DE3875601T2

DE3875601T2 - Batterien.

Info

Publication number: DE3875601T2
Application number: DE8888905923T
Authority: DE
Inventors: John Bindin; Arnold Dawson; John Molyneux; Gilbert Sands
Original assignee: Chloride Silent Power Ltd
Current assignee: Chloride Silent Power Ltd
Priority date: 1987-07-03
Filing date: 1988-06-24
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2008-06-25
Also published as: GB8715708D0; DE3875601D1; BG50060A3; GB2206726B; KR890702271A; EP0322437B1; GB2206726A; WO1989000344A3; US5034290A; JPH02500396A; WO1989000344A2; GB8815073D0; EP0322437A1; CN1030499A; ZA884732B

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Batterien, die insbesondere mit Verbundbatterien, welche eine Mehrzahl von untereinander verbundenen Zellen aufweisen.
Viele Formen von Batterien, ausgehend von einer Einzelzelle bis zu Anordnungen sind bekannt, welche eine Mehrzahl von untereinander verbundenen Zellen gegebenenfalls aufweisen, um eine geforderte Energiespeicherkapazität bereitzustellen.
Batterien lassen sich auch in zwei Hauptbauarten unterscheiden. Primärbatterien, welche eine relative kurze Standzeit haben und welche weggeworfen werden, nachdem sie verbraucht sind, wobei es sich bei diesen Batterien häufig um Einzellenbatterien handelt, die bei Taschenlampen, Radios und Spielzeugen eingesetzt werden. Sekundärbatterien, welche nach dem Verbrauchen wieder aufladbar sind und somit eine relativ lange Standzeit haben, wie Batterien, die zum Anlassen von Fahrzeugen, zum Antrieb von Gabelstaplern und Elektrofahrzeugen eingesetzt werden, und welche eine Reserveleistung für Gebäude und Fernsprechvermittlungszentralen bereitstellen.
Sowohl Primärbatterien als auch Sekundärbatterien der trockenen Alkalibauart sind bekannt, sowie Sekundärbatterien der sauren Bleibauart.
Vor kurzem sind Sekundärbatterien der Natriumschwefelbauart, wie Batterien, bekannt geworden, welche die Vorteile eines leichten Gewichtes, einer großen Speicherkapazität und einer relativ schnellen Wiederaufladezeit haben. Ferner nutzen derartige Batterien Natrium und Schwefel, wobei es sich bei beiden um billige und leicht verfügbare Materialien handelt.
Abweichend von üblichen sauren Bleibatterien, bei denen ein flüssiger Elektrolyt - verdünnte Schwefelsäure - zwei Feststoffelektroden trennt, trennt bei einer Natriumschwefelbatterie ein Feststoffelektrolyt - Beta-Aluminiumoxid - zwei Flüssigelektroden, insbesondere flüssige Schwefel- und Natriumelektroden.
Eine derartige Natriumschwefelzelle ist in Fig. 1 der Zeichnung gezeigt, wobei es sich um eine perspektivische Ansicht einer teilweise ausgebrochenen Zelle handelt.
Wie gezeigt weist die Zelle ein gepreßtes Stahlgehäuse 1 in Form eines aufrechten Kreiszylinders auf, welcher einen massiven Elektrolytnapf 2 aus Beta-Aluminiumoxid enthält, wobei der Napf 2 eine Natriumelektrode enthält, während ein Raum zwischen dem Gehäuse 1 und dem Napf 2 eine Schwefelelektrode 4 enthält. Im Gebrauchszustand wird die Zelle auf einer Temperatur von etwa 350ºC derart gehalten, daß die Natrium- und Schwefelelektroden 3 und 4 im flüssigen Zustand vorliegen.
Das offene Ende des Napfes 2 ist mittels einer isolierenden Scheibe 5 aus Alpha-Aluminiumoxid geschlossen, während das Gehäuse 1 mittels einer ringförmigen Stahlscheibe 6 geschlossen ist.
Das Gehäuse 1 dient als ein Pol für die Schwefelelektrode 4, während die Natriumelektrode 3 einen länglichen, metallischen Stromsammler 8 enthält, welcher axial durch das Gehäuse 1 und durch die Scheibe 5 geht, an welcher dieser mit einer Mittelpolscheibe 7 verbunden ist, welche auf der Scheibe 5 angebracht ist. Die notwendigen Verbindungen werden mittels Schweißen hergestellt.
