WO2009117999A2 - Flüssigelektrolytbatterie mit temperiervorrichtung und temperaturausgleich - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a liquid electrolyte battery, such as. B. a lead-acid battery, the z. B. is used as a starter battery in vehicles.
  • 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 battery heaters can be classified according to various aspects.
  • heating foils or similar heating elements on the outer wall or in the battery itself and to supply the electrical energy externally, for.
  • a car parked in a garage. from a 220 V mains connection.
  • Here is always enough energy available, so that the battery can be kept at a predetermined temperature, regardless of the outside temperature. It is also possible to remove the energy from the alternator when the vehicle is running.
  • the energy for heating the battery is taken from this itself. This is necessary when the vehicle is parked on the road and there is no possibility to supply electrical energy from the outside. It has already been proposed to insulate the battery thermally well and to keep it at the optimum temperature level possible by means of the self-heating. This method is only useful if the vehicle is only about 8 to 15 hours and cools down and then the vehicle is used again, d. h., the thermal insulation of the battery must be so good that the battery can be kept at the desired temperature level by the self-heating in these approx. 8 to 15 hours.
  • a starter battery like any material body, has a predetermined heat capacity. In order to raise a cold battery to a predetermined temperature level, a predetermined heat energy must be introduced as quickly as possible.
  • a liquid electrolyte battery has a housing with a housing bottom, electrodes which are arranged in the housing, a liquid electrolyte and a temperature control device with a planar temperature plate, which tempered the housing bottom from the outside.
  • the housing bottom on its inside a plurality of heat exchanger projections, which have the function of a heat exchanger.
  • the heat exchanger projections are materially connected to the battery bottom.
  • the heat exchanger projections are to be designed geometrically such that the amount of heat introduced or removed via the temperature control plate must be greater than without these heat exchanger projections.
  • the person skilled in the art can either calculate this condition or determine it by a few experiments.
  • the heat exchanger projections are webs extending from battery wall to battery wall. This development of the invention has the advantage that the continuous webs cause a stiffening of the housing bottom and thus the housing bottom can be made thinner, whereby a better heat transfer is ensured.
  • the heat exchanger projections are arranged like a grid.
  • the heat exchanger projections on a geometry with a large surface area This further improves the heat exchange.
  • the temperature control plate per battery cell at least one heating surface and a cooling surface. If z. B. has a battery 6 battery cells, the temperature control is designed so that at least one heating and a cooling element are arranged under each battery cell. As a result, depending on the requirements, a heating of the electrolyte or a cooling can be made.
  • a temperature compensation plate is arranged between the battery bottom and the temperature control plate, so that a temperature compensation function is effected.
  • This temperature compensation plate can z. B. be an aluminum plate. This ensures that the temperature is introduced evenly into the battery.
  • the temperature control plate is formed so thick that a temperature compensation function is effected.
  • the temperature compensation function according to claims 6 and 7 is particularly useful when the temperature control contains both heating and cooling elements.
  • the invention can be applied to any type of battery with a liquid electrolyte, if in both summer and in winter, a temperature of the electrolyte to be achieved in order to improve the performance of the battery.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a battery box with 6 cells.
  • Fig. 2 shows a sectional view of a single battery cell with the inventive design of the battery box bottom.
  • Fig. 3 shows a battery box bottom in the plan view with heat exchanger body having different cross-sectional shapes.
  • Fig. 1 shows a battery box 1 with 6 empty cells with the side walls 1a to 1d.
  • the battery box is made of acid-proof plastic and stands on a tempering plate 2, in which an electrical resistance heater is integrated.
  • the tempering 2 and battery case bottom are flat. If the tempering 2 heats when connecting a power source, and the 2.5 mm thick battery box bottom is heated at its bottom and then the acid in the battery cell. The heating of the battery cell is accelerated because the heat exchanger projections are arranged on the inside of the battery box floor.
  • Fig. 2 shows the cross section of the first cell.
  • the acid level is at 3 and the electrode package is at 4.
  • Y-shaped heat exchanger projections 5, which are thermally connected to the material of the battery box bottom, are provided on the battery box bottom on its inside.
