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Heizbarer Akkumulator
Elektrische Batterien, insbesondere Akkumulatoren, die als primäre oder sekundäre galvanische Elemente der Erzeugung von elektrischem Strom aus chemischer Energie dienen, sind in ihrer Leistung
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B.Die Ursache dieser Kapazitätsabnahme liegt in einer Erhöhung des inneren Widerstandes, die durch zwei Komponenten im wesentlichen verursacht wird :
1. Mit sinkender Temperatur nimmt die Viskosität des Elektrolyten zu, was zu einer Verminderung der Ionenbeweglichkeit und der Diffusionsgeschwindigkeit führt.
2. Mit abnehmender Temperatur verringert sich die chemische Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem elektrochemisch aktiven Elektrodenmaterial und den Ionen des Elektrolyten.
Die Folge ist eine bei niedrigen Temperaturen verminderte Klemmenspannung. Aber auch der Ladevorgang einer kalten Batterie ist durch den erhöhten inneren Widerstand wesentlich verlustreicher als bei Temperaturen von zirka 20 bis 25 C.
Die überwindung des erhöhten inneren Widerstandes erfordert eine höhere Ladespannung, um den gleichen Grad der elektrischen Aufladung zu erreichen.
Beim Blei-Akkumulator hat eine erhöhte Ladespannung den Nachteil der vorzeitigen Zersetzung
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Bleidioxyds von der Anode und anderseits begrenzt die Zersetzungsspannung des Elektrolyten die Ladespannung, die zur vollständigen Aufladung notwendig ist.
Es zeigt sich also, dass z. B. ein Blei-Akkumulator bei tiefen Temperaturen (z. B. 0 C und darunter), nicht nur eine verringerte Kapazität und geringere Spannung besitzt, sondern bei einer durch einen Regler vorgegebenen Ladespannung, wie z. B. in Kraftfahrzeugen, auch noch nur unvollständig aufgeladen wird. Unvollständige Aufladungen verbunden mit gelegentlicher Tiefentladung der Batterie muss aber, zumindest beim Blei-Akkumulator, zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Batterie führen.
Besonders empfindlich gegen tiefe Temperaturen ist das Ni-Cd-Element, das unter OOC praktisch nicht mehr brauchbar ist.
Zur Beseitigung der Nachteile der bei niedrigen Temperaturen verminderten Klemmenspannung wurde bereits vorgeschlagen, die Batterie entweder durch eigene Heizleistung oder durch eine Fremdstromquelle aufzuheizen, wobei jedoch hiebei ausschliesslich die Aussenbeheizung der Batterie in Erwägung gezogen wurde. Es ist jedoch elektrotechnisch klar und aus der vorliegenden Beschreibungseinleitung verständlich, dass eine Aussenbeheizung von Batterien niemals den guten Wirkungsgrad einer Innenbeheizung besitzt, da bei letzterer die Wärmeverluste wesentlich geringer sind und damit auch die Verluste an elektrischer Heizenergie.
Erfindungsgemäss sind daher bei einem heizbaren Akkumulator (primäres oder sekundäres galvanisches Element), der vor Inbetriebnahme und nötigenfalls bei Wiederaufladung bei niedriger Umgebungstemperatur (z. B. schon unter +10 C) zwecks Erhöhung seiner elektromotorischen Kraft und
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Kapazität durch eigene Heizleistung und/oder die einer Fremdstromquelle beheizbar ist, die
Heizelemente im Inneren des Akkumulators eingebaut. Zweckmässigerweise werden hiefür für den
Elektrolyten durchlässige Heizelemente, vorzugsweise gitterartige Flächenheizleiter, wie Netze oder
Vliese mit elektrisch leitfähiger Ausrüstung oder perforierte, leitende Kunststoff-Folien und/oder geschlungene oder gewobene isolierte Heizdrähte, z.
B. ineinandergeschlungene Spiralen, zwischen denen durch Separatoren voneinander getrennte Elektroden angebracht sind, verwendet, die als Heizleiter im
Elektrolyten bei Anwendung von Gleich-oder Wechselstrom Joule'sche Wärme erzeugen. So können
Heizgitter auf Polytetrafluoräthylen-Basis (die keine fremden Metallionen an den Elektrolyten abgeben, die diesen in seiner Funktion stören, da nur Kohlenstoff als Leiter verwendet wird) direkt in die
Batterie, d. h. in den Elektrolyten, eingebaut werden.
