AT514747A2 - Akku mit verlängerter Stromabgabe - Google Patents
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Abstract
Um die Aktivierung einer erheblichen Notstromreserve bei Akkumulatoren zu realisieren, werden Vorrichtungen aufgezeigt, mit denen die Sulfatschichten auf den Plattenoberflächen entladener Akkus mechanisch entfernt werden können.
Description
Akku mit verlängerter Stromabgabe
Gegenstand der Erfindung
Die Erfinding bezieht sich die Verbesserung wiederaufladbarer Batterien, genauer für Bleiakkumulatoren und speziell für solche für Notstromversorgungen oder Anwendungen, bei denen ein Notbetrieb auch nach Erreichen der normalen Abgabeleistung vorgesehen sein muss.
Hintergrund der Erfindung / Zu lösendes Problem
Alle Arten von Batterien haben eine Grenze, bis zu der ihre Kapazität nutzbar ist, dann sind sie "leer". Nun gibt es aber Fälle, wo ein Akku nur selten benutzt wird -. etwa bei Notstrom- und Brand-Entrauchungsanlagen, abgetauchten U-Booten im Gefechtsfall, Elektro-Autos, die auf der Strecke liegenzubleiben drohen, etc. Hier wäre eine kurzfristige Reaktivierung nützlich, weil bei nur seltener Benützung die vorgehaltene Kapazität unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglichst knapp bemessen wird. Für einzelne Batterietypen gibt es Verfahren, diese kurzzeitig zu reaktivieren, wie z.B. durch Erhitzen bei Zink-Kohle -Batterien.
Bleibatterien sind aus Kostengründen für die Mehrzahl aller Anwendungen erste Wahl, insbesondere aber für Anwendungen, die hinsichtlich des Eigengewichts unkritisch sind, also insbesondere für stationären Einsatz und in Schiffen.
Stand der Technik Für Bleibatterien sind jedoch bisher keine Methoden einer sehr kurzfristiger Reaktivierung nach Erschöpfung Ihrer Kapazität bekannt. Zwar gibt es alle möglichen Verfahren der Schnelladung, wie in W020051200076A1, WO 1992 022 120A1 und EP 0587638 B1 beschrieben, diese setzen aber immer das Vorhandensein einer leistungsfähigen Stromquelle und eines passenden Ladegeräts voraus, sind also gerade dort, wo Batterien für den Notfall vorgehalten werden müssen, nicht verfügbar.
Zwar weist CN 101 071 884 A bzw. EP 185 53 44 B1 ein Verfahren aus, die Restkapazität von Bleibatterien durch Parallelschaltung mit anderen Batterietypen besser zu nutzen.
Jedoch kann das nur einen Teil der 20-prozentigen Restkapazität aktivieren und auch dies nur bei Akkumulatoren, deren Charakteristik nicht auf einen steilen Abfall der Leistungsabgabe ausgelegt sind. Zudem ist dieses Verfahren aufwendig und bedürfen wegen unterschiedlicher Alterung der Batterietypen besonderer Überwachnung und Services.
Aufgabenstellung
Es ist dagegen Aufgabe vorliegender Erfindung, Blei-Akkumulatoren so zu gestalten, dass sie eine erhebliche Kapazitätsreserve aufweisen, die im Notfall aktiviert werden kann, ohne Parallelbatterien, und ohne sie dazu wesentlich zu vergrößern oder schwerer zu machen. Lösung - Inventive Step
Der erfinderische Schritt zur Lösung des Problems besteht darin, abseits aller elektronischen Tricks zur Ladungsüberwachung und -Reservebildung, die Bleiplatten der Akkus durch mechanische Behandlung, genauer gesagt durch Abschleifen während des Betriebes, nachhaltig zu aktivieren.
Technische Begründung und Darstellung der Erfindung
Blei-Akkumulatoren, wie die bekannte Starterbatterie für Autos, bestehen aus positiv und negativ geladenen Platten, die ihrerseits aus einem mechanisch tragfähigen Gitter und darin eingearbeiteten Polplatten aus nicht-oxydiertem Blei (negativer Pol) und Bleidioxyd (positiver Pol) in einem .Elektrolyt aus 37-prozentige Schwefelsäure bestehen..
Bei der Entladung werden beide aktiven Materialien gleichermaßen in Bleisulfat umgesetzt. Ein Bleiakku kann also nur so lange Strom liefern, bis sich die Oberflächen der Platten mit Bleisulfat zugesetzt sind, dann muss er wieder elektrisch geladen werden. Dabei wird Bleisulfat an der positiven Elektrode wieder in Bleidioxid und an der negativen Elektrode wieder in Blei verwandelt.
Bei zyklisch eingesetzten Akkumulatoren, wie bei Starterbatterien stört das nicht, sondern es ist ist der normale Betriebsfall, dass der Akku nach dem Anlassen des Motors von der Lichtmaschine wieder aufgeladen wird.
Es gibt jedoch Einsatzbereiche, wo die Akkuleistung nur äußerst selten genutzt wird, wie z.B. bei Notstromsystemen oder Brand-Entlüftungsanlagen, wo sie im Notfall möglichst lange unterbrechungsfrei genutzt werden muss.Typisch für solche Anwendungen ist, dass große Kapazität vorgehalten werden muss, was sowohl ein Kosten- als auch ein Platzproblem darstellt.
Um derartigen Batteriesystemen eine umfangreiche Notreserve beizuordnen, wird erfindungsgemäß im Notfall das Bleisulfat der Plattenoberflächen mechanisch abgetragen, um bei wenigen Entnahmen im Grenzbereich länger Leistung abziehen zu können.
