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Die
Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie,
wie z. B. eine Blei-Säure-Batterie, die z.
B. als Starterbatterie in Fahrzeugen eingesetzt wird.
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Das
Bestreben der Fahrzeugindustrie nach Leichtbauweise betrifft auch
die Einsparung von Batteriegewicht. Gleichzeitig steigt jedoch die
Anforderung nach höherer
Batterieleistung, da neben der herkömmlichen Energie zum Starten
z. B. eines PKW auch Energie für
zusätzliche
Aggregate wie elektrische Fensterheber, Stellmotore zum Verstellen
der Sitze oder auch zum elektrischen Beheizen der Sitze benötigt wird.
Ferner ist es wünschenswert,
die Batterieleistung über
die Lebensdauer der Batterie möglichst
auf einem konstanten hohen Niveau zu halten, da zunehmend auch sicherheitsrelevante
Funktionseinheiten wie Lenkung und Bremsen elektrisch gesteuert
und betätigt
werden. Unter Batterieleistung wird nachfolgend die Kapazität der Batterie
sowie die Fähigkeit
der Batterie zur Stromabgabe bzw. zur Stromaufnahme verstanden.
Die Batterieleistung wird von verschiedenen, dem Fachmann bekannten Faktoren
beeinflußt.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um die Leistung
einer Flüssigelektrolytbatterie,
wie z. B. einer Blei-Säure-Batterie zu erhöhen. Ein
besonderes Problem bei diesen Batterien ist, daß die Batterieleistung eine
starke Abhängigkeit
von der Batterietemperatur aufweist. In einem zulässigen Betriebsbereich
ist mit einem Kapazitätsrückgang von
ca. 0,6 bis 0,8% pro Grad Celsius oder mehr zu rechnen. Wird angenommen,
daß eine optimale
Betriebstemperatur bei ca. 30 Grad Celsi us liegt und die Batterie
bei minus 20 Grad Celsius betrieben wird, um z. B. den Anlasser
eines Fahrzeugs zu betätigen,
dann würde
diese Batterie nur noch ca. 60% ihrer Kapazität aufweisen. Es ist jedoch
dem Fachmann bekannt, daß weitere
Einflußfaktoren
die Kapazität
der Batterie verringern. Ein wesentlicher Einflußfaktor ist die sogenannte
Stratifikation der Säure,
d. h. die Säurekonzentration
ist bezüglich
der Elektrodenfläche
nicht gleichmäßig. Das
bewirkt, daß die
Elektroden an Stellen, an denen die Säurekonzentration zu hoch ist,
korrodieren, so daß sich
die Lebensdauer der Batterie vermindert, und an den Elektrodenstellen,
an denen die Säurekonzentration zu
gering ist, erreicht die Batterie nicht ihre volle Leistung.
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Es
ist allgemein bekannt, daß Fahrzeuge
mit einer Brennkraftmaschine, die längere Zeit, z. B. mehr als
8 Stunden, bei Temperaturen unter Null Grad Celsius gestanden haben,
sich besser starten lassen, wenn die ausgekühlte Batterie vor dem Start angewärmt wurde.
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Die
Batterieheizvorrichtungen können
nach verschieden Gesichtspunkten klassifiziert werden.
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Eine
Gruppe betrifft die Heizung der Batterie durch Wärmeaustausch. So wurde z. B.
vorgeschlagen, an der Außenwand
einer Batterie Wärmetauscherrohre
vorzusehen, durch die warme Motorkühlflüssigkeit geleitet wird.
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Vielfach
wurden auch elektrische Heizungen vorgeschlagen, wobei diese Gruppe
in zwei Untergruppen geteilt werden kann.
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Es
gibt eine Reihe von Ideen, Heizfolien oder ähnliche Heizelemente an der
Außenwand
oder auch in der Batterie selbst anzuordnen und die elektrische Energie
extern zuzuführen,
z. B. bei einem in einer Garage parkenden Fahrzeug aus einem 220
V Netzanschluß.
Hier steht immer genügend
Energie zur Verfügung,
so daß die
Batterie unabhängig
von der Außentemperatur
auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden kann. Ebenso
ist es möglich,
die Energie aus der Lichtmaschine zu entnehmen, wenn das Fahrzeug
fährt.
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Bei
der zweiten Untergruppe wird die Energie zur Beheizung der Batterie
aus dieser selbst entnommen. Das ist dann erforderlich, wenn das
Fahrzeug auf der Straße
abgestellt ist und keine Möglichkeit
besteht, elektrische Energie von außen zuzuführen. Es wurde bereits vorgeschlagen,
die Batterie thermisch gut zu isolieren und mittels der Selbstheizung
auf einem möglichst
optimalen Temperaturniveau zu halten. Diese Methode ist nur sinnvoll,
wenn das Fahrzeug lediglich ca. 8 bis 15 Stunden steht und auskühlt und
danach das Fahrzeug wieder benutzt wird, d. h. die thermische Isolation
der Batterie muß so
gut sein, daß die
Batterie in diesen ca. 8 bis 15 Stunden durch die Selbstheizung
auf dem gewünschten
Temperaturniveau gehalten werden kann.
