EP2030267A2 - Batterie mit elektrolytdurchmischungsvorrichtung - Google Patents

Batterie mit elektrolytdurchmischungsvorrichtung

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EP2030267A2
EP2030267A2 EP07722388A EP07722388A EP2030267A2 EP 2030267 A2 EP2030267 A2 EP 2030267A2 EP 07722388 A EP07722388 A EP 07722388A EP 07722388 A EP07722388 A EP 07722388A EP 2030267 A2 EP2030267 A2 EP 2030267A2
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EP
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battery
electrolyte
flow channel
housing
openings
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Withdrawn
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EP07722388A
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C. Günther BAUER
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IQ Power Licensing AG
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IQ Power Licensing AG
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Publication date
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    • H01M50/70—Arrangements for stirring or circulating the electrolyte
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a battery with liquid electrolyte, hereinafter called liquid electrolyte battery, preferably in moving vehicles, such. B. in cars, boats or aircraft is used and has a device for electrolyte mixing.
  • the endeavor of the vehicle industry for lightweight construction also relates to the saving of battery weight.
  • the demand for higher battery power increases, since in addition to the conventional energy for starting z. B. a car and energy for additional aggregates such as power windows, servomotors for adjusting the seats or for electrically heating the seats is needed.
  • Battery power is understood below to mean the capacity of the battery as well as the ability of the battery to supply power or to draw power. Battery performance is affected by various factors known to those skilled in the art.
  • the inventors of the present invention have determined, however, that no optimal electrolyte intermixing can be achieved with these devices known from the prior art.
  • the object of the invention is to provide a liquid electrolyte battery with electrolyte mixing by accelerated movements of the battery, wherein the electrolyte mixing is to be improved over the prior art. At the same time, there is a need for a particularly simple and cost-effective solution.
  • the battery comprises:
  • a housing with side walls, a caseback and a cover This housing forms a battery cell. Frequently several such battery cells are combined to form a battery with a multiple housing. summarizes.
  • the plate-shaped electrodes are covered, which are covered by the liquid electrolyte.
  • a liquid electrolyte circulation apparatus For circulation of the electrolyte in the case of a positive or negative acceleration of the battery in a preferred direction, a liquid electrolyte circulation apparatus is provided which has the following features:
  • one flow channel plate is arranged at a distance, so that a respective flow channel is formed between the respective battery housing wall and the flow channel plate.
  • the electrolyte when the battery accelerates in the predetermined direction, the electrolyte is pushed upwards through the flow channel.
  • the end of the flow channel is a Ausströmschlitz, to which above the electrolyte level each an approximately horizontal or slightly inclined to the center of the battery flow plate connects, via which the effluent electrolyte runs, so that an electrolyte circuit is formed.
  • the drainage plates have openings over their entire surface, through which the electrolyte can drain.
  • the apertures are arranged in terms of their size and distribution so that the effluent electrolyte distributed almost uniformly on the electrolyte surface.
  • the concrete dimensioning can be determined by a person skilled in the art on the basis of a few experiments or calculated using known software for the calculation of fluid mechanical processes.
  • the openings are connected to the top of the drain plate with rectilinear channels.
  • the volume of electrolyte that is currently on the drain plate is urged by rolling motion of the vehicle in an unpredictable direction. This results in uneven propagation of the electrolyte wave on the drain plate.
  • the channels are at least 0.2 mm deep. A depth of about 0.5 to 1 mm is optimal. If the channels are formed even deeper, this brings no further benefit. It is only to be noted that the thickness of the drain plate must be adapted to the channel depth.
  • Fig. 1 shows a side sectional view and a detailed plan view of a first embodiment of the invention.
  • Fig. 2 shows a side sectional view and a detailed plan view of a second embodiment of the invention.
  • Fig. 3 shows an empty battery box according to the prior art.
  • FIG. 3 shows a battery box with 6 cells. All subsequent explanations relate to a single cell, the cell being shown in FIGS. 1 and 2 from the direction indicated by reference numeral 1c in FIG.
  • FIG. 1 shows a side sectional view of a first embodiment of the invention.
  • a battery case having side walls 1a, 1b, a case bottom 1e, and a cover includes vertical plate electrodes 2 and a liquid electrolyte 3.
  • This case forms a battery cell.
  • Usually several such battery cells are combined to form a battery in a multiple housing.
  • the level of the electrolyte 3 is indicated by 3a.
  • a respective flow channel plate 4a and 4b Parallel to the vertical edges of the plate electrodes 2 is a respective flow channel plate 4a and 4b arranged so that between the respective battery housing wall 1a, 1b and the flow channel plate 4a, 4b each have a flow channel 5a, 5b is formed.
  • each flow channel plate 4a, 4b a horizontal or slightly inclined to the housing center drain plate 6a, 6b is provided, wherein the drain plate is disposed a few millimeters above the electrolyte level 3a.
  • the electrolyte 3 When the battery is accelerated in a predetermined direction, the electrolyte 3 is pushed up by one of the flow channels 5a or 5b.
  • the drainage plates 6a, 6b have apertures 7 within their entire area, through which the electrolyte can drain.
  • the lower heavier acid mixes with the upper lighter acid so that acid stratification, so-called acid stating, can be avoided.
  • the electrolyte passing over the drainage plates 6a, 6b is distributed almost uniformly over the entire electrolyte surface so that there are no dead zones during mixing, ie to areas which only slightly or not intermix become. From the view AA it can be seen that the openings 7 are formed as round holes, which are becoming larger towards the center of the housing.
  • the electrolyte in the left flow channel 5a spills up, forms at the end of the flow channel, a small liquid wave, which runs to the right and is symbolically represented by the curved arrow.
  • a first volume amount runs down through the first row of holes.
  • the volume of the liquid wave is slightly reduced.
  • these holes must be slightly larger. The same considerations apply to the next row of holes and the right flow channel 5b, so that a description can be dispensed with.
  • the apertures 7 can have different shapes and sizes. It therefore does not require any inventive activity to determine suitable shapes and sizes for the openings and their required arrangement, if the person skilled in the art uses the technical teaching of patent claim 1 for this purpose.
  • Fig. 2 shows a side sectional view of a second embodiment of the invention, in which the openings 7 are connected to rectilinear channels 8.
  • the channels are at least 0, 2 mm deep.
  • the electrolyte circuit has been substantially improved in the invention, so that now even a good mixing occurs when the battery is not or not exclusively accelerated in its preferred direction in which a particularly pronounced Sloshing of the electrolyte occurs, but sufficient mixing occurs even when the battery is installed transversely to the preferred direction, so that the desired sloshing of the electrolyte preferably occurs when cornering.

