WO2007128294A2

WO2007128294A2 - Batterie mit elektrolytdurchmischungsvorrichtung

Info

Publication number: WO2007128294A2
Application number: PCT/DE2007/000835
Authority: WO
Inventors: C. Günther BAUER
Original assignee: Iq Power Licensing Ag
Priority date: 2006-05-09
Filing date: 2007-05-09
Publication date: 2007-11-15
Also published as: DE102006021601A1; WO2007128294A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, die vorzugsweise in bewegten Fahrzeugen, wie z. B. im PKW, 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 Ablauföffnungen aufweisen, die eine optimale Durchmischung bewirken.

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. Femer 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, er- reicht 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 nut- zen. 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 aus- bildet 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 ³A 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 ³A 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.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Schnittansicht und zwei Detaildraufsichten einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine seitliche Schnittansicht und zwei Detaildraufsichten 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 Erläuterungen 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 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 Mehrfachge- häuse 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 Elektrolyt- Oberfläche 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 ³A 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 1 1 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 Fig. 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 nach- folgenden Patentansprüche.

Claims

Ansprüche

1. Batterie mit flüssigem Elektrolyt, die aufweist:

- ein Gehäuse (1) mit Seitenwänden (1a, 1b, 1c, 1d), einem Gehäuseboden (1e) und einer Abdeckung,

- Elektroden (2), die senkrecht stehend in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, - ein Flüssigelektrolyt (3), dessen Pegelstand (3a) in dem Gehäuse (1) bis über die Oberkante 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 den Batteriewandungen (1a, 1b) einen links- und rechtsseitigen Strömungskanal (5a, 5b) ausbilden,

- an dem oberen Endabschnitt der Strömungskanalplatte (4a) ist eine Ablaufplatte (6) vorgesehen, die oberhalb des Pegelstandes (3a) angeord- net ist und die wenigsten 1/3 und höchstens % der Länge der Kantenlänge der zugeordneten Elektrodenkanten lang ist,

- an dem oberen Endabschnitt der Strömungskanalplatte (4b) ist eine Elektrolyteinfangöffnung (7) mit einer Einströmkante (8) vorgesehen, die oberhalb des Pegelstandes (3a) angeordnet ist, - an dem unteren Endabschnitt der Strömungskanalplatte (4b) ist eine

Endplatte (9) vorgesehen, die sich zwischen den Elektrodenunterkanten und dem Gehäuseboden (1e) erstreckt und die wenigstens 1/8 und höchstens ³A der Länge der Kantenlänge der zugeordneten Elektrodenkanten lang ist.

2. Batterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ablauf- platte (6) Durchbrüche (10) aufweist, durch die hindurch der Elektrolyt (3) teilweise abläuft.

3. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (10) hinsichtlich ihrer Größe und Verteilung so geformt und ange- ordnet sind, daß sich der ablaufende Elektrolyt (3) nahezu gleichmäßig auf der Elektrolytoberfläche (3a) unterhalb der Ablaufplatte (6) verteilt.

,

4. Batterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (10) auf der Oberseite der Ablaufplatte (6) mit geradlinigen Kanälen (12) verbunden sind, die parallel zu den horizontalen Kanten der Elektroden (2) verlaufen und wenigstens 0,2 mm tief sind.

5. Batterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatte (9) Durchbrüche (11) aufweist.