DE2819488A1 - Batterie - Google Patents

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. C U rt Wal I ach

Dipl.-lng. Günther Koch

9 A 8 8 Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

~* Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 3- Mai 1978

Unser Zeichen: l6O92 G/H/Bu

Bezeichnung: Batterie

Anmelder: Ford Aerospace & Communications

Corporation
Dearborn, Michigan 728 Parklane Towers East One Parklane Boulevard, USA

Vertreter: Patentanwälte

Dipl.-lng. Curt Wallach Dipl.-lng. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr. Tino Haibach Dipl.-lng. Raxner Feldkamp

Erfinder: Ronald J. Haas

San Jose, Calif., USA

Donald C. Briggs

Mountain View, Calif., USA

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Beschreibung
Die Erfindung betrifft Batterien mit mehreren Zellen.

In den letzten Jahren wurden häufig Erdumlauf-Nachrichtensatelliten auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik verwendet, um Nachrichtensignale zwischen verschiedenen Ländern und Kontinenten zu übertragen. Normalerweise werden Nachrichtensatelliten an einer bestimmten, festen Stelle über der Erde in einer synchronen Umlaufbahn gehalten bzw. stabilisiert. Ein Signal wird von einem Land oder Kontinent auf den Satelliten gerichtet und vom Satelitten empfangen, verstärkt und schliesslich wieder zu einer Erdstation in einem anderen Land oder Kontinent zurückgestrahlt. Die auf diese Weise übertragenen Signale betreffen nicht nur Telefonverbindungen, sondern auch Daten- und Fernsehübertragungen.

Beim Bau derartiger Nachrichtensatelliten ist es wichtig, die Einzelteile so leicht wie möglich zu gestalten. Je leichter die Einzelteile sind, umso mehr Treibstoff kann der Satellit zur Stabilisierung desselben bzw. zur Stabilisierung seiner Umlaufbahn mit sich führen. Je grosser die Kraftstoffmenge, die zu Stabilisierungszwecken mitgeführt wird, ist, umso langer kann der Satellit in der gewünschten Erdumlaufbahn gehalten werden, da die Lage des Erdsatelliten in der Erdumlaufbahn bzw. die Umlaufbahn mit Bahnstabilisierungssystemen gesteuert wird.

Ein Gerät, welches in derartigen Nachrichtensatelliten verwendet wird, ist eine Speicherbatterie.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe.zugrunde, eine Speicherbatterie zu schaffen, die beispielsweise für eine Verwendung in Nachrichtensatelliten möglichst leicht sein soll.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den UnteranSprüchen angegeben.

Auf Grund der erfindungsgemässen Bauweise der Batterie ist diese sehr leicht und kann insbesondere deshalb im Zusammenhang mit Nachrichtensatelliten oder in der Baumfahrt allgemein mit Vorteil verwendet werden. Auf Grund des geringen Gewichtes der erfindungsgemässen Batterie kann der Satellit noch mehr Treib- bzw. Brennstoff mit sich führen. Die erfindungsgemässe Batterie schafft also auf Grund der besonderen Bauweise eine leichte Energiequelle für Raumfahrzeuge und Satelliten.

Die erfindungsgemässe Batterie besitzt mehrere Zellen. Jede Zelle weist mehrere nicht versteifte Zellwände auf. Die nicht versteiften Zellwände liegen an jeweils anderen nicht versteiften Zellwänden anderer Zellen an, wenn die Zellen zu einem Paket zusammengefasst bzw. zusammengebaut sind. Jede Zelle besitzt auch wenigstens eine versteifte Zellwand. Diese versteifte Zellwand steht mit keiner anderen Zellwand einer anderen Zelle in Berührung, wenn die Zellen zu einem Paket zusammengesetzt sind. Zwei konstruktiv bzw. mechanisch versteifte bzw. verstärkte Endplatten befinden sich an einander gegenüberliegenden Seiten der Zelle, wenn die Zellen zu einem Paket zusammengefasst sind. Diese Endplatten bilden einen Halt für die nicht versteiften Zellwände von Zellen, die mit den Endplatten in Berührung stehen. Befestigungselemente sind vorgesehen, die die Zellen und die konstruktiv versteiften Endplatten zusammenhalten. Im zusammengebauten Zustand der Einzelzellen zu einem Zellenpaket bzw. zu einer Batterie werden die nicht versteiften Zellwände gegenseitig oder durch die strukturell versteiften Endplatten gehalten. Die versteif-

