CN1041483A - 用于机动车辆蓄电池的内静压泵 - Google Patents

Abstract

一种在蓄电池中应用的静压泵，该蓄电池经受速度或方向的突然变化，例如在高尔夫车中的蓄电池。蓄电池的原电池具有静压泵，利用其运动在电解液中产生表面波，以形成局部静压头并产生电解液循环。另外，泵的结构消除了由于速度或方向变化引起的电解液向上涌动的其它有害影响。

Description

本发明一般涉及蓄电池，特别是涉及受益于电解液循环的蓄电池。

众所周知，在蓄电池中例如典型的使用水硫酸或电解液的铅酸蓄电池，电解液由于密度变化而循环时容易成层。在充电和再充电时分层变得加剧並且影响蓄电池性能和减少蓄电池寿命。此外，周围热和内部产生热的有效分配成了问题，电解液基本上是静滞的。

用于提供电解液的缓循环和增加蓄电池热传导效率的简单和价廉的技术更难于得到。上述谈到的情况，在本发明较好实施例的详细叙述中将变得很明显。

按照本发明一个实施例的静压泵具有不动的部件并利用放置一个结合着本发明的蓄电池的车辆速度变化，以便完主混合蓄电池中电解液。按照本发明的一个实施例，隔板形状的静压泵与蓄电池容器边壁桥接並与底壁空间分开。隔板和边壁、底壁一起进一步形成一个口状区以接收电解液的横向移动表面波，还形成一个窄横截面的狭道，它与口状区相通。狭道向下延伸到蓄电池底部上方的一个点並且与泵外电解液剩余物连通。泵利用由于装有蓄电池的车辆运动引起晃动而在蓄电池电解液中产生的波。电解液的波横过的隔板在口状区收集波的一部分。这增加的电解液在口状区里产生一个静压头使电解液向下流动进入狭道並且向外进入电解液的主体。这个流动刺激电解液里流动液流，减少电解液成层並增加热传导效率。

通过正确遵守某些泵的参数，由产生横向移动表面波相同外力引起的电解液向上涌动的有害影响可以不计而无需依靠移动止回阀等。已确定的最重要参数是通常被称做压头箱的口状区的体积大小和口状区的平均水平横截面面积与狭道之比值。在一个较好实施例中，水平狭道横截面面积维持在沿狭道长度方向尽可能小的实用面积。已经确定通过扩大最大压头箱的体积并保证上述横截面比值在至少2.5以上，向上涌动的作用可减少到不影响所希望的泵操作的值。

本发明的一个较好的典型实施例将在此后叙述，其中同样数字表示同样元件。

图1是一个蓄电池的电池垂直切面，按照本发明较好的实施例，这里示出了一个单极板和一对静压泵元件。

图2是具有和图1一样的电池的蓄电池的顶视图。

图3是图1电池底表面平视图，示出淤渣板的安排。

图4是类似图1电池的底表面平视图，说明另一个淤渣板安排。

图5是一个类似图1而无电极板的截面图，说明灌入泵口电解液的波。

图6a和6b说明电池的两个走向，每个安排得可切实阻断速度和方向分别的变化引起的波。

图7a和7b说明本发明静压泵口之间的差异，其一是分叉电池边壁形成的，而另一个是分岔泵板形成的。

图8是一个曲线图，说明摇晃一段时间的电池顶部电解液的比重，以模仿起动和停止动作。

图9是一个类似于图8的曲线图，其中同一类型电池被改装为具有本发明的静压泵。

图10是一个比较曲线图，表示出标准蓄电池的放电容量与用静压泵改装的电池放电容量比较。

图11是一个比较曲线图，对比了一段时间内标准蓄电池的温度变化与改装电池的温度变化。

图12是一个根据本发明具有锥形泵的电池的侧视图。

一个波是在介质中例如液体中传播的扰动，其方式是，介质中任何一点上位移是时间的函数而在各瞬时任何点上的位移是那点位置的函数。当波经过介质区，该区中介质微粒被暂时移开，在波过去后又基本上回到原位。

一旦波被产生，它将连续移动直到被分子力或相同力或拉力消散为止;后者是由邻近或稍高于介质表面的静止物体产生。一个波，被传播去冲击在正常或静止介质表面上向外延伸一个短距离的薄宽表面，波将在这表面上移动，波的部分能量被消散于冲击表面並且继续移动。在该表面极近似于一个垂直表面情况下，波将被垂直表面反射，引起在横切薄宽表面相反方向上传播的二次波，並且作为减少能量的波继续前进，假设垂直表面在高于连续波的顶点时，在表面的下方就延伸有一个足够距离去改变基本完整的波的冲力。

和上述横向移动表面波密切相关的另一现象是引起表面波的相同外力产生的电解液向上涌动。当盛着的液体有一个速度变化，液体开始冲击背离加速方向上容器的壁。液柱直接向壁边上方移动然后下沉。

