CN101501922A - 具有混合装置的液体电解质电池加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有混合装置的液体电解质电池加热装置，其中所述加热器(4)单侧布置在电池壳体底板(1d)上并且这样延伸，使得壳体底板(1d)的可加热的区域直角地在全部电极板(2)上延伸。在壳体底板(1d)和电极(2)的下棱边(2a)之间在加热器(4)上方布置热保护板(5)。在其下面布置有加热器(4)的垂直的壳体壁与电极(2)的侧面棱边之间布置有第一流动通道板(6)，在该流动通道板(6)的上棱边上布置有排流板(8)。此外设有具有下述特征的动力混合装置：在其下面未布置加热器的壳体壁和垂直的电极棱边之间布置有第二流动通道板(9)，它的上部区域构成取液机构(11)。在第二流动通道板(9)的下棱边上布置有导板(12)，它在壳体底板(1d)和电极下棱边(2a)之间延伸。

Description

具有混合装置的液体电解质电池加热装置

技术领域

本发明涉及一种具有液体电解质电池和加热器的液体电解质电池加热装置，例如铅酸电池，该铅酸电池例如作为起动电池使用在车辆中。在该液体电解质电池中布置有混合装置，该混合装置与加热器相协调。

背景技术

对汽车工业中轻型构造方面的努力亦涉及到电池重量的削减。同时对电池功率的要求也越来越高，因为除了传统的用于启动例如小型汽车的能量之外还需要为附加的设备、例如电动升窗器、用于调节座椅或亦用于电加热座椅的伺服马达提供能量。此外还希望电池功率在电池的整个寿命期间都尽可能保持在一个恒定的较高水平上，因为这样一来也可以对就安全性来讲意义重大的功能单元、例如转向和制动进行电控制和操作。电池功率从下面起可理解为电池的容量以及电池的用于放出电流或用于接收电流的能力。电池功率会受到各种对于技术人员来说已知的因素的影响。

由现有技术已知不同的措施，以提高液体电解质电池，例如铅酸电池的功率。对于这种电池特别的问题是，电池功率对电池温度具有很强的依赖性。在允许的工作范围内，每摄氏度电容下降约0.6至0.8％或者更多。如果假设，最优的工作温度在约30摄氏度并且电池在零下20摄氏度时工作，以操作例如车辆的起动电动机，那么该电池只还具有它的电容的约60％。不过专业人员已知，其它的影响因素也会减小电池的电容。一个重要的影响因素是所谓酸的分层，也就是说，酸浓度相对电极表面是不均匀的。这导致，电极在酸浓度过高的位置上受腐蚀，这样减小了电池的寿命，并且在酸浓度过小的电极位置上电池不能达到它的全部功率。

一般已知，具有内燃机的车辆，当它长时间，例如多于8个小时处于低于零摄氏度的温度下，则如果冷却的电池在起动前被加热，可以更好地起动。

因此开发了许多电池加热装置，它们具有不同的优点和缺点并且例如在文献DE 28 12 876，US 2,440,369，DE 1 496 134，DE 40 27 149A1或者DE 100 14 848中说明。

电池加热装置可以按照不同角度分类。

一种涉及通过热交换加热电池。则例如建议，在电池的外壁上设置热交换管，热的发动机冷却液流过上述热交换管。

更多地还建议电加热，其中这种可以划分成两个分类。

有一系列的构思，将加热膜或者类似的加热元件布置在电池外壁上或者也可以在电池自身当中并且从外部输入电能，例如对于停在车库中的车辆从220V电网连接中输入电能。这里总是提供足够的能量，这样电池可以不依赖外部温度地保持在一个预定的温度。如果车辆行驶，同样可以从汽车发电机获取能量。

对于第二分类来说，用于电池加热的能量从该电池自身获取。如果车辆停放在街道上并且不存在从外部输入能量的可能性，那么这是必需的。已经建议，电池良好隔热并且借助自身加热保持在一个尽可能最优的温度水平。此方法只有当车辆仅仅停放并冷却了约8至15小时并且之后该车辆要重新使用时才有意义，也就是说，电池的隔热必需这样好，使得电池在这个约8至15小时内可以通过自身加热保持在希望的温度水平。

不过如果车辆停放几天，电池的能量含量不足够自己良好隔热的电池保持在希望的温度。对这种情况，只有当车辆要被起动时，电池才有必要加热。

因此一再建议，冷的电池在车辆快要起动之前才加热。电池快速加热的多种可能性中的一种是在电池底部上引入热量。

在DE 100 14 848 C2中建议，将电池放在加热板上，其中就此而言它是否涉及传统的可电加热的加热板，或者如在DE 100 14 848 C2中，涉及本来应用于其它目的产生余热的电子部件，是不重要的。

起动电池如其它的材料体一样具有预定的热容。为了将冷的电池加热到预定的温度水平，必需引进预定的热能。希望电池能够在尽可能最短的时间内加热。这只有当加热板相应强地加热时才能实现。

不过由于酸的差的导热热量只能相对慢地分散，也就是说，温度补偿只能缓慢进行，这可能在热能引入的位置上导致电极损坏。专业人员已知，铅酸电池在短时间的过热时，例如在超过50摄氏度时已经可能不可逆转地损坏。

