DE102007021841A1

DE102007021841A1 - Flüssigelektrolytbatterie mit Konvektionsbeschleunigungsanordnung

Info

Publication number: DE102007021841A1
Application number: DE102007021841A
Authority: DE
Inventors: Günther C. Dr. Bauer
Original assignee: IQ Power Licensing AG
Current assignee: IQ Power Licensing AG
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flüssigelektrolytbatterie, die bodenseitig mittels einer Heizplatte erwärmbar ist, wenn die Batterie unterkühlt ist. Die Batterie weist ein Gehäuse 1 mit einem Gehäuseboden 1e auf, Elektroden 2, die in dem Gehäuse 1 senkrecht angeordnet sind, und einen Flüssigelektrolyt 3, wobei zwischen dem Gehäuseboden 1e und der Unterkante der Elektroden 2 eine plattenförmige Konvektionsbeschleunigungsanordnung 4 mit einem hochgezogenen Rand 4a angeordnet ist, wobei die Randhöhe wenigstens 1/4 der Höhe der Elektroden 2 beträgt.

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 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.
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.
Daher sind eine Vielzahl von Batterieheizeinrichtungen entwickelt worden, die verschiedene Vor- und Nachteile aufweisen und z. B. in den Dokumenten DE 28 12 876 , US 2,440,369 , DE 1 496 134 , DE 40 27 149 A1 oder DE 100 14 848 beschrieben wurden.
Die Batterieheizvorrichtungen können nach verschieden Gesichtspunkten klassifiziert werden.
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.
Vielfach wurden auch elektrische Heizungen vorgeschlagen, wobei diese Gruppe in zwei Untergruppen geteilt werden kann.
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.
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.
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.
Es wurde daher mehrfach vorgeschlagen, die kalte Batterie erst kurz vor dem Start des Fahrzeugs zu erwärmen. Eine von mehreren Möglichkeiten, eine Batterie zu erwärmen, ist ein Wärmeeintrag am Batterieboden.
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.
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 eingetragene Wärme schnell in der ganzen Batterie verteilt wird.
Da sich jedoch die Wärme auf Grund der schlechten Wärmeleitung der Säure nur relativ langsam verteilt, erfolgt ein Temperaturausgleich nur relativ langsam.
Daher besteht die Aufgabe der Erfindung in einer schnelleren Erwärmung der Batterie.
Diese Aufgabe wurde mit einer Flüssigelektrolytbatterie nach Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wurde vorgeschlagen, zwischen dem Batterieboden und der Unterkante des Elektrodenpakets eine plattenförmige Konvektionsbeschleunigungsanordnung vorzusehen, die einen hochgezogenen Rand aufweist. Die Randhöhe beträgt wenigstens ¼ der Höhe der Elektroden, wobei die Konvektionsbeschleunigungsanordnung aus Kunststoff besteht.
Wenn der Batterieboden mittels einer Wärmeplatte erwärmt wird, so strömt die in Bodennähe erwärmte Säure seitlich an der Batteriewand aufwärts und kühlt sich im wesentlichen erst im oberen Abschnitt der Batterie ab. Durch die Konvektionsbeschleunigungsanordnung entsteht eine stärkere Strömung als ohne eine solche Anordnung und somit erfolgt auch eine schnellere Elektrolytdurchmischung und die damit einhergehende gewünschte schnellere Durchwärmung.
Es ist klar, daß die Erfindung auf jede Art von Batterie mit einem flüssigen Elektrolyten angewendet werden kann. Der Fachmann wird die Konvektionsbeschleunigungsanordnung so dimensionieren, daß in Abhängigkeit von den konkreten Abmessungen der Batterie und der Leistung der Heizung eine möglichst starken Konvektion entsteht, die zu einer schnellen Durchmischung des Elektrolyten führt. Die optimale Dimensionierung kann mit Hilfe von fachmännischen Versuchen oder auch durch mathematische Berechnungen erfolgen. Es ist noch zu erwähnen, daß die Konvektionsbeschleunigungsanordnung einen besonders guten Durchmischungseffekt bewirkt, wenn die Batterie Beschleunigungen ausgesetzt ist, wie sie für einen fahrenden PKW typisch sind.