Die Atomstruktur von Beta-Aluminiumoxid ist derart, daß es als ein selektives Ionenfilter wirkt. Wenn die Zelle entladen wird, wandern Natriumionen von der Natriumelektrode durch den Elektrolyten 2, um mit der Schwefelelektrode 4 zu reagieren und Schwefelsulfid zu bilden. Die chemische Energie dieser Reaktion wird direkt in elektrische Energie umgewandelt.
Wenn die Zelle geladen wird, werden Natrium und Schwefel aus Natriumsulfid regeneriert, und die angelegte elektrische Energie wird in chemische Energie umgewandelt.
Um eine Batterie bereitzustellen, welche ein Fahrzeug antreiben kann, kann es erforderlich sein, etwa 3000 Zellen der vorstehend beschriebenen Art in einer Anordnung mit in Serie geschalteten Anordnungen von Zellen anzuordnen, wobei die Anordnung in jeder Gruppe parallelgeschaltet sind und die Gruppen von Anordnungen in Serie geschaltet sind.
Gemäß einem Lösungsgedanken nach der Erfindung wird eine Batterie bereitgestellt, welche eine Mehrzahl von Zellen oder Gruppenanordnungen von Zellen aufweist, welche zwischen einem Paar von elektrisch leitenden Sammelplatten angeordnet sind, die jeweils dazu dienen, zugeordnete Pole der Zellen oder Gruppen von Anordnungen zwischen denselben untereinander zu verbinden, wobei jeder Pol jeder Zelle oder der Endpol jeder Gruppenanordnung mit der benachbarten Sammelplatte mit Hilfe eines leitenden Metallstreifens verbunden ist, welcher an dem Pol angeschweißt ist und freie Enden hat, welche durch eine Öffnung in der Sammelplatte gehen und an der vom Pol abgelegenen Seite der Sammelplatte angeschweißt sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird ferner eine Batterie bereitgestellt, welche eine Mehrzahl von parallelen Zellen oder parallelen Gruppenanordnungen von Zellen aufweist, welche elektrisch isolierende Trennelemente zwischen benachbarten Zellen oder Gruppenanordnungen umfassen, wobei die Trennelemente in Form von Metallblechen ausgelegt sind, welche mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird ferner eine Batterie bereitgestellt, welche eine Mehrzahl von parallelen Zellen oder parallelen Gruppenanordnungen von Zellen aufweist, welche elektrisch isolierende Trennelemente zwischen benachbarten Zellen oder Gruppenanordnungen umfassen, wobei jedes Trennelement ein längliches Teil aufweist, welches mit in Umfangsrichtung in Abständen angeordneten konkaven Flächen versehen ist, welche mit den zugeordneten Zellen oder den Zellen in den zugeordneten Gruppenanordnungen zusammenarbeiten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung wird eine Batterie bereitgestellt, welche eine oder mehrere Gruppen von Zellen oder Gruppenanordnungen von Zellen aufweist, welche zwischen einem Paar von Sammelplatten angeordnet sind, welche eine Wärmesenke in der wärmeleitenden Verbindung mit einer der Sammelplatten der Gruppe oder jeder Gruppe mit einer dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Schicht umfaßt, welche zwischen der Wärmesenke und der Sammelplatte oder -platten angeordnet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung stellt eine Batterie bereit, welche in einem thermisch isolierenden Gehäuse eingeschlossen ist, welches dazu dient, die Batterie auf einer geforderten Temperatur zu halten, und in welchem die Pole der Batterie mit Leitungen verbunden sind, welche aus dem Gehäuse herausgeführt sind, wobei die Länge jeder Leitung in der Gehäusewand größer als die Dicke dieser Gehäusewand ist.
Verschiedene Batterien nach der Erfindung werden nunmehr als Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Natrium- Schwefelzelle in Teilschnittdarstellung,
Fig. 2 eine Serienschaltung von zwei Zellen nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht zur Verdeutlichung einer Batterie, welche eine Mehrzahl von Reihenanordnungen von Zellen aufweist, welche zwischen einem Paar von Sammelplatten angeordnet sind,
Fig. 4 eine Ansicht zur Verdeutlichung eines Verfahrens zum Befestigen der Sammelplattenanordnung nach Fig. 3 miteinander,
Fig. 5 eine Draufsicht einer Batterie, welche zwischen benachbarten Zellen getrennt ist,
Fig. 6 eine Draufsicht einer Batterie ähnlich jener nach Fig. 5, aber mit einer hiervon abweichenden Ausbildungsform eines Trennelements,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines Trennelements der Batterie nach Fig. 6,
Fig. 8 eine Seitenansicht des Trennelements nach Fig. 7 und
Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer Batterie, welche zwei Gruppen von Reihenanordnungen von Zellen aufweist.
