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In
einem Kraftfahrzeug vorgesehene Batterien haben die Aufgabe, die
für das
Starten des Verbrennungsmotors notwendige Energie zu liefern, die eingeschalteten
elektrischen Verbraucher bei Motorstillstand mit Energie zu versorgen
und die vom Generator zur Ladung der Batterie abgegebene elektrische
Energie zu speichern.
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Eine
Batterie besteht aus mehreren Zellen. Jede Zelle weist eine positive
Elektrode, eine negative Elektrode, einen Elektrolyten als elektrisch
leitende Flüssigkeit
und einen Zellenbehälter
auf. Als Ausgangswerkstoff für
die Elektroden wird Blei verwendet. Als Elektrolyt ist mit Wasser
verdünnte
Schwefelsäure
vorgesehen. Während
des Ladens einer Fahrzeugbatterie wird die vom Generator des Fahrzeugs abgegebene
elektrische Energie durch chemische Reaktionen gespeichert. Im Rahmen
der Entladung der Batterie werden diese chemischen Reaktionen rückgängig gemacht,
wodurch die gespeicherte elektrische Energie freigesetzt wird.
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Vor
dem Laden einer Batteriezelle bestehen die beiden Platten einer
Zelle aus weißem
Bleisulfat. Während
des Ladens werden Elektronen durch die Wirkung einer angelegten
Gleichspannung von der Plusplatte abgeführt und auf die Minusplatte übertragen.
Dadurch wird das Bleisulfat an beiden Platten in seine Bestandteile
Blei und den Säurerest
zerlegt. Der Säurerest
spaltet im Elektrolyten ein Wassermolekül in seine Bestandteile Wasserstoff
und Sau erstoff auf. Der Säurerest
verbindet sich mit dem Wasserstoff, wobei Schwefelsäure gebildet
wird. Der Sauerstoff wandert zur Plusplatte und verbindet sich dort
mit dem Blei zu Bleidioxid. Das Blei der Minusplatte geht keine
neue Verbindung ein. Nach dem Laden besteht zwischen dem Pluspol
und dem Minuspol der Batteriezelle eine Spannung von etwa 2 Volt.
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Aus
der
DE 32 21 161 C2 ist
ein Verfahren zum Minimieren von auf Fremdströme zurückgehenden Zellenungleichgewichten
in einem sekundären elektrochemischen
Energiespeicher bekannt. Zu diesem Zweck werden die Zellen in zwei
jeweils in Reihe geschaltete Gruppen unterteilt. Zum Laden wird
die Verbindung der Gruppen gelöst,
die zugehörigen Pole
der Gruppen an die Ladespannung angeschlossen und die beiden Pole
der Batterie miteinander verbunden. Durch dieses Umschalten wird
erreicht, dass diejenigen Zellen, die während des Aufladens der Batterie
Endzellen waren, während
des Entladens der Batterie zu mittleren Zellen werden. Weiterhin
werden diejenigen Zellen, die während
des Aufladens der Batterie mittlere Zellen waren, während des Entladens
der Batterie zu Endzellen.
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Aus
der
DE 198 22 181
A1 ist ein mehrzelliger Blei-Säure-Akkumulator bekannt, bei dem die einzelnen
Zellen parallel zueinander in einem Blockkasten angeordnet sind.
Weiterhin besitzen bei diesem bekannten Akkumulator die Wandungen
an den Stirnseiten des Blockkastens ein höheres thermisches Isolationsvermögen als
die übrige
Wandung des Blockkastens. Dadurch wird erreicht, dass die im Falle
einer Hochstrombelastung am meisten gefährdeten Zellen des Akkumulators
gegen Wärmeeinflüsse geschützt sind.
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Vorteile der
Erfindung
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Eine
Fahrzeugbatterie mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen weist
demgegenüber
den Vorteil auf, dass ein vorzeitiges Batterieversagen durch einen
Ladungsmangel in Folge ungleichmäßiger Entladung
jeder einzelnen der Elektroden der Fahrzeugbatterie verhindert wird.
