DE102011054775A1

DE102011054775A1 - Druckausgleichsystem für ventilgesteuerte Batterien

Info

Publication number: DE102011054775A1
Application number: DE102011054775A
Authority: DE
Inventors: Joseph Cilia; George Schembri; Joseph Pulè; Klaus-Dieter Merz
Original assignee: Abertax Research and Development Ltd
Current assignee: Abertax Research and Development Ltd
Priority date: 2011-10-18
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-10-26
Also published as: DE102011054775B4

Abstract

Die Batterie, insbesondere ventilgesteuerte Batterie, hat eine Reihe von Zellen (12). Sie ist gekennzeichnet durch ein Druckausgleichsystem, das aus einer gemeinsamen Gassammelkammer (14) besteht, in die das Gas aller Zellen (12) der Batterie (10) über ein Ventil (16) gelangt. Die Gassammelkammer (14) hat ein Entgasungsventil (24) für die gemeinsame Entgasung der Gassammelkammer (14).

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckausgleichsystem für Batterien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich auf das Problem, dass wartungsfreie Batterien vorwiegend während des Ladens Gase erzeugen, die teilweise über die Ventile entweichen und damit einer Rekombination nicht mehr zur Verfügung stehen. Die entweichenden Gase können Explosionen verursachen und wegen des Gasdifferentials zwischen den Batteriezellen zu einem Frühausfall der Batterie führen.
Diese Probleme wurden bisher entweder vernachlässigt oder nur teilweise mit Sicherheitsventilen auf jeder Zelle gelöst, teilweise in Kombination mit einer zentralen Entgasung. Diese Lösungen erwiesen sich als nicht zufriedenstellend, denn nicht kalibrierte, nur in einer Richtung wirkende Ventile lassen unterschiedliche Gasungsmengen zwischen den Zellen zu, was wiederum zu ungleichen Elektrolytvolumen in den einzelnen Zellen führt, weshalb einige Zellen mehr Gas als andere freigeben. Die Zelle mit dem größten Gasverlust verursacht in aller Regel eine Zerstörung der gesamten Batterie.
Generiertes Gas, das während des Ladens und auch Entladen entweicht, ist für die weitere Batterienutzung verloren und die Batterie trocknet regelrecht aus. Deshalb wird versucht, durch hohe Öffnungsdrücke der Ventile das Gas möglichst in der Zelle zur Rekombination zu führen. Der Öffnungsdruck kann allerdings nur bei ausreichender Festigkeit des Batteriegehäuses erhöht werden. Der Druckunterschied zwischen dem Innenraum der Batterie und der Umgebung, z. B. bei einem Batteriebetrieb in höheren Lagen, kann die von der Konstruktion vorgegebenen Grenzwerte des Batteriegehäuses überschreiten.
Das bisher ungelöste Problem ist die Konstruktion einer Batterie mit einem hohem und vor allen Dingen gleichen Öffnungsdruck in allen Zellen.
Das beschriebene Problem wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß der Erfindung ist ein Druckausgleichsystem vorgesehen, um in den Zellen, die mit einer Sammelkammer verbunden sind, einheitliche Druckverhältnisse zu garantieren. Damit wird sichergestellt, dass keine unterschiedlichen Gasmengen durch ungleiche Öffnungsdrücke entweichen, so dass die Gebrauchsdauer der Batterie verlängert wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 dargestellt, die einen Längsschnitt einer Batterie zeigt. Die 2, 3 und 4 zeigen abgeänderte Ausführungsbeispiele.
Wie in 1 dargestellt, besteht die Batterie 10 aus eine Reihe von Zellen 12, von denen jede über ein nicht kalibriertes Einwegeventil 16 mit einer zentralen Gassammelkammer 14 verbunden ist. Jedes Ventil 16 kann mit einer Flammensperre 18 ausgestattet sein.
Ein Einwegeventil 16 auf jeder Zelle 12 ist wichtig, um Gasaustausch und Säurekriechen zwischen den Zellen 12 zu verhindern. Bei Fehlen dieses Ventils kann erzeugter Sauerstoff einer Zelle in andere Zellen 12 gelangen und die negative Elektroden oxidieren. Weiterhin kann kriechende Säure eine elektrische Verbindung zwischen den Zellen 12 und Kriechströme erzeugen.
Die gemeinsame Sammelkammer 14 ist auf einer Seite 20 geschlossen, während die gegenüberliegende Seite mit einer Membran 22 versehen ist, die Teil eines kalibrierten Einwegeventil 24 ist, das optional mit einer Funktion des Höhenausgleich versehen werden kann. Zusätzlich kann das Ventil 24 mit einer Flammensperre 26 oder 26' ausgestattet sein.