Fig. 2 der Zeichnung ist eine Seitenansicht einer zweizelligen Batterie in Teilschnittdarstellung, welche ein Paar von Zellen aufweist, welche durch ein dazwischen angeordnetes Trennelement getrennt sind, wobei ein Pol einer Zelle mit einem Pol der anderen Zelle über ein leitendes Element verbunden ist, welches fest mit den Polen der zweiten Zelle verbunden ist und durch eine Öffnung im hinteren Element geht.
Bei Zellen der vorstehend unter Bezugnahme auf Fig. 1 angegebenen Art kann das leitende Element an der zentralen Polscheibe der einen Zelle und an dem Gehäuse der anderen Zelle angeschweißt sein, wodurch die Zellen in Serie zusammengeschaltet sind.
Das Trennelement kann aus irgendeinem geeigneten isolierenden Material, wie einem keramischen Material oder Porzellanmaterial hergestellt sein, und kann entweder beispielsweise in Form einer Ringgestalt vorgeformt sein oder es kann an Ort und Stelle beispielsweise durch Einspritzen eines Verbundmaterials zwischen die Zellen ausgebildet werden.
Das Trennelement dient dazu, einen Kontakt zwischen den Gehäusen der beiden Zellen zu verhindern, während die erforderliche Verbindung zwischen dem Mittelpol der einen Zelle und dem Gehäuse der anderen gestattet wird.
Insbesondere weist die Batterie nach Fig. 2 zwei Zellen 20, 21 auf, welche jeweils ein zylindrisches Gehäuse 22 haben, welches einen Pol bildet, und eine Mittelpolscheibe 23 an einem Ende des Gehäuses 22 haben, welches den anderen Pol bildet. Die Zellen 20, 21 sind hintereinander angeordnet, wobei die Mittelpolscheibe 23 der unteren (wie gezeigt) Zelle 20 in der Nähe der Bodenfläche 24 der anderen oberen (wie gezeigt) Zelle 21 angeordnet ist, und wobei ein ringförmiges Trennelement 25 aus isolierendem Keramik- oder Porzellanmaterial zwischen diesen angeordnet ist. Das Trennelement 25 dient dazu, einen Kontakt zwischen den Gehäusen 22 der beiden Zellen 20, 21 zu verhindern. Ein Streifen 26 aus leitendem Metall erstreckt sich über die Bodenfläche 24 der oberen Zelle 21 und ist an den freien Enden des Streifens 26 an dieser angeschweißt. In seiner Mitte ist das Band derart ausgebildet, daß es durch die Öffnung 27 in dem Trennelement 25 nach unten geht, um auf dem Stromsammler 28 der unteren Zelle 20 mit diesem zusammenzuarbeiten und an der Mittelpolscheibe 23 der unteren Zelle 20 angeschweißt zu werden. Der Streifen 26 stellt somit die notwendige Verbindung zwischen der Mittelachsenscheibe 23 der unteren Zelle 20 und dem Gehäuse 22 der oberen Zelle 21 her, während das Trennelement 25 einen direkten Kontakt zwischen den Gehäusen 22 der beiden Zellen 20, 21 verhindert.
Natürlich können größere Batterien dadurch bereitgestellt werden, daß die erforderliche Anzahl von Zellen hintereinander angeordnet ist und jeweils ein ringförmiges Trennelement zwischen dem jeweiligen Paar von benachbarten Zellen angeordnet ist und die benachbarten Zellen mittels eines angeschweißten Streifenverbinders der vorstehend beschriebenen Art verbunden sind.
Um eine Batterie zu erhalten, welche die erforderliche Speicherkapazität und Spannung bereitstellt, kann es erforderlich sein, eine Mehrzahl von Zellen oder Gruppen von Anordnungen von Zellen zu verbinden, wie dies beispielsweise unter Bezugnahme auf die Fig. 1 oder Fig. 2 beschrieben wurde und hierbei eine Parallelschaltung verwirklicht wird, was bedeutet, daß die Enden der Zellen oder Gruppenanordnungen miteinander verbunden werden, und eine derartige Batterie wird nachstehend unter Bezugnahme der Fig. 3 der Zeichnung beschrieben, die eine Seitenschnittansicht des Teils der Batterie darstellt.