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ten Zellwände der Zellen liegen dagegen frei und werden nicht durch irgendeine anliegende Zellwand anderer Zellen gehalten.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die nicht versteiften Zellwände aus dünnem Metallblech hergestellt sein. In diesem Falle sind die versteiften Zellwände aus demselben dünnen Metallblech hergestellt, welches darin ausgebildete, gezogene oder gepresste Kanäle bzw. Rillen (die form channels) aufweist, um den Wänden eine grössere Steifigkeit und mechanische Festigkeit zu verleihen.

Bei einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform bestehen die nicht versteiften Zellwände aus einem leichten, sehr dünnen faserverstärkten Kunststoff- bzw. Verbundmaterial- In diesem Falle bestehen die verstärkten Wände aus einer verstärkten Honigwabenstruktur, die eine wesentlich grössere Steifigkeit oder Festigkeit als die nicht versteiften Wände aufweisen.

Es sei noch bemerkt, dass bei einer Recherche in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung folgende US-Patentschriften ermittelt wurden, die jedoch die Patentfähigkeit des Erfindungsgegenstandes nicht in Frage stellen:

2 757 222, 3 061 662, 3 338 007, 3 553 020, 3 623 917 und

3 844 841.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.Es zeigen:

Fig. 1 eine Batterie gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Schnittlinie 2-2,

Fig. 3 einen Teilquerschnitt entlang der in Fig. 2 eingezeichneten Schnittlinie 3-3»

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Fig. 4 die Darstellung einer Ecke an einer Zelle,

Fig. 5 eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemässen Aufbaus,

Fig. 6 einen Querschnitt entlang der in Fig. 5 eingezeichneten Schnittlinie 6-6, und

Fig. 7 einen Teilquerschnitt entlang der in Fig. 6 eingezeichneten Schnittlinie 7-7·

Zur Erläuterung des Grundprinzips der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die erste Ausführungsform ist in den Fig. 1 bis 4 dargestellt, bei der die einzelnen Zellen der gesamten Batterie aus Metallwänden hergestellt sind. Bei der zweiten in den Fig. 5 bis 7 dargestellten Ausführungsform sind die Zellwände aus einer Mischung aus Metall und faserverstärkten zusammengesetzten Materialien bzw. Verbindungen hergestellt. Diese beiden unterschiedlichen Ausführungsformen sollen nachfolgend im einzelnen erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Batterie 10, die Batterie umfasst mehrere Zellen 12, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel so ausgebildet sind, dass vier Zellen in einer Querschnittsebene der Batterie liegen. Die dargestellte Batterie besitzt achtzehn Reihen mit jeweils einer Vier-Zellen-Einheit. Insgesamt umfasst die Batterie 10 daher 72 Einzelzellen.

Der Aufbau der Einzelzellen wird anhand der Fig. 2 und 3 deutlich. Bei dieser Ausführungsform bestehen die Einzelzellen 12 aus mehreren Zellwänden. Wie Fig. 2 zeigt, sind eine Zellenrückwand 14 und eine Zellenbodenwand 16 einer Einzelzelle 12 aus 304L-Edelstahl oder einer Nickellegierung, beispielsweise 718A-Inconel, die unter diesem Handelsnamen von der Firma International Nickel Company vertrieben wird, in einer Dicke zwischen 0,1 und 0,26 mm hergestellt. Die Seitenwände 18 (die am besten in Fig. 3 erkennbar sind)

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jeder Zelle bestehen aus demselben Material. Die Wände 14, 16 und 18 sind unversteifte Wände. Diese unversteiften Wände liegen jedoch an entsprechenden unversteiften Wänden der anderen Zellen entweder in derselben Reihe oder in benachbarten Reihen an, so dass für die nicht gehaltenen Wände ein Halt erzielt wird. Der erhaltene Halt oder die erhaltene Stütze stellt einen gegenseitigen Halt mit einer nicht gehaltenen Wand dar, wobei diese gegenseitig miteinander in Berührung stehen.