Dies kann theoretisch durch mechanische Schaber erfolgen, die zwischen den Platten im Block geführt werden, nur würde dies erheblichen zusätzlichen Bauraum erfordern. Vorzugsweise sind jedoch die Separatoren zwischen den Platten aus Chenille-artig gewebter Glasfaser statt aus Glasvlies hergestellt, und/oder mit abrasiven Partikeln besetzt. Dies können z.B. Silizium- oder Korundkörner sein, oder im PVD-Verfahren aufgebrachte Kunst-Diamantkristalle.
Weiter sind die Plattensätze flexibel befestigt und können im gegebenen Notfall durch elektromechanische oder piezokeramische Aktoren im Block gegeneinander bewegt werden, damit die Separatoren die Oberflächen der Bleiplatten abschleifen.
Dies setzt naturgemäß eine angepasste Konstruktion der Gitter als Träger der Bleimaterialien und möglichst dicken Eintrag letzterer voraus, ferner muss das Volumen der Mulden für den Bleischlamm vergrößert sein, um frühe Kurzschlüsse durch diesen zu vermeiden und das Volumen der Schwefelsäure muss ebenfalls vergrößert sein. Prinzipiell lässt sich aber die Notstromleistung dieserart bei gegebenem Volumen und Gewicht der Batterie mehr als verdoppeln - wenngleich bei zwangsläufig geringerer Lebensdauer
Im Vergleich zu konventionellen Akkus ist das auch darin begründet, dass bei der Entladung an beiden Elektrodensätzen Bleisulfat (PbS04) entsteht. Dies ist normalerweise sehr fein und ausreichend reaktionsfreudig. Mit zunehmender Alterung und Mangel an Be- und Entladezyklen verbinden sich die einzelnen Bleisulfat-Partikel aber zu relativ großen Partikeln, die aufgrund ihres ungünstigen Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche kaum noch zur Stromabgabe beitragen.
Der mechanische Abtrag dieser Schicht verbessert daher die Abgabeleistung von Akkumulatoren im Falle gelegentlichen Gebrauchs und nachfolgend längerer Standzeit.
Vergleichbare Anwendungen bieten sich auch für Antriebsbatterien, beispielsweise für Elektromotoren in U-Booten und Elektromobilen, wo im Grenzfall die Aktivierung von Notreserven entscheidend sein können.
Hier ist aber hohe Stromlieferfähigkeit in Verbindung mit großer Zyklenfestigkeit gefordert. Dies wird bei gegebenen Stand der Technik durch einen Aufbau mit sog. Röhrchenpanzerplatten bewirkt, der diese Anforderungen in einigen Batterietypen bereits erfüllt.
Hier wäre es naheliegend, die Oberflächen der Elektroden-Stäbe zusammen mit den geslizten (in Scheiben geschnittenen) Röhrchenstrukturen, in denen sie gefasst sind, abzuschleifen.
Dieser Aufbau würde auch mögliche Probleme der mechanischen Haltbarkeit der konventionellen Polstrukturen in den Gittern der Platten bei bewegten Plattensätzen vermeiden.
Zeichnungen
Die Ausführungen werden in den nachfolgenden Zeichnung Fig. 1 näher erläutert:
Fig. 1 zeigt den Aufbau einer neuerungsgemäßen Akkumulator-Batterie 1 mit der positiven Platte 2, den sie umschließenden Glasfaser-Separator 3 mit der abrasiven Beschichtung 4, die positive Platte 5 und den positiven Plattensatz 6, dahinter der negative Plattensatz 7, weiter der Plattenblock 8, in dem positiver und negativer Plattensatz miteinander kombiniert sind und der Blockdeckel 9, an dem die Plattensätze 7 und 8 montiert sind, darunter ein flexibles Metall-Gummi-Lager 10 für den positiven Plattensatz 7 mit dem Aktuator-Solenoid 11, das bei Zuschaltung die vibrierende Bewegung zum Abschleifen des Bleisulfats bewirkt.
Claims (9)
- Patentansprüche: 1. Akkumulator mit verlängerter Stromabgabe, dadurch gekennzeichnet, dass das Bleisulfat entladener Akkuplatten mechanisch abgetragen wird.
- 2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrag durch elektromechanisch betätigte Schaber erfolgt.
- 3. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrag mit Hilfe abrasiver Separatoren durch Bewegung der Akkuplattensätze gegeneinander erfolgt.
- 4. Akkumulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatoren aus Glasgewebe mit Chenille-artiger Struktur ausgeführt sind.
- 5. Akkumulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Separatoren mit abrasiven Medien, wie z.B. Korundkörnem, oder im PVD-Verfahren aufgebrachten Kristallen besetzt sind.
- 6. Akkumulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten in den zusammengefassten Akku-Plattensätzen fest, die positiven und negativen Plattensätze gegeneinander jedoch beweglich ausgeführt sind.
- 7. Akkumulator nach Anspruch 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung durch elektromechanische Aktuatoren bewirkt wird.
- 8. Akkumulator nach Anspruch 1 und 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung durch piezokeramische Aktuatoren mit elektronischer Ansteuerung bewirkt wird.
- 9. Akkumulator nach Anspruch 1 und 3 bis 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkuplatten als sog. "Panzerplatten" mit in einer scheibenförmig geschnittenen Röhrenstruktur eingefügten Bleizylindern ausgeführt sind und diese zusammen mit den tragenden Röhren abgeschliffen werden. m
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