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Wenn
das Fahrzeug jedoch mehrere Tage steht, reicht der Energiegehalt
der Batterie nicht aus, um selbst eine gut isolierte Batterie auf
der wünschenswerten
Temperatur zu halten. Es ist für
solche Fälle
notwendig, die Batterie erst dann zu erwärmen, wenn ein Start des Fahrzeugs
vorgesehen ist.
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Es
wurde daher mehrfach vorgeschlagen, die kalte Batterie erst kurz
vor dem Start des Fahrzeugs zu erwärmen. Eine von mehreren Möglichkeiten,
eine Batterie schnell zu erwärmen,
ist ein Wärmeeintrag
am Batterieboden.
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Es
wurde daher in der
DE
100 14 848 C2 vorgeschlagen, die Batterie auf eine Wärmeplatte
zu stellen, wobei es in diesem Zusammenhang unerheblich ist, ob
es sich um eine herkömmliche
elektrisch beheizbare Wärmeplatte
handelt oder – wie
bei der
DE 100 14
848 C2 – um
eine Abwärme
erzeu gende elektronische Baugruppe, die eigentlich für andere
Zwecke eingesetzt wird.
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Eine
Starterbatterie hat wie jeder materielle Körper eine vorbestimmte Wärmekapazität. Um eine kalte
Batterie auf ein vorbestimmtes Temperaturniveau anzuheben, muß eine vorbestimmte
Wärmeenergie
eingebracht werden. Es ist wünschenswert, daß die Batterie
in möglichst
kürzester
Zeit erwärmt werden
kann. Das ist nur möglich,
wenn die Wärmeplatte
entsprechend stark beheizt wird.
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Da
sich jedoch die Wärme
auf Grund der schlechten Wärmeleitung
der Säure
nur relativ langsam verteilt, d. h. ein Temperaturausgleich nur
langsam erfolgt, kann es an den Stellen, wo die Wärmeenergie
eingetragen wird, zu Elektrodenschäden kommen. Dem Fachmann ist
bekannt, daß eine
Blei-Säure-Batterie
bereits bei kurzzeitiger Überhitzung,
z. B. bei über
50 Grad Celsius irreversibel geschädigt werden kann.
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Daher
steht der Forderung nach einer schnellen Erwärmung der Batterie die Forderung
gegenüber,
daß die
Batterie möglichst
schonend, d. h. langsam erwärmt
werden sollte, damit sie nicht geschädigt wird. Die Lösung dieses
technischen Widerspruchs bildet die Aufgabe der Erfindung.
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Diese
Aufgabe wurde mit einer Flüssigelektrolytbatterie
nach Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wurde
vorgeschlagen, zwischen dem Batterieboden und der Unterkante des Elektrodenpakets
einen plattenförmigen Überhitzungsschutz
anzuordnen, der einen hochgezogenen Rand aufweist. Die Randhöhe beträgt wenigstens ¼ der Höhe der Elektroden.
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Wenn
der Batterieboden mittels einer Wärmeplatte stark erwärmt wird,
so kommt die in Bodennähe
stark erwärmte
Säure nicht
unmittelbar mit den unteren Abschnitten der wärmeempfindlichen Elektrodenplatten
in Berührung, sondern
strömt
seitlich an der Batteriewand aufwärts und kühlt sich dabei ab. Somit wird
die Batterie vor einer thermischen Schädigung geschützt.
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Es
ist klar, daß die
Erfindung auf jede Art von Batterie mit einem flüssigen Elektrolyten angewendet werden
kann, wenn bei der bodenseitigen Erwärmung dieser Batterie die Gefahr
einer thermischen Schädigung
der Elektroden durch Kontakt mit zu heißem Elektrolyten besteht.
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Nach
Anspruch 2 weist der hochgezogene Rand Löcher auf, so daß eine schnellere
Säuredurchmischung
und Durchwärmung
eintritt.
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Nach
Anspruch 3 sind die Löcher
in dem hochgezogenen Rand unten kleiner als oben. Das hat zur Folge,
daß die
relativ warme Säure
nur zu einem kleinen Teil an den unteren Bereich Elektrodenplatten
gelangt, da die kleinen Löcher
eine schnelle Durchmischung verhindern. Je weiter aufwärts die warme
Säure strömt, um so
mehr hat sie sich bereits abgekühlt.
Daher ist es nicht schädlich,
wenn die Säure
durch die nach oben zunehmend größeren Löcher sich
mit der Säure
zwischen den Elektrodenplatten zunehmend stärker mischt.
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Nach
Anspruch 4 weist der Überhitzungsschutz
selbst ebenfalls Löcher
auf. Diese Ausführungsform
der Erfindung ist dann von Vorteil, wenn ein starker Elektrolytaustausch
gewünscht
wird und dabei noch keine Gefahr der thermischen Schädigung der
Elektroden besteht.
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Der
Fachmann kann durch die Wahl der geometrischen Parameter, wie z.