  • the tempering 2 includes two heating elements 6 and two cooling elements 7.
  • a temperature compensation plate 6 is provided made of aluminum.
  • the heating elements release heat into the temperature compensation plate 6, due to the good thermal conductivity of the aluminum, the heat is distributed approximately uniformly over the entire temperature compensation plate, so that the battery bottom is also heated uniformly.
  • the cooling elements 7 Over the large surface of the Y-shaped heat exchanger projections 5, a faster temperature compensation and thus a faster heating or cooling of the liquid electrolyte lyte, in this example, the sulfuric acid.
  • the geometry of the heat exchanger projections 5 is to be selected by the person skilled in the art taking into account the amount of heat to be transferred. There are many different forms possible. Fig. 3 on a plate heat exchanger projections with different cross-sectional shapes, but not as examples. In the first row 5, the heat exchanger projections have a triangular cross section, in the second row a circular cross section, in the third row a narrow rectangular cross section and in the fourth row a nearly square cross section. When the battery case is manufactured by injection molding, a circular cross-section is available for technological reasons. On the basis of the described embodiments, the expert can completely remove the technical teaching of the present invention. It is clear that these embodiments can be further developed and modified or combined by a person skilled in the art with the aid of the teaching according to the invention. Therefore, these, not explicitly mentioned or shown further embodiments fall within the scope of the following claims.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. eine Blei-Säure-Batterie, die z. B. als Starterbatterie in Fahrzeugen eingesetzt wird. Die Flüssigelektrolytbatterie weist auf: ein Gehäuse (1) mit einem Gehäuseboden, Elektroden (4), die in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, ein Flüssigelektrolyt und eine Temperiervorrichtung mit einer ebenen Temperierplatte (2), die den Gehäuseboden von aussen temperiert, wobei der Gehäuseboden auf seiner Innenseite eine Vielzahl von Wärmetauschervorsprüngen (5) aufweist, die die Funktion eines Wärmetauschers haben.

Description

Flüssigelektrolytbatterie mit Temperiervorrichtung und Temperaturausgleich
Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. eine Blei-Säure- Batterie, die z. B. als Starterbatterie in Fahrzeugen eingesetzt wird. 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 sicherheitsrele- vante 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 Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. einer Blei-Säure- Batterie zu erhöhen. Ein besonderes Problem bei diesen Batterien ist, dass die Batterieleistung eine starke Abhängigkeit von der Batterietemperatur aufweist. In einem zulässigen Betriebsbereich ist mit einem Kapazitätsrückgang von ca. 0,6 bis 0,8 % pro Grad Celsius oder mehr zu rechnen. Wird angenommen, dass eine optimale Betriebstemperatur bei ca. 30 Grad Celsius liegt und die Batterie bei minus 20 Grad Celsius betrieben wird, um z. B. den Anlasser eines Fahrzeugs zu betätigen, dann würde diese Batterie nur noch ca. 60 % ihrer Kapazität aufweisen. Es ist jedoch dem Fachmann bekannt, dass weitere Einflussfaktoren die Kapazität der Batterie verringern. Ein wesentlicher Einflussfaktor 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.
Es ist allgemein bekannt, dass Fahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die längere Zeit, z. B. mehr als 8 Stunden, bei Temperaturen unter Null Grad Celsius gestanden haben, sich besser starten lassen, wenn die ausgekühlte Batterie vor dem Start angewärmt wurde.
Daher sind eine Vielzahl von Batterieheizeinrichtungen entwickelt worden, die verschiedene Vor- und Nachteile aufweisen und z. B. in den Dokumenten DE 28 12 876, US 2,440,369, DE 1 496 134, DE 40 27 149 A1 oder DE 100 14 848 beschrieben wurden.
Die Batterieheizvorrichtungen können nach verschieden Gesichtspunkten klassifiziert werden.
Eine Gruppe betrifft die Heizung der Batterie durch Wärmeaustausch. So wurde z. B. vorgeschlagen, an der Außenwand einer Batterie Wärmetauscherrohre vorzusehen, durch die warme Motorkühlflüssigkeit geleitet wird.