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Abstract

Eine Flüssigelektrolytbatterie wird beschrieben die vorzugsweise in bewegten Fahrzeugen, wie z, B. im PKWl in Booten oder Flugzeugen zum Einsatz kommt. In der Batterie sind Vorrichtungen angeordnet, die eine Umwälzung des Elektrolyten bewirken. Diese Umwälzung wird mittels Einbauten bewirkt, die beim Bewegen der Batterie eine Pumpwirkung und somit eine Strömung erzeugen, wobei diese Einbauten spezielle Ablauf Öffnungen (7) aufweisen.

Description

Batterie mit Elektrolytdurchmischungsvorrichtung
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 konstanten 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 Säurekonzentration 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 opti- male 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 Abdek- kung. Dieses Gehäuse bildet eine Batteriezelle. Häufig sind mehrere solcher Batteriezellen zu einer Batterie mit einem Mehrfachgehäuse zusammenge- faßt. 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 Beschleu- nigung der Batterie in einer 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 Batterie- gehäusewand und der Strömungskanalplatte je ein Strömungskanal ausbildet ist.
Wie im Ausführungsbeispiel noch näher erläutert, wird bei einer Beschleunigung der Batterie in der vorbestimmten Richtung der Elektrolyt durch den Strömungskanal nach oben gedrückt. Das Ende des Strömungskanals ist ein Ausströmschlitz, an den sich oberhalb des Elektrolytpegelstandes je eine näherungsweise waagerechte oder leicht zur Mitte der Batterie geneigte Ablaufplatte anschließt, über die der ausströmende Elektrolyt abläuft, so daß ein Elektrolytkreislauf entsteht. Erfindungsgemäß weisen die Ablaufplatten über ihre gesamte Fläche Durchbrüche auf, durch die der Elektrolyt ablaufen kann.
Nach Anspruch 2 sind die Durchbrüche hinsichtlich ihrer Größe und Verteilung so angeordnet, daß sich der ablaufende Elektrolyt nahezu gleichmäßig auf der Elektrolytoberfläche verteilt. Die konkrete Dimensionierung kann der Fachmann sowohl an Hand einiger Versuche ermitteln oder mit Hilfe von bekannter Software zur Berechnung von strömungsmechanischen Vorgängen berechnen.
Nach Anspruch 3 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.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht und eine Detaildraufsicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht und eine Detaildraufsicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3 zeigt einen leeren Batteriekasten nach dem Stand der Technik.
Die nachfolgende Erläuterung der Erfindung beginnt mit dem Stand der Technik aus Fig. 3, da dadurch die Erfindung leichter verständlich wird.
Die Fig, 3 zeigt einen Batteriekasten mit 6 Zellen. Alle nachfolgenden Erläu- terungen beziehen sich auf eine einzige Zelle, wobei die Zelle in Fig. 1 und 2 von der Richtung aus dargestellt ist, die in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 1c bezeichnet ist. Die Figur 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Ein Batteriegehäuse mit Seitenwänden 1a, 1b, einem Gehäuseboden 1e und einer Abdeckung enthält senkrecht stehende Plattenelektroden 2 und einen flüssigen Elektrolyt 3. Dieses Gehäuse bildet eine Batteriezelle. Meist sind mehrere solcher Batteriezellen zu einer Batterie in einem Mehrfachgehäuse zusammengefaßt. Der Pegelstand des Elektrolyten 3 ist mit 3a gekennzeichnet.
Parallel zu den senkrechten Kanten der Plattenelektroden 2 ist je eine Strömungskanalplatte 4a und 4b so angeordnet, so daß zwischen der jeweiligen Batteriegehäusewand 1a, 1b und der Strömungskanalplatte 4a, 4b je ein Strömungskanal 5a, 5b ausgebildet ist.
Am oberen Ende jeder Strömungskanalplatte 4a, 4b ist je eine waagerechte oder leicht zur Gehäusemitte geneigte Ablaufplatte 6a, 6b vorgesehen, wobei die Ablaufplatte wenige Millimeter über dem Elektrolytpegel 3a angeordnet ist.
