DE2350353B2 - Verfahren zum Betrieb von mehrzelligen Akkumulatorenbatterien für batteriegetriebene Fahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von mehrzelligen Akkumulatorenbatterien für batteriegetriebene Fahrzeuge sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In Bleiakkumulatoren wird durch Selbstentladung sowohl im unbelasteten als auch im belasteten Zustand Wasserstoff entwickelt, und bei der Aufladung entstehen Wasserstoff und Sauerstoff auf Grund der hohen Ladespannung der Akkumulatoren, die oberhalb der Zersetzungsspannung des Wassers liegt. Diese Elektrolyseverluste sind ein wesentlicher Grund dafür, daß solche Akkumulatoren in regelmäßigen Abständen gewartet werden müssen.

Insbesondere um die Wartungsintervalle zu vergrößern, werden mehrzellige Akkumulatoren mit zentralen WassernachfüJlsystejnen versehen, um ein zentrales Nachfüllen sämtlicher Zellen mit destilliertem Wasser zu ermöglichen und den bei Ladung und Entladung durch Elektrolyse entstehenden Wasserverlust auszugleichen.

Um den Wasserhaushalt einer Bleiakkumulatorenbatierie zu regeln, wurde schon vorgeschlagen, die bei Ladung/Entladung oder beim Stehen in unbelastbaren Zustand entstehenden Gase mit Hilfe von sogenannten Katatysalorstopfen zu rekombinieren. Das Reaktionswasser kondensiert und läuft in den Elektrolyt zurück.

Eine solche Anordnung ist jedoch sehr aufwendig, da jede Zelle einen Katalysatorstopfen erfordert. Darüber hinaus ist sie unzuverlässig, da die Ausfallwahrscheinlichkeit eines einzelnen Stopfens sich in der Vielzahl stark vergrößert und schon der Ausfall eines Stopfens zu erheblichen Funktionsstörungen führen kann.

Darüber hinaus ist eine solche Anordnung insbesondere bei Fahrzeugbatterien wegen der Anbringung der Katalysatorstopfen oberhalb der Batterie aus Raumgründen nicht möglich.

Ausgehend von diesen einzelnen Katalysatorstopfen ist es weiterhin bekannt, beispielsweise einer Starterbatterie eine zentrale Wassernachfüllanordnung, welche kombiniert ist mit einem zentralen Rekombinationsreaktor, zuzuordnen (DT-Gbm 71 33 811).

Auch eine solche Anordnung kann bei batteriebetriebenen Fahrzeugen nicht verwendet werden, da auf Grund der großen Menge von entstehenden Gasen der Rekombinationsreaktor eine bestimmte Größe ebenfalls nicht unterschreiten darf und da insbesondere die bei der Rekombination entstehende Wärme dann im Fahrzeug selbst nur noch mit stark erhöhtem Aufwand ageführt werden kann. Bei der Batterie von beispielsweise 144 V/50 Ah wird durch Rekombination der bei Voll-Ladung entstehenden Gasmengen eine Wärmeleistung von etwa 3 kW erzeugt. Die Abführung dieser Wärme würde einen viel zu hohen Aufwand und insbesondere einen zu großen Raum für die notwendige Kühlung mil sich bringen, so daß die Anordnung eines in allen Betriebsphasen einwandfrei arbeitenden zentralen Rekombinationsreaktors im Fahrzeug selbst praktisch nicht durchführbar ist.

Im Betrieb von Akkumulatorbatterien für elektrische Fahrzeuge werden sowohl Ladungen an einer Ladestation als auch Ladung im Fahrzeug vorgenommen. Die Ladungen im Betrieb des Fahrzeugs bzw. die ZwischenlaJungen müssen in der Regel in kurzer Zeit erfolgen, so daß dabei der Ladefaktor unter 1 liegen kann. Durch wiederholte Ladung mit solchen Ladefaktoren geht jedoch die Kapazität des Akkumulators zurück. Aus diesen Gründen finden in festgesetzten Intervallen Voll- und Ausgleichsladungen mit dem vorgeschriebenen Ladefaktor statt. Bei den verschiedenen Ladeverfahren ist die jeweilige Gasentwicklung unterschiedlich. Insbesondere bei den Zwischenladungen im Fahrzeug muß dafür Sorge getragen werden, daß die Wasser Verluste gering bleiben.

Für den Betrieb von Elektrofahrzeuge^ in großer Zahl stellt sich daher die Aufgabe, entweder eine möglichst wartungsfreie Batterie zu entwickeln, bei der sichergestellt ist, daß während des Betriebs keine gefährlichen Gasgemische entstehen, wobei eine Rekombinationsanlage nur ein geringes Gewicht und

wenig Raum benötigen darf, um die Nutzlast des len und tritt im Elektrolyten wieder aus. Die perFahrzeugs nicht noch weiter zu veningern, oder ein lende Luft bewirkt zum einen eine gute Durch-Betriebsverfahren zu entwickeln, wodurch ein war- mischung und begünstigt den Ladevorgang, zum antungsarmer Betrieb mit an sich wartungsintensiven deren verbessert sie aber auch die Kühlung. Hinzu Batterien möglich ist. 5 kommt, daß im Raum oberhalb des Elektrolytspiegels

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch die explosiven Gase verdünnt werden, so daß sich die gelöst, daß beim Betrieb der Batterien im Fahrzeug Zündfähigkeit wesentlich vermindert,
nur Teilladungen oder Ladungen bis höchstens zum Wie oben schon erwähnt, finden zumindest Teil-Ladefaktor 1 erfolgen und außerhalb des Fahrzeugs ladungen bzw. Zwischenladungen der Akkumulatoin Ladestationen Voll- und Ausgleichsladungen vor- io renbatterie meist im Fahrzeug statt, und auch bei gesehen sind, daß die bei der Ladung/Entladung ent- ruhender Batterie wird durch die Selbstentladung stehenden geringen Gasmengen in einem der Batterie Wasserstoff entwickelt.

zugeordneten kleinen Rekombinationsreaktor un- Es ist daher zweckmäßig und vorteilhaft, den in der schädlich gemacht werden und daß die bei der Voll- zentralen Ladestation angeordneten zentralen Rekom-Ladung entstehenden größeren Mengen Ladegas in 15 binationsreaktor mit einem weiteren Rekombinationseinem in der Ladestation ortsfest angeordneten Zen- reaktor zu kombinieren, welcher dem Akkumulator tral-Rekombinationsreaktor zu Wasser rekombiniert selbst zugeordnet ist und in das Fahrzeug bzw. in die werden, wobei dem Rekombinationsreaktor die Akkumulatorenbatterie eingebaut wird. Dieser Re-Ladegase über eine Gassammelleitung gegebenen- kombinationsreaktor muß in seiner Auslegung bzw. falls über eine Saugpumpe vom Akkumulator züge- 20 in seiner Größe nur so bemessen werden, daß er die führt werden und daß das rekombinierte Wasser über während der Betriebsladungen Entladungen sich enteine Wasserleitung gegebenenfalls mit Hilfe einer wickelnden Gase rekombinieren kann. Die Menge der Pumpe dem zentralen Wassernachfüllsystem des Ak- sich dabei entwickelnden Gase ist wesentlich geringer kumulators wieder zugeführt wird. und kann insbesondere durch die Verwendung be-

Bei den in den vorgeschriebenen Wartungsinter- 25 sonderer Lademethoden sehr weitgehend verringert vallen stattfindenden Voll- und Ausgleichsladungen, werden. Es kann dazu beispielsweise zweckmäßig sein, die im Regelfall in einer Ladestation und nicht im die Ladung der Akkumulatorenbatterie so zu steu-Fahrzeug erfolgen, wird der mit einer zentralen Was- em, daß der Ladestrom abhängig ist von der jeweils sernachfüllvorrichtung und einer zentralen Gasleitung entwickelten Gasmenge. Es kann dazu in an sich beversehene Akkumulator mit einer Rekombinations- 30 kannter Weise über die Messung der Temperatur des anlage verbunden, welche in der Station ortsfest ein- Rekombinationsreaktors eine Steuerung des Ladegebaut ist. Der ortsfeste Rekombinationsreaktor wird geräts vorgenommen werden. Dies erlaubt es, die Gasbeispielsweise über Steckverbindungen mit der Gas- menge einigermaßen konstant zu halten, so daß der Sammelleitung des Akkumulators und mit der zentra- dem Akkumulator zugeordnete Rekombinationsreaklen Nachfüllvorrichtung verbunden. Der beim Auf- 35 tor nicht überlastet wird.