Vielfach wurden auch elektrische Heizungen vorgeschlagen, wobei diese Gruppe in zwei Untergruppen geteilt werden kann.
Es gibt eine Reihe von Ideen, Heizfolien oder ähnliche Heizelemente an der Außenwand oder auch in der Batterie selbst anzuordnen und die elektrische Energie extern zuzuführen, z. B. bei einem in einer Garage parkenden Fahr- zeug aus einem 220 V - Netzanschluss. Hier steht immer genügend Energie zur Verfügung, sodass die Batterie unabhängig von der Außentemperatur auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden kann. Ebenso ist es möglich, die Energie aus der Lichtmaschine zu entnehmen, wenn das Fahr- zeug fährt.
Bei der zweiten Untergruppe wird die Energie zur Beheizung der Batterie aus dieser selbst entnommen. Das ist dann erforderlich, wenn das Fahrzeug auf der Straße abgestellt ist und keine Möglichkeit besteht, elektrische Energie von außen zuzuführen. Es wurde bereits vorgeschlagen, die Batterie thermisch gut zu isolieren und mittels der Selbstheizung auf einem möglichst optimalen Temperaturniveau zu halten. Diese Methode ist nur sinnvoll, wenn das Fahrzeug lediglich ca. 8 bis 15 Stunden steht und auskühlt und danach das Fahrzeug wieder benutzt wird, d. h., die thermische Isolation der Batterie muss so gut sein, dass die Batterie in diesen ca. 8 bis 15 Stunden durch die Selbstheizung auf dem gewünschten Temperaturniveau gehalten werden kann.
Wenn das Fahrzeug jedoch mehrere Tage steht, reicht der Energiegehalt der Batterie nicht aus, um selbst eine gut isolierte Batterie auf der wünschenswerten Temperatur zu halten. Es ist für solche Fälle notwendig, die Batterie erst dann zu erwärmen, wenn ein Start des Fahrzeugs vorgesehen ist.
Es wurde daher mehrfach vorgeschlagen, die kalte Batterie erst kurz vor dem Start des Fahrzeugs zu erwärmen. Eine von mehreren Möglichkeiten, eine Batterie schnell zu erwärmen, ist ein Wärmeeintrag am Batterieboden.
Es wurde daher in der DE 100 14 848 C2 vorgeschlagen, die Batterie auf eine Wärmeplatte zu stellen, wobei es in diesem Zusammenhang unerheblich ist, ob es sich um eine herkömmliche elektrisch beheizbare Wärmeplatte handelt oder - wie bei der DE 100 14 848 C2 - um eine Abwärme erzeu- gende elektronische Baugruppe, die eigentlich für andere Zwecke eingesetzt wird.
Eine Starterbatterie hat wie jeder materielle Körper eine vorbestimmte Wär- mekapazität. Um eine kalte Batterie auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau anzuheben, muss eine vorbestimmte Wärmeenergie möglichst schnell eingebracht werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigelektrolytbatterie bereit- zustellen, die sich schnell erwärmen lässt.
Diese Aufgabe wurde mit einer Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 und einer Temperiervorrichtung nach Anspruch 5 gelöst.
Eine Flüssigelektrolytbatterie hat ein Gehäuse mit einem Gehäuseboden, Elektroden, die in dem Gehäuse angeordnet sind, ein Flüssigelektrolyt und eine Temperiervorrichtung mit einer ebenen Temperierplatte, die den Gehäuseboden von außen temperiert. Erfindungsgemäß weist der Gehäuseboden auf seiner Innenseite eine Vielzahl von Wärmetauschervorsprüngen auf, die die Funktion eines Wärmetauschers haben. Die Wärmetauschervorsprünge sind materialmäßig mit dem Batterieboden verbunden. Wenn der Boden der Batterie erwärmt oder gekühlt wird, wird die Wärme nicht nur in den Batterieboden eingeleitet, sondern auch in die Wärmetauschervorsprünge, die einen schnelleren Wärmetransport in den Elektrolyten bewir- ken. Dadurch kann pro Zeiteinheit eine größere Wärmemenge in den Elektrolyten eingeleitet oder diesem entzogen werden.
