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Anordnung zur selbsttätigen Elektrolyt-
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umwäl zung Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur selbsttätigen
Umwälzung des Elektrolyten in einer Akkumulatorzelle, insbesondere für Traktionsbatterien
von Fahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bedingt durch Asymmetrien und Inhomogenitäten bei der Stromführung,
Massenbelegdichte und Elektrolytdichte eines Akkumulators, beispielsweise eines
Bleiakkkmulators, ergibt sich während dessen Entladung ein unterschiedlicher Entladungszustand
der einzelnen Elektroden bzw. Zellen. Diese Ungleichmäßigkeit im Entlade zus tand
ist um so stärker, je höher die Entladestromdichte ist, åe höher also die Anforderung
an den Akkumulator ist. Besonders bei Traktionsbatterien von Fahrzeugen, bei denen
vor allem in Beschleunigungsphasen hohe Entladestromdichten gefordert werden, kann
dies zu einer relativ geringen Standzeit der Batterien führen.
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Die hohen Entladestromdichten rufen dabei nicht nur örtliche Temperaturerhöhungen
hervor, die die Lebensdauer der Elektroden verkürzen und in Verbindung mit der Elektrolytdichte
die Modifikation und Verteilung des Elektrodenmaterials beeinflussen, sondern führen
auch zu einer erheblichen örtlichen Elektrolytdichteverminderung, die zu einer Verschlechterung
der elektrischen Leitfähigkeit und damit zu einer Erhöhung des Gesamtwiderstandes
beiträgt. Während bei geringen Entladestromdichten diese örtliche Elektrolytdichteverminderung
durch "Nachfließen" aus dem Elektrolytvorratsraum
weitgehend wieder
rückgängig gemacht wird, kann ein solcher Elektrolytdichteausgleich bei höheren
Belastungen nicht schnell genug stattfinden, so daß der erhöhte Widerstand zu stärkerer
Erwärmung und sogar zur Zerstörung des Plattenmaterials führen kann.
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Es ist daher schon versucht worden, diesen Elektrolytdichteaus gleich
durch eine Umwälzung des Elektrolyten zu beschleunigen.
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So sind beispielsweise fremd angetriebene Pumpen bekannt, die den
Elektrolyten in einem Kreislauf umpumpen. Auch sind bereits Luft- oder Gaszuführungssysteme
bekannt, mit deren Hilfe ebenfalls eine gewisse Elektrolytumwälzung erreicht werden
soll (US-PS 2 584 117). Alle diese Maßnahmen erfordern jedoch für jede Zelle einen
zusätzlichen Geräte- und Bauraumaufwand. Gerade bei Traktionsbatterien von Fahrzeugen,
in denen die Batterien ohnehin einen ziemlich großen Raumanteil beanspruchen, steht
dieser zusätzlich erforderliche Bauraum jedoch nicht zur Verfügung.
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Auch sind einer durch diese zusätzlichen Vorrichtungen entstehen den
Gewichtsvergrößerung enge Grenzen gesetzt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine
Anordnung zur selbsttätigen Elektrolytumwälzung bei Akkumulatorzellen von Traktionebatterien
zu schaffen, die ohne größeren Bau-und Geräte aufwand auskommt und trotzdem für
eine ausreichende Umwälzung des Elektrolyten und damit für eine Erhöhung der Standzeit
der Batterie sorgt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs
1. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Trennwand, die den Elektrolytvorratsraum
in wenigstens zwei Teilräume unterteilt, die untereinander nach Art kommunizierender
Röhren verbunden sind, ergibt sich die Möglichkeit, durch Herbeiführung unterschiedlicher
Elektrolytstände in den beiden Teilräumen eine Zwangsumwälzung des Elektrolyten
aufgrund der Schwerkraft zu erreichen. Wenn dann durch entsprechende Ausbildung
der Trennwand dafür gesorgt wird, daß ein Elektrolytübertritt zwischen den beiden
Teilräumen im wesentlichen
nur in einer Richtung zugelassen wird,
können die während der Fahrt des Fahrzeugs sich aufgrund der unterschiedlichen Beschleunigungen
und Verzögerungen ergebenden Elektrolytbewegungen zur Herstellung eines unterschiedlichen
Elektrolytstandes in den beiden Teilräumen herangezogen werden.