laden und Überladen entstehende Sauerstoff und Was- Dieser Rekombinationsreaktor im Fahrzeug kann

serstofT wird im Rekombinationsreaktor rekombiniert ebenfalls so angeordnet sein, daß das entstehende

und gleichzeitig wird eine Auffüllung des Akkumula- Wasser in die zentrale Wassernachfüllung der Batte-

tors mit destilliertem Wasser über eine Füllanord- rie zurückgeführt wird. Soweit die Batterie jedoch

nung des Akkumulators vorgenommen. 40 einen genügenden Elektrolytvorrat besitzt, der aus-

Der zentral und außerhalb des Fahrzeugs angeord- reichend ist, um die Wartungsintervalle zu überbrüknete Rekombinationsreaktor bringt eine ganze Anzahl ken, kann es auch ausreichen, das gebildete Wasser von wesentlichen Vorteilen mit sich. Insbesondere nicht in den Kreislauf zurückzuführen, sondern beimacht die Wärmeabführung keine besonderen Schwie- spielsweise wegtropfen zu lassen,
rigkeiten, da in der ortsfesten Station beispielsweise 45 Der Gegenstand der Erfindung ist im folgenden an genügend Kühlwasser ohne weiteres zur Verfügung Hand der F i g. 1 und 2 räher erläutert,
steht. Ein solcher zentraler Rekombinationsreaktor Während des Ladevorgangs entsteht in der Zelle 1 kann darüber hinaus sehr leicht so ausgelegt werden, durch die Elektrolyse ein Knallgasgemisch, das über daß er auch die bei gleichzeitiger LaJung mehrerer die Gassammelleitung mit dem Säureabscheider 2, der Akkumulatorbatterien entstehenden Elektrolysegase 50 Flammrückschlagsicherung 3, dem Dreiwegeventil 4, verarbeitet. Es kann so mit gegenüber jeweils der ein- dem Steckanschluß 8, 6 in die Gasabführung 20 und zelnen Batterie zugeordneten Rekombinationsreak- von dort aus in den stationär angeordneten Rekombitoren geringerem Aufwand gearbeitet werden, und es nator 11 gelangt. Die Gasmenge wird zu Wasserdampf ist stets gewährleistet, daß sich im Fahrzeug, in der rekombiniert und gelangt in den Kühler 12. Hier wird Garage oder auch in der Station keine gefährlichen 55 der Wasserdampf bis zum Taupunkt abgekühlt. Das Ladegase bilden. Besonders günstig ist die Prozeß- so entstandene Wasser fließt über die Rücklaufleitung führung im Rekombinationsreaktor, wenn man die 18 in den Wasservorratsbehälter 13, dessen Fülleitung Gasmenge durch eine Gaspumpe mit temperaturge- mit 19 bezeichnet ist.

regelter Geschwindigkeit umlaufen läßt. Die dadurch Der in den Zellen entstandene Wasserverlust wird entstehende Ventilation sorgt für einen intensiven 60 wie folgt wieder ausgeglichen. Die Pumpe 14 saugt Stoffaustausch am Reaktionskatalysator. Setzt man aus dem Wasservorratsbehälter 13 über die Zuleitung dichte Zellgefäße und ein dichtes Rohrleitungssystem 16 Wasser in einer bestimmten Menge an und drückt voraus, so schafft die Saugwirkung der Pumpe in den es über den Steckanschluß 5, 7 in die zentrale Wasser-Einzelzellen einen Unterdruck. nachfüllanlage der Batterie. Um zu gewährleisten, daß

Ordnet man in der Batteriezelle ein Tauchrohr an, 65 der anstehende Wasserdruck konstant bleibt, wird ein

das im Elektrolyten fast bis zum Boden reicht und Überlaufrohr 15 angeordnet. Das überschüssige Was-

dessen obere öffnung in der Atmosphäre liegt, dann ser fließt über die Überlaufleitung 17 wieder zum

strömt durch die Druckdifferenz Frischluft in die ZeI- Wasservorratsbehälter 13 zurück. Die Höhe des Über-

laufrohrs bestimmt die Höhe des anstehenden Wasserdrucks.

Ordnet man entweder in der Gasabführung 20 oder zwischen dem Rekombinator 11 und dem Kühler 12 eine Pumpe an, derart, daß das Gas aus den Batteriezellen abgesaugt wird, erzielt man einen weiteren Effekt. Vorausetzung ist jedoch, daß, wie in F i g. 2 dargestellt, jede Zelle 1 mit einem Röhrchen 21 versehen ist, in das Frischluft 22 eintreten und unterhalb des Säurespiegels wieder austreten kann. Im Ladebetrieb erreicht man dann eine Durchmischung des Elektrolyten und dabei einen Ausgleich der Säuredichte-Schichtung in der Zelle und außerdem einen Kühleffekt. Hinzu kommt, daß der Zellenraum oberhalb des Elektrolyten, der normalerweise mit zündfähigem Gas angefüllt ist, mit Luft durchmischt wird, unter Umständen so, daß keine Zündung mehr möglich ist.

Der vorbeschriebene Ablauf bezieht sich auf einen Ladevorgang in einer Ladestation. In den Batterien entsteht während des Ladens und Entladens im Fahrzeug aber ebenfalls Gas, wenn auch nur in geringer Menge. Bei der im Fahrzeug eingesetzten Batterie steuert das Dreiwegeventil 4 um, und der im Fahrzeug oder in der Batterie selbst angeordnete Rekombinator 9 ist in Betrieb. Die anfallende Gasmenge erreicht dann über die Verbindungsleitung den Rekombinator 9, wird hier zu Wasserdampf oder Wasser rekombiniert und tropft über die Ableitung 10 entweder als Verlustwasser ins Freie oder in einen Sammelbehälter oder wieder zurück in die zentrale, nicht näher dargestellte Wassernachfüllanlage.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

■.% Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb von mehrzelligen Akkumulatorenbatterien für batteriegetriebene Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb der Batterien im Fahrzeug nur Teilladungen oder Ladungen bis höchstens zum Ladefaktor 1 erfolgen und außerhalb des Fahrzeugs in Ladestationen Voll- und Ausgleichsladungen vorgesehen sind; daß die bei der Ladung/Entladung entstehenden geringen Gasmengen in einem der Batterie zugeordneten kleinen Rekombinationsreaktor unschädlich gemacht werden und daß die bei der Voll-Ladung entstehenden größeren Mengen Ladegas in einem in der Ladestation ortsfest angeordneten Zentral-Rekombinationsreaktor zu Wasser rekombiniert werden, wobei dem Rekombinationsreaktor die Ladegase über eine Gassammelleitung gegebenenfalls über eine Saugpumpe vom Akkumulator zugeführt werden und daß das rekombinierte Wasser über eine Wasserleitung gegebenenfalls mit Hilfe einer Pumpe dem zentralen Wassernachfüllsystem des Akkumulators wieder zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischen- und Teilladungen im Fahrzeug in Abhängigkeit von der entwikkelten Gasmenge gesteuert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Rekombinationsreaktor während der gesamten Lade,, it für die Ladung mehrerer Batterien gleichzeitig benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Rekombinationsreaktor nur während der Ladezeit der größten Gasentwicklung an die Batterie angeschlossen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase über die Gassammelleitung vom Akkumulator abgesaugt werden und eine Frischluftzuführung in den einzelnen Zellen zur Durchmischung und Kühlung des Elektrolyten erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserverluste über einen zentralen Wasserbehälter der stationären Ladeanlage ausgeglichen werden.

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