Es ist klar, dass die Wärmetauschervorsprünge geometrisch so auszubilden sind, dass die über die Temperierplatte eingetragene oder abgenommene Wärmemenge größer sein muss als ohne diese Wärmetauschervorsprünge. Der einschlägige Fachmann kann diese Bedingung entweder errechnen oder durch wenige Experimente ermitteln. Nach Anspruch 2 sind die Wärmetauschervorsprünge Stege, die sich von Batteriewand zu Batteriewand erstrecken. Diese Weiterbildung der Erfindung hat den Vorteil, dass die durchgehenden Stege eine Versteifung des Gehäusebodens bewirken und somit der Gehäuseboden dünner ausgebildet sein kann, wodurch ein besserer Wärmeübergang gewährleistet ist.
Nach Anspruch 3 sind die Wärmetauschervorsprünge rasterartig angeordnet. Diese Weiterbildung der Erfindung hat den Vorteil, dass der Elektrolyt nicht in eine Vorzugsrichtung gezwungen wird, sondern sich in allen Rich- tungen frei ausbreiten kann. Dadurch wird nach allen Seiten eine ungehinderte Durchmischung und somit ein guter Wärmeaustausch erzielt.
Nach Anspruch 4 weisen die Wärmetauschervorsprünge eine Geometrie mit einer großen Oberfläche auf. Dadurch wird der Wärmeaustausch weiter ver- bessert.
Nach Anspruch 5 weist die Temperierplatte pro Batteriezelle wenigstens eine Heizfläche und eine Kühlfläche auf. Wenn z. B. eine Batterie 6 Batteriezellen hat, ist die Temperierplatte so ausgebildet, dass unter jeder Batte- riezelle wenigstens ein Heiz- und ein Kühlelement angeordnet sind. Dadurch kann je nach Anforderung, eine Erwärmung des Elektrolyten oder eine Abkühlung vorgenommen werden.
Nach Anspruch 6 ist auf der Temperierplatte, d. h. zwischen dem Batterie- boden und der Temperierplatte eine Temperaturausgleichsplatte angeordnet ist, sodass eine Temperaturausgleichsfunktion bewirkt wird. Diese Temperaturausgleichsplatte kann z. B. eine Aluminiumplatte sein. Damit wird gewährleistet, dass die Temperatur gleichmäßig in die Batterie eingeleitet wird.
Nach Anspruch 7 ist die Temperierplatte so dick ausgebildet, dass eine Temperaturausgleichsfunktion bewirkt wird. Die Temperaturausgleichfunktion nach den Ansprüchen 6 und 7 ist besonders dann zweckmäßig, wenn die Temperierplatte sowohl Heiz- als auch Kühlelemente enthält.
Es ist klar, dass die Erfindung auf jede Art von Batterie mit einem flüssigen Elektrolyten angewendet werden kann, wenn sowohl im Sommer als auch im Winter eine Temperierung des Elektrolyten erzielt werden soll, um die Leistung der Batterie zu verbessern.
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 perspektivische Ansicht eines Batteriekastens mit 6 Zellen.
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer einzelnen Batteriezelle mit der erfindungsgemäßen Gestaltung des Batteriekastenbodens.
Fig. 3 zeigt einen Batteriekastenboden in der Draufsicht mit Wärmetauscherkörper, die verschiedene Querschnittsformen aufweisen.