Der Vorteil liegt darin, dass weniger Heizenergie als bei einer Aussenbeheizung benötigt wird, weil ja nur in den äusserst dünnen Bereichen der elektrochemisch bedeutsamen Elektrodenoberfläche, die mit dem Elektrolyten in Berührung kommt, eine Temperatursteigerung notwendig ist. Sparsamer Umgang mit der noch vorhandenen elektrischen Energie ist aber besonders bei der Selbstbeheizung noch kalter
Starterbatterien notwendig. Eine Aussenbeheizung aus eigener Energie einer kalten Batterie dürfte damit kaum gelingen.
Da in den meisten Fällen keine zweite Stromquelle für die Heizung zur Verfügung steht, eine
Starterbatterie wird durch die Lichtmaschine erst dann aufgeladen, wenn der Motor bereits läuft, muss die kalte Batterie selbst ihren eigenen Heizstrom liefern.
Dieser Heizstrom ist dann als Energieverlust geringer, als der Gewinn aus der Kapazitätszunahme bei Verringerung des inneren Widerstandes, wenn die Heizung im Inneren der Batterie in den elektrochemisch aktiven Bezirken erfolgt und die Wärmeableitung nach aussen so gering wie möglich gehalten wird.
Nur dann wird also erreicht, dass die Leistung der Batterie trotz vorheriger Stromentnahme für die Heizung der Elektrolytlamellen zwischen den Elektroden höher liegt als im kalten Zustand.
Für eine solche Heizung werden zweckmässig Flächenheizgitter im Inneren der Batterie zwischen den durch Separatoren vor direktem elektrischen Kontakt geschützten Elektroden angebracht. Durch solche Heizgitter wird der Elektrolyt sehr gleichmässig erwärmt, so dass die Abnahme der Viskosität über den gesamten Querschnitt des lonenwanderungsweges zwischen Anode und Kathode ebenfalls gleichmässig erfolgt.
Die Wärme wird in diesem Falle (entgegen andern Möglichkeiten der Beheizung) genau an der Stelle erzeugt, wo sie benötigt wird, nämlich im elektrochemisch wirksamen Bereich der Batterie. Der Wärmeverlust durch Ableitung nach aussen ist deshalb gering, weil die Wärme im Inneren der Batterie erzeugt wird.
Als Heizgitter werden z. B. bekannte Glasfasernetze, vorzugsweise aus C-Glas, benutzt, die mit elektrisch leitfähig gemachtem Kunststoff überzogen und isoliert sind und weder durch Säuren noch Laugen angegriffen werden können.
Diese Heizgitter oder auch Flächenheizleiter haben den Vorteil, dass sie ein niedriges spez. Gewicht haben und in Berührung mit dem Elektrolyten keine Fremdionen an diesen abgeben, die den elektrochemischen Prozess stören könnten.
Die Heizgitter oder Flächenheizleiter lassen sich in einem Akkumulator in verschiedener Weise anordnen und als ohmsche Widerstände schalten, wie dies die in den Zeichnungen dargestellten Schaltungsbeispiele zeigen.
Fig. l zeigt eine Schaltung mit parallel geschalteten Flächenheizleitern, Fig. 2 dieselbe SChaltung, jedoch Serienschaltung der Flächenheizleiter, Fig. 3 eine Schaltung für Wechselstromspeisung, Fig. 4 eine Schaltung für Wechselstrom- und Gleichstromspeisung, Fig. 5 eine Schaltung mit Hochfrequenzspeisung, Fig. 6 eine Schaltung gegen den Behälter, Fig. 7 ein Blockschaltbild.
In Fig. 1 ist ein Schaltschema einer derartigen aufheizbaren Batterie dargestellt. Mit-l--ist das Plattengitter mit aktiver Masse (positiv) bezeichnet, mit--2--ein Isolator zwischen den positiven
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(negativ) bezeichnet. Bei der Bezugsziffer--6--beginnt wieder eine neue Zelle wie bei--2--. Die Flächenheizleiter --3-- sind hiebei parallel geschaltet. Die Wärmeenergie kann durch Rückeinspeisung von elektrischer Energie aus der Batterie oder auch durch Fremdversorgung erfolgen.
