CN1030499A - 电池 - Google Patents

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彼得·约翰·比迪
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Abstract

本文公开了各种结构的电池，每种包括一个或多 个原电池阵列或多个原电池的串联配置，它们位于集 电板之间并由隔离元件和垫片分隔。

Description

电池
本发明涉及的是原电池，尤其是包含多个内连原电池的电池(battery)。
已知的原电池形式有许多种，以单一原电池到包含多个内连原电池的结构，这是按照提供所要求的存贮能量的需求而定的。
电池也能够分为两种主要的形式。一种是一次电池，它的寿命比较短，用完之后就丢掉了。这类电池通常是单一原电池；并且是用于电筒，收音机和玩具的。还有一种是二次电池，它用完之后可以再充电，因此具有较长的寿命。这种电池通常用来起动汽车，驱动铲车和电瓶车，以及作为建筑物或电话交流设备的备用电源。
一次电池和二次电池两者均可为碱性干电池，原电池还可为铅酸型电池。
最近，钠硫(Sodium Sulphur)二次电池逐步为人所知。这种电池具有重量轻，贮能量高和充电较快的优点。进一步讲，这种电池采用了钠和硫，这两者都是廉价而又丰富的材料。
在传统的铅酸蓄电池中，稀硫酸液态电解质把两个固态电极分隔开，与之不同的是，在钠硫电池中是由固态电解质-β氧化铝将两个液态电极即液态硫和钠电极分隔开来。
这种钠硫原电池示于图1中，它是部分被剖开的原电池透视图。
如图示，原电池包括一个呈正园柱形的压制的钢壳1，壳内装有一个β氧化铝的固态电解质杯2，电解质杯2盛有钠电极3，而在壳体1和杯体2之间的空间内盛有硫电极4。应用时，该原电池维持在大约350℃的温度，从而钠电极3和硫电池4是液体形式。
杯体2的敞口由α氧化铝绝缘盘5扣住。而壳体1由环形钢盘扣住。
壳体1作为硫电极4的端点，而钠电极3有一根伸长的金属电流收集极8，它由壳体1的轴向位置伸出盘5，并与装在盘5上的中央端盘7连接。这一必要的连接是焊接而成的。
β氧化铝的原子结构是这样的，它的作用尤如一个选择离子过滤器。当原电池放电时，钠离子从钠电极3中跑出来，经过电解质杯2与硫电极发生反应，从而形成硫化钠。这一反应的化学能便直接转换为电能。
当原电池充电时，钠和硫重新由硫化钠中分解出来，输入的电能便转换成化学能。
为做成一个能驱动车辆的原电池，大约需要3000个如上所述的原电池，它们先被配置成多个串连的原电池，再将由多个原电池构成的串联配置并联而形成阵列，而后将多个阵列串。联起来。
根据本发明的一个方面，所提供的蓄电池包括位于一对导电集电板之间的多个原电池或多个原电池构所的串联配置，每一集电板固定连接在其间的多个原电池或串联配置的相应端子上，每一原电池的端子或每一串联配置的终端由焊到端子上的导电金属条连到相邻的集电极上，该金属条有一悬空端通过集电板中的孔而焊到远离端子的集电板一侧。
根据本发明的一个目的，所提供的原电池包括多个并联的原电池或多个并联的原电池串联配置，有电缘绝隔离体置于相邻的原电池或原电池串联配置之间，隔离体是覆有电绝缘涂层的金属片。
根据本发明的另一个目的，所提供的蓄电池包括多个并联的电池或多个并联的原电池串联配置，有电绝缘隔离体置于相邻的原电池或原电池串联配置之间，每一隔离体包括一个伸长的部件，该部件周边形成有间隔的凹面，凹面与各个原电池或各个原电池串联配置接触。
根据本发明的进一步目的，所提供的原电池包括一个或多个原电池阵列或原电池串联配置的阵列，它们位于一对集电板之间，在与集电板之一的热连接中有一散热装置。每一阵列有一位于散热装置和集电板之间的内插电绝缘层。
根据本发明的又一个进一步目的，所提供的原电池包含于一个热绝缘壳中，这有助于将原电池维持在所要求的温度中。在这一热绝缘壳中，原电池的端子与伸出壳外的引线连接，在壳壁中的每根引线的长度大于壳壁的厚度。
对本发明的各种电池将参照附图以举例的方式加以描述。
图1是钠硫原电池部分剖开的透视图。
图2是表示两个图1中所示原电池的串联，