申请人认为上述现象表面波可用于消除某些电池中电解液的不希望的成层现象，从而向上涌动的相反现象可以减到最小的程度。为了做到这一点，申请人已利用了在动态环境中使用的电池中游离电解液中产生的波的能量，这动态环境如运动着的高尔夫车，叉车或汽车等，当电池，以及电解液经受方向和大小上的速度变化时，同时将不希望的向上涌流作用减到最小。根据本发明，表面波的能量被静压泵使用以便在电解液的局部区产生一个静压头，静压头在下面的电解液流中消散。另外，阻碍电解液的向上涌动可以通过遵照泵的一定尺寸参数而减到最小，其方式如下所述。所得到的液流减少了电解液的成层现象，增加了热传导效率，产生了一些其它的伴随优点。

参看图1，其中许多正、负电极元件12置于蓄电池电池10之中並浸入电解液14中。与电池壳体边壁16平行且隔开的是平面隔板（壁）24，如图2所示它的每端分别固定到对面的端壁20和22上。第二隔板（壁）26同样与边壁18平行並隔开，其每端固定到壁20和22上。每个隔板24和26在电解液14的表面14a上方和下方延伸，在上方延伸一个标有“d”的距离，表面14a是一个未受蓄电池10的冲力变化引起的外力来扰动的电解液表面，为了叙述方便，把它定义为电解液14的静止表面。

如图1所示，壁16迅速从隔板24岔开进入顶部16a。分叉在泵口（入口）28和窄狭道30之间形成一个梯坡以便把壁16，24之间的空间分成上部箱体和较低的，狭窄液流通道。梯坡可以倾斜如图1所示，或者基本上是水平的，换言之，是垂直于构架的其它壁。如所述，图2说明了一个具有多个电池10的蓄电池（用跨经蓄电池的虚线表示），具有沿纵向长度延伸的口28和34。采用由梯坡结构提供的从口到狭道水平横截面面积的快速或突然变化的优点在下面将更充分叙述。

狭道30终止在末端24a和电池10底部21之间形成的开口32（泵出口）上。类似地，隔板26和壁18的顶部18a形成通到狭道36的口34並终止在末端26a下形成的开口38上。不过，如所述末端24a和26a是稍高于淤渣架44，淤渣架44作为平面元件从电池10的底表面46向上延伸，去容纳从电极12脱落的沉淀物。在一个标准电池中淤渣架从一壁向另一壁延伸穿过蓄电池。如图3清楚看出的，淤渣架44是这样交错排列的，使沿表面46产生的电解液流可以无阻拦地移动但防止所收集的淤渣沉淀物显著位移。虽然淤渣架44的设计可以是任何一种所希望的排列，如图4所示替换排列，最好是使淤渣架的几何形状成这样，为了电解液的再分配，使电解液流以最有效的方式被引导。

现在参考图5，其中电解液14受到蓄电池容器10的线加速，线减速或方向改变，即角加速的扰动。一个波48被形成，它有一个超过距离d的波顶，当波48移动去冲击隔板24时，电解液的一部分位移到狭窄区並在其中被口28收集，然后口里充满电解液。口28所形成的局部区中的电解液现在具有一个与局部区外电解液静止表面相关的静压头，通过把电解液向下压入狭道30並从开口32排出，电解液开始自我平衡。液流持续直到静压头不再存在，即在局部区内外电解液的液平面相同。

静压头引起的循环把低密电解液泵入电解液底部内容积，产生电解液流。整个电解液再分配受到如此影响取决于往口34里注入的电解液的容积，提供这个容积所出现的波数，和电解液的全部容积。例如，一个典型组合24SLI蓄电池装有上述的静压泵，其口容积是6.5毫升，即那个容积是由静止表面14a和周围板片和壁表面确定的，每天经受50个波，整个电解液容积再分配大约每2.5天一次。对于那些还未发生成层现象的蓄电池，液流有助于防止电解液成层;另一方面，对于已经出现的成层现象将被很快消散。增进电解液流也就增加了内部热传递。这又增进了蓄电池能量密度和蓄电池寿命，因为均匀的电解液分配有效地改进电池充、放电性能，减少高密度硫酸局部区域产生的电极铅板腐蚀，和活性材料脱落。

当一个波峰冲击静止物体如壁16时，向相反方向运动的二次波就产生了。因为图1-3所说的实施例具有第二板片，即板片26，二次波可以有一高于距离d的高度（顶点），在口34形成的狭窄区内引起一个静压头，进一步刺激电解液经过开口38的循环。