In Fig. 2 ist eine ähnliche Schaltung beschrieben, bei welcher wieder--l--das Plattengitter mit aktiver Masse (positiv) bezeichnet, während die isolierten Flächenheizleiter mit--2 bzw. 4-bezeichnet sind. Das Plattengitter mit aktiver Masse (negativ) ist mit der Bezugsziffer--3--
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positiven und negativen Platten gemäss Fig. 1 überflüssig.
Gemäss Fig. 3 ist eine Schaltung für Wechselstromspeisung dargestellt, wobei wieder-l-die positive platte, --2-- die isolierte, leitende Folie,-3-die negative platte, --5-- wieder die positive Platte bezeichnet, wobei bei--6--die Reihenfolge wieder wie bei--2--beginnt. Die Erwärmung des Elektrolyten erfolgt in diesem Fall durch das Wechselfeld.
Gemäss Fig. 4 ist eine Speisung durch Wechsel-oder Gleichstrom vorgesehen, wobei wieder - die positive Platte, --2-- die leitende isolierte Folie, --3-- eine gleichfalls leitende isolierte Folie und--4--die negative Platte bezeichnet. Bei--5--beginnt die Reihenfolge wieder wie bei--2--. Die leitenden Folien--2, 3-- können auch leitende Oberflächen auf einer gitterartigen Trägerfolie sein. Die Erwärmung des Elektrolyten erfolgt durch das Wechselfeld oder durch Gleichstrom. An Stelle der Elektroden-2 und 3-kann auch ein nichtleitendes Gitter verwendet werden, das auf seinen beiden Flächen leitend beschichtet ist und darüber isoliert wird.
In Fig. 5 ist eine Schaltung mit Hochfrequenzspeisung dargestellt, wobei--l--die positive Platte, --2-- die negative Platte bezeichnet, welche Reihenfolge sich bei --3-- wieder wiederholt. Die Ziffer --4-- bezeichnet einen Frequenzumformer, die Ziffer --5-- zwei Trennkondensatoren und die Ziffer --6-- den Elektrolyten. Hiebei werden die positive Platte-l-und die negative platte --2-- als Elektroden verwendet. Der Gleichstrom aus der eigenen Batterie wird in hochfrequente Energie umgeformt und wieder auf die Platten zurückgeschaltet. Die Erwärmung erfolgt wieder über den Elektrolyten--6-- (Kondensatorprinzip).
In Fig. 6 werden die Elektroden --2-- gegen den leitenden Behälter-4-geschaltet. Hiebei bezeichnet--l--die positive Platte,--2--die Elektrode und--3--die negative Platte. Die Stromableitung erfolgt über den leitenden Behälter-4-. Bei dieser Anwendung kann auch die Elektrode--2--durch die Elektroden--l und 3-ersetzt werden und gegen den leitenden Behälter --4-- geschaltet werden.
In Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer über den Elektrolyten beheizbaren Batterie im Schema dargestellt, wobei mit--l--der Batteriebehälter mit den Elementen, mit--2--die Flächenheizelemente, mit--3--ein Schaltschloss mit Verzögerung (Bimetall) und mit-4--ein Magnetschalter und mit--5--der Starter bezeichnet ist. Die Masse ist mit--M-bezeichnet.
Diese Heizgitter können als ohmsche Widerstände entweder durch die zu beheizende Batterie
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Es können die elektrisch gut leitenden Heizgitter aber auch als Elektroden verwendet werden, an die eine (hochfrequente) Wechselspannung gelegt wird.
Hiebei erfolgt die Erwärmung des Elektrolyten durch die ständige Umorientierung der Ladungsträger und Umpolarisation der Wassermolekeln im Wechselfeld.
Mit einem weniger guten Wirkungsgrad der Wärmeausnutzung für den Batterieinhalt können die Heizgitter (oder auch Heizdrähte) in die Wände und/oder in den Boden des Batterietroges eingearbeitet werden.