Die Batterie weist eine Mehrzahl von Reihenanordnungen von Zellen auf, welche zwischen einem Paar von elektrisch leitenden Sammelplatten angeordnet sind, welche jeweils dazu dienen, die zugeordneten Pole der Reihenanordnungen dazwischen untereinander zu verbinden.
Der Endpol jeder Reihenanordnung ist mit der benachbarten Sammelplatte mit Hilfe eines leitenden Metallstreifens verbunden, welcher an dem Pol angeschweißt ist und freie Enden hat, welche durch eine Öffnung in der Sammelplatte gehen und an der vom Pol abgewandten Seite der Sammelplatte angeschweißt sind.
Eine Sammelplatte (die untere in der Zeichnung) dient dazu, die Gehäuse der Zellen an einem Ende der Anordnung untereinander zu verbinden. Wenn eine Gleichspannung gefordert wird, dann können die anderen zugeordneten Zellen in den Reihenanordnungen mit Hilfe von elektrisch leitenden Elementen untereinander verbunden werden, welche zwischen diesen Gehäusen angeordnet sind, wobei die Batterie dann eine Mehrzahl von Reihenanordnungen aus parallel geschalteten Zellen aufweist.
Wie insbesondere in Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Mehrzahl von Reihenanordnungen mit jeweils drei Zellen 30, wie unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben, vorgesehen, wobei benachbarte Zellen jeder Anordnung durch Trennelemente 31 getrennt sind und durch leitende Metallstreifen 22 verbunden sind, und wobei diese parallel zwischen einem Paar von Weichstahl-Sammelplatten 33 angeordnet sind.
Jede Sammelplatte 33 ist mit einer Matrix mit Öffnungen 34 versehen, welche zu den Mittelachsen der Reihenanordnungen von Zellen 30 ausgerichtet sind, und das Gehäuse 35 der unteren (wie gezeigt) Zelle 30 in jeder Anordnung und die Mittelpolscheibe 36 der oberen (wie gezeigt) Zelle 30 in jeder Anordnung ist elektrisch mit der benachbarten Sammelplatte 33 mit Hilfe eines leitenden Metallbandes 37 verbunden, welches in der Mitte an dem Gehäuse 35 oder an der Polscheibe 36 angeschweißt ist und das freie Enden hat, welche durch die fluchtende Öffnung 34 gehen und an der von den Zellen 30 abgewandten Seite der Sammelplatte 33 angeschweißt sind.
Somit sind die Zellen 30 in den jeweiligen Gruppenanordnungen in Serie geschaltet, während die Gruppenanordnungen durch die Sammelplatten 33 parallel geschaltet sind. Wie gezeigt sind die Gehäuse 35 der zugeordneten Zellen 30 in den Gruppenanordnungen untereinander durch elektrisch leitende Elemente 38 verbunden, welche zwischen diesen angeordnet sind, so daß man einen Spannungsausgleich in jeder Zellenhöhe in der Batterie erhält.
Als eine Ausführungsvariante der unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläuterten Batterie kann die untere Zelle 30 in jeder Gruppenanordnung mit der benachbarten Sammelplatte 33 durch ein leitendes Metallband 37 verbunden sein, welches freie Enden hat, die an dem Gehäuse 35 der Zelle 30 angeschweißt sind, wobei ein anfängliches mittleres Schleifenteil durch die fluchtende Öffnung 34 in der Sammelplatte 33 geht. Das Schleifenteil wird dann durchgetrennt, um zwei freie Endabschnitte zu haben, welche dann über der Oberfläche der Sammelplatte 33 auf der von den Zellen 30 abgewandten Seite zurückgefaltet und an dieser angeschweißt werden.
Batterien der vorstehend beschriebenen Art haben den Vorteil eines geringen Widerstandes bei den Verbindungen zwischen benachbarten Zellen und zwischen den Reihenanordnungen von Zellen.
