DE102006038052A1

DE102006038052A1 - Flüssigelektrolytbatterie mit Elektrolytdurchmischung mittels Konvektionsströmung

Info

Publication number: DE102006038052A1
Application number: DE102006038052A
Authority: DE
Inventors: Günther C. Dr. Bauer; Steffen Dipl.-Ing. Tschirch
Original assignee: IQ Power Licensing AG
Current assignee: IQ Power Licensing AG
Priority date: 2006-08-16
Filing date: 2006-08-16
Publication date: 2008-02-21
Also published as: WO2008019674A3; WO2008019674A2; KR20090058523A; CN101720516A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. eine Blei-Säure-Batterie, die z. B. als Starterbatterie in Fahrzeugen eingesetzt wird. Auf wenigstens einer Seite der Batterie ist eine thermische Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung vorgesehen, die einen strömungstechnisch optimierten Querschnitt aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, wie z. B. eine Blei-Säure-Batterie, die z. B. als Starterbatterie in Fahrzeugen eingesetzt wird.
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.
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 Celsius 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 auch 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 Elektrodenplatten 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.
Daher sind unterschiedliche Vorrichtungen und Verfahren entwickelt worden, um den Elektrolyten umzuwälzen, damit die Säurekonzentration in allen Volumenabschnitten der Batterie gleich groß ist. Bei stationären Batterien wird z. B. Luft in den Elektrolyten eingeblasen. Für Fahrzeugbatterien sind Elektrolytdurchmischungsvorrichtungen bekannt, die als hydrostatische Pumpen bezeichnet werden. Es handelt sich dabei um strömungstechnische Hindernisse, die die Flüssigkeit in eine vorbestimmte Richtung drängt. Diese Vorrichtungen sind nur bei sich bewegenden Fahrzeugen wirksam, da sie Brems- und Beschleunigungsvorgänge in Verbindung mit der Massenträgheitskraft des flüssigen Elektrolyten nutzen.
Diese Technik ist dem Fachmann bekannt, so daß lediglich beispielhaft auf die Dokumente US 4,963,444 ; US 5,096,787 und US 5,032,476 und DE 297 18 004.5 verwiesen wird.
Die Erwärmung einer Batterie ist eine weitere Möglichkeit der Elektrolytdurchmischung. Wenn eine Batterie an ihrer Unterseite erwärmt wird, entsteht neben der beabsichtigten Erwärmung der Batterie auch eine vertikale Konvektionsströmung des Elektrolyten, die ebenfalls zur Elektrolytdurchmi schung beiträgt. Je stärker die Batterie bodenseitig erwärmt wird, um so stärker wird auch diese Konvektionsströmung.
Es besteht einerseits die Forderung nach einer möglichst guten und schnellen Durchmischung, wobei aber andererseits eine Überhitzung der Batterie vermieden werden muß, da sonst die Elektroden irreversibel geschädigt werden.
Dieser technische Widerspruch bildet die Aufgabe der Erfindung, die somit darin besteht, die Durchmischung mittels thermisch induzierter Konvektionsströmung zu verstärken, ohne die Elektroden durch Überhitzung zu schädigen. Weiterhin soll die Lösung besonders einfach, robust und kostengünstig sein.
Diese Aufgabe wird mit einer Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 gelöst, die ein Gehäuse mit Seitenwänden, einem Gehäuseboden und einer Abdeckung aufweist. In dem Gehäuse sind plattenförmige Elektroden senkrecht stehend angeordnet. Das Gehäuse ist mit Flüssigelektrolyt gefüllt, dessen Pegelstand über den Oberkante der Elektrodenplatten liegt. An einer der Gehäusewände, zu der die Stirnseiten der Elektrodenplatten gerichtet sind, ist eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung angeordnet, die nachfolgende Merkmale aufweist: Eine Strömungskanalplatte ist parallel zu den senkrechten Kanten der Elektrodenplatten angeordnet. Zwischen der Strömungskanalplatte und der Gehäusewand ist ein Strömungskanal mit einem vorbestimmten Querschnitt ausbildet. An der Außenseite der Gehäusewand ist im Bereich des unteren Endabschnitts des Strömungskanals eine Heizung angeordnet. Weiterhin ist eine Ablaufplatte vorgesehen, die sich oberhalb des Pegelstandes waagerecht zur Gehäusemitte hin erstreckt und die an ihrem äußeren Rand mit den Oberkanten der Strömungskanalplatten verbunden ist.