Dies wird im Wesentlichen dadurch erreicht, dass eine Fahrzeugbatterie
gemäß der Erfindung
Elektroden aufweist, deren Höhe
wesentlich kleiner ist als die Höhe
der Elektroden einer herkömmlichen,
standardisierten Fahrzeugbatterie. Dadurch wird der Nachteil herkömmlicher
Elektroden vermieden, wonach im Falle einer Hochstrombelastung eine
Ungleichbeanspruchung der Elektroden in dem Sinne auftritt, dass
die zum Stromfluss benötigten
Elektronen dem oberen Bereich der jeweiligen Elektrode entnommen
werden und die entstehende Säureschichtung
im Fahrzeugbetrieb nicht durch Gasung ausgeglichen werden kann.
Weiterhin wird dadurch verhindert, dass die durch die bei herkömmlichen
Batterien auftretende höhere
Säuredichte
in den unteren Bereichen der Elektroden bedingte Gegenspannung eine
ausreichende Wiederaufladung der Batterie nicht ermöglicht.
Durch die Reduzierung dieser Ungleichbelastung der Elektroden ist
die Wahrscheinlichkeit eines frühzeitigen
Batterieausfalls im Vergleich zu herkömmlichen, standardisierten
Fahrzeugbatterien wesentlich verringert.
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Da
bei einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie
die erforderliche Batteriekapazität bei Beibehaltung der Elektrodenanzahl
nicht erreicht werden kann, werden bei dieser Ausführungsform
mehrere der erfindungsgemäßen Batterien
parallel geschaltet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird die erforderliche Batteriekapazität dadurch
erreicht, dass die Breite der Batterie und die Breite jeder einzelnen
Batteriezelle im Vergleich zu herkömmlichen standardisierten Batterien
vergrößert werden.
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Da
ein erfindungsgemäßer Aufbau
einer Batterie neuartige Batterietypen charakterisiert, die außerhalb
der bisher gültigen
Normen liegen, können
in vorteilhafter Weise auch die Anzahl und die Dicke der Elektroden
an die je weils vorliegenden Bedürfnisse eines
Fahrzeugs angepasst werden.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
beispielhafter Erläuterung
anhand der Figuren. Es zeigt
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1 eine
Skizze zur Erläuterung
des Aufbaus einer herkömmlichen
wartungsfreien Kraftfahrzeugbatterie,
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2 Skizzen
zur Veranschaulichung einer herkömmlichen
Batterie und zweier erfindungsgemäßer Batterien und
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3 Skizzen,
die den Anschluss der in der 2 gezeigten
Batterien an ein Fahrzeugbordnetz zeigen.
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Die 1 zeigt
eine Skizze zur Erläuterung des
Aufbaus einer herkömmlichen
wartungsfreien Kraftfahrzeugbatterie, die eine Nennspannung von 12
V zur Verfügung
stellt. Die Batterie hat insgesamt 6 Batteriezellen, von denen jede
eine Nennspannung von 2 V hat. Zwischen den einzelnen Batteriezellen sind
Trennwände
vorgesehen.
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Die
in der 1 dargestellte Batterie wird von einem Blockkasten 7 begrenzt,
der aus einem isolierenden, säurebeständigen Werkstoff
hergestellt ist, beispielsweise aus Hartgummi oder aus Kunststoff.
Der Blockkasten 7 wird von einem Blockdeckel 1 verschlossen.
Innerhalb jeder Batteriezelle ist ein Elektroden- bzw. Plattenblock
vorgesehen, der aus je einem negativen und positiven Plattensatz
besteht. Die Plusplatten 9 sind jeweils von einem Taschen- oder
Folienseparator umhüllt.
Dies hat zur Folge, dass zwischen den Plusplatten 9 und
den Minusplatten 10 kein Kurzschluss durch herunterfallenden Bleischlamm
entstehen kann. Die Platten jedes Plattensatzes sind durch Plattenverbinder 6 miteinander verbunden.
Die ein zelnen Batteriezellen sind über Zellenverbinder 3 miteinander
kontaktiert. Die einzelnen Platten bestehen aus Bleigittern, in
denen sich die aktive Masse befindet. Diese besteht aus gepresstem
Bleipulver, das mit verdünnter
Schwefelsäure
vermischt ist. Durch diese Mischung wird erreicht, dass während des
Ladevorganges und des Entladevorganges der Batterie möglichst
viel Blei an den chemischen Reaktionen teilnimmt.