Hiebei ist jedoch die Wärmeableitung nach aussen grösser als bei der vorher beschriebenen Anordnung der Heizgitter zwischen den Elektroden und die Erwärmung des Elektrolyten zwischen den Elektrodenplatten erfolgt hier langsamer. Diese Anordnung der Heizelemente ist weniger zur momentanen schnellen Anheizung (z. B. vor einem Kaltstart im Winter), als zum Warmhalten der Batterie geeignet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Heizbarer Akkumulator (primäres oder sekundäres galvanisches Element), der vor
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Heatable accumulator
Electric batteries, in particular accumulators, which are used as primary or secondary galvanic elements to generate electric current from chemical energy, are in their performance
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B. The cause of this decrease in capacitance is an increase in the internal resistance, which is essentially caused by two components:
1. As the temperature drops, the viscosity of the electrolyte increases, which leads to a reduction in ion mobility and the rate of diffusion.
2. With decreasing temperature, the chemical reaction speed between the electrochemically active electrode material and the ions of the electrolyte decreases.
The result is a reduced terminal voltage at low temperatures. But the charging process of a cold battery is also much more lossy due to the increased internal resistance than at temperatures of around 20 to 25 C.
Overcoming the increased internal resistance requires a higher charging voltage in order to achieve the same degree of electrical charging.
In the case of a lead battery, an increased charging voltage has the disadvantage of premature decomposition
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Lead dioxide from the anode and, on the other hand, the decomposition voltage of the electrolyte limits the charging voltage that is necessary for complete charging.
So it turns out that z. B. a lead accumulator at low temperatures (z. B. 0 C and below), not only has a reduced capacity and lower voltage, but also at a charging voltage specified by a regulator, such as. B. in motor vehicles, is also only partially charged. Incomplete charging combined with occasional deep discharge of the battery must lead to a shortening of the service life of the battery, at least in the case of the lead accumulator.
The Ni-Cd element, which is practically no longer usable under OOC, is particularly sensitive to low temperatures.
To eliminate the disadvantages of the terminal voltage, which is reduced at low temperatures, it has already been proposed to heat the battery either by its own heating power or by an external power source, although only external heating of the battery was considered here. However, it is electrotechnically clear and understandable from the introductory part of the description that external heating of batteries never has the same efficiency as internal heating, since with the latter the heat losses are significantly lower and thus also the losses of electrical heating energy.
According to the invention, therefore, in a heatable accumulator (primary or secondary galvanic element), which is to be used before commissioning and, if necessary, when recharging at a low ambient temperature (e.g. below +10 C) in order to increase its electromotive force and
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Capacity can be heated by its own heating power and / or that of an external power source that
Heating elements built into the interior of the accumulator. Appropriately for this purpose
Electrolyte-permeable heating elements, preferably grid-like surface heating conductors, such as networks or
Fleeces with electrically conductive equipment or perforated, conductive plastic films and / or looped or woven insulated heating wires, e.g.
B. intertwined spirals, between which electrodes separated by separators are attached, used as a heating conductor in the
Electrolytes generate Joule heat when using direct or alternating current. So can
Polytetrafluoroethylene-based heating grids (which do not release any foreign metal ions to the electrolyte that interfere with its function, as only carbon is used as a conductor) directly into the
Battery, d. H. in the electrolyte.
The advantage is that less heating energy is required than with external heating, because a temperature increase is only necessary in the extremely thin areas of the electrochemically significant electrode surface that comes into contact with the electrolyte. Economical use of the electrical energy that is still available is even colder, especially with self-heating
Starter batteries necessary. External heating using its own energy from a cold battery is unlikely to succeed.
Since in most cases no second power source is available for heating, one
The starter battery is only charged by the alternator when the engine is already running; the cold battery must supply its own heating current.
This heating current is then less energy loss than the gain from the increase in capacity when the internal resistance is reduced, if the heating takes place inside the battery in the electrochemically active areas and the heat dissipation to the outside is kept as low as possible.
This is the only way to ensure that the performance of the battery is higher than in the cold state despite the previous current draw for heating the electrolyte lamellae between the electrodes.
For such a heating, surface heating grids are expediently attached inside the battery between the electrodes protected from direct electrical contact by separators. The electrolyte is heated very evenly by such heating grids, so that the decrease in viscosity over the entire cross-section of the ion migration path between anode and cathode also takes place evenly.
In this case, the heat is generated (contrary to other heating options) exactly where it is needed, namely in the electrochemically active area of the battery. The loss of heat through discharge to the outside is low because the heat is generated inside the battery.