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Da bei Traktionsbatterien von Fahrzeugen die zu besonders hohen Elektrolytdichteverminderungen
führenden höchsten Entladestromdichten gerade bei Fahrzeugbeschleunigungen auftreten,
bei denen dann wiederum eine stärkere Elektrolytbewegung vorhanden ist, ergibt sich
der Vorteil, daß gerade in Zeiten hoher Entladestromdichten besonders günstige Umwälzbedingungen
herrschen.
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Um diesen selbsttätigen Zwangsumlauf besonders günstig zu gestalten,
ist es zweckmäßig, wenn die Trennwand eine mit einer Rückschlagventilvorrichtung
versehene Durchtrittsöffnung aufweist, so daß ein durch die Elektrolytbewegung verursachter
Elektrolytübertritt von dem einen in den anderen Teilraum des Elektrolytvorratsraums
in sinnvoller Weise selbsttätig gesteuert werden kann. Dabei kann diese Rückschlagventilvorrichtung
durch eine einseitig, beispielsweise mittels eines Scharniergelenkes, angelenkte
Klappe gebildet sein, die von ihrem Eigengewicht in Schließrichtung beaufschlagt
ist.
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Weiter wesentlich ist, daß Mittel zur Verhinderung eines quer zur
Trennwandebene erfolgenden Elektrolytübertritts im Bereich des Elektrodenpakets
vorgesehen sind. Diese Mittel können beispielsweise durch eine in der Ebene der
Trennwand durchbruchslos ausgeführte Wellenflanke der üblicherweise wellenförmigen
Scheidewände gebildet sein.
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Um die aus Verzögerungen und Beschleunigungen herrührenden Elektrolytbewegungen
besonders günstig für den selbsttätigen Zwangsumlauf heranziehen zu können, ist
es zweckmäßig, wenn die Trennwand im wesentlichen quer zur Fahrzeuglängsrichtung
angeordnet ist. Damit ein geschlossener Elektrolytumlauf gewährleistet ist, muß
in den
Fällen, in denen die Elektroden und Scheidewände auf in dem
Zellengehäuse am Boden angeordneten durchgehenden Haltestegen gelagert sind, dafür
gesorgt werden, daß an den Haltestegen Durchgangsöffnungen zur Ermöglichung einer
Elektrolytströmung in Richtung der Elektrodenebenen vorgesehen sind. Diese Durchgangsöffnungen
sollten dabei im oberen Bereich der Haltestege angeordnet sein, um zu verhindern,
daß mit der Elektrolytströmung der am Boden der Zelle sich ablagernde Elektrodenmaterialschlamm
mitgerissen wird.
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Schließlich besteht die Möglichkeit, den Elektrolytumlauf dadurch
zu forcieren, daß die beiden Teilräume periodisch mit unterschiedlichen Drücken
beaufschlagt werden, indem die beiden Teilräume gegeneinander abgedichtet werden
und wenigstens einer der Teilräume mit einem gasförmigen Druckmittel beaufschlagt
wird, dessen Druckniveau zumindest zeitweise von dem Druckniveau des anderen Teilraums
abweicht. Durch diese periodische, unterschiedliche Druckbeaufschlagung der Teilräume
des Elektrolytvorratsraums wird eine periodische Veränderung der jeweiligen Elektrolytstände
und damit die Voraussetzung für einen selbsttätigen Elektrolytumlauf auch in solchen
Fällen erreicht, bei denen der Elektrolyt keine oder kaum eine durch äußere Beschleunigungen
bedingte Bewegung erfährt. Abgesehen davon, daß diese periodische Druckbeaufschlagung
auch zur Unterstützung des Elektrolyt umlaufs von Fahrzeugbatterien während des
Betriebs des Fahrzeugs herangezogen werden kann, eignet sich diese Maßnahme insbesondere
für ortsfeste Batterien bzw. für eine zwangsweise Umwälzung des Elektrolyten von
Fahrzeugbatterien während des Stillstands bzw. beim Beladen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch
dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Figur
1 einen Schnitt durch eine Akkumulator zelle einer Traktionsbatterie eines Fahrzeugs
parallel zur Ebene der Elektrodenplatten, Figur 2 einen Schnitt quer zu dieser Elektrodenplattenebene
gemäß den Schnittlinien II-II nach Figur 1 und Figur 3 einen ausschnittsweisen Schnitt
durch das Plattenpaket-gemäß den Schnittlinien III-III nach Figur 2.