In bekannten Systemen des Standes der Technik mit dezentraler Entgasung besteht die Gefahr, dass explosive und korrodierende Gase mit anderen Substanzen in Kontakt kommen. Korrosionen in der Nähe von Batterien sind normal und verursachen oft teure Reparaturen.
Sind elektrische Einrichtungen in unmittelbarer Nähe von dezentral entgasten Batterien, besteht die Gefahr von elektrischen Funken und Explosionen.
Die Erfindung gewährleistet, dass die Gase aus der Batterie über die zentrale Entgasungskammer 14 sicher ausgetragen werden. Die Erfindung stellt sicher, dass in allen Zellen 12 der Batterie 10 der gleiche ausgeglichene Druck über die Entgassungskammer 14 herrscht. Höhere Drücke in der Entgasungskammer 14 werden über das kalibrierte Rückschlagventil 24 mit oder ohne Flammensperre 26 oder 26' verhindert, dass die Überdrücke nach aussen und weg von korridierenden Materialien führt.
Ein weitgehend vernachlässigter Aspekt im normalen Batterieeinsatz bei unterschiedlichen Höhen ist der zunehmende Druckunterschied zwischen der Batterie und der Umgebung. Ein höherer Gasverlust bei steigenden Höhen ist das Ergebnis. Bei sinkender Höhe kommt es durch das Einwegeventil zu einem Unterdruck in der Batterie. Da die Batterie gegen den Umgebungsdruck durch ein Rückschlagventil abgedichtet ist, bestand bei einer Rückkehr auf geringere Höhen mit größeren Umgebungsdruck die Gefahr einer Kompression des Gehäuses. Eine sehr vorteilhafte Version der vorliegenden Erfindung ist der Einsatz eines Ventils 24, das den Umgebungsdruck kompeniseren kann, um den Gasdruck in der Sammelkammer 14 unabhängig von dem Umgebungsdruck konstant zu halten.
Batteriegase wie Sauerstoff und Wasserstoff sind hoch explosiv. Die Erfindung minimiert den Gasaustritt, der zur Explosion führen kann. Das wird durch die sogenannten Flammensperre 18 erreicht, die die Ausbereitung einer Flamme oder Explosion von einer zur nächsten Zelle 12 verhindern. Die Erfindung gestattet die Kombination der Sammelkammer 14 mit einer Flammensperre 18 an jeder Zelle 12, die mit der Sammelkammer 14 verbunden ist.
In 2 ist ein modifiziertes Rückschlagventil 16' dargestellt, in dem der flache Abschlussdeckel 16 der 1 durch eine elastische Kappe auf der Zelle 12 ersetzt ist und durch einen Vorsprung 34 an der Innenseite 36 der Sammelkammer 14 in Position gehalten wird.
3 zeigt eine Variante, bei der die Zellen 12 der Batterie 10 durch ein Einwegeventil 16'' in Form einer gemeinsamen elastischen Platte oder Gummimembrane in der Entgasungskammer 14 geschlossen sind, so dass jede einzelne Zelle 12 in die Sammelkammer 14 öffnen kann, während alle anderen Zellen 12 geschlossen bleiben.
Gemäß einer weiteren Ausführung nach 4 ist das kalibrierte Ventil 24 mit einem optimalen elektronischen System 30 kombiniert, das mit dem kalibrierten Ventil 24 in einem gemeinsamen Gehäuse 38 untergebracht ist, welches über eine Steckbuchse 42 mit der Gassammelkammer 14 verbunden ist, die Teil des Batteriedeckels 40 ist. Das elektronische System 30 ist mit einem oder mehreren Sensoren 28, z. B. Drucksensor, und einer Verbindungsleitung 32 zur Ladeeinrichtung versehen.
Dieses elektronische System 30 ermöglicht die Messung von z. B. Batteriestrom, Spannung, Temperatur, Entgasungskammerdruck usw. Neben einer Standard-Batterieüberwachung und -Kontrolle kann dieses elektronische System 30 den Ladevorgang unterbrechen oder regulieren, bevor Gas aus dem Ventil 24 austreten kann. Das verhindert unnötigen Verlust an Gas und damit Flüssigkeit aus der Batterie und verbessert dadurch die Qualität der Batterie. Die zwei Kabel 40 sind mit den Batteriepolen verbunden.
Die Ausführung nach 4 kann auch mit einem bereits in der Anwendung befindlichen Kaminadeckel eingesetzt werden. In diesem Fall müssen keine kalibrierten Ventile 16 auf jeder Zelle 12 eingesetzt werden, was die Produktion vereinfacht. In diesem Fall wirken die Ventile 16' als Einwegeventile und der Druck in allen Zellen 12 ist mittels des kalibrierten Ventil 24 für die gesamte Gassammelkammer 14 exakt geregelt.
Zusammenfassend besteht die Erfindung aus einer von der Umgebungsluft isolierten Gasungskammer 14, in der der innere Gasdruck der Batteriezellen 12 sich in dieser Kammer ausgleichen kann, wobei der Überdruck über ein kalibriertes Ventil 24 nach aussen abgeführt wird.

Claims

Batterie, insbesondere ventilgesteuerte Batterien, bestehend aus einzelnen Batteriezellen (12), gekennzeichnet durch ein Gasdruckausgleichssystem, bestehend aus einer gemeinsamen Gassammelkammer (14), die mit jeder Zelle (12) der Batterie (10) über ein Ventil (16) zur Entgasung verbunden und mit einem kalibirierten Entgasungsventil (24) versehen ist.
Batterie nach Anspruch 1, wobei eine Flammensperre (18) zwischen jeder Zelle (12) und dem Ventil (16) und/oder zwischen dem kalibiriertem Entgasungsventil (24) und der Entgasungskammer (14) eingesetzt ist.
Batterie nach Anspruch 2, wobei die Flammensperre (26) über dem kalibrierten, mit einer Staubkappe abgedeckten Entgasungsventil (24) angeordnet ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reihe der Zellen (12) mit einer gemeinsamen elastischen Membrane versehen ist, die als Einwegeventil (16'') für jede einzelne Zell (12) wirkt und in der Entgasungskammer (14) angeordnet ist.
Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Ventil (16') jeder Zelle (12) die Form eine elastischen Kappe hat, die auf der Zelle (12) angeordnet ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Entgasungsventil (24) ein kalibriertes Ventil ist.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gasdruckausgleichssystem mindestens einen Sensor (28) und ein elektronisches System (30) aufweist, um wichtige Batteriedaten zu übertragen und/oder bestimmte Batterieparameter zu kontrollieren und zu steuern.
Batterie nach Anspruch 7, wobei das Gasdruckausgleichsystem und das elektronische System (30) im Batteriedeckel (40) integriert sind.
Batterie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gasdruckausgleichssystem mit dem elektronischen System (30) im bestehenden Kaminadeckel integriert ist.