As a heating grid z. B. known fiber optic networks, preferably made of C-glass, are used, which are coated with electrically conductive plastic and insulated and can not be attacked by acids or alkalis.
These heating grids or surface heating conductors have the advantage that they have a low spec. Have weight and do not release any foreign ions in contact with the electrolyte that could interfere with the electrochemical process.
The heating grids or surface heating conductors can be arranged in various ways in an accumulator and switched as ohmic resistors, as shown by the circuit examples shown in the drawings.
Fig. 1 shows a circuit with surface heating conductors connected in parallel, Fig. 2 shows the same circuit, but the surface heating conductors are connected in series, Fig. 3 shows a circuit for alternating current feed, Fig. 4 shows a circuit for alternating current and direct current feed, Fig. 5 shows a circuit with high frequency feed, Fig 6 shows a circuit against the container, FIG. 7 shows a block diagram.
In Fig. 1 a circuit diagram of such a heatable battery is shown. With -l - the plate grid with active mass (positive) is designated, with - 2 - an insulator between the positive ones
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(negative). At the reference number - 6 - a new cell begins again as with - 2--. The surface heating conductors --3-- are connected in parallel. The thermal energy can be provided by feeding back electrical energy from the battery or by an external supply.
A similar circuit is described in FIG. 2, in which again - 1 - denotes the plate grid with active ground (positive), while the insulated surface heating conductors are denoted by -2 and 4, respectively. The plate grid with active ground (negative) is identified by the reference number - 3--
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positive and negative plates according to FIG. 1 superfluous.
According to Fig. 3, a circuit for AC power supply is shown, where -l-denotes the positive plate, --2-- the insulated, conductive foil, -3-the negative plate, --5-- again denotes the positive plate, where at - 6 - the sequence begins again as at - 2 -. In this case, the electrolyte is heated by the alternating field.
According to FIG. 4, a supply by alternating or direct current is provided, whereby again - the positive plate, --2-- the conductive insulated foil, --3-- an equally conductive insulated foil and - 4 - the negative plate designated. At - 5 - the sequence begins again as at - 2--. The conductive foils - 2, 3 - can also be conductive surfaces on a grid-like carrier foil. The electrolyte is heated by the alternating field or by direct current. Instead of electrodes 2 and 3, a non-conductive grid can also be used, which has a conductive coating on both of its surfaces and is insulated over it.
In Fig. 5 a circuit with high frequency feed is shown, where - l - denotes the positive plate, --2-- the negative plate, which sequence is repeated again at --3--. The number --4-- designates a frequency converter, the number --5-- two separating capacitors and the number --6-- the electrolyte. The positive plate 1 and the negative plate 2 are used as electrodes. The direct current from its own battery is converted into high-frequency energy and switched back to the plates. The heating takes place again via the electrolyte - 6 - (capacitor principle).
In Fig. 6 the electrodes --2 - are connected to the conductive container -4-. Here - 1 - denotes the positive plate, - 2 - the electrode and - 3 - the negative plate. The current is discharged via the conductive container-4-. In this application, the electrode - 2 - can also be replaced by the electrodes - 1 and 3 - and switched against the conductive container --4--.
7 shows a block diagram of a battery that can be heated by the electrolyte, with - l - the battery container with the elements, with - 2 - the surface heating elements, with - 3 - a switch lock with delay ( Bimetal) and - 4 - a magnetic switch and - 5 - the starter. The mass is marked - M-.
These heating grids can be used as ohmic resistors either by the battery to be heated
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The electrically conductive heating grids can also be used as electrodes to which a (high-frequency) alternating voltage is applied.
The electrolyte is heated by the constant reorientation of the charge carriers and polarization of the water molecules in the alternating field.
The heating grids (or heating wires) can be worked into the walls and / or into the bottom of the battery tray with a less efficient use of heat for the battery contents.
In this case, however, the heat dissipation to the outside is greater than in the previously described arrangement of the heating grids between the electrodes and the heating of the electrolyte between the electrode plates takes place more slowly here. This arrangement of the heating elements is less suitable for instantaneous rapid heating (e.g. before a cold start in winter) than for keeping the battery warm.
PATENT CLAIMS:
1. Heatable accumulator (primary or secondary galvanic element) before
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