Die Fig. 1 zeigt einen Batteriekasten 1 mit 6 leeren Zellen mit den Seiten- wänden 1a bis 1d. Der Batteriekasten besteht aus säurefestem Kunststoff und steht auf einer Temperierplatte 2, in der eine elektrische Widerstandsheizung integriert ist. Die Temperierplatte 2 und Batteriekastenboden sind eben. Wenn sich die Temperierplatte 2 beim Anschließen einer Stromquelle erwärmt, wird auch der 2,5 mm dicken Batteriekastenboden an seiner Unterseite erwärmt und danach auch die Säure in der Batteriezelle. Die Erwärmung der Batteriezelle wird beschleunigt, weil auf der Innenseite des Batteriekasten bodens die Wärmetauschervorsprünge angeordnet sind. Die Fig. 2 zeigt den Querschnitt der ersten Zelle. Der Säurepegelstand ist mit 3 und das Elektrodenpaket ist mit 4 bezeichnet. Auf dem Batteriekastenboden sind auf seiner Innenseite Y-förmige Wärmetauschervorsprünge 5 vorgesehen, die wärmetechnisch mit dem Material des Batteriekastenbo- dens verbunden sind. Die Temperierplatte 2 enthält zwei Heizelemente 6 und zwei Kühlelemente 7. Zum Temperaturausgleich ist eine Temperaturausgleichsplatte 6 aus Aluminium vorgesehen. Wenn die Heizelemente Wärme in die Temperaturausgleichsplatte 6 abgeben, wird die Wärme auf Grund der guten Wärmeleitfähigkeit des Aluminiums näherungsweise gleichmäßig über die gesamte Temperaturausgleichsplatte verteilt, so dass auch der Batterieboden gleichmäßig erwärmt wird. Gleiches gilt bei der Aktivierung der Kühlelemente 7. Über die große Oberfläche der Y-förmigen Wärmetauschervorsprünge 5 erfolgen ein schnellerer Temperaturausgleich und somit eine schnellere Erwärmung oder Abkühlung des flüssigen Elektro- lyten, in diesem Beispiel der Schwefelsäure.
Die Geometrie der Wärmetauschervorsprünge 5 ist vom Fachmann unter Berücksichtigung der zu übertragenden Wärmemenge auszuwählen. Es sind unterschiedlichste Formen möglich. Die Fig. 3 auf einer Platte Wärme- tauschervorsprünge mit verschiedenen Querschnittsformen, die jedoch nicht als Beispiele dienen. In der ersten Reihe 5 weisen die Wärmetauschervorsprünge einen Dreiecksquerschnitt auf, in der zweiten Reihe einen Kreisquerschnitt, in der dritten Reihe einen schmalen Rechteckquerschnitt und in der vierten Reihe einen nahezu quadratischen Querschnitt. Wenn der Batte- riekasten im Spritzgussverfahren hergestellt wird, bietet sich aus technologischen Gründen ein kreisförmiger Querschnitt an. Anhand der beschriebenen Ausführungsformen kann der Fachmann die technische Lehre der vorliegenden Erfindung vollständig entnehmen. Es ist klar, dass diese Ausführungsformen durch einen Fachmann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre weiterentwickelt und modifiziert oder kombiniert werden können. Daher fallen auch diese, nicht explizit genannten oder gezeigten weiteren Ausführungsformen in den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche.

Claims

Ansprüche
1. Flüssigelektrolytbatterie, die aufweist: - ein Gehäuse (1) mit einem Gehäuseboden (1d),
- Elektroden (2), die in dem Gehäuse (1) angeordnet sind,
- ein Flüssigelektrolyt (3) und
- eine Temperiervorrichtung mit einer ebenen Temperierplatte, die den Gehäuseboden (1d) von außen temperiert, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Gehäuseboden (1d) auf seiner Innenseite eine Vielzahl von Wärmetauschervorsprüngen (5) aufweist, die die Funktion eines Wärmetauschers haben.
2. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschervorsprünge (5) sich von Batteriewand zu Batteriewand erstreckende Stege sind.
3. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschervorsprünge (5) rasterartig angeordnet sind.
4. Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschervorsprünge (5) eine Geometrie mit großer Oberfläche aufweisen.
5. Temperiervorrichtung für eine Flüssigelektrolytbatterie nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierplatte (2) pro Batteriezelle wenigstens eine Heizfläche und eine Kühlfläche aufweist.
6. Temperiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Temperierplatte (2) eine Temperaturausgleichsplatte (6) angeordnet ist, sodass eine Temperaturausgleichsfunktion bewirkt wird.
7. Temperiervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierplatte (2) so dick ausgebildet ist, dass eine Temperaturausgleichsfunktion bewirkt wird.
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