所希望的是把口状区的容积尽可能增到最大而不妨碍蓄电池的正常操作和横向运动表面波的产生。一个大的口容积提供了较快的电解液的再分配，有助于制止电解液的向上涌动。在一个宽度约1.6″的典型电池中，按照较好的实施例，泵口具有基本上与电池一样的宽度，约0.5″的高度，和一个深度，即从隔板24到壁16的距离，约0.5″。在一个典型电池中，已经确定，应使用的口的深度至少是0.4″，最好是0.5″或更大。口的高度，即高度d，必须有一个允许大部分波横越板片的值並和四壁一起形成一个具有盛有足够电解液所需容积的口状区，以引起一个适当大的静压头。这样，在较好实施例中口状区的“容积”基本上是一个平行六面体，由它的高度“d”，电池的宽度，和口的深度“S”来决定。

按照本发明一个较好实施例，狭道30具有一个基本上恒定的水平横截面面积。有利的是，保证狭道30里的液流通道尽可能的窄，使表面面积对容积之比大。当电解液向上涌动发生，通到较大的电解液容积的狭道30的内表面在向上的涌流上产生一个增大的摩擦拉力。这样，在一个较好实施例中，狭道深度，隔板壁16到壁24的距离，最好是在。09″到.125″之间。

在减少向上涌流中认为是重要的另一个有效参数是从狭道的较小横截面面积到口的大横截面面积的变化。以一个速度在一个管路里流动的液体当它进入较大横截面的管路时流速减小。通过尽量扩大口的横截面面积，尽量减少狭道横截面面积，向上涌流被减到最小。在本发明的实施例中，口和狭道的水平横截面面积基本是恒定的，已经确定口的深度与狭道的深度比至少约2.5，这对于提供极小的向上涌流是必须的。

在横截面面积不保持恒定的泵的结构中，如在图12所说本发明一个实施例中，其中隔板100有一个不变的，向下通到壁110的斜坡，口和狭道的深度比一般是较大的。例如，已经确定对于图12的泵的不变斜坡，从隔板100顶部测得的口的深度至少一定是从隔板100底部测得狭道的深度的3倍那样大。

虽然对于指定典型蓄电池上述尺寸对于获得所希望的减少电解液成层，增加热传导效率是很适合的，其它口和狭道的尺寸可能更适合用于其它蓄电池中，只要泵的结构有增到最大口的容积和减到最小的狭道的容积，并且口对狭道的比足够大以防止向上液体的涌动。

对于特殊的应用，这样放置隔板或定位蓄电池可能更合适，即当电解液的波是由相反于线性加速或减速的车辆的突然角加速度产生时引起静压头。为了达到这点，隔板的定向完全垂直于变化方向，因为电解液的冲力将引起电解液在这个方向上继续移动。图6a和6b说明了不同的安排，图6a代表加速度定向电池，图6b代表方向变化定向电池。另一方面，车辆中的蓄电池的位置自己也可能按所希望的去变化，由于车辆方向改变引起的角加速度，线加速或线减速产生将要引起的静压头。

虽然图1所说较好实施例指出了离开隔板24分岔的壁16的顶部16a，应该知道壁16是一个平板，它和具有分支部分24a的隔板24一起形成口28。

图7a和7b分别说明壁16和隔板24分岔情况。在两种情况下，隔板24都可以作为分离部件而插入为此目的而设计的在原电池边壁中形成的严容隙的槽中，或与边壁形成一整体。

还有另一个改型可以通过把一个泵压制到原电池底部或将其从一个活顶延伸出来而得到。另一种这样的改型对于所希望的用途和电池形状是可行的，只要泵有能力在电池内狭窄区中由于电解液中的波而收集电解液，使得在狭窄区中产生静压头，电解液表面下方泵中的开口允许电解液外流到狭窄区外的电池容积中。

为了更清楚地说明结合有根据本发明的泵的蓄电池在清除电解液成层的效率，首先参考图8和9的曲线图。在每一情况下，使用了一个类似蓄电池的实验电池。两个高尔夫车蓄电池被使用。一个电池被改进到图1-3和5所示结构，在其两端具有静压泵。每一个泵是独立的，具有一个用作隔板壁的前壁，一对边壁和一个后壁。当泵放入电池时，其边壁和后壁刚好与电池的边壁和后壁邻接。每个泵伸出的槽口位于离容器边约0.5″处。一个试验设备被使用，在18英寸路径上每20秒来回移动每个蓄电池一次。每个蓄电池的方向是使流动电解液中产生的波朝向泵口。每个电池各有浸入电解液约1/2″到3/4″的T型热电偶。使用与PDP计算机相连的Doric    Digitrend    Model    220数据记录器收集数据。每个电池的盖有一个小通入口，它在实验时关闭但提供一个开口以便插入一个小直径比重计吸管。管足够长，能够放低到电解液的任何深度，在电解液中收集测定比重的样品。在90分钟放电周期里，每个电池经受一个20秒间隔的模拟停止/启动动作。在开始起动和停止模拟以前，在每个电池中比重测定是在电池顶部和底部进行的，而且是在15，30，60，和90分钟时间点上测定。从图8和9清楚看到，起动时存在着显著的成层现象。如图8蓄电池电池实验，成层现象变化很小。但在图9中清楚表明，在15分钟内具有静压泵改型的蓄电池电池中的成层现象减少到九分之一基本不存在了。这种状况持续直到90分钟实验才被完成。

图10表示上述电池的比较曲线图，其中每个电池的安培小时放电容量按照约70天为一个周期被测量。在一定的时间内蓄电池可允许保证静止。从曲线图清楚看到，当电池受到模拟动作时具有本发明泵的改装电池显示了较大放电容量。同样清楚的是，当蓄电池保支静止，在表现出极差性能的静止期间，放电容量常常变得与具有改型泵的电池容量一样。

图11的曲线图比较了在模拟起动和停止周期的放电期间作为时间函数的每个电池的测定温度。和前面描述的一样，所希望的是在运行期间保证整个蓄电池温度均衡。在一些方法中蓄电池中电解液循环被认为有助于热分配，这些方法例如是消除过充电，减少电池中峰值温度，提供更均匀的温度分配。不过，缺少好的热分配可能导致铅板材料的加速腐蚀，减少蓄电池的使用寿命。从图11曲线图明显看出，标准电池表现了一个持续温升增加，其速率是改型电池的2.5倍。在实验结束时，标准电池表示出一个大于2℃的温度。

应该懂得上面所述是本发明较好的典型实施例。在本发明的范围内其设计和构造可以进行改进，如附加的权利要求所表明的。

Claims (12)

1、一个用于受到速度变化的环境中的蓄电池，

所说电池具有一个完全包围一个容积的表面，该容积部分地充满电解液，

所说电池包含一个静压泵，其结构形成一个口状区和一个中空狭道，所说口状区在静止时完全置于所说电解液表面之上，以便当所说电解液受到所说电池速度变化的干扰时，去接收以横向移动表面波形式的电解液，从而在所说泵中产生一个静压头，所说狭道与所说口部相通，向下延伸，其终端开口进入所说电池，所说狭道从而提供一个通道以消散所说的静压头，

所说口状区和所说狭道有这样一个尺寸关系，使得由于所说电池的速度改变而在所说狭道中产生的电解液向上速度在进入所说口状区时明显减少。

2、权利要求1的蓄电池，其中所说的结构包含一个前壁，它在所说电解液的静止表面上方和下方延伸一个予定的距离。

3、权利要求2的蓄电池，其中所说的电池包含一个前壁和一个后壁和一对被隔开的边壁，所说的前壁与所说的后壁被隔开並且实际上跨过了被隔开的边壁之间的距离。

4、权利要求3的蓄电池，其中所说结构完全包围所说口状区並进而形成一个口状开口以接收从所说波来的所说电解液，所说结构与所说电池的边壁相互连接。

5、权利要求3的蓄电池，其中所说前壁有一个末端，它与形成所说终端开口的所述底表面相隔开。

6、权利要求5的蓄电池，其中所说前壁和所说后壁之一有一部分在所说电解液静止表面上方，与另一个所说前壁和所说后壁的一部分分岔开，从而在所说结构内部完全形成所说的口状区。

7、权利要求4的蓄电池，其中所说前壁与所说电池的所说边壁整体地连接並和所说边壁和所说后壁一起形成所说口状区和所说狭道。

8、一个蓄电池包含一个壳体，一个部分地充满壳体的电解液，和浸入电解液中的正，负电极，其特征是：

一个静压泵向下循环壳体中接近上表面的电解液到接近壳体底壁的位置，泵具有

一个入口，置于壳体中电解液静止上表面之上方，用来接收由于电池移动在电解液上表面形成横向移动波的溢流。

一个出口，置在接近于箱体的底壁的位置上;

一个箱体用于接收电解液溢流並在电解液静止液面上方形成电解液静压头;和

一个充满电解液的无阀通道，由于静压头施加的压力而从箱体到出口向下传送电解液，並阻止电池移动产生的电解液的向上流动。

9、权利要求8的蓄电池，其中静压泵安置在与壳体边壁相邻，在横向偏离电极的位置上。

10、权利要求3的蓄电池，进一步包含一对静压泵，它们安置在其间插有电极的壳体的两相对面上。

11、权利要求8的蓄电池，其中箱体具有一个一般用直线围着的横截面形状，包含一对完全平行的边壁和一个完全垂直于边壁的底壁，並沿壳体边壁纵向延伸，入口是箱体上部的一个开口，通道经箱体底壁中开口与箱体相通，通道有一个完全均匀的宽度，它小于入口的宽度。

12、权利要求11的蓄电池，其中通道包含一对加长的，平面的，平行的内壁和外壁，其内壁有一出口。

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