图3表示包括由多个位于一对集电板之间由原电池构成的串联配置形成的电池。
图4示明了图3配置的集电板的固定方法。
图5是在相邻原电池之间具有隔离体的原电池的平面图。
图6是类似于图5的但隔离体但形式不同的原电池的平面图。
图7是图6蓄电池的隔离体的侧视图。
图8是图7的隔离体的俯视图。
图9是包括两个原电池串联配置的阵列的原电池。
图2是部分为剖面的有两个原电池的蓄电池的侧视图。它包括一对由内插隔离部件分开的原电池，一个原电池的端子由固定在两个原电池端子上的导电部件连接在另一原电池的端子上。该导电部件通过隔离部件上的小孔伸出。
由上述的原电池并参照图1可知，导电部件能够焊接在一个原电池的中央端盘和另一原电池的壳体上，藉此将两原电池串联在一起。
隔离部件能够是任何绝缘材料，象陶瓷或瓷材料。也能预先制成环形；或在原位形成，例如在原电池间注入水泥材料。
隔离部件用来防止两原电池的壳体之间的接触，而允许一个原电池的中央端点与另一个原电池的壳体进行必要连接。
更特别的是，图2的原电池包括两个原电池20和21，每个原电池都有一个园柱壳体22作为一个端子而在壳体22的一端的中央端盘23作为另一端子。原电池20、21是头对底排的。使下面的原电池20(如图示)的中央端盘23与上面的原电池(如图示)的底面24相邻。在两原电池间插入绝缘陶瓷或绝缘瓷的环形隔离部件25。隔离部件25用来避免两原电池20，21的壳体22之间的接触。一个导电金属条26沿上面的原电池21的底面24伸展，并将金属条26的悬空端焊接在原电池21底面上。在其中央，金属条向下穿过隔离部件25的小孔27而与下面的原电池70的电流集电板28连接，并焊接在下面原电池20的中央端盘23上。从而，金属条26为下面的原电池20的中央端盘23和上面的原电池21的壳体22之间提供了必要的连接，而隔离部件25用于防止两个原电池20、21的壳体之间的直接接触。
显然，较大的原电池可安排所要求的若干原电池以顶对底的方式配置，用环形隔离部件插于每对相邻的原电池之间，并如上述通过焊接的条形导电体连接相邻的原电池。
为了获得按要求的储能量和电压的原电池，必需将多个原电池或由原电池串联而成的多个串联配置並联。例如参照图1或图2所描述过的实例。即将原电池的端点或原电池的串联配置的端点连在一起，现在参照附图3对这样的原电池进行描述，图3是原电池的部分侧视图。
该电池包括多个原电池的串联配置，它们位于一对导电集电板之间，每个集电板用来连接位于其间的相应串联配置的端点。
每一串联配置的端点通过焊接在端点上的导电金属条与相邻的集电板连接。该金属条的悬空端穿过集电板上的孔，焊接在远离端点的集电板一侧。
一块集电板(图中下面的一块)用来连接位于这些配置一端处的原电池的壳体。如果要求等电压，则串联配置中的其他相应原电池可通过位于其壳体间的导电部件连接。这样，原电池便拥有了若干呈並联连接的串联配置。
更为特别的是如图3所示，如参照图1和图2所做的描述一样，由三个原电池30而构成了多个串联配置，其中每一配置中的相邻原电池用隔离部件31分开，并用导电金属条32连接，各串联配置均并联在一对低碳钢集电板33之间。
每一集电板33都有一孔的矩阵，它们与多个原电池串联而成的串联配置的中央轴线对准。位于每一串联配置中的下部的原电池的壳体35(如图示)和位于每一串联配置中的上部的原电池30(如图示)的中央端盘分别由焊接在壳体35的中央或端盘36的中央的导电金属条连接到相邻的集电板33上。该金属条的悬空端穿过对准的孔34，并焊接在集电板33远离原电池的一侧。
这样，在每一串联配置中的原电池30形成串联，而这样的串联配置通过集电板进行并联。如图示，串联配置中的相应的原电池33的壳体35由导电部件38连接。导电部件38安排在原电池之间，从而在原电池中的每一原电池电平电压相等。
做为图3所述  电池的改进，在每一串联配置中的下面的原电池30可通过导电金属条37连接到邻近的集电板33上，该金属条37的悬空端焊接在原电池30的壳体35上，其起始的中央环部分从集电板33的对准孔34伸出。该环线部分而后分为两个悬空端部。悬空端部弯折过来处于远离原电池的集电板33的一侧表面，并焊在上面。