B. der Lochgröße und deren
Verteilung und unter Berücksichtigung
der vorgesehenen Heizleistung ein Optimum für eine schnelle Durchwärmung der
Batterie finden – ohne daß dabei
die Batterie thermisch geschädigt
wird. Dazu ist es lediglich erforderlich, z. B. mittels Thermoelemente
das Temperaturprofil über
dem Überhitzungsschutz
zu ermitteln und die Löcher
so auszubilden und anzuordnen, daß an keiner Stelle innerhalb der
Batterie und unter keinen Umständen
die Säure bzw.
der Elektrolyt so heiß wird,
daß die
Elektroden geschädigt
werden könnten.
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Weitere
Maßnahmen
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den beigefügten
schematischen Zeichnungen.
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1 zeigt
eine seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt
eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt
eine seitliche Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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4 zeigt
einen leeren Batteriekasten nach dem Stand der Technik. Technik.
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Die
nachfolgende Erläuterung
der Erfindung beginnt mit dem Stand der Technik nach 4,
da dadurch die Erfindung leichter verständlich wird.
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Die 4 zeigt
einen Batteriekasten mit 6 Zellen. Wenn dieser Batteriekasten mit
seiner gesamten Grundfläche
auf einer Heizplatte steht, wird jede der Zellen am Boden erwärmt. Alle
nachfolgenden Erläuterungen
beziehen sich jedoch nur auf eine einzige Zelle, wobei diese Zelle
in 1 bis 3 von der Richtung aus dargestellt
ist, die in 4 mit dem Bezugszeichen 1c bezeichnet
ist. Da diese Zelle auch eine eigenständige Batterie ist, wird nachfolgend
nur noch von einer Batterie gesprochen.
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Die 1 zeigt
eine Batterie mit einem Gehäuse 1,
das mit einem Flüssigelektrolyt 3 gefüllt ist und
in den senkrecht stehende Elektroden 2 angeordnet sind.
Die Batterie steht auf einer Wärmeplatte 7.
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Wenn
die Batterie unterkühlt
ist, wird die Wärmeplatte 7 eingeschaltet.
Die Energie für
die Wärmeplatte
kann aus der Batterie selbst entnommen werden oder aus einer externen
Energiequelle. Die Wärmeplatte 7 ist
tempera turgeregelt, so daß eine
vorbestimmte Höchsttemperatur
nicht überschritten
wird.
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Der Überhitzungsschutz 4 mit
seinem hochgezogenen Rand 4a ist zwischen dem Gehäuseboden 1e und
den Elektroden 2 angeordnet. Nach dem Einschalten der Wärmeplatte 7 wird
durch Wärmeleitung
zuerst die bodenseitige Elektrolytschicht erwärmt. Die sich dann ausbildende
aufwärtsgerichtete Konvektionsströmung der
Säure 3 ist
durch die Strömungspfeile
dargestellt. Während
dieser Konvektionsströmung
kühlt sich
die Säure
ab, da sie sich mit der oberen kälteren
Säure vermischt.
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Der Überhitzungsschutz
verhindert somit, daß die
heiße
Säure in
Kontakt mit den unteren Elektrodenabschnitten kommt und diese schädigt.
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Die 2 zeigt
eine modifizierte Ausführungsform
der Erfindung. In dem Rand 4a des Überhitzungsschutzes 4 sind
Löcher 5 vorgesehen.
Diese Löcher 5 ermöglichen
bereits im unteren Elektrodenabschnitt eine vorbestimmte Säuredurchmischung. Vorzugsweise
sind die Löcher 5 im
unteren Randbereich kleiner als im oberen Randbereich. Damit wird erreicht,
daß das
aufwärtsgerichtete
Temperaturprofil an den Elektroden gleichmäßig ausgebildet ist, da durch
die kleinen Löcher
nur wenig der noch heißen Säure durchströmen kann
und durch die größeren Löcher die
bereits etwas abgekühlte
Säure durchströmen kann.
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Die 3 zeigt
eine weitere modifizierte Ausführungsform
der Erfindung, bei der auch der waagerechte Teil des Überhitzungsschutzes 4 Löcher 6 aufweist.
Die Lochgröße wird
so bemessen, daß nur
eine vorbestimmte Menge heißer
Säure durchströmen kann,
so daß einerseits
eine gewünschte
maximale Durchmischung eintritt, andererseits die Elektroden nicht
geschädigt
werden. Diese Ausführungsform
ist die beste Ausführungsform
der Erfindung, da über
die Größe und die
Anzahl der Löcher
sehr einfach das gewünschte
Temperaturprofil an den Elektrodenplatten erzeugt werden kann.
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An
Hand der beschriebenen Ausführungsformen
kann der Fachmann die technische Lehre der vorliegenden Erfindung
vollständig
entnehmen. Es ist klar, daß diese
Ausführungsformen
durch einen Fachmann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Lehre weiterentwickelt
und modifiziert oder kombiniert werden können. Daher fallen auch diese,
nicht explizit genannten oder gezeigten weiteren Ausführungsformen
in den Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche.