DE102016003403A1

DE102016003403A1 - battery

Info

Publication number: DE102016003403A1
Application number: DE102016003403.3A
Authority: DE
Inventors: Martin NUETZ; Christian Heringhaus
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-03-19
Filing date: 2016-03-19
Publication date: 2017-09-21

Abstract

Eine Batterie (1) umfasst wenigstens eine elektrochemische Zelle (2, 2'), in der eine Kathode (4) und eine Anode (3) mit einem gemeinsamen Elektrolyten in Kontakt stehen und wenigstens zwei Kathoden-Anschlussklemmen (9, 19) über die Kathode (4) leitend miteinander verbunden sind und zwei Anoden-Anschlussklemmen (8, 18) über die Anode (3) leitend miteinander verbunden sind.A battery (1) comprises at least one electrochemical cell (2, 2 ') in which a cathode (4) and an anode (3) are in contact with a common electrolyte and at least two cathode terminals (9, 19) via the Cathode (4) are conductively connected together and two anode terminals (8, 18) via the anode (3) are conductively connected together.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie für ein Kraftfahrzeug.The present invention relates to a battery, in particular a rechargeable battery for a motor vehicle.

Um hohe Ströme liefern zu können, müssen die Elektroden einer solchen Batterie eine große Oberfläche haben. Diese große Oberfläche wird durch eine poröse Struktur der Elektroden erreicht, z. B. indem bei der Fertigung von Bleibatterien Öffnungen in einem Elektrodengitter mit einer bleihaltigen Paste ausgefüllt und die Paste zu Bleischwamm ausgehärtet wird. Je größer die Oberfläche eines solchen Schwamms und je größer und zahlreicher seine Poren sind, umso niedriger ist seine elektrische Leitfähigkeit. Ein daraus resultierender Spannungsabfall ist zur Stärke des fließenden Stroms proportional, mit der Folge, dass die Klemmenspannung der Batterie bei hoher Belastung abnimmt.In order to deliver high currents, the electrodes of such a battery must have a large surface area. This large surface area is achieved by a porous structure of the electrodes, e.g. B. by filling in the manufacture of lead batteries openings in an electrode grid with a lead-containing paste and the paste is cured to lead sponge. The larger the surface area of such a sponge and the larger and more numerous its pores, the lower its electrical conductivity. A resulting voltage drop is proportional to the magnitude of the current flowing, with the result that the terminal voltage of the battery decreases at high load.

Die höchste Belastung, der eine Batterie in einem Kraftfahrzeug ausgesetzt ist, ist der Betrieb des Anlassers. Dadurch kann die Klemmenspannung so weit absacken, dass der Betrieb anderer Verbraucher dadurch beeinträchtigt wird. Besonders empfindlich gegen eine unzureichende Versorgungsspannung sind digital elektronische Komponenten, die in modernen Kraftfahrzeugen für die verschiedensten Steuerungsaufgaben eingesetzt werden. Wenn diese durch den Anlasser in ihrer Funktion gestört werden, kann das einen Start des Fahrzeugs völlig verhindern.The highest load a battery is subjected to in a motor vehicle is the operation of the starter. As a result, the terminal voltage can sag so much that the operation of other consumers is affected. Particularly sensitive to an insufficient supply voltage are digital electronic components that are used in modern motor vehicles for a variety of control tasks. If they are disturbed by the starter in their function, this can completely prevent a start of the vehicle.

Um diesem Problem abzuhelfen, sind Fahrzeug-Bordnetze vorgeschlagen worden, bei denen zwischen die Batterie und Verbraucher, die gegen eine Unterspannung empfindlich ist, ein Gleichspannungswandler eingefügt ist, der bei einem Absinken der Klemmenspannung der Batterie wirksam wird und auch bei niedriger Klemmenspannung an seinem Ausgang die für die Verbraucher erforderliche Betriebsspannung liefert.To remedy this problem, vehicle electrical systems have been proposed in which a DC-DC converter is inserted between the battery and the load, which is sensitive to an undervoltage, which is effective when the terminal voltage of the battery drops, and at its output at low terminal voltage provides the required operating voltage for the consumer.

Eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Fahrzeugbatterie zu schaffen, die den Gleichspannungswandler überflüssig macht.An object of the invention is to provide a vehicle battery which eliminates the DC-DC converter.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Batterie mit wenigstens einer elektrochemischen Zelle, in der eine Kathode und eine Anode mit einem gemeinsamen Elektrolyten in Kontakt stehen und wenigstens zwei Kathoden-Anschlussklemmen über die Kathode leitend miteinander verbunden sind und zwei Anoden-Anschlussklemmen über die Anode leitend miteinander verbunden sind. Wenn an einem Anschlussklemmenpaar ein hoher Strom fließt, der ausreicht, um einen leistungsstarken Verbraucher wie etwa einen Anlasser zu versorgen, und daraus innerhalb von Anode und Kathode ein Spannungsabfall resultiert, dann bleibt in von diesen stark belasteten Anschlussklemmen entfernten Bereichen von Anode und Kathode die nicht oder nur wenig durch diesen Spannungsabfall beeinträchtigte Spannung über ein dort angebrachtes zweites Anschlussklemmenpaar abgreifbar.The object is achieved by a battery having at least one electrochemical cell in which a cathode and an anode are in contact with a common electrolyte and at least two cathode terminals are conductively connected to one another via the cathode and two anode terminals conductively conduct to each other via the anode are connected. When a high current flows sufficient to supply a high-power load such as a starter to a pair of terminals, resulting in a drop in voltage within the anode and cathode, then the areas of anode and cathode which are remote from these heavily loaded terminals will not remain or only slightly affected by this voltage drop voltage across a mounted there second terminal pair tapped.

Die Plätze für die Klemmen des zweiten Anschlussklemmenpaars sollten so gewählt sein, dass der ohmsche Widerstand zwischen den zwei Anschlussklemmen der Kathode wenigstens halb so groß wie der maximale ohmsche Widerstand zwischen zwei beliebigen Punkten der Kathode und/oder der ohmsche Widerstand zwischen den zwei Anschlussklemmen der Anode wenigstens halb so groß wie der maximale ohmsche Widerstand zwischen zwei beliebigen Punkten der Anode ist.The locations for the terminals of the second terminal pair should be such that the ohmic resistance between the two terminals of the cathode is at least half the maximum ohmic resistance between any two points of the cathode and / or the ohmic resistance between the two terminals of the anode at least half the maximum ohmic resistance between any two points of the anode.

Wenn die Anode und/oder die Kathode in üblicher Weise als Platte geformt ist, können zu diesem Zweck die Anschlussklemmen an zwei voneinander beabstandeten Punkten des Randes der Platte angreifen.For this purpose, if the anode and / or the cathode is conventionally shaped as a plate, the terminals may engage at two spaced apart points of the edge of the plate.

Wenn die Anode und die Kathode durch miteinander fluchtend angeordnete rechteckige Platten gebildet sind, können die vier Anschlussklemmen sich auf die vier Ecken der Platten verteilen.When the anode and the cathode are formed by rectangular plates arranged flush therewith, the four terminals can be distributed on the four corners of the plates.

In einem von einer solchen Batterie gespeisten elektrischen Netz kann ein erster Verbraucher über die erste Kathoden-Anschlussklemme und die erste Anoden-Anschlussklemme versorgt sein, während ein zweiter Verbraucher vor Spannungsschwankungen, die der erste Verbraucher an seinen Anschlussklemmen verursacht, abgeschirmt werden kann, indem er über die zweite Kathoden-Anschlussklemme und die zweite Anoden-Anschlussklemme versorgt wird.In an electrical network powered by such a battery, a first consumer may be powered via the first cathode terminal and the first anode terminal, while a second consumer may be shielded from voltage fluctuations caused by the first consumer at its terminals by supplied via the second cathode terminal and the second anode terminal.

Das elektrische Netz kann insbesondere das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs und der erste Verbraucher ein Anlasser eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs sein.The electrical network can in particular be the vehicle electrical system of a motor vehicle and the first consumer a starter of an internal combustion engine of the vehicle.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures. Show it:

1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Batterie und eines von ihr gespeisten Kraftfahrzeug-Bordnetzes; und 1 a schematic diagram of a battery according to the invention and a motor vehicle electrical system powered by it; and

2 eine Variante der Batterie. 2 a variant of the battery.

1 zeigt exemplarisch eine Batterie 1 mit zwei in Reihe verbundenen galvanischen Zellen 2, 2'. In der Praxis sind jeweils so viele Zellen in Reihe verbunden, wie zum Bereitstellen der Nennbetriebsspannung eines von der Batterie 1 zu versorgenden Bordnetzes erforderlich. 1 shows an example of a battery 1 with two galvanic cells connected in series 2 . 2 ' , In practice, as many cells are connected in series, as for providing the Nominal operating voltage of one of the battery 1 to be supplied electrical system required.

Jede Zelle 2, 2' umfasst mehrere plattenförmige Anoden 3 und Kathoden 4. Diese können aus einem beliebigen für wiederaufladbare Batterien gebräuchlichen Material, insbesondere Blei und Bleioxid, bestehen. Die Anoden 3 und Kathoden haben hier im Wesentlichen die Form von Rechtecken mit übereinstimmenden Kantenlängen, die miteinander fluchtend, mit jeweils im Wesentlichen auf einer Geraden aufgereihten Ecken, angeordnet sind. Anoden 3 und Kathoden 4 weisen jeweils an entgegengesetzten Enden einer oberen Kante 5 kleine Vorsprünge 6, 7 auf, an denen sich Anschlussklemmen 8 bzw. 9 befinden. Die Anschlussklemmen 8 der Anoden 3 sind mit einer Sammelschiene 10 verbunden, die Anschlussklemmen 9 der Kathoden 4 mit einer Sammelschiene 11.Every cell 2 . 2 ' comprises several plate-shaped anodes 3 and cathodes 4 , These may consist of any conventional material for rechargeable batteries, in particular lead and lead oxide. The anodes 3 Here, cathodes essentially have the form of rectangles with matching edge lengths, which are arranged in alignment with each other, each with a substantially straight line on a straight line corners. anodes 3 and cathodes 4 each have at opposite ends of an upper edge 5 small projections 6 . 7 on, on which terminals 8th respectively. 9 are located. The terminals 8th the anodes 3 are with a busbar 10 connected, the terminals 9 the cathodes 4 with a busbar 11 ,

Die Sammelschiene 10 der Zelle 2 bildet einen ersten Pol eines Sub-Bordnetzes 12, an das ein Anlasser 13, eventuell weitere, im Vergleich zum Anlasser leistungsschwache Verbraucher 14 und ein Generator 15 angeschlossen sind. Die kathodenseitige Sammelschiene 11 der Zelle 2 ist mit der anodenseitigen Sammelschiene 10 der Zelle 2' verbunden. Deren kathodenseitige Sammelschiene 11 bildet hier den zweiten Pol des Bordnetzes 12.The busbar 10 the cell 2 forms a first pole of a sub-electrical system 12 to which a starter 13 , possibly further, compared to the starter low-power consumer 14 and a generator 15 are connected. The cathode-side busbar 11 the cell 2 is with the anode-side busbar 10 the cell 2 ' connected. Their cathode-side busbar 11 here forms the second pole of the electrical system 12 ,

Die Anoden 3 und Kathoden 4 tauschen auf ihrer gesamten Oberfläche elektrische Ladung mit dem sie umgebenden Elektrolyten aus. Wenn sie die gesammelte Ladung nur über die Anschlussklemmen 8, 9 an ihrer oberen Kante 5 abgeben, resultiert ein Stromfluss in vertikaler Richtung in den Anoden 3 und Kathoden 4. Wenn dieser Stromfluss aufgrund einer hohen Belastung durch den Anlasser 13 stark ist, wird Ladung, die von klemmenfernen Bereichen der Anoden 3 und Kathoden 4 aufgenommen wird, nur ineffizient abgeleitet, und die Spannung, die zwischen diesen klemmenfernen Bereichen besteht, ist höher als die zwischen den Anschlussklemmen 8, 9.The anodes 3 and cathodes 4 they exchange electrical charge with their surrounding electrolyte over their entire surface. If you only collect the collected charge through the terminals 8th . 9 at its upper edge 5 give off, results in a current flow in the vertical direction in the anodes 3 and cathodes 4 , If this current flow due to high load by the starter 13 is strong, gets charge from remote areas of the anodes 3 and cathodes 4 is derived inefficient, and the voltage that exists between these remote terminal areas is higher than that between the terminals 8th . 9 ,

Um diese Spannung abgreifen zu können, sind zweite anoden- bzw. kathodenseitige Sammelschienen 16, 17 mit Anschlussklemmen 18, 19 an unteren Kanten 20 der Anoden 3 und Kathoden 4 verbunden. Auch hier sitzen die Anschlussklemmen 18, 19 an abwechselnd an sich gegenüberliegenden Enden der Kanten 20 gebildeten Vorsprüngen, um einem Kurzschluss zwischen anodenseitiger Sammelschiene 16 und Kathoden 4 bzw. kathodenseitiger Sammelschiene 17 und Anoden 3 vorzubeugen.In order to be able to pick up this voltage, there are second anode- or cathode-side busbars 16 . 17 with terminals 18 . 19 at lower edges 20 the anodes 3 and cathodes 4 connected. Also here are the terminals 18 . 19 alternately at opposite ends of the edges 20 formed projections to a short circuit between the anode-side busbar 16 and cathodes 4 or cathode-side busbar 17 and anodes 3 submissions.

Die Sammelschiene 16 der Zelle 2 und die Sammelschiene 17 der Zelle 2' bilden die Pole eines zweiten Sub-Bordnetzes 21, das einen Verbraucher 22 versorgt. Ein Einbruch der der Klemmenspannung zwischen den Anschlussklemmen 8, 9, der durch den Betrieb des Anlassers 13 verursacht wird, wirkt sich an den Anschlussklemmen 16, 17 allenfalls in abgeschwächter Form aus, so dass ein stabiler Betrieb des Verbrauchers 22 möglich bleibt.The busbar 16 the cell 2 and the busbar 17 the cell 2 ' form the poles of a second sub-electrical system 21 that is a consumer 22 provided. An intrusion of the terminal voltage between the terminals 8th . 9 by the operation of the starter 13 caused affects the terminals 16 . 17 at most in attenuated form, allowing a stable operation of the consumer 22 remains possible.

Wenn der Anlasser 13 nicht in Betrieb ist, sind die Spannungsabfälle innerhalb der Anoden 3 und Kathoden 4 gering; dann steht im Wesentlichen deren gesamte Oberfläche für die Versorgung des Verbrauchers 22 zur Verfügung, bzw. falls ein leistungsschwacher Verbraucher 14 am Bordnetz 12 in Betrieb ist, nutzen die Bordnetze 12, 21 die Fläche der Elektroden 3, 4 jeweils in einem zu ihrer Leistung proportionalen Anteil.When the starter 13 not in operation, are the voltage drops within the anodes 3 and cathodes 4 low; then essentially their entire surface is for the supply of the consumer 22 available, or if a low-power consumer 14 on the electrical system 12 is in operation, use the electrical systems 12 . 21 the area of the electrodes 3 . 4 each in a proportion proportional to their performance.

Auch der Stromstärke des Generators 15 ist klein im Verhältnis zum Betriebsstrom des Anlassers. Daher fällt auch beim Laden der Batterie 1 ein Spannungsabfall innerhalb der Anoden 3 und Kathoden 4 nicht ins Gewicht, und die chemischen Reaktionen des Ladevorgangs verteilen sich gleichmäßig über deren gesamte Oberfläche.Also the amperage of the generator 15 is small in relation to the operating current of the starter. Therefore, even when charging the battery 1 a voltage drop within the anodes 3 and cathodes 4 not important, and the chemical reactions of the charging process are distributed evenly over their entire surface.

2 zeigt eine elektrochemische Zelle 2'' einer Batterie gemäß einer Abwandlung der Erfindung. Die Anoden und Kathoden 3, 4 sind hier zwar im Umriss weiterhin rechteckig, sind aber durch einen von der Oberkante 5 ausgehenden Einschnitt 23 jeweils in zwei Teile 3a, 3b bzw. 4a, 4b gegliedert, die entlang ihrer unteren Kanten 20 zusammenhängen. Anschlussklemmen 8, 9 des Bordnetzes 12 befinden sich an den Teilen 5a der Oberkante 5 auf einer Seite der Einschnitte 23, Anschlussklemmen 18, 19 des Bordnetzes 21 an den Teilen 5b auf der anderen Seite der Einschnitte 23. So verlaufen die Sammelschienen 10, 11, 16, 17 geschützt oberhalb des Elektrolyten, in den die Anoden 3 und Kathoden 4 eintauchen; gleichzeitig ist der Weg zwischen dem Anschlussklemmen 8, 18 der Anoden 3 bzw. 9, 19 der Kathoden 4 jeweils lang genug, um das Bordnetz 21 von den Spannungsschwankungen des Bordnetzes 12 zu schützen. Die Stärke der Entkopplung kann hier durch die Tiefe des Einschnitts 23 beeinflusst werden. Unterschiedliche Abmessungen der Teile 3a, 3b bzw. 4a, 4b können proportional zu einem erwarteten mittleren Stromverbrauch der Bordnetze 12, 21 gewählt werden, so dass im Mittel der in den Teilen 3a, 4a erzeugte Strom den Bedarf des Bordnetzes 12 und der in den Teilen 3b, 4b erzeugte Strom den Bedarf des Bordnetzes 21 deckt und Stromflüsse über eine Engstelle 24 zwischen dem Ende des Einschnitts 23 und der Unterkante 20 minimiert werden können. 2 shows an electrochemical cell 2 '' a battery according to a modification of the invention. The anodes and cathodes 3 . 4 are still rectangular in outline but are separated by one from the top 5 outgoing incision 23 each in two parts 3a . 3b respectively. 4a . 4b articulated along their lower edges 20 related. terminals 8th . 9 of the electrical system 12 are located at the parts 5a the top edge 5 on one side of the incisions 23 , Terminals 18 . 19 of the electrical system 21 at the parts 5b on the other side of the cuts 23 , This is how the busbars run 10 . 11 . 16 . 17 protected above the electrolyte, in which the anodes 3 and cathodes 4 Immerse; at the same time is the way between the terminals 8th . 18 the anodes 3 respectively. 9 . 19 the cathodes 4 each long enough to the electrical system 21 from the voltage fluctuations of the electrical system 12 to protect. The strength of the decoupling can here by the depth of the incision 23 to be influenced. Different dimensions of the parts 3a . 3b respectively. 4a . 4b can be proportional to an expected average power consumption of the vehicle electrical system 12 . 21 be chosen so that on average in the parts 3a . 4a generated electricity the needs of the electrical system 12 and in the parts 3b . 4b generated electricity the needs of the electrical system 21 covers and flows over a bottleneck 24 between the end of the incision 23 and the bottom edge 20 can be minimized.

Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.It should be understood that the foregoing detailed description and drawings, while indicating certain exemplary embodiments of the invention, are intended for purposes of illustration only and are not to be construed as limiting the scope of the invention. Various modifications of the described embodiments are possible without departing from the scope of the following claims and their equivalence range. In particular, this description and the figures also show features of the embodiments which are not mentioned in the claims. Such features may also occur in combinations other than those specifically disclosed herein. Therefore, the fact that several such features are mentioned in the same sentence or in a different type of textual context does not justify the conclusion that they can occur only in the specific combination disclosed; instead, it is generally to be assumed that it is also possible to omit or modify individual ones of several such features, provided this does not call into question the functionality of the invention.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Batteriebattery
22: Zellecell
33: Anodeanode
44: Kathodecathode
55: obere Kanteupper edge
66: Vorsprunghead Start
77: Vorsprunghead Start
88th: Anschlussklemmeterminal
99: Anschlussklemmeterminal
1010: Sammelschienebus
1111: Sammelschienebus
1212: Sub-BordnetzSub-board network
1313: AnlasserStarter
1414: Verbraucherconsumer
1515: Generatorgenerator
1616: Sammelschienebus
1717: Sammelschienebus
1818: Anschlussklemmeterminal
1919: Anschlussklemmeterminal
2020: untere Kantelower edge
2121: Sub-BordnetzSub-board network
2222: Verbraucherconsumer
2323: Einschnittincision
2424: Engstellebottleneck

Claims

Battery ( 1 ) with at least one electrochemical cell ( 2 . 2 ' ), in which a cathode ( 4 ) and an anode ( 3 ) are in contact with a common electrolyte and at least two cathode terminals ( 9 . 19 ) over the cathode ( 4 ) are conductively connected together and two anode terminals ( 8th . 18 ) over the anode ( 3 ) are conductively connected to each other.

Battery according to claim 1, wherein the ohmic resistance between the two terminals ( 9 . 19 ) the cathode ( 4 ) at least half the maximum ohmic resistance between any two points of the cathode ( 4 ) and / or the ohmic resistance between the two terminals ( 8th . 18 ) of the anode ( 3 ) at least half the maximum ohmic resistance between any two points of the anode ( 3 ).

Battery according to Claim 1 or 2, in which the anode ( 3 ) and / or the cathode ( 4 ) is formed as a plate and the terminals ( 8th . 9 . 18 . 19 ) at two spaced apart points of the edge of the plate.

Battery according to one of the preceding claims, in which the anode ( 3 ) and the cathode ( 4 ) are flush with each other arranged rectangular plates and the four terminals ( 8th . 9 . 18 . 19 ) spread over the four corners of the plates.

Battery according to one of Claims 1 to 3, in which the anode ( 3 ) and the cathode ( 4 ) each have an incision ( 23 ) and at an upper edge ( 5 ) of the anode ( 3 ) and the cathode ( 4 ) each have a connection terminal ( 8th . 9 ) on one side of the incision ( 23 ) and a terminal ( 18 . 19 ) is arranged on another side of the incision.

Electric network with a battery according to one of the preceding claims and a first consumer ( 13 ), which is connected via the first cathode terminal ( 9 ) and the first anode terminal ( 8th ) and a second consumer ( 22 ) connected via the second cathode terminal ( 19 ) and the second anode terminal ( 18 ) is supplied.

Electric network according to claim 5, in which the first consumer ( 13 ) is a starter of an internal combustion engine.