Der Strömungskanal ist im Querschnitt so eng ausgebildet, daß in Abhängigkeit von der verfügbaren Heizleistung der Heizung eine so starke Strö mung entsteht, so daß der nach oben strömende Elektrolyt aus dem Strömungskanal austritt und über die Ablaufplatte abläuft, wobei der Querschnitt so gewählt ist, daß der Elektrolytabfluß pro Zeiteinheit über die Ablaufplatte maximal ist.
Dieser Zusammenhang soll nachfolgend erläutert werden:
Bei Versuchen zur Verbesserung der thermischen Elektrolytdurchmischung wurde ein Phänomen entdeckt, das nachfolgend als „Kamineffekt" bezeichnet wird.
Wenn die Heizung der Batterie in Betrieb genommen wird, wird der Elektrolyt in dem unteren Abschnitt des Strömungskanals erwärmt und hat die Tendenz, aufwärts zu strömen. Da dieser Abschnitt der Flüssigkeitssäule des Strömungskanals relativ kurz ist gegenüber dem relativ langen Abschnitt der kalten Flüssigkeitssäule, die darüber liegt, entsteht nur eine geringe Aufwärtsströmung, die sich jedoch mit zunehmender Betriebszeit der Heizung vergrößert, bis die Aufwärtsströmung ein Maximum erreicht hat. Die Größe dieses Maximums ist neben dem Querschnitt des Strömungskanals auch von anderen Faktoren, wie z. B. der Viskosität des Elektrolyten abhängig. Je enger der Strömungskanal ist, um so stärker ist die Strömung. Es ist aber gleichzeitig klar, daß bei einem zu engen Strömungskanal die Strömung letztlich gegen Null geht. Der optimale Querschnitt des Strömungskanals ist somit der Querschnitt, bei dem das maximale Elektrolytvolumen aufsteigt.
Der optimale Querschnitt des Strömungskanals ist berechenbar oder durch ein einfaches Experiment zu ermitteln.
Die Berechnung des Strömungskanals wird vom einschlägigen Fachmann für Thermodynamik oder Strömungsmechanik vorgenommen und benötigt keine Kenntnisse, die über bekannte Fachkenntnisse hinaus gehen.
Der errechnete Querschnitt kann anschließend experimentell überprüft und ggf. korrigiert werden. Dazu wird der errechnete Querschnitt etwas vergrößert und etwas verkleinert. In beiden Fällen sollte das Elektrolytvolumen, das über die Ablaufplatte abläuft, kleiner sein. Wenn dieses Ergebnis nicht eintritt, so ist der errechnete Querschnitt noch nicht das Optimum. In diesem Fall wird durch eine Vergrößerung oder eine Verkleinerung des Querschnitts ermittelt, ob sich das pro Zeiteinheit aufsteigende Elektrolytvolumen vergrößert oder verringert, so daß nach 2 bis 3 Iterationsschritten der optimale Querschnitt gefunden wird.
Es ist auch möglich, den optimalen Querschnitt rein experimentell an Hand einiger Versuche mit unterschiedlichen Querschnitten zu ermitteln. Die Vorgehensweise ist die gleiche wie in dem Fall, wenn der rechnerisch ermittelte Querschnitt überprüft und optimiert wird. Es sind lediglich 1 bis 2 Iterationsschritte zusätzlich erforderlich, die bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels erläutert werden.
Dem Fachmann ist klar, daß der optimale Querschnitt nicht nur bezüglich der Querschnittsgröße, sondern auch der Querschnittsform zu bestimmen ist.
Nach Anspruch 2 ist eine zweite Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung gegenüber der ersten angeordnet, wodurch der Elektrolyt noch schneller durchmischt wird.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen.