发明内容

因此对电池快速加热的要求与电池尽可能保护好，也就是说应该缓慢加热(由此它不被损坏)的要求对立。此技术矛盾的解决构成本发明的任务。

该任务利用按照权利要求1的液体电解质电池加热装置解决。

在电池壳体中垂直地布置有电极。该壳体利用液体电解质填充。在壳体底板上根据本发明在一侧布置电加热轨。该加热轨这样取向，使得它与电极板成直角地延伸，这在实施例中还要结合附图详细说明。

热和动力混合装置具有水平的热保护板，它在壳体底板和电极的下棱边之间沿着加热轨布置。该热保护板的面积比加热轨与壳体底板接触的面积大至少20％。

在垂直的右侧壳体壁和电极的右侧侧面棱边之间布置有流动通道板，这样在这个流动通道板和右侧的壳体壁之间构成右侧的流动通道，其中热保护板的外棱边与流动通道板的下棱边连接。流动通道板的上棱边处于电解质液面的范围内，并与水平朝壳体中心延伸的排流板连接。

在垂直的左侧壳体壁和电极的左侧侧面棱边之间同样布置有流动通道板，这样在这个流动通道板和左侧的壳体壁之间构成左侧的流动通道。此流动通道的上部区域构成取液机构。对取液机构要理解为流动通道的上端部区段的体积扩展部。取液机构的上棱边伸出超过电解质液面几毫米，这样在车辆典型的运动中，也就是说在加速或者制动时，电解质溢出进入取液机构中。然后由于在流动通道中的液面高于在流动通道之外的电解质的液面，差值体积在下面从流动通道中流出，这样两个液面按照连通的容器的原理重新平衡。为了使流出的电解质尽可能好的与总体的电解质体积混合，设有用于对流出的电解质进行预定引导的导板。该导板布置在左侧的流动通道板的下棱边上，并且在壳体底板和电极板的下棱边之间延伸。

在导板的右侧的、也就是说位于内部的棱边和热保护板的左侧棱边之间保留有通流口，它近似布置在壳体中心。

下面说明混合装置的功能：

如果加热轨在右侧加热了电池的壳体底板，通过热传导，处于其上的电解质也被加热。该电解质在右侧的流动通道中向上流动直到流动通道板的上棱边，并且在排流板上重新流回到电解质容积中。由此产生电解质循环，它产生电解质的好的混合以及由此好的加热。通过电解质的这种热混合同时消除了有害的酸分层，也称为酸层积。热保护板阻止了热的电解质与板电极的下棱边接触并且由此可能损坏它。如果电池不运动，也就是说，如果例如车辆不行驶，则动力电解质混合不活动，也就是说，没有电解质溢出到取液机构中。

不过如果车辆行驶，并且出现车辆典型的制动运动和加速运动，则进行已经说明的电解质的动力混合。如果电池温度足够高并且因此进一步的加热不再有意义或者甚至是有害的，则这个第二混合功能是有利的。通过电解质的动力混合同样消除了有害的电解质层积。

对专业人员很明显，两种混合功能也可以同时进行，而不会流动技术上产生互相妨碍。

按照权利要求2和3，排流板和导板具有孔。由此保证，从排流板流下的或者在导板上流出的电解质均匀地在电解质容积上分布，这样将避免产生未混合体积区域。专业人员可以通过孔的几何参数的选择，例如孔大小以及它们的布置实现最优的混合。

很明显，本发明可以应用在每种具有液体的电解质的电池类型上，只要无论在夏天，还是在冬天，都要实现电解质的好的混合，以及在冬天实现电解质的快速加热，以改善电池的功率。

附图说明

本发明其它的措施和优点由下面的实施例说明结合所附示意图给出。

图1示出了本发明的第一实施例的侧面剖视图，

图2示出了本发明的第二实施例的侧面剖视图，

图3示出了根据现有技术的空的电池箱。

本发明的下面的说明以根据图3的现有技术开始，因为由此本发明更容易理解。

具体实施方式

图3示出了具有6个电芯的电池箱。如果这个电池箱在边缘上安放在加热轨上，则每个电芯在边缘侧在底板上加热。不过所有下面的说明只涉及一个唯一的电芯，其中这个电芯在图1和2中从在图3中利用标记1c标明的方向示出。因为该电芯也是独立的电池，下面只讨论电池，因为本发明不仅可用于单个的电芯，而且可用于多个电芯的组合。

图1示出了具有壳体1的电池，在该壳体中布置有垂直竖立的电极2，并且该壳体利用液体电解质3，例如酸填充。

在壳体底板1d上在右侧边缘上布置有可电加热的加热轨4。对此要理解为，加热轨4可以固定在电池壳体1上，或者该加热轨固定在车辆中并且电池安放在该加热轨4上。

在下部的电极棱边2a下方，在加热轨4的区域中布置有热保护板5。热保护板5的面积在现有情况下比加热轨4在电池的壳体底板上的接触面积大50％。这样避免热的电解质3接触电极2并且损坏它。在热保护板5的外棱边上布置有右侧的流动通道板6，它在垂直的右侧壳体壁1b和电极2的侧面棱边之间延伸，这样在流动通道板6和壳体壁1b之间构成右侧的流动通道7。在流动通道板6的上棱边上，在电解质液面3a的上方布置有排流板8。