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In der Zeichnung ist mit 1 insgesamt eine Akkumulatorzelle, beispielsweise
einer Bleitraktionsbatterie eines Fahrzeugs, angedeutet, die in einem trogförmigen
Gehäuse 2 eine Reihe von Elektroden 6, 7 mit unterschiedlicher Polarität sowie jeweils
zwischengeschaltete Scheidewände 8, 9 enthält. Am Deckel des Gehäuses 2 ist ein
durch einen Verschluß 4 verschließbarer Nachfüllstutzen 3 angebracht, über den in
bekannter Weise beispielsweise destilliertes Wasser zur Einstellung des Elektrolytstandes
nachgefüllt werden kann.
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Wie insbesondere aus den Figuren 2 und 3 näher hervorgeht, sind in
dem Plattenpaket 5 jeweils abwechselnd positive Elektrodenplatten 6 und negative
Elektrodenplatten 7 angeordnet, die durch jeweils direkt an den Elektrodenplatten
anliegende Mikroscheider 8, sowie wellenförmig verlaufende Scheidewände 9 voneinander
getrennt sind. Insbesondere die Wellenform der Scheidewände 9 führt dazu, daß in
vertikaler Richtung durchlaufende Elektrolytkanäle 26 gebildet werden, die von einem
mit 12 bezeichneten Elektrolytvorratsraum im Kopfbereich der Zelle 1 zu einem im
Fußbereich des Behälters vorgesehenen Schlammraum 11 führen. Die durchgehenden Elektrolytkanäle
26 sind dabei durch in den Wellenflanken der Scheidewände 9 angeordnete Durchbrüche
24 miteinander verbunden, so daß auch ein Elektrolytaustausch in horizontaler Richtung
möglich ist.
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Die einzelnen Elektrodenplatten gleicher Polarität, das heißt also
die positiven Elektroden 6 und die negativen Elektroden 7 sind jeweils miteinander
durch an ihrer Oberkante angeordnete Verbinder 17 bzw. 18 miteinander sowie mit
einem Stromanschluß 15 bzw. 16 verbunden, die jeweils den positiven bzw. negativen
Pol der Zelle bilden.
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Mehrere solcher Akkumulatorzellen 1 werden dann in bekannter Weise
zu einer Batterie zusammengeschaltet, die unter anderem auch für Antriebszwecke
von Fahrzeugen, beispielsweise für Flurförderzeuge,abe'r auch für im innerstädtischen
Verkehr betriebene Personen- und Nutzfahrzeuge, herangezogen werden kann. Es werden
jedoch auch Batterien für ortsfeste Anlagen eingesetzt.
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Erfindungsgemäß ist nun in dem Elektrolytvorratsraum 12 eine diesen
Raum in zwei Teilräume 12a und 12b unterteilende Trennwand 14 vorgesehen,
die
einen Durchtritt des Elektrolyten 13 von dem einen in den anderen Teilraum im wesentlichen
nur in einer Richtung zulassen soll. Auf diese Weise kann die beim Betrieb der mit
solchen Traktionsbatterien ausgerüsteten Fahrzeuge durch Beschleunigungen bzw. Verzögerungen
auftretende Elektrolytbewegung zur Ausbildung unterschiedlicher Elektrolytstände
in den beiden Teilräumen 12a und 12b herangezogen werden, um so, wie nachfolgend
näher beschrieben wird, einen selbsttätigen Zwangsumlauf des Elektrolyten zu initiieren.
-Die richtungsabhängige Elektrolytübertrittsmöglichkeit an der Trennwand 14 kann
in einfachster Weise durch eine Überlaufkante erreicht werden, möglicherweise mit
einer besonderen Schrägstellung der Trennwand. Wirkungsvoller ist jedoch die Anordnung
einer mit einer Rückschlagventilvorrichtung 20, 21 ausgerüsteten Durchtrittsöffnung
19.
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Diese Rückschlagventilvorrichtung ist hier durch eine einfache, mittels
eines Scharniers 21 an der Trennwand 14 angelenkte Klappe 20 gebildet, die infolgedessen
um eine an der Oberkante der Platte liegende horizontale Achse verschwenkbar ist.
Anstelle des Scharniers könnte auch eine einfache Schwenklagerung der Klappe, beispielsweise
mittels zweier schräg angeordneter Haltebolzen,vorgesehen sein.
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Bei einer infolge einer Verzögerung oder Beschleunigung des Fahrzeugs
auftretenden Schrägstellung des Elektrolytstandes in dem Teilraum 12b, wie er beispielsweise
mit unterbrochenen Linien angedeutet ist, ergibt sich eine Öffnung der Klappe 20
und damit die Möglichkeit des aber tritts des Elektrolyten aus dem Teilraum 12bin
den Teilraum 12a. Ein Übertritt des Elektrolyten von dem Teilraum 12a in den Teilraum
12b wird dagegen durch selbsttätiges Schließen der Klappe 20, die allein schon durch
ihr Eigengewicht in Schließrichtung beaufschlagt ist, verhindert. Es sei jedoch
an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß selbstverständlich auch andere Konstruktionen
einer Rückschlagventilvorrichtung möglich sind, beispielsweise auch unter Verwendung
von Rückstellfedern oder Gummielementen.
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Um die sich aufgrund von Beschleunigungen oder Verzögerungen des Fahrzeugs
ergebende Elektrolytbewegung besonders günstig für die Erzeugung
unterschiedlicher
Elektrolytstände in den beiden Teilräumen 12a und 12b heranziehen zu können, sollte
die Trennwand 14 im wesentlichen senkrecht zur Fahrzeuglängsrichtung des Fahrzeugs
angeordnet sein. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, mehrere Trennwände 14
in dem Elektrolytvorratsraum 12 vorzusehen und beispielsweise auch eine Wand parallel
zur Längsrichtung des Fahrzeugs anzuordnen, wobei dann die Seitenbeschleunigungen
des Fahrzeugs für den Elektrolytübertritt an dieser Trennwand ausgenutzt werden
könnten.
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Ergeben sich nun, wie dies in der Zeichnung angedeutet ist, unterschiedliche
Elektrolytstände in den beiden Teilräumen, dann bewirkt dies einen selbsttätigen
Umlauf des Elektrolyten da die beiden, sich in der Akkumulatorzelle 1 ausbildenden
und nach' Art kummunizierenden Röhren untereinander verbundenen Elektrolytsäulen
schon aufgrund der Schwerkraft einen Ausgleich anstreben.
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Dieser Ausgleich soll nun im wesentlichen in Längsrichtung der Elektrodenplatten,
d.h. in vertikaler Richtung, erfolgen, um einen wirkungsvollen Elektrolytdichteausgleich
herbeizuführen. Die Strömungsrichtung des Elektrolyten wird dabei durch die in der
Figur 1 der Zeichnung eingetragenen Pfeile angedeutet, wobei der Elektrolyt ausgehend
von dem Teilraum 12a zunächst vertikal nach unten in den Schlammraum 11 und von
dort nach Umlenkung durch in Haltestegen 10 für die Elektrodenplatten angeordnete
Durchtrittsöffnungen 23 wieder vertikal nach oben in den Teilraum 12b des Elektrolytvorratsraums
12 strömt. Dabei werden gleichmäßig beide Plattenhälften der Elektrodenplatten 6
und 7 bestrichen.
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Die Durchgangsöffnungen 23 an den im Schlammraum 11 zur Halterung
des Plattenpakets 5 vorgesehenen, durchgehenden Haltestege 10 sollen dabei möglichst
hoch angeordnet sein, um zu verhindern, daß der sich im Schlammraum 11 am Boden
des trogförmigen Gehäuses 2 absetzende Elektrodenschlamm mit der Elektrolytströmung
mitgerissen wird.
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Um sicherzustellen, daß eine solche Elektrolytströmung auftritt, die
im wesentlichen vertikal an den Elektrodenplatten vorbeistreicht, muß dafür Sorge
getragen werden, daß zumindest in einer die Trennwand 14 enthaltenden vertikalen
Ebene 27 Mittel zur Verhinderung einer Querströmung
des Elektrolyten
vorgesehen sind. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß, wie in der Figur
3 angedeutet ist, in diesem Bereich wenigstens jeweils eine Wellenflanke 25 der
wellenförmigen Scheidewände 9 keinen Durchbruch 24 aufweisen. Bei anderen Konstruktionen
von Scheidewänden kann ein horizontaler Elektrolytausgleich dagegen von vornherein
ausgeschlossen sein.
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Mit 22 ist im übrigen noch ein elastisches, elektrisch isolierendes
Dichtmittel angedeutet, das zumindest dann zwischen der Trennwand 14 und der Oberkante
der Elektroden eingesetzt ist, wenn die Trennwand 14, wie dies in der Zeichnung
dargestellt ist, quer zur Ebene der Elektrodenplatten angeordnet ist.
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Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile bestehen darin, ohne großen
Aufwand, nämlich allein durch Anbringung einer einfachen Trennwand in dem Elektrolytvorratsraum
und durch Herbeiführung unterschiedlicher Elektrolytstände in den Teilräumen für
einen selbsttätigen Elektrolytumlauf im wesentlichen vertikal an den Elektrodenplatten
vorbei von dem einen in den anderen Teilraum zu sorgen, der insbesondere bei hohen
Entladestromdichten für einen schnellen und wirkungsvollen Elektrolytdichteausgleich
sowie für eine Verhinderung nachteiliger Säureschichtung sorgt. Dabei werden die
bei Verzögerungen bzw. Beschleunigungen des mit einer derartigen Batterie versehenen
Fahrzeugs auftretenden trägheitsbedingten Elektrolytbewegungen in vortälhafter Weise
zum Antrieb dieses Umlaufsystems herangezogen. Da diese Elektrolytbewegungen besonders
auch bei Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs auftreten, in denen besonders hohe
Stromdichten von der Batterie gefordert werden, ergibt sich der besondere Vorteil,
daß dieser Elektrolytumlauf automatisch immer gerade dann besonders stark angeregt
wird, wenn er auch besonders benötigt wird.
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Darüberhinaus kann eine Forcierung des Elektrolytumlaufs auch bei
fehlender beschleunigungsbedingter Elektrolytbewegung dadurch erreicht werden, daß
die durch die Trennwand gebildeten Teilräume periodisch mit unterschiedlichen Drücken
beaufschlagt werden, indem wenigstens einem der Teilräume ein gasförmiges Druckmittel
mit einem periodisch sich ändernden Druck zugeführt wird. Dabei müssen die beiden
Druckräume gegeneinander abgedichtet sein.
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Wenn beispielsweise einer der Teilräume 12a bzw. 12b über einen Luft-Anschluß
impulsartig mit einem über oder Unterdruck beaufschlagt wird, ändern sich die Elektrolytstände
in den beiden Teilräumen. Nach Abschaltung dieses über- bzw. Unterdrucks gleichen
sich die beiden Elektrolytstände wieder aus, wobei auch ein direkter Elektrolytübertritt
über die dann öffnende Rückschlagventilvorrichtung 20, 21 möglich und vorteilhaft
wäre. Aber auch ohne einen derartigen direkten Elektrolytübertritt könnte gegebenenfalls
eine ausreichende Elektrolytbewegung, dann allerdings nicht im Wege eines Umlaufs,sondern
nur einer schwankenden Hin- und Herbewegung erzielt werden.
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Wenn auch diese Druckbeaufschlagung zusätzlich bei Fahrzeugbatterien
während des Fahrzeugbetriebs zur Unterstützung des durch die träg heitsbedingte
Elektrolytbewegung erreichten Elektrolytumlaufs herangezogen werden kann, eignet
sich diese Maßnahme aber besonders zur Elektrolytumwälzung bei ortsfesten Batterien,
darüberhinaus aber auch bei Fahrzeugbatterien, nämlich vor allem bei längeren Stillstandszeiten
und während des Aufladens.
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