如上所述的原电池的优点是在相邻原电池和多个原电池的串联配置之间的连接电阻的阻值很低。
用图3所示的原电池，集电板对能够用多根拉杆连在一起，例如邻近每一个电池角上的拉杆。每一拉杆可以是一头有帽，另一头有螺纹，或两头都为螺纹。拉杆的各端可以任何便利的方式位于形成在集电板上的座中，以便保持一个平面结构，用螺母套住杆上的丝扣，并把集电板紧固在一起。至少在每一拉杆的一端装有陶瓷材料之类的绝缘垫圈，以便防止拉杆在集电板之间形成短路。
附图4所示的那样的配置表示面每一集电板33上均形成有座40。拉杆41穿在两个座40之间，下面的板33中的座容纳有一与拉杆41上的丝扣啮合的螺母42，而上面板33中的座容纳有一陶瓷绝缘热圈43、垫圈43由拉杆41上的头44扣住。通过旋紧螺母42，板33便可夹紧其间的原电池串联配置。
如上所述的原电池包括多个夹在一对集电板之间的原电池串联配置。必须确保的是在相邻的串联配置中的原电池之壳体不能接触，以避免产生不希望的短路。然而，最好是各串联配置之间靠得越近越好，以保持蓄电池尽可能地小。
因此，在一对集电板之间夹有多个原电池的蓄电池最好在相邻原电池之间有电绝缘隔离体。
隔离体最好在集电板之间整个距离上伸展。
如上所述，原电池可以是串联配置的，这的每个隔离体的长度最好基本与集电板之间的那些串联配置的长度相等。
隔离体可以是波纹板。每个波纹板的多个波纹分别与多个原电池或串联配置的部分外围接触，藉此保持相邻原电池或各串联配置为有一定间隔的阵列。
隔离体可由比如1.6毫米厚的铝板制成，该板涂有如火焰喷涂陶瓷矾土，碳化铬，或氧化镁等电绝缘材料。该板可被阳极氧化处理或涂上热阻釉瓷。
隔离体不仅隔绝相邻原电池同时还将原电池置于一完整的原电池阵列中；也用于给原电池阵列之中和集电板之间导热以使整个电池基本维持在同一温度上。
附图5是一个包括上述隔离体的原电池的平面图，原电池上面的集电板部分被剖开了。
如图示，若干由原电池构成的串联配置50排列在集电板51之间，在每一串联配置的端部的原电池50通过金属条52与邻近的集电板51电连接，如图3所示.这一原电池配置统一交错行排列，有波纹绝缘隔离体53置于行间。隔离体53用来使相邻行间的原电池互相电绝缘，而将原电池50维持在完整的阵列中其应有的部位处。如果必要或有要求，由隔离体53限定在各行中的相邻原电池50可由电绝缘垫块部件54分开。部件54或是伸展于原电池串联配置的全程，或是为各对相邻原电池的独立件。
附图6表示包括不同形式隔离体的原电池，每个隔离体都有一个伸在集电板51之间的长部件；并形成有三个间隔的周边凹面61，凹面与各个原电池50或各串联配置中的原电池相吻合，附图7和图8是这种隔离体60的侧视图和俯视图。
这种隔离体可由瓷材料制成，例如用葟青石、挤压而成，它们可以为任一长度，或适当的数目，这按要求而定。
虽然在图6所示蓄电池中，原电池之间的全部空间都填入了隔离体61，但如果能去掉若干行中的隔离体以便留出空间来的做法是值得考虑的。只要剩下的隔离体61是以按需要布置原电池50便可。
还有，如图所示，每个隔离部件都有纵向伸出的孔，以便冷却液流入原电池。
如上所述，一个完整的原电池可由排列在一对集电板之间的一个或多个原电池阵列或由原电池构成的多个串联配置构成。
这样的原电池包括与每一阵列的集电板之一进行热连接的散热装置。在散热装置与集电板之间插有内插绝缘层。来自阵列的热被传导到散热装置以便驱散之。
散热装置可以是有绝缘层的铝制成，它们适当方式涂在上面。
散热装置可以由两层其间带电加热元件的铝层制成，电加热元件至少可将原电池从冷开始加热。否则加热元件可置于单件散热装置中的槽中。
散热装置可用较薄的铝板制成，该铝板带有热解石墨箔。这种箔有各向异性较强的导热性，它在箔平面上高而在箔平面横向却低。铝片应带有多个销钉，置于箔中的各个孔中，藉此在铝片与箔之间传热。用这样的散热装置，可将来自原电池的热导至散热装置一侧将其扩散之。作为这样一种散热装置的改进，可将热解石墨片(Pyroliticgraphite foil)切成条，然后将其重新装配形成一个夹层，当热量只是在散热装置平面的一个方向通过时，该夹层具有较高的导热性。这样，将被排散的热就只通过该散热装置的一边进行散热。
