind durch die Erfindung angegangen.
Es wird jedoch verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die
Benutzung lediglich bei Bleisäurebatterien
beschränkt
ist.
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Autonomes Wasserfüllsystem
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Batterie 10 mit
einem autonomen Wasserfüllsystem.
Die Batterie 10 besitzt eine Kupplung 20, die
vorzugsweise an ihrem Gehäuse 12 befestigt
ist, wobei die Kupplung 20 kompatibel ist mit einem Anschlussstück 22, das
mit einem Schlauch 24 verbunden ist, welcher in Fließ verbindung
mit einer Wasserquelle in der Form eines Reservoirs 26 ist.
Um die Zellen 14 mit Wasser nachzufüllen, wird das Anschlussstück 22 mit
der Kupplung 20 in Eingriff gebracht, wodurch das Reservoir 26 mit
der Batterie 10 in Verbindung gebracht wird. Das Anschlussstück 22 weist
vorzugsweise ein Absperrventil 28 auf, das öffnet, wenn
das Anschlussstück 22 in
Eingriff mit der Kupplung 20 ist, wobei das Ventil ansonsten
geschlossen ist und Wasserfluss von dem Reservoir 26 verhindert.
Um Wasserrückfluss
aus der Batterie 10 zu verhindern, wenn das Anschlussstück 22 und
die Kupplung 20 voneinander getrennt werden, kann die Kupplung
mit einem ähnlichen
Absperrventil 29 ausgestattet sein, welches normalerweise
geschlossen ist, aber bei Verbindung des Anschlussstücks mit
der Kupplung öffnet.
Solche Ventilkombinationen sind als Wasserstoppventile bekannt,
die geschlossen sind, wenn die Kupplungen, von denen sie ein Teil
sind, nicht in Eingriff sind, aber die bei gegenseitigem Eingriff
der Kupplungen öffnen.
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Die
Kupplung 20 ist in Fließverbindung mit einer Leitung 30,
die in oder an der Batterie 10 befestigt ist. Anstatt eines
Wasserstoppventils 29 in Kupplung 20 kann die
Leitung 30 ein Rückschlagventil 32 stromabwärts von
der Kupplung 20 besitzen, um Wasserrückfluss durch die Kupplung
hindurch zu verhindern. Die Leitung 30 hat auch einen Filter 34,
um Partikelsubstanz aus dem durch ihn hindurch fließenden Wasser
zu entfernen.
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Ein
Ventilsystem ist betriebsmäßig mit
der Leitung 30 verbunden, um den Fluss von Wasser von dem
Reservoir 26 durch die Leitung und zu den Zellen 14 zu
steuern. Bei der bevorzugten Ausführungsform, die in 1 gezeigt
ist, weist das Ventilsystem ein elektrisch betätigtes Leitungsventil 36 auf,
vorzugsweise ein Magnetventil, das durch die Batterie 10 mit
Strom versorgt wird und in der Leitung 30 positioniert
ist, um den Fluss von Wasser von dem Reservoir zu den Zellen 14 zu
steuern. Stromabwärts von
dem Leitungsventil 36 ist die Leitung 30 in Fließverbindung
mit jeder der Zellen 14. Jede Zelle 14 besitzt
ein Zellventil 40, das den Fluss von Wasser von der Leitung 30 zu
der einzelnen Zelle 14, zu der es gehört, steuert. Für die Batterieausführungsform 10 mit
dem wie in 1 gezeigten Leitungsventil 36 weisen
die Zellventile 40 vorzugsweise Ventile mit einem Ventilschließelement
auf, das auf den Flüssigkeits-Füllstand
in der Zelle reagiert, um ein Öffnen und
ein Schließen
des Ventils zu bewirken. Automatisch schließende mechanische Ventile,
wie Schwimmerventile oder Einspritzventile, sind ein Beispiel solcher
Ventile.
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Zumindest
eine Zelle
14 besitzt einen Elektrolyt-Füllstandssensor
42,
der ausgelegt ist zum Abfühlen
der Menge an Elektrolyt in der Zelle und zum Erzeugen eines Signals,
welches jene Menge anzeigt. Die eine Zelle ist repräsentativ
für all
die Zellen in der Batterie und dient als ein Indikator des Elektrolyt-Füllstandes
in der Batterie. Der Elektrolytsensor
42 wird vorzugsweise
durch die Batterie
10 mit Strom versorgt, kann von jeder
praktischen Gestaltung sein und könnte zum Beispiel ähnlich den
Sensoren sein, die in dem
US-Patent
Nr. 5 936 382 , welches hierdurch durch Bezugnahme hierin
eingefügt
wird, offenbart sind.
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Eine
Steuereinrichtung 44 ist an oder in der Batterie 10 befestigt.
Die Steuereinrichtung 44 kann eine Gruppe von getrennten
elektronischen, elektromechanischen und/oder mechanischen Komponenten
und/oder einen integrierten Schaltkreis, wie zum Beispiel einen
Mikroprozessor, aufweisen. Die Steuereinrichtung 44 wird
vorzugsweise durch die Batterie 10 selbst mit Strom versorgt
und ist geeignet zum Ausführen
von vorprogrammierten oder fest verdrahteten Algorithmen und/oder
besitzt residente Software, die programmierte Algorithmen liefert,
welche den Betrieb der Batterie-Wassernachfüllungsfunktion steuern.
Die Steuereinrichtung 44 ist in Verbindung mit dem Leitungsventil 36 und
dem Elektrolytsensor 42 über jeweilige Datenübertragungsverbindungen 46 und 48.
Die Steuereinrichtung 44 steuert das Öffnen und Schließen des
Leitungsventils 36 in Reaktion auf Signale von dem Elektrolyt-Füllstandssensor 42,
wie unten beschrieben ist.
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Wenn
die Batterie 10 abwechselnd während ihres Betriebslebens
geladen und entladen wird, wird Wasser aus den Zellen aufgebraucht.
Das Wasser muss periodisch nachgefüllt werden. Dies geschieht im
Wesentlichen automatisch durch einen Techniker, der das Anschlussstück 22 mit
der Kupplung 20 an der Batterie 10 in Eingriff
bringt. Das In-Eingriff-Bringen des Anschlussstücks 22 mit der Kupplung öffnet die
Wasserstoppventile 28 und 29 in dem Anschlussstück 22 und
der Kupplung 20, wodurch Wasser ermöglicht wird, durch die Kupplung 20 und
in die Leitung 30 zu fließen, jedoch das Rückschlagventil 32 (wenn
vorhanden) und den Filter 34 zu dem Leitungsventil 36 hin
zu passieren. Das Leitungsventil 36 ist vorzugsweise normalerweise
geschlossen. Wenn der Elektrolyt-Füllstand niedrig ist, erzeugt
der Elektrolyt-Füllstandssensor 42 ein
Signal, das diesen Zustand anzeigt, und das Signal wird über die
Datenübertragungsverbindung 48 an
die Steuereinrichtung 44 übertragen. Die Steuereinrichtung 44 benutzt dann
die Datenübertragungsverbindung 46,
um das Leitungsventil 36 zu öffnen. Wasser fließt durch
das Leitungsventil 36 zu den Zellen 14 durch den
Rest der Leitung 30.
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Bei
dieser beispielhaften Ausführungsform weisen
die Zellventile 40, die Fluss zu jeder Zelle 14 regulieren,
automatisch schließende
mechanische Ventile auf, wie zum Beispiel Schwimmerventile. Mechanische
Ventile sind vorteilhaft, da ihr Betrieb direkt von dem Elektrolyt-Füllstand
innerhalb der Zellen abhängt.
Somit wird jede Zelle 14, die Elektrolyt benötigt, ein
offenes Ventil 40 haben, und Wasser wird ermöglicht,
in jede Zelle 14 mit einem Zustand geringen Elektrolyts
zu fließen.
Ein Vorteil des Ventilsystems, welches das Leitungsventil 36 und
mechanische Ventile 40 aufweist, besteht darin, dass es
mit einer Batterie umgehen kann, in der verschiedene Zellen Wasser
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verbrauchen, ohne das Erfordernis
einer direkten Steuerung der Zellventile. Wenn jede Zelle 14 voll
gefüllt
ist, schließt
ihr mechanisches Ventil 40 automatisch und Wasserfluss
zu den Zellen hört
auf. Um sicherzustellen, dass alle Zellen 14 ausreichend
Wasser erhalten, kann die Steuereinrichtung 44 das Schließen des
Leitungsventils 36 für
eine vorbestimmte Zeitdauer (z. B. ein paar Minuten) verzögern. Das
Anschlussstück 22 kann
dann von der Kupplung 20 entkoppelt werden.
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Es
kann wünschenswert
sein, dass sich die Kupplung 20 selbst automatisch von
dem Anschlussstück 22 bei
Vollendung des Wasserfüllprozesses löst. Dies
wird erreicht durch das Vorsehen eines Vorspannungselements 50,
das zwischen der Kupplung 20 und dem Anschlussstück 22 zum
Vorspannen des Anschlussstücks
weg von der Kupplung positioniert ist, und einer Klinke 52 zum
vorübergehenden
Halten des Anschlussstücks
im Eingriff mit der Kupplung gegen die Kraft des Vorspannungselements.
Das Vorspannungselement 50 ist vorzugsweise eine Feder, und
die Klinke 52 weist vorzugsweise einen Solenoid-betätigten Klemmhaken 54 auf,
der durch die Batterie 10 mit Strom versorgt wird und bewegbar
ist zwischen einer ersten Position, bei der er in Eingriff ist mit
dem Anschlussstück 22 und
es in Eingriff mit der Kupplung 20 gegen die Vorspannungskraft
des Vorspannungselements 50 hält, und einer zweiten Position,
bei der er von dem Anschlussstück 22 gelöst ist, wodurch
dem Vorspannungselement 50 ermöglicht ist, das Anschlussstück 22 aus
dem Eingriff mit der Kupplung 20 zu stoßen. Die Klinke 52 steht
unter Steuerung der Steuereinrichtung 44 und kommuniziert
mit ihr durch eine Datenübertragungsverbindung 56.
Ein Anschlussstück-Sensor 58 ist
vorzugsweise nahe der Kupplung 20 positioniert. Der Anschlussstück-Sensor 58 kann
zum Beispiel ein Grenzschalter sein, der mit der Steuereinrichtung 44 durch
eine Datenübertragungsverbindung 60 verbunden
ist. Ein Eingriff des Anschlussstücks 22 mit der Kupplung 20 wird
durch den Anschlussstück-Sensor 58 wahrgenommen
und an die Steuereinrichtung über
die Verbindung 60 signalisiert. Die Steuereinrichtung 44 bewegt
die Klinke 52 in die erste Position, in der das Anschlussstück 22 an
der Kupplung 20 gehalten wird. Nach Vollendung der Batteriewasserbefüllung, wie
sie der Steuereinrichtung 44 durch den Elektrolyt-Füllstandssensor 42 signalisiert
wird, bewegt die Steuereinrichtung 44 die Klinke in die
zweite Position, bei der das Anschlussstück 22 freigegeben wird.
Das Vorspannungselement 50 schiebt das Anschlussstück 22 von
der Kupplung 20 weg, wobei das Anschlussstück von der
Kupplung befreit und somit ein positives und sichtbares Signal gegeben
wird, dass die Batteriewasserbefüllung
vollendet ist. Automatisches Ausstoßen des Anschlussstücks 22 von der
Kupplung 20 liefert den zusätzlichen Vorteil, einen Schaden
an dem Anschlussstück 22,
der Kupplung 20 und dem Batteriegehäuse 12 zu verhindern, der
auftritt, wenn Techniker bei Vollendung der Wasserbefüllung die
Batterie von dem Reservoir 26 wegbewegen, während der
Schlauch 24 noch befestigt ist.
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Autonomes Luftmischsystem
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Die
in 1 gezeigte Batterie 10 weist auch ein
autonomes Luftmischsystem auf. Das Luftmischsystem ist anwendbar
auf Batterien vom Bleisäure-Typ,
die während
des Ladens Säure-Schichtenbildung
unterworfen sind.
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Das
erfindungsgemäße Luftmischsystem weist
eine Luftpumpe 68 auf, die in oder an der Batterie 10 befestigt
ist. Die Luftpumpe wird vorzugsweise elektrisch durch die Batterie
selbst angetrieben und steht unter der Steuerung der Steuereinrichtung 44,
die mit ihr durch eine Datenübertragsverbindung 70 verbunden
ist. Die Luftpumpe 68 zieht Umgebungsluft durch einen Filter 71 ein
und drückt
die Luft unter Druck in eine Luftleitung 72. Die Luftleitung 72 ist
in Fließverbindung
mit jeder Zelle 14. Ein Ladesensor 76 ist auch
in oder an der Batterie 10 befestigt, wobei der Ladesensor
in der Lage ist, ein Signal zu erzeugen, welches anzeigt, dass die
Batterie geladen wird, und dieses Signal an die Steuereinrichtung
zu geben, zum Beispiel über
eine Datenübertragsverbindung 80.
Beispiele verschiedener Typen von Ladesensoren sind unten gegeben.
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In
Reaktion auf ein Signal von dem Ladesensor 76, welches
anzeigt, dass die Batterie 10 geladen wird, schaltet die
Steuereinrichtung 44 die Luftpumpe 68 ein, und
Luft wird durch die Luftleitung 72 und in jede Zelle 14 gepumpt.
Für ein
effektives Mischen des Elektrolyts erstrecken sich Abzweigluftleitungen 74 von
der Luftleitung 72 nach unten zu den unteren Regionen der
Zelle 14, vorzugsweise auf gleiche Höhe mit dem Boden der Platten 16.
In die Zellen 14 gepumpte Luft wird somit gezwungen, durch
den Elektrolyt in Blasen aufzusteigen, wodurch Konvektionsströme bewirkt
werden, welche die stärker
konzentrierten Säureschichten,
die zur Bildung an den Böden
der Zellen 14 neigen, mit der weniger konzentrierten Säure in den
oberen Bereichen der Zellen mischen. Dies stellt sicher, dass Elektrolytmischen
zwischen den Regionen jeder Zelle mit der höchsten Säurekonzentration (der Boden)
und der niedrigsten (der obere Bereich) stattfindet.
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Signale
von dem Ladesensor 76 werden durch die Steuereinrichtung 44 verwendet,
die vorzugsweise entsprechend einem Algorithmus arbeitet, um das
Luftmischen wie folgt zu steuern. Die Steuereinrichtung 44 wird
durch die Batterie 10 mit Strom versorgt, und ist somit
quer über
eine Anzahl von Batteriezellen 14 angeschlossen. Die Steuereinrichtung ist
somit den Batterie-Spannungsschwankungen
unterworfen, wenn sie entladen und geladen wird. Die Steuereinrichtung 44 überwacht
kontinuierlich die Spannung pro Zelle der Batterie 10 über dieselben Leitungen,
die Leistung an sie liefern. Wenn das Laden beginnt, steigt die
Spannung, und wenn die Spannung einen ersten vorbestimmten Volt-Wert
pro Zelle (z. B. 2,15 Volt pro Zelle) überschreitet, stellt die Steuereinrichtung 44 fest,
dass Laden begonnen hat. Die Steuereinrichtung 44 schaltet
dann die Luftpumpe 68 in definierten Intervallen gemäß dem Algorithmus
an und aus, um ein maximales Mischen des Elektrolyts 18 innerhalb
der Zellen 14 mit den wenigsten Pumpen-Laufstunden zu schaffen.
Zum Beispiel ist ein effektiver Zyklus für die Luftpumpe 68,
für 2 Minuten
während
jeweils 30 Minuten des Ladens zu laufen. Kontinuierliches Laufen
der Luftpumpe 68 verbessert nicht signifikant die Homogenität des Elektrolyts
und hat den Nachteil einer starken Reduzierung der Lebensdauer der
Luftpumpenmotoren, insbesondere wenn diese kleine Gleichstrom-Bürstenmotoren
sind.
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Der
Fluss von Mischluft zu den Zellen 14 setzt sich in Intervallen
fort, wie sie durch den Algorithmus bestimmt sind, bis die Batteriespannung
eine zweite vorbestimmte Spannung (z. B. 2,35 Volt pro Zelle) erreicht,
die höher
ist als die erste vorbestimmte Spannung, die den Beginn des Ladens
angegeben hat. Aus diesem zweiten Spannungsniveau schließt die Steuereinrichtung 44,
dass normales Gasen und Mischen innerhalb der Zellen 14 begonnen
hat und dass kein weiterer Bedarf für Luftmischen besteht. Jedoch
fährt die
Steuereinrichtung fort, die Luftpumpe 68 arbeiten zu lassen,
aber nur für
kurze Impulse in Intervallen. Diese Aktion beseitigt die Möglichkeit von
eine geringe Dichte aufweisendem Elektrolyt, der in den Abzweigleitungen 74 zurückgeblieben
ist und nach oben in die Leitung durch Differenzdruck gedrückt wird,
welcher durch die ansteigende Elektrolytdichte in jeder Zelle aufgrund
des fortgesetzten Ladens erzeugt wird. Ein Rückschlagventil, das in jeder Abzweigleitung 74 angeordnet
ist, kann dem selben Zweck dienen, wie es ein einzelnes Rückschlagventil in
der Hauptluftleitung 72 kann.
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Als
ein Ergebnis des Abstellen des Ladegerätes fällt die Batteriespannung über einen
dritten vorbestimmten Wert (z. B. 2,30 Volt pro Zelle) und wiederweiter
nach unten auf einen vierten vorbestimmten Wert (z. B. 2,00 Volt
pro Zelle) für
eine ausreichende Zeitdauer. Aus diesen Spannungsänderungen
und in Übereinstimmung
mit dem Algorithmus stellt die Steuereinrichtung 44 fest,
dass das Laden vollendet ist. Die Steuereinrichtung 44 schaltet
dann die Pumpe 68 aus. Die Steuereinrichtung 44 setzt sich
dann zurück
in die Grundstellung und kehrt zu dem Status kontinuierlicher Spannungsüberwachung der
Batterie 10 zurück,
um festzustellen, wann der nächste
Ladezyklus begonnen hat. Dies ist ein bevorzugter Algorithmus, aber
mehrere andere, ähnliche Algorithmen
sind möglich,
um die Luftpumpen zu steuern.
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Andere
Ausführungsformen
des Ladesensors sind auch möglich.
Zum Beispiel kann der Ladesensor 76 ein Grenzschalter sein,
der nahe einer Batterieklemme 78 befestigt ist und wahrnimmt,
durch Kontakt mit einem Ladekabel oder einer Ladekupplung, wenn
die Klemme 78 der Batterie 10 mit dem Ladegerät verbunden
ist. In Reaktion auf Kontakt mit der Kupplung erzeugt der Grenzschalter
ein Signal, das an die Steuereinrichtung 44 über die
Datenübertragungsverbindung 80 gegeben
wird und ein Laden anzeigt. Alternativ kann der Sensor 76 eine
Hall-Effekt-Vorrichtung sein, die Strom wahrnimmt, der zu der Batterie
fließt,
durch das Vorhandensein des induzierten Magnetfeldes, welches den
Strom umgibt. Die Hall-Effekt-Vorrichtung erzeugt ein Signal in
Reaktion auf das Magnetfeld und gibt es an die Steuereinrichtung,
um ein Laden der Batterie 10 anzuzeigen. Ein üblicher
Shunt könnte
auch in dem Ladestromkreis verwendet werden, wobei ein Spannungsanstieg über dem
Shunt an die Steuereinrichtung mitgeteilt wird, wodurch ein Laden
der Batterie 10 angezeigt wird.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer Batterie 82 mit einem Luftmischsystem, das mehr als
eine Luftpumpe 68 verwendet. Mehrere Pumpen 68 sind
in oder an der Batterie 10 befestigt und stehen unter der
Steuerung der Steuereinrichtung 44, wie oben beschrieben
ist. Wenn mehrere Luftpumpen verwendet werden, ist es vorteilhaft,
ihre Aufgaben zwischen verschiedenen Gruppen von Zellen 14 zu
splitten. Somit pumpt eine Pumpe, 68a, Luft in eine Gruppe
von Zellen 14a, während
eine andere Pumpe, 68b, einer Gruppe von Zellen 14b zugeordnet
ist. Wenn mehrere Pumpen in dieser Weise verwendet werden, sind
die Leitungsverläufe
nicht so lang, und der entsprechende Druckabfall durch die Leitungen
hindurch ist geringer, als wenn eine lange Leitung alle Zellen verbindet.
Dies stellt eine gleichförmigere
Luftverteilung an alle Zellen sicher, wobei eine Unterversorgung
mit Luft und ein schwaches Mischen in von der Pumpe entfernt liegenden
Zellen verhindert wird. Die Arbeitsteilung unter mehreren Pumpen
ermöglicht
auch, dass kleinere Pumpen verwendet werden, die leichter in die
Batterie 82 zu integrieren sind.
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Wie
bei der Batterie 84 in 3 dargestellt ist,
können
auch mehrere Pumpen 68a und 68b verwendet werden,
um Redundanz in Bezug auf das Luftmischsystem durch Verbinden der
Luftleitungen 72a und 72b durch eine Brückenleitung 86 zu
schaffen. In dieser Weise liefern beide Pumpen 68a und 68b Luft
an beide Gruppen von Zellen 14a und 14b. Somit
wird ein Mischen in beiden Zellgruppen während des Ladens in dem Fall
stattfinden, dass eine der Pumpen ausfällt. In jedem Fall eines Ausfalls
einer Luftpumpe ist es vorteilhaft, einen in Verbindung mit der
Steuereinrichtung 44 stehenden Pumpen-Ausfallsensor 88 zu haben,
wobei der Pumpen-Ausfallsensor ein auf eine nichtbetriebsfähige Pumpe
hinweisendes Signal erzeugt, das durch die Steuereinrichtung 44 empfangen
wird. Bei Empfang eines solchen Signals kann die Steuereinrichtung 44 eine
Alarmvorrichtung 89 aktivieren, um den Techniker auf einen
Pumpenausfall aufmerksam zu machen. Der Pumpen-Ausfallsensor kann
Pumpenausfall in einer von vielen verschiedenen Weisen detektieren,
zum Beispiel durch Fühlen
eines Spannungsabfalls in dem Stromkreis, der Strom an die Luftpumpen
liefert. Das Alarmsignal kann auch auf eine von mehreren Weisen
bewirkt werden, zum Beispiel ein Höralarm oder ein visueller Alarm,
wie zum Beispiel ein Licht an der Batterie, das leuchtet oder aufhört zu leuchten,
wenn eine Pumpe nicht betriebsfähig
ist.
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Ferner
kann die Steuereinrichtung 44 bei Erhalt des Pumpen-Ausfallsignals
die verbleibende(n) Pumpe oder Pumpen mit einem höheren Druck
oder höherem
Volumendurchsatz betreiben, oder über längere Dauer, um den durch den
Ausfall von einer oder mehreren Pumpen verursachten Mangel an Pumpenkapazität wettzumachen.
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Vorzugsweise
weisen alle erfindungsgemäßen Batterieausführungsformen
eine belüftete
Abdeckung 100 auf, die an dem Gehäuse 12 befestigt ist, wie
in 4 gezeigt ist. Die Abdeckung 100 ist
vorzugsweise Stahl und ist gesichert oder anders mit einem Verschluss
an der Batterie angebracht, wobei zum Beispiel Befestigungsmittel 102 verwendet
werden, um Zugang zu den verschiedenen Systemkomponenten zu beschränken, wie
zum Beispiel der Steuereinrichtung 44, der Luftpumpe oder
den Luftpumpen 68 und dem Leitungsventil 36, die
unter der Abdeckung geschützt
sind. Die Abdeckung 100 verhindert somit Schaden an und
ein unbefugtes Sich-Zu-Schaffen-Machen an den Komponenten. Stahl
ist bevorzugt, um eine Wasserstoffexplosion einzudämmen, die
auftreten könnte,
aber die Abdeckung ist passend entlüftet, um ein Ansammeln von Wasserstoffgas
zu verhindern, und kann somit Lüftungsventilatoren 104 besitzen,
die durch explosionsfeste Motoren betrieben werden.