Wie Fig. 2 zeigt, besitzt eine obere Wand 20 und eine Aussenseitenwand 22 jeder Zelle 12 mehrere gepresste bzw. ausgeschnittene oder gezogene Verstärkungskanäle 24, um diese Aussenwände zu versteifen, die ebenfalls aus demselben Material wie die zuvor beschriebenen Wände bestehen. Diese gepressten bzw. ausgeschnittenen oder gezogenen Kanäle besitzen einen Radius von 1,9 mm (75 mils) bis 3,1 mm (120 mils) und werden durch ein Metallblech-Ziehverfahren (metal sheet drawing process) gebildet. Diese gepressten bzw. gezogenen Kanäle oder Rillen versteifen die Aussenwand und verhindern ein Verbiegen und eine Zerstörung des Behälters durch einen Biegevorgang, der auf Grund des während des Überladevorgangs normalerweise auftretenden erhöhten Druck im Innern der Zelle hervorgerufen wird. Wenn die Einzelzellen 20 im zusammengesetzten Zustand vorliegen, stehen die versteiften Wände nicht mit den Zellwänden der anderen Zellen in Berührung. An gegenüberliegenden Enden der zusammengesetzten Zellen 12 befinden sich zwei mechanisch verstärkende Endplatten 26, wie dies aus Fig. 1 zu ersehen ist. Diese Endplatten besitzen zwei Vorsprünge 28, durch die ein Bolzen 30 hindurchgeht und mit entsprechenden Muttern 32 befestigt ist. Auf diese Weise halten die Endplatten die Zellen 12 im zusammengesetzten Zustand.

Jede Endplatte 26 besteht aus einem leichten Aluminiummaterial, in dem die Aussenflächen dieses Teils aus dünnem

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Aluminium bestehen. Das innere der Endplatte besteht aus einätn Aluminium-Honigwaben-Aufbau 34 (vgl. Fig. 1), bei dem der Zellen- bzw. Wabenabstand etwa 8 mm beträgt. Jede Endplatte besitzt weiterhin eine Halterung für die nicht versteiften Zellenseitenwände, die mit der Platte in Berührung stehen.

Entsprechend dem erfindungsgemassen Aufbau besitzen die Einzelzellen 12 sowohl nicht versteifte als auch versteifte Zellenwände. Mach dem endgültigen Zusammenbau liegen die nicht versteiften Zellwände entvjeder an anderen nicht versteiften Zellwänden zur Schaffung eines Haltes, oder an den versteiften Endplatten zur Schaffung eines Haltes an. Die versteiften Zellwände stehen mit keiner anderen Zellwand in Berührung und liegen im wesentlichen nach aussen hin frei- Durch die Verwendung von versteiften Wänden für r.ur diejenigen Wände, die nicht gehaltert werden oder einen Halt besitzen, können die Herstellungskosten der Batteriezelle verringert v/erden, weil es nicht notwendig ist, den Press- bzxv. Ziehvorgang zur Verstärkung an den nicht gehaltenen Wänden durchzuführen. Die Wände können auch relativ dünn sein, weil diejenigen Wände, die durch andere Wände nicht gehalten oder gestützt werden, die einzigen Wände sind, die versteift werden.

Nachfolgend soll die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform einer Batterie 110 erläutert werden. Auch bei dieser Ausbildung sind mehrere Batteriezellen vorgesehen, die mit dem Bezugszeichen 112 versehen sind. Diese Zellen sind in der gleichen Weise zu einem Zellenstapel 12 gestapelt bzw. zusammengefasst, wie dies zuvor im Zusammenhang mit der Batterie 10 beschrieben wurde. Der Aufbau ist jedoch etwas unterschiedlich. In Fig. 6 sind eine RückwandH4 und eine Bodenwand 116 dargestellt. Diese Wände sind nicht versteifte Wände bzw. keine Versteifungswände und sie sind aus einer faserverstärkten Epoxyharz-Zusammensetzung bzw. -verbindung,

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wie sie beispielsweise von der Firma Fiberite Corporation of Winoma, i'Iinriesota, gefertigt wird, in einer Dicke von etwa 0,1 mm hergestellt. Dieses Material wird von der Firma Fiberite unter dem Handelsnamen HYE 133^ vertrieben. Das Wanämaterial kann aber auch ein etwa 0,1 mm dickes Epczyharzfasermaterial sein, das beispielsweise von der Firma DuPont unter dem ¥ertriebsnamen Kevlar hergestellt wird. Ein anderes geeignetes Material ist ein von der Firma Hexcell hergestelltes Glasfaser-Epoxymaterial in einer Dicke "/on 0,1 mm, aas von der Firma Hexcell unter der Vertriebsnummer F161-120 vertrieben wird. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, können die Seitenwände 118 jeder Zelle 112 aus demselben relativ dünnen Material hergestellt werden.