1a, b zeigten eine seitliche Schnittansicht der erfindungsgemäßen Batteriezelle mit einem weiten und einem engen Strömungskanal.
2 zeigt ein Diagramm mit dem der Erfindung zu Grunde liegenden strömungstechnischen Effekts.
3 zeigt ein Diagramm mit einer qualitativen Darstellung des Verhältnisses zwischen der Größe des Querschnitts und einem optimalen Volumenfluß pro Zeiteinheit.
4 zeigt einen leeren Batteriekasten nach dem Stand der Technik.
Die nachfolgende Erläuterung der Erfindung beginnt mit dem Stand der Technik nach 4, da dadurch die Erfindung leichter verständlich wird.
Die 4 zeigt einen Batteriekasten mit 6 Zellen. Alle nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich jedoch nur auf eine einzige Zelle, wobei diese Zelle in 1a und 1b in der Ansicht im Schnitt dargestellt ist, die in 4 mit dem Bezugszeichen 1c bezeichnet ist. Da diese einzelne Zelle auch eine eigenständige Batterie ist, wird nachfolgend nur noch von einer Batterie gesprochen, da die Erfindung sowohl auf eine einzelne Zelle als auch auf die Kombination von mehreren Zellen anwendbar ist.
Nach 1a ist zwischen der senkrechten rechten Gehäusewand 1b und den rechten Seitenkanten der Elektrodenplatten 2 eine Strömungskanalplatte 3 angeordnet, so daß zwischen dieser Strömungskanalplatte 3 und der rechten Gehäusewand 1b ein Strömungskanal 4 ausgebildet ist. Die Oberkante der Strömungskanalplatte 3 liegt im Bereich des Elektrolytpegelstandes 5 und ist mit einer Ablaufplatte 6 verbunden, die sich parallel zu den Oberkanten der Elektrodenplatten 2 zur Gehäusemitte hin erstreckt. Im Bereich des unteren Endabschnitts des Strömungskanals 4 ist außen auf der Gehäuseseite 1b eine Widerstandsheizung 7 angeordnet. Der Strömungskanal 4 weist einen Querschnitt A auf, der durch seine Breite b und seine Länge bestimmt wird.
Für die nachfolgenden Betrachtungen wird die Länge als konstant angenommen, so daß sich die Querschnittsänderung nur durch die Änderung der Kanalbreite b ergibt.
In 1a sind Strömungspfeile eingezeichnet, die aufzeigen, daß der Elektrolyt aufwärts strömt, wenn die elektrische Heizung 7 eingeschaltet wird. Die Kanalbreite ist mit b1 bezeichnet.
In 1b sind die Strömungspfeile länger als in 1a, um eine höhere Strömungsgeschwindigkeit anzudeuten. Diese höhere Strömungsgeschwindigkeit beruht auf dem gegenüber 1a schmaleren Strömungskanal mit der geringeren Breite b2.
Es ist nun der optimale Querschnitt zu ermitteln, bei dem der stärkste Volumenfluß auftritt. Nachfolgend wird näher beschrieben, wie der optimale Querschnitt des Strömungskanals experimentell ermittelt werden kann:
Dazu wird zuerst von einem großen Querschnitt ausgegangen, bei dem nur ein schwache Konvektionsströmung visuell erkennbar ist. An der Oberkante der Strömungskanalplatte wird ein Thermoelement angeordnet, das mit einem Temperaturmeßgerät schaltungstechnisch verbunden ist. Die Heizung wird eingeschaltet, und es wird der Temperaturverlauf bezüglich der Zeit bestimmt. Wenn die Temperaturkurve lediglich kontinuierlich ansteigt, liegt eine zu schwache Konvektionsströmung vor. Wenn jedoch die Temperatur nach einem Anstieg wieder leicht abfällt, ist das ein Hinweis, das sich eine stärkere Konvektionsströmung eingestellt hat. Die Erfinder gehen davon aus, daß es sich um eine Art „Kamin-Effekt" handelt, wie er bei Öfen bekannt ist, d. h. wenn der Ofen gut brennen soll, muß das entstehende Rauchgas abgeführt und Frischluft zugeführt werden. Das ist nur möglich mit einer entsprechend gestalteten Ofenkonstruktion und insbesondere der Gestaltung der Rauchgaskanäle.