Bei einer Beschleunigung der Batterie in einer vorbestimmten Richtung wird der Elektrolyt 3 durch einen der Strömungskanäle 5a oder 5b nach oben gedrückt. Erfindungsgemäß weisen die Ablaufplatten 6a, 6b innerhalb ihrer gesamten Fläche Durchbrüche 7 auf, durch die der Elektrolyt ablaufen kann. So vermischt sich die untere schwerere Säure mit der oberen leichteren Säure, so daß eine Säureschichtung, eine sogenannte Säurestratifikation vermieden werden kann. Mittels dieser Durchbrüche 7 wird erreicht, daß der über die Ablaufplatten 6a, 6b ablaufende Elektrolyt sich nahezu gleichmäßig über die gesamte Elektrolytoberfläche verteilt, so daß es bei der Durchmi- schung nicht zu toten Zonen kommt, d. h. zu Bereichen, die nur wenig oder nicht durchmischt werden. Aus der Ansicht A-A ist erkennbar, daß die Durchbrüche 7 als runde Löcher ausgebildet sind, die zur Mitte des Gehäuses immer größer werden. Wenn z. B. der Elektrolyt im linken Strömungskanal 5a nach oben schwappt, bildet sich am Ende des Strömungskanals eine kleine Flüssigkeitswelle, 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 Flüssigkeitswelle 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 nächste Lochreihe und für den rechten Strömungskanal 5b, so daß auf eine Beschreibung verzichtet werden kann.
Es ist dem Fachmann klar, daß die Durchbrüche 7 unterschiedliche Formen und Größen aufweisen können. Es bedarf daher keiner erfinderischen Tä- tigkeit, geeigneten Formen und Größen für die Durchbrüche und deren erforderliche Anordnung zu ermitteln, wenn der Fachmann dazu die technische Lehre des Patentanspruchs 1 anwendet.
Die Fig. 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Durchbrüche 7 mit geradlinigen Kanälen 8 verbinden sind. Die 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 vorbestimmte Richtung gedrängt. Dabei würde es zu einem ungleichmäßigen Ablaufen kommen. Die Kanäle bewirken jedoch, daß der Elektrolyt auch bei Schiingerbe- wegungen in seiner Bahn bleibt und gleichmäßig abläuft.
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 ihrer Vorzugsrichtung beschleunigt wird, in der ein besonders ausgeprägtes Schwappen des Elektrolyts auftritt, sondern eine ausreichende Durchmischung auch dann auftritt, wenn die Batterie quer zur Vorzugsrichtung eingebaut ist, so daß das gewünschte Schwappen des Elektrolyts vorzugsweise bei Kurvenfahrten auftritt.
An Hand der beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung kann der Fachmann die technische Lehre der Erfindung vollständig entnehmen. Es ist klar, daß diese Ausführungsformen durch den Fachmann unter Nutzung der erfindungsgemäßen Lehre weiterentwickelt und modifiziert oder kombiniert werden können.

Claims

δAnsprüche
1. Batterie mit flüssigem Elektrolyt, die aufweist:
- ein Gehäuse (1) mit Seitenwänden (1a, 1 b, 1c, 1d), einem Gehäuseboden (1e) und einer Abdeckung,
- Elektroden (2), die senkrecht stehend in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, - einen Flüssigelektrolyt (3), dessen Pegelstand (3a) in dem Gehäuse (1) bis über die Oberkante (2a) der Elektroden (2) reicht und
- eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung, die nachfolgende Merkmale aufweist:
- parallel zu den senkrechten Kanten der Elektroden (2) ist je eine Strömungskanalplatte (4a, 4b) angeordnet, die zwischen sich und den Batteriewänden (1a, 1b) einen links- und rechtsseitigen Strömungskanal (5a, 5b) ausbildet ,
- oberhalb des Pegelstandes (3a) ist je eine Ablaufplatte (6a, 6b) mit dem oberen Endabschnitt der Strömungskanalplatte (4a, 4b) verbunden, über die der nach oben ausströmende Elektrolyt (3) abläuft, dadurch gekennzeichnet, daß
- die Ablaufplatten (6a, 6b) Durchbrüche (7) aufweisen, die über die gesamte Oberfläche der Ablaufplatten (6a, 6b) verteilt sind.
2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (7) hinsichtlich ihrer Größe und Verteilung so geformt und angeordnet sind, daß der ablaufende Elektrolyt (3) sich nahezu gleichmäßig auf der Elektrolytüberfläche (3a) verteilt.
3. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrü- che (7) mit geradlinigen Kanälen (8) verbunden sind.
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