Eine Oberwand 120 und eine Aussenseitenwand 122 können aus zwei dünnen Blechen der zuvor angegebenen Materialien hergestellt sein, wobei zwischen den Blechen eine Honigwabenmatrix aus diesem Material liegt. Dieses Material kann mit einem Epoxyhare-Kleber, beispielsweise einem, das von der Firma American Cynamid oder der Handelsbezeichnung FK123 hergestellt wird, verklebt werden. Dieses laminierte Element in Sandwichbauweise schafft eine mechanische Steifigkeit für diejenigen Wände, die nicht durch andere benachbarte Wände einen Halt erfahren.

Unter Verwendung der versteiften bzw. mechanisch steifen Endplatten 26, 26 werden die Einzelzellen 112 gehalten, wie dies im Zusammenhang mit der Batterie zuvor beschrieben wurde. Diese mechanisch steifen Endplatten 26 sind in der zuvor beschriebenen Weise hergestellt und erfüllen auch den zuvor bereits beschriebenen Zweck, so dass sie die Einzelzellen in einem Paket zusammenhalten. Im zusammengesetzten Zustand liegen die versteiften Wände nach aussen frei und stehen nicht mit anderen Zellenwänden in Berührung. Dagegen liegen die nicht versteiften Wände an anderen nicht versteiften Wänden zur Haltfindung oder an den versteiften Endplatten zur Halterung an.

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Die Erfindung schafft also einen Akkumulator bzw. eine Batterie, die auf Grund ihres speziellen Aufbaus sehr leicht ist. Dem Fachmanne sind zahlreiche Abwandlungen und Ausgestaltungen der beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne dass dadurch.der Erfindungsgedanke verlassen wird.

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Claims (4)

1. Patenten sp ru ch e

   My Batterie oiit mehreren Zellen, dadurch gekennzeichnet, dass jede Zelle (12; 112) mehrere nicht versteifte Zellwände (14, 16, 18; 114, 116, 118), die an anderen nicht versteiften Zellwänden (14, 16, 18; 114, 116, 118) benachbarter Zellen (12, 112) liegen, wenn die Zellen (12) zu einem Paket zusammengefasst sind, sowie weiterhin versteifte Zellwände (20, 22; 120, 122) aufweist, die an keiner anderen Zellwand einer anderen Zelle (12; 112) liegen, wenn die Zellen (12; 112) zu einem Paket zusammengefasst sind, dass zwei konstruktiv versteifte Entplatten (26), die au gegenüberliegenden Enden der Zellen(i2, 112) im zusammengebauten Zustand der Zellen (12, 112) angeordnet sind und für mindestens eine der nicht verstärkten Zellenwände (14, 16, 18j 114, 116, 118), die an den Endplatten (26) anliegen, einen Halt bieten, sowie Befestigungseinrichtungen (28, 30, 52) vorgesehen sind, die die Zellen (12, 112) und die konstruktiv versteiften Endplatten (26) in zusammengesetztem Zustand halten und dass die nicht versteiften Zellenwände (14, 16, 18; 114, 116, 118) untereinander oder durch die konstruktiv versteiften Endplatten (26) gestützt werden, und die versteiften Zellwände (20, 22; 120, 122) der Zellen (12; 112) freiliegen und nicht von einer anliegenden Zellwand gestützt werden.
2. 2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht versteiften Zellwände (14, 16, 18) Metallzellwände und die versteiften Zellwände (20, 22) gezogene Metallzellwände sind (5"ig. 1 bis 4).
3. 3· Batterie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die versteiften Zellwände (20, 22) gezogene

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   Ketallwände mit Rillen sind (Fig. 1 bis 4).
4. 4. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die versteiften Zellwände (114, 116, 118) faserverstärkte Kunststoffwände und die versteiften Zellwände (120, 122) verstärkte Honigwabenwände sind (Fig. 5 bis 7).

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