Nach Anspruch 2 weist der hochgezogene Rand Löcher auf. Es ist klar, daß anstelle von Löchern auch Schlitze möglich sind.
Nach Anspruch 3 sind die Löcher in dem hochgezogenen Rand unten kleiner als oben. Es ist klar, daß anstelle von Löchern Schlitze möglich sind, die sich nach obern verbreitern.
Nach Anspruch 4 weist die waagerechte Platte der Konvektionsbeschleunigungsanordnung ebenfalls Löcher oder Schlitze auf.
Die Weiterbildungen der Erfindung nach den Ansprüchen 2 bis 4 ermöglichen eine noch bessere Elektrolytdurchmischung und somit eine schnellere Durchwärmung. Der Fachmann kann durch die Wahl der geometrischen Parameter, wie z. B. der Lochgröße und der Verteilung der Löcher und unter Berücksichtigung der vorgesehenen Heizleistung ein Optimum der einzelnen Parameter für eine starke Konvektion finden und damit eine schnelle Durchwärmung der Batterie bewirken. Die Erfindung kann auf jede bodenseitig erwärmte Batterie mit einem Flüssigelektrolyt angewendet werden.
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen.
1 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
3 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
4 zeigt einen leeren Batteriekasten nach dem Stand der Technik. 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. 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.
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.
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 temperaturgeregelt, so daß eine vorbestimmte Höchsttemperatur nicht überschritten wird.
Die Konvektionsbeschleunigungsanordnung 4 mit dem 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 starke 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.
Die Konvektionsbeschleunigungsanordnung bewirkt somit, daß die heiße Säure sehr weit in den oberen Batterieabschnitt befördert wird, so daß eine vollständige Erwärmung schneller eintritt und damit einhergehend auch eine gute Durchmischung des Elektrolyten erfolgt.
Die 2 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Erfindung. In dem Rand 4a der Konvektionsbeschleunigungsanordnung 4 sind Löcher 5 vorgesehen. Diese Löcher 5 ermöglichen bereits im unteren Elektrodenabschnitt eine vorbestimmte, d. h. dosierbare Elektrolytdurchmischung. Vorzugsweise sind die Löcher 5 im unteren Randbereich kleiner als im oberen Randbereich. Damit kann die Durchmischung noch gezielter beeinflußt werden.
Die 3 zeigt eine weitere modifizierte Ausführungsform der Erfindung, bei der auch der waagerechte Teil der Konvektionsbeschleunigungsanordnung 4 Löcher 6 aufweist. Damit kann die Durchmischung noch gezielter beeinflußt werden. Diese Ausführungsform ist die beste Ausführungsform der Erfindung, da über die Größe und die Anzahl der Löcher sehr einfach das gewünschte räumliche Strömungsprofil auf sehr einfache Art und Weise erzeugt werden kann. 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2812876 [0005]
- US 2440369 [0005]
- DE 1496134 [0005]
- DE 4027149 A1 [0005]
- DE 10014848 [0005]
- DE 10014848 C2 [0013, 0013]

Claims

Batterie, die aufweist: – ein Gehäuse (1) mit einem Gehäuseboden (1e), – Elektroden (2), die in dem Gehäuse (1) senkrecht angeordnet sind und – ein Flüssigelektrolyt (3), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuseboden (1e) und der Unterkante (2a) der Elektroden (2a) eine plattenförmige Konvektionsbeschleunigungsanordnung (4) aus Kunststoff mit einem hochgezogenem Rand (4a) angeordnet ist, wobei die Randhöhe wenigstens ¼ der Höhe der Elektroden (2) beträgt.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (4a) Löcher (5) aufweist.
Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (5) ausgehend vom Batterieboden (1e) nach oben zunehmend größer werden.
Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der waagerechte Abschnitt (4) der Konvektionsbeschleunigungsanordnung Löcher (6) aufweist.