图9示明了一个完整的原电池，它包括配置在每对集电板91之间的两个由原电池90的串联配置构成的阵列，阵列的下部集电板位于具有一个其间带有电加热元件93的公共铝制散热装置92上。在集电板91和散热装置92之间有一电绝缘层94。
如图9所示，一个原电池阵列的上部集电板91通过若干个杆95与另一原电池阵列的下部集电板91相连，从而将两个阵列串联起来。杆95可以由铝制成但其端部是不锈钢的。因此，杆95的端部可以易于焊到低碳钢集电板上。为了保持原电池的内阻尽可能低以焊接形式进行联接比较理想，不锈钢端部容易焊到铝杆上，而铝不能与低碳钢焊接。
另一方面，一块板可以被弯曲以作为一个阵列的上部集电板和相邻阵列的下部集电板，该板的中间部分伸进两个阵列之间，从而实际上取代了杆95。进而，如果可将一个阵列与相邻阵列的放置方向可颠倒，则可用一个“两倍尺寸”的集电板跨接这两个阵列。
可以通过沿集电板91的一边提供一个侧板96的方法改善集电板91中的电流分布，例如通过把一个铝条焊到图9所示的集电板91上，这样一个边板可有一个或多个接头片97，用于建立其间的电连接。
如果需要，可将散热装置92作为这个完整原电池的一个端子，只要将一个阵列的下部集电板91与之相连即可。
虽然图9所示的电池只包括两个原电池阵列，但很清楚，可将需求的若干阵列采用类似的连接方式连接从而获得一个具有要求参数的完整电池。
就应用而言，上述原电池通常是由热绝缘壳密封的，以便得到一个将温度保持于要求温度的原电池。可由两个间隔的钢层构成这一热绝缘壳，两钢层之间抽成真空以便获得良好的热绝缘特性。该壳的一端口初始时是打开的以便嵌入原电池，然后可以采用诸如绝缘材料或由热绝缘壳的余料构成的热绝缘层作为壁将开口封闭起来，但是，该绝缘壁有一部分或几部分是由电绝缘材料形成的，这是因为要使建立电池端子之间的电连接的导线通过。
考虑到电池能够有一高功率输出，因此与之连接的导线的实际直径为6mm。它可与原电池的多个端子相连並通过绝缘壁到热绝缘壳之外。
提供这样一种导线而带来的困难是：由于使其适于要求导线必要的尺寸(它指横截面尺寸)，它们还提供了一个良好的通路，使热量被导出  电池，但应当采得步骤将这种热耗降至最小。
所以，在这样一个原电池组件中，包括一个位于热绝缘壳中的电池，其端子与引出热绝缘壳的导线相连，位于热绝缘壳壁中的每一导线的长度最好大于该壳壁的厚度。
这样一种配置致使能使用具有足够功率输送能力的导线，同时将沿导线排出原电池的热耗限制为最小。
所用导线越长，电阻越大，因此必须小心以保证所用导线长度不会带来导线热点上升的问题。
作为一个例子，当导线直径为6mm时，在厚度为50mm的热绝缘壳壁中，导线的允许长度为120mm。
如上讨论的，在原电池组件的热绝缘壳壁间的温度是逐步变化的，所以导线应根据壁厚变化逐步延伸。借助于将壁内的每根导线卷绕成一个螺旋状通路，就会使导线逐步通过该壁。
此外，导线可以通过一个弯曲的或有适合长度的任何平面通路。导线的尺寸可随通路变化，以便在沿通路的所有位置处都可使导线具有要求的导热性。
虽然以上叙述的原电池包括钠硫原电池，但很清楚，上述原电池亦可和不同类型的原电池结合。

Claims (33)

1.一种原电池，其特征在于：有位于一对集电板之间的多个原电池或多个由原电池构成的串联配置，所述的每一集电板与位于其间的多个原电池或多个原电池的串联配置的相应端子相连，每个电池的端子或每个串联配置的终端通过焊到端子上的导电金属条与邻近的集电板相连，该金属条有悬空端，它们通过集电板中的一个孔並焊到远离该端子的集电板的另一侧。
2.权利要求1所述的原电池，其特征在于多个原电池的串联配置中，通过位于壳体之间的导电元件将串联配置中相应的原电池连接起来，从而，该电池包括了多个並联的原电池的串联配置。
3.权利要求1或2所述的原电池，其特征在于：借助多个拉杆将集电极紧固起来。
4.权利要求3所述的原电池，其特征在于，拉杆的一端位于集电板中形成的座中，以便保持齐平的设置，在每个拉杆的至少一端有一绝缘垫圈，以防止杆在集电板之间形成短路。
5.权利要求1所述的原电池，其特征在于在相邻原电池之间有绝缘隔离体。
6.权利要求5所述的原电池，其特征在于，所述隔离体在两集电板间全程距离内延伸。
7.权利要求5所述的原电池，其特征在于原电池是串联配置，每个隔离体沿位于集电板之间的串联配置的全长延伸。
8.权利要求5所述的原电池，其特征在于集电板由多个拉杆连在一起。
9.权利要求1所述的原电池，其特征在于，有多个由原电池构成的串联配置，其中，每一串联配置中的相邻原电池由一插入的隔离元件所分隔，一个原电池的一端通过一个导电元件连到相邻原电池的一端，所述导电原件固定在两个原电池的端子上且其伸出隔离元件的小孔。
10.权利要求9所述的原电池，其特征在于，导电元件焊到一个原电池的中心端盘和相邻原电池的壳体上，从而将原电池串联连接起来。
11.权利要求9或10所述的原电池，其特征在于，隔离元件由陶瓷或瓷材料制成。
12.权利要求9所述的原电池，其特征在于，隔离元件是通过在两个原电池之间注入材料而形成的。
13.一种原电池，其特征在于，有多个並联的原电池或多个並联的原电池串联配置，以及相邻原电池或串联配置之间的电绝缘隔离体，该隔离体呈金属片的形状，並有一电绝缘涂层。
14.权利要求13所述的原电池，其特征在于隔离体由阳极化铝片制成。
15.权利要求13所述的原电池，其特征在于，隔离体由涂覆有热阻搪瓷的金属片制成。
16.一种原电池，其特征在于，包括多个并联的原电池或多个并联的原电池串联配置，以及相邻原电池或串联配置之间的电绝缘隔离体，每一隔离体包括一个沿周边隔开的凹表面形成的伸长元件，这些表面与各个串联配置的多个原电池或多个原电池吻合。
17.一种原电池，其特征在于包括一个或多个位于一对集电板之间的原电池阵列或多个原电池的串联配置的阵列，还包括一个散热装置，与该阵列或每一阵列的一个集电板热连接所说阵列有一位于所述散热装置和集电板之间的电绝缘层。
18.权利要求17所述的原电池，其特征在于散热装置由其表面涂覆有绝缘层的铝制成。
19.权利要求17所述的原电池，其特征在于，散热装置由两层其间夹有电加热元件的铝层制成。
20.权利要求17所述的原电池，其特征在于一个加热元件位于散热装置中的槽内。
21.权利要求17所述的原电池，其特征在于，散热装置由带有热解石墨片的薄铝片构成。
22.权利要求21所述的原电池，其特征在于铝片上形成有多个销钉，销钉分另位于热解石墨片的孔中，用以在铝片和热解石墨片之间传热。
23.权利要求21所述的原电池，其特征在于，热解石墨片被切成条，然后重新装配以获得一个只在散热装置平面一个方向通过该散热装置时具有高导率的夹层，从而将扩散的热量导至该散热装置的一侧散热。
24.权利要求17所述的原电池，其特征在于，散热装置用于作为热流传导通路。
25.权利要求1或7所述的原电池，其特征在于，有两个原电池阵列，其中，阵列的下部集电板位于公共铝散热装置上。
26.权利要求25所述的原电池，其特征在于，一个原电池阵列的上部集电板通过若干导电杆与另一原电池阵列的下部集电板相连，从而将两个阵列串联起来。
27.权利要求26所述的原电池，其特征在于，集电板由不锈钢片制成而杆由其端部为不锈钢的铝材制成。
28.权利要求25所述的原电池，其特征在于，一块单板弯曲作为一个阵列的上部集电板和相邻阵列的下部集电板，该板的中间部分位于阵列之间。
29.一种由热绝缘壳封闭的原电池，该热绝缘壳有助于将有电池的温度保持在规定数值处。其特征在于，电池的端子与伸出热绝缘壳的导线连接，在热绝缘壳壁内的每根导线的长度大于室壁的厚度。
30.权利要求29所述的原电池，其特征在于热绝缘壳由两个间隔的金属层构成，金属层之间被抽成真空以得到良好的热绝缘特性。
31.权利要求29或30所述的原电池，其特征在于，位于壁内的每根导线被卷绕为螺旋状以使其逐步通过所述热绝缘壳壁。
32.权利要求29所述的原电池，其特征在于，导线的尺寸随通路变化以便在道路的各个位置都可得到需要的导热性。
33.权利要求1、9、13、16、17或29所述的原电池，其中的原电池是钠硫原电池。
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