在电池的左侧壳体侧上设有动力混合装置，它在下面说明：

在垂直的电池壁1a和电极2的侧面棱边之间布置有左侧流动通道板9，这样构成左侧的流动通道10。在流动通道板9的上端部区段上构造有取液机构11。取液机构11的上棱边伸出超过电解质液面3a几毫米，这样当电池处在车辆典型的运动中时，电解质3溢出到取液机构11中，此时与上面溢出的同样大小的电解质容积在流动通道10的下端重新流出。

为了使电解质3的流出实现最优的电解质混合，设有导板12，它布置在流出通道板9的下棱边上并且在壳体底板1d和电极板2的下棱边2a之间延伸。在导板12的右侧棱边和热保护板5的左侧棱边之间保留有通流口13。

下面将说明混合装置的功能：

如果电池要加热并且电解质3要被混合，则加热轨4进行加热。加热轨4的能量可以由电池自身提取或者由外部的能量源提取。它通过热传导首先加热在热保护板5和壳体底板1d的区段1dt之间的电解质容积3b，上述区段借助加热轨4被加热。加热轨4在这个实施方式中是温度调节的，这样不会超出预定的最高温度。

已加热过的电解质3b基本上在流动通道7中向上流动并且在排流板8上近似流回电解质体积的中心，如借助示意的箭头示出的。通过这个电解质循环产生快速的热分配，也就是说，产生电池所有体积范围的快速加热，并且同时产生电解质3的希望的混合，以避免专业人员已知的有害的层积。

如果电池不允许加热，例如它由于高的气候外部温度已经是热的，则热混合装置不会接通。在这种情况下，只有动力混合起作用，如果车辆行驶，也就是说在加速时，始终有少量的电解质溢出到取液机构11中，向下下降并且借助导板12引导到电池中心。所绘的流动箭头表示电解质的流动方向。

本发明的特别的优点是，刚好在低的外部温度时可以同时使用两种混合效应，并且由此产生电解质的特别有效的混合和快速的加热。

图2示出了本发明的变型的实施方式。在排流板8和导板12中设有一些孔14、15。孔大小为，小孔为1mm，最大孔为3mm。孔的大小和分布通过试验确定，这样实现电解质的完全和快速的混合。该试验例如可以利用透明的电池箱模型进行，其中在液体中溶解颜料并且观察，颜料在加热轨加热后和/或在电池箱处在行驶典型的运动中时如何分布。这些措施对流动理论的专业人员是充分已知的，并且因此不需要详细说明。该实施方式是本发明的最好的实施方式。借助所述的实施方式专业人员可以完全获取本发明的技术理论。很明显，该实施方式可以通过专业人员借助根据本发明的理论进一步开发和改变或者组合。因此这些未明确列举或者示出的其它的实施方式也在下面的权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.具有混合装置的液体电解质电池加热装置，它具有：

a.加热器(4)和

b.液体电解质电池，该液体电解质电池具有：

-壳体(1)，该壳体具有壳体底板(1d)，

-电极(2)，该电极垂直布置在壳体(1)中，

-液体电解质(3)，以及

-加热器(4)，该加热器布置在壳体底板(1d)上，

其特征在于，

-所述加热器(4)单侧布置并且这样延伸，使得壳体底板(1d)的可加热的区域直角地在全部电极板(2)上延伸，

-在电池壳体(1)中布置有具有下述特征的热混合装置：

-在壳体底板(1d)和电极(2)的下棱边(2a)之间在加热轨(4)上方布置有热保护板(5)，其中该热保护板(5)的面积比壳体底板(1e)的可加热的区域的面积大至少20％，

-在其下面布置有加热器(4)的垂直的壳体壁(1b)与电极(2)的侧面棱边之间布置有第一流动通道板(6)，并且，

-在流动通道板(6)的上棱边上，在电解质液面的上方布置有水平的排流板(8)，该排流板的长度为电极板(2)的上棱边的长度的25％到70％之间，并且此外，

-在电池壳体(1)中布置有具有下述特征的动力混合装置：

-在其下面未布置加热器的壳体壁(1a)与垂直的电极棱边之间布置有第二流动通道板(9)，该第二流动通道板的上部区域构造成取液机构(10)，其中该取液机构(10)的上棱边伸出超过电解质液面(3a)几毫米，从而当电池处在车辆典型的运动中时，电解质(3)溢出到取液机构(10)中，并且

-在第二流动通道板(9)的下棱边上布置有导板(12)，该导板在壳体底板(1d)和电极下棱边之间延伸，其中在导板的右侧棱边和热保护板的左侧棱边之间保留有通流口(13)。

2.根据权利要求1所述的液体电解质电池，其特征在于，所述溢流板具有孔(14)。

3.根据权利要求1或2所述的液体电解质电池，其特征在于，所述导板具有孔(15)。

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