Es kommt also darauf an, in dem Strömungskanal einen „Kamin-Effekt" zu erzeugen, was durch die Ermittlung des Temperatur-Zeit-Verlaufs leicht nachweisbar ist. Ausgehend von einem breiten Strömungskanal wird der Kanal sukzessive verkleinert und danach immer der Temperatur-Zeit-Verlauf ermittelt, bis der in 2 dargestellte charakteristische Temperatur-Zeit-Verlauf auftritt.
Es kommt jedoch nicht nur darauf an, in dem Strömungskanal eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten zu erreichen, sondern einen möglichst großen Volumenstrom des Elektrolyten. Folglich dient die Temperaturmessung lediglich als erster Hinweis auf einen optimalen Strömungsquerschnitt. Die abschließende Optimierung des Querschnitts kann jetzt mit einfachen meßtechnischen Maßnahmen erfolgen. So kann z. B. das Elektrolytvolumen, das über die Ablaufplatte abläuft, aufgefangen und gewogen werden. Durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Querschnitts und dem Vergleich der jeweils ausgeströmten Elektrolytvolumina kann einfach der Querschnitt ermittelt werden, durch den das größte Elektrolytvolumen pro Zeiteinheit strömt.
Dem Fachmann ist klar, daß der optimale Querschnitt auch ohne die vorstehend beschriebene Temperaturmessung erfolgen kann, wodurch sich jedoch der meßtechnische Aufwand bei der Volumenbestimmung erhöhen kann. In diesem Fall wird ebenfalls von einem großen Querschnitt ausgegangen, der dann sukzessive verkleinert wird, bis der Querschnitt A_optimal gefunden ist, d. h. der Querschnitt mit der größten Elektrolytvolumen-Förderleistung. In 3 sind diese Zusammenhänge schematisch dargestellt.
Der in 1a und 1b gezeigte Winkel 9 dient nur zur Durchmischung des Elektrolyten, wenn sich die Batterie bewegt, d. h. wenn sie in einem Fahrzeug eingebaut ist.
Die beschriebene Ausführungsform ist nur eine der möglichen Ausführungsformen der Erfindung. 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.

Claims

Flüssigelektrolytbatterie, die aufweist: – ein Gehäuse (1) mit Seitenwänden (1a, 1b, 1c, 1d), einem Gehäuseboden und einer Abdeckung, – Elektrodenplatten (2), die senkrecht stehend in dem Gehäuse (1) angeordnet sind, – ein Flüssigelektrolyt, dessen Pegelstand (5) in dem Gehäuse (1) bis über die Oberkante der Elektrodenplatten (2) reicht und – eine Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung, die wenigstens nachfolgende Merkmale aufweist: – eine Strömungskanalplatte (3), die parallel zu den senkrechten Kanten der Elektrodenplatten (2) angeordnet ist und zwischen der Batteriewandung (1b) einen Strömungskanal (4) mit einem vorbestimmten Querschnitt (A) zur Leitung einer Konvektionsströmung von unten nach oben ausbildet, – eine Ablaufplatte (6), die sich oberhalb des Pegelstandes (5) waagerecht zur Gehäusemitte zu erstreckt und mit den Oberkanten der Strömungskanalplatte (3) verbunden ist und – eine Heizung (7), die an der Außenseite der Gehäusewand (1b) im Bereich des unteren Endabschnitts des Strömungskanals (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Querschnitts (A) so dimensioniert ist, daß bei der Erwärmung der Heizung (8) nach einer vorbestimmten Zeit das über die Ablaufplatte (6) abfließende Elektrolytvolumen pro Zeiteinheit maximal ist.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Flüssigelektrolyt-Umwälzvorrichtung gegenüber der ersten angeordnet ist.