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Mit
der Bezugszahl 2 ist eine Polabdeckkappe bezeichnet, unterhalb
derer sich ein aus der 1 nicht ersichtlicher Endpol
der Batterie befindet. Der andere Endpol der Batterie ist mit der
Bezugszahl 4 versehen.
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Zwischen
den oberen Enden der Platten 9, 10 und dem Blockdeckel 1 befindet
sich ein Gasraum 11. Mit der Bezugszahl 5 sind
Fritten bezeichnet. Bei diesen handelt es sich um poröse Filterplättchen aus Keramik
oder Kunststoff, deren Aufgabe darin besteht, Säuretröpfchen im austretenden Gas
zurückzuhalten
und einen Zündschutz
gegen Funken darzustellen. Das untere vordere Ende der in der 1 dargestellten
Batterie wird von einer Bodenleiste 8 gebildet.
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Die
Minusplatten 10 sind jeweils in Form eines Bleigitters
realisiert, das aus einer Blei-Kalzium-Legierung besteht. Dies hat
den Vorteil, dass die Selbstentladung und der Wasserverbrauch der
Batterie sehr gering sind, so dass auf Verschlussstopfen zum Nachfüllen von
destilliertem Wasser verzichtet werden kann.
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Batterien,
wie sie in der 1 gezeigt sind, sind standardisiert
bzw. normiert, insbesondere im Sinne von DIN-Vorschriften. Durch
diese Standardisierung werden bezüglich einer Batterie vorgegebener
Nennleistung und Batteriekapazität
unter anderem die Abmessungen der Batterie und die Anzahl der Batteriezellen
vorgegeben. Dies ist für
eine herkömmliche
standardisierte 12V-Batterie in der
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2a veranschaulicht. Die dort gezeigte Batterie
hat eine Breite b und eine Höhe
h. Sie weist insgesamt sechs Batteriezellen auf. Die in den Batteriezellen
angeordneten Platten bzw. Elektroden haben eine Höhe h2. Der über den
Elektroden befindliche Gasraum hat eine Höhe h1. Die Breite einer Batteriezelle
beträgt
b1. Alle diese Abmessungen sind durch einen jeweiligen Standard
festgelegt.
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Moderne
Fahrzeuge weisen eine zunehmende Anzahl von Verbrauchern auf, die
kurzzeitig hohe Ströme
benötigen,
die nicht ausschließlich über den Generator
des Fahrzeugs dargestellt werden können. Zu diesen Verbrauchern
gehört
beispielsweise eine elektrische Lenkunterstützung im Stand und eine elektrohydraulische
Bremse.
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Bei
einer derartigen Hochstrombelastung tritt eine Ungleichbeanspruchung
der Platten bzw. Elektroden der Batterie auf. Dabei wird im oberen
Bereich der jeweiligen Elektrode Strom entnommen. Die dadurch entstandene
Säureschichtung
kann im Fahrzeugbetrieb nicht durch eine Gasung ausgeglichen werden.
Die höhere
Säuredichte
im unteren Bereich der Elektroden bestimmt die Gegenspannung und verhindert
eine ausreichende Wiederaufladung der Batterie. Treten derartige
Effekte während
des Fahrzeugbetriebes des öfteren
auf, dann kann es zu einem frühzeitigen
Ausfall der Batterie kommen.
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Ein
derartiger frühzeitiger
Batterieausfall kann verhindert werden, wenn Batterien verwendet werden,
wie sie in den 2b und 2c gezeigt
sind.
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Die
in der 2b gezeigte Batterie zeichnet sich
im Vergleich zu der in der 2a gezeigten, standardisierten
Batterie insbesondere dadurch aus, dass ihre Elektroden eine Höhe h2' aufweisen, die wesentlich
niedriger ist als die Höhe
h2 der Elektroden der in der 2a dargestellten,
standardisierten Batterie. Beispielsweise gilt: 1/3h2 < h2' < 2/3h2.
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Durch
diese Reduzierung der Höhe
der Elektroden tritt eine gleichmäßigere Beanspruchung der Elektroden
der Batterie im Falle einer Hochstrombelastung auf. Die vorhandenen
Oberflächen
der Elektroden werden vollständig
ausgenutzt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise auch die Säureschichtung
reduziert. Dies wiederum erlaubt ein vollständiges Wiederaufladen der Batterie,
da einem externen Laderegler der Batterie nicht durch eine gebildete
Gegenspannung vorgetäuscht
wird, die Batterie sei bereits wieder aufgeladen.
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Die
vorgenommene Reduzierung der Höhe der
Elektroden erlaubt es auch, die Höhe des Batteriegehäuses und
damit der gesamten Batterie kleiner zu wählen als bei der in der 2a gezeigten, standardisierten Batterie.
Für die
Höhe h' der in der 2b gezeigten Batterie gilt beispielsweise: 1/3h < h' < 2/3h.
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Da
mittels der in der 2b gezeigten Batterie
dieselbe Nennleistung bzw. Kapazität wie mittels der in der 2a dargestellte Batterie bereitgestellt werden
soll, ist ihre Breite b' größer als
die Breite b der in der 2a gezeigten,
standardisierten Batterie. Beispielsweise gilt: 1/3b' < b < 2/3b'.
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Die
Anzahl der Batteriezellen der in der 2b gezeigten
Batterie stimmt mit der Anzahl der Batteriezellen der in der 2a dargestellten Batterie überein.
Die Breite b1' einer
Batteriezelle der in der 2b gezeigten
Batterie ist jedoch größer als die
Breite b1 der in der 2a gezeigten
Batterie. Damit wird sichergestellt, dass auch mittels einer Batteriezelle
der in der 2b dargestellten Batterie eine
Spannung von 2V bereitgestellt werden kann.
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Durch
die beschriebene Reduzierung der Höhe der Elektroden kann auch
die Höhe
des oberhalb der Elektroden vorgesehenen Gasraums reduziert werden.
Es gilt: h1' < h1.
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Die
in der 2c gezeigte Batterie zeichnet sich
im Vergleich zu der in 2a dargestellten, standardisierten
Batterie ebenfalls insbesondere dadurch aus, dass ihre Elektroden
eine Höhe
h2' aufweisen, die
wesentlich niedriger ist als die Höhe h2 der Elektroden der in
der 2a dargestellten Batterie. Es
gilt ebenfalls: 1/3h2 < h2' < 2/3h2.
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Auch
durch diese Reduzierung der Höhe
der Elektroden tritt eine gleichmäßigere Beanspruchung der Elektroden
der Batterie. im Falle einer Hochstrombelastung auf. Die vorhandenen
Oberflächen der
Elektroden werden vollständig
ausgenutzt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise auch die Säureschichtung
reduziert. Dies wiederum erlaubt ein vollständiges Wiederaufladen der Batterie,
da einem externen Laderegler der Batterie nicht durch eine gebildete
Gegenspannung vorgetäuscht
wird, die Batterie sei bereits wieder aufgeladen.
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Die
vorgenommene Reduzierung der Höhe der
Elektroden erlaubt es auch, die Höhe des Batteriegehäuses und
damit der gesamten Batterie kleiner zu wählen als bei der in der 2a gezeigten, standardisierten Batterie.
Für die
Höhe h' der in der 2c gezeigten Batterie gilt beispielsweise: 1/3h < h' < 2/3h.
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Die
Breite b der in der 2c gezeigten Batterie
stimmt mit der Breite b der in der 2a dargestellten,
standardisierten Batterie überein.
Die Anzahl der Batteriezellen der in der 2c gezeigten
Batterie stimmt mit der Anzahl der Batteriezellen der in der 2a dargestellten Batterie ebenfalls überein.
Weiterhin stimmt auch die Breite b1 einer Batteriezelle der in der 2c gezeigten Batterie mit der Breite b1 einer
Batteriezelle der in der 2a dargestellten Batterie überein.
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Um
dieselbe Nennleistung bzw. Batteriekapazität bereitstellen zu können, wie
sie bei der in der 2a gezeigten Batterie
vorliegt, ist eine Parallelschaltung mehrerer derartiger Batterien
notwendig, wie sie noch im Zusammenhang mit der 3c veranschaulicht
wird.
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Durch
die beschriebene Reduzierung der Höhe der Elektroden kann auch
die Höhe
des oberhalb der Elektroden vorgesehenen Gasraumes reduziert werden.
Es gilt: h1' < h1.
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Die 3 zeigt
Skizzen, die den Anschluss der in der 2 gezeigten
Batterien an ein 12V-Fahrzeugbordnetz zeigen.
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In
der 3a ist der Anschluss der in der 2a dargestellten herkömmlichen, standardisierten
12V-Fahrzeugbatterie
an die Plus- und die Minusleitung des 12V-Fahrzeugbordnetzes BN
dargestellt. Die Abmessungen dieser Batterie sind standardisiert. Die
Höhe der
Elektroden ist h2.
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In
der 3b ist der Anschluss der in der 2b dargestellten, erfindungsgemäßen 12V-Fahrzeugbatterie
an die Plus- und die Minusleitung des 12V-Fahrzeugordnetzes BN dargestellt.
Die Höhe dieser
Batterie ist kleiner als die Höhe
der in der 3a gezeigten standardisierten
Batterie, beispielsweise halb so groß. Die Breite dieser Batterie ist
größer als
die Breite der in der 3a gezeigten Batterie,
beispielsweise doppelt so groß.
Die Höhe h2
der Elektroden dieser Batterie ist kleiner als die Höhe h2 der
in der 3a dargestellten standardisierten
Batterie, beispielsweise halb so groß. Die benötigte Batteriespannung wird
von insgesamt sechs Batteriezellen zur Verfügung gestellt, die jeweils
doppelt so breit sind wie die Batteriezellen der in der 3a gezeigten, standardisierten Batterie.
Die benötigte
12V-Gleichspannung
ist an den Endpolen der Batterie abgreifbar, wobei der Pluspol der
Batterie mit der positiven Versorgungsleitung des Fahrzeugbordnetzes
und der Minuspol der Batterie mit der Minusleitung des Fahrzeugbordnetzes
verbunden ist.
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In
der 3c ist der Anschluss der in der 2c dargestellten, erfindungsgemäßen Fahrzeugbatterie
an die Plus- und die Minusleitung des 12V-Fahrzeugbordnetzes BN
dargestellt. Zur Erzielung der benötigten Batteriekapazität sind zwei
derartige Batterien parallel geschaltet. Die Pluspole der beiden
Batterien sind jeweils mit der positiven Versorgungsleitung des
Fahrzeugbordnetzes und die Minuspole der beiden Batterien jeweils
mit der negativen Versorgungsleitung des Fahrzeugbordnetzes verbunden.
Die Höhe
dieser Batterien ist jeweils kleiner als die Höhe der in der 3a gezeigten
standardisierten Batterie, beispielsweise jeweils halb so groß. Die Breite
dieser Batterien ist jeweils dieselbe wie die Breite der in der 3a gezeigten standardisierten Batterie.
Jede der in der 3c gezeigten Batterien
weist sechs Batteriezellen auf. Die Breite dieser Batteriezellen
stimmt mit der Breite der Batteriezellen der in der 3a gezeigten
Batterie überein.
Die Höhe
h2' der Elektroden
der in der 3c gezeigten Batterien
ist kleiner als die Höhe
h2 der in der 3a dargestellten standardisierten
Batterie, beispielsweise halb so groß.
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Die
Vorteile der in den 3b und 3c dargestellten Batterien im Vergleich
zu der in der 3a dargestellten standardisierten
Batterie bestehen insbesondere darin, dass bei Hochstrombelastungen aufgrund
der reduzierten Höhe
der Elektroden die Oberflächen
der Elektroden vollständig
und gleichmäßig ausgenutzt
werden können.
Dadurch wird das Auftreten einer Säureschichtung vermieden. Dies
erlaubt ein vollständiges
Wiederaufladen der Batterien unter Verwendung eines externen Reglers,
da im Unterschied zu bekannten standardisierten Batterien in den
unteren Bereichen der Elektroden keine Gegenspannung auftritt, die
dem externen Regler fälschlicherweise
das Vorliegen einer aufgeladenen Batterie vortäuscht.