Bei einer wie in Fig. 3 gezeigten Batterie können die beiden Sammelplatten mit Hilfe einer Mehrzahl von Zugstangen zusammengespannt werden, wobei beispielsweise eine in der Nähe jeder Ecke der Batterie angeordnet ist, und wobei jede Zugstange entweder an einem Ende einen Kopf und einen Gewindegang am anderen oder Schraubgewindegänge an beiden Enden hat. Die Enden der Zugstangen können in Taschen angeordnet sein, welche in den Sammelplatten auf eine geeignete Weise ausgebildet sind, um einehöhengleiche Anordnung beizubehalten. Auf die Gewindegänge auf den Zugstangen werden Muttern angeordnet und angezogen, um die Sammelplatten miteinander zu verspannen. Eine Isolierunterlagscheibe beispielsweise aus keramischem Material ist an wenigstens einem Ende jeder Zugstange vorgesehen, um zu verhindern, daß die Zugstange einen Kurzschluß zwischen den Sammelplatten herstellt.
Eine derartige Anordnung ist in Fig. 4 der Zeichnung gezeigt, wobei Sammelplatten 33 gezeigt sind, die jeweils mit einer Tasche 40 versehen sind. Eine Zugstange 41 erstreckt sich zwischen den Taschen 40. Die Tasche in der unteren Platte 33 nimmt eine Mutter 42 auf, welche mit einem Gewinde an der Zugstange 41 zusammenarbeitet, während die Tasche in der oberen Platte 33 eine isolierende Keramikscheibe 43 aufnimmt, welche mit einem Kopf 44 auf der Stange 41 zusammenarbeitet. Durch Anziehen der Mutter 42 können die Platten 33 miteinander um die dazwischenliegenden Serienanordnungen von Zellen verspannt werden.
Bei einer Batterie der vorstehend beschriebenen Art, welche eine Mehrzahl von Gruppenanordnungen von Zellen aufweist, die zwischen einem Paar von Sammelplatten eingespannt sind, muß sichergestellt werden, daß die Gehäuse der Zellen in benachbarten Gruppenanordnungen einander nicht berühren und somit unerwünschte Kurzschlußwege vermieden werden. Ferner ist es bei einer Gruppenanordnung bzw. Serienanordnung zweckmäßig, daß sie so nahe wie möglich beieinanderliegen, um die Batterie so klein wie möglich zu machen.
Somit umfaßt eine Batterie, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist, welche zwischen einem Paar von Sammelplatten eingespannt sind, vorzugsweise elektrisch isolierende Trennelemente zwischen benachbarten Zellen.
Vorzugsweise erstrecken sich die Trennelemente über den gesamten Abstand zwischen den Sammelplatten.
Die Zellen können in Reihenanordnungen wie zuvor beschrieben angeordnet sein, wobei die Trennelemente vorzugsweise sich jeweils über die Länge der Reihenanordnungen zwischen den Sammelplatten erstrecken.
Die Trennelemente können in Form von gewellten Blechteilen ausgebildet sein, wobei jedes Blechteil eine Mehrzahl von Wellungen hat, welche derart geformt sind, daß sie an einem Teil des Umfangs einer Mehrzahl von Zellen oder Serienanordnungen von Zellen jeweils zusammenarbeiten, um hierdurch benachbarte Zellen oder Serienanordnungen im erforderlichen Abstand in der Gruppenanordnung zu halten.
Die Trennelemente können aus Aluminiumblech mit beispielsweise einer Dicke von 1,6 mm hergestellt sein, welche mit einem elektrisch isolierenden Überzug beispielsweise mittels Flammaufsprühen des keramischen Materials, Aluminiumoxid, Chromcarbid oder Magnesiumoxid bedeckt sind. Ansonsten können die Bleche auch anodisiert oder mit einem wärmebeständigen Schmelzemail überzogen sein.
Die Trennelemente dienen nicht nur zur Isolierung benachbarter Zellen voneinander, sondern dienen auch dazu, die Zellen in der vollständigen Zellanordnung hinsichtlich ihrer Lage zu halten und sie dienen auch dazu, Wärme in der Gruppe von Zellen und zwischen den Sammelplatten zu leiten, um über die Batterie hinweg eine im wesentlichen gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten.
Fig. 5 der Zeichnung ist eine Draufsicht einer Batterie einschließlich von Trennelementen der vorstehend beschriebenen Art, wobei die obere Sammelplatte der Batterie teilweise ausgebrochen dargestellt ist.
Wie gezeigt ist eine Mehrzahl von Reihenanordnungen von Zellen 50 zwischen zwei Sammelplatten 51 angeordnet, wobei die Endzellen 50 in jeder Anordnung elektrisch mit der benachbarten Sammelplatte 51 mit Hilfe von Metallstreifen 52 verbunden sind, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Zellenanordnungen sind wechselweise versetzt in Reihen angeordnet, wobei gewellte, isolierende Trennelemente 53 zwischen den Reihen angeordnet sind, und wobei die Trennelemente 53 dazu dienen, die Zellen benachbarter Reihen voneinander elektrisch zu isolieren und zugleich die Zellen 50 in ihrem Positionen in der vollständigen Anordnung zu halten. Wenn notwendig oder gewünscht, können benachbarte Zellen 50 in den Reihen, die von Trennelementen 53 begrenzt werden, durch elektrisch isolierende Stoßdämpferelemente 54 getrennt sein, welche sich entweder über die gesamte Höhe der Reihenanordnungen von Zellen oder einzeln über die Paare von benachbarten Zellen 50 erstrecken.
Fig. 6 der Zeichnung zeigt eine Batterie, welche eine andere Form eines Trennelements umfaßt. Jedes Trennelement weist ein längliches Teil auf, welches sich zwischen den Sammelplatten 51 erstreckt und mit drei in Umfangsrichtung im Abstand angeordneten konkaven Flächen 61 ausgebildet ist, welche mit zugeordneten Zellen 50 oder den Zellen in den zugeordneten Reihenanordnungen zusammenarbeiten. Die Fig. 7 und 8 der Zeichnung sind jeweils eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines derartigen Trennelements 60.
Derartige Trennelemente können aus einem Porzellanmaterial, wie cordiert, beispielsweise mittels Extrusion hergestellt werden, sie können eine beliebige Länge haben, wobei eine geeignete Anzahl entsprechend den Erfordernissen hiervon eingesetzt wird.
Obgleich bei der in Fig. 6 gezeigten Batterie alle Zwischenräume zwischen den Zellen 50 mit Trennelementen 61 ausgefüllt sind, ist noch zu erwähnen, daß abwechselnde Reihen von Trennelementen 61 weggelassen werden können, um Lufträume freizulassen, wobei die verbleibenden Trennelemente 61 dazu ausreichen, daß die Zellen 50 wie gefordert in ihrer Lage gehalten werden.
Wie ferner gezeigt, können die Trennelemente jeweils in Längsrichtung verlaufende, sie durchsetzende Öffnungen für den Durchgang eines Kühlfluids durch die Batterie haben.
Eine komplette Batterie kann von einer oder mehreren Gruppen von Zellen oder Reihenanordnungen von Zellen gebildet werden, welche zwischen einem Paar von Sammelplatten der vorstehend beschriebenen Art angeordnet sind.
Eine derartige Batterie kann eine Wärmesenke in der wärmeleitenden Verbindung mit einer der Sammelplatten der oder jeder Anordnung mit einer dazwischen angeordneten elektrisch isolierenden Schicht umfassen, welche zwischen der Wärmesenke und der Sammelplatte oder -platten angeordnet ist, wobei die Wärme von der Anordnung oder den Anordnungen zu der Wärmesenke zur Wärmeableitung gegebenenfalls geleitet werden kann.
Die Wärmesenke kann von Aluminium mit einer isolierenden Schicht gebildet werden, welche in Form eines geeigneten Überzugs auf diesem Material ausgebildet sein kann.
Die Wärmesenke kann von zwei Schichten aus Aluminium mit einem elektrischen Heizelement gebildet werden, welches zwischen denselben angeordnet ist, wobei das Heizelement wenigstens zu Beginn zur Erwärmung der Batterie aus ihrem kalten Zustand dient. Ansonsten kann das Heizelement in einem Schlitz bei einer einstückig ausgelegten Wärmesenke angeordnet werden.
Die Wärmesenke kann ansonsten aus einem relativ dünnen Aluminiumblech hergestellt werden, welches eine Folie aus pyrolytischem Graphit trägt. Eine derartige Folie hat eine äußerst anisotrope Wärmeleitung, welche in der Ebene der Folie stark ist und quer zur Ebene der Folie schwach ist. Das Aluminiumblech könnte mit einer Mehrzahl von Zapfen versehen sein, welche in zugeordneten Öffnungen in der Folie aufgenommen sind, um hierdurch eine Wärmeübertragung zwischen dem Blech und der Folie zu ermöglichen. Bei einer solchen Wärmesenke würde die Wärme von der Batterie zu den Rändern der Wärmesenke zur Ableitung geleitet werden. Als eine Modifikation einer solchen Wärmesenke kann die pyrolytische Graphitfolie in Streifen geschnitten und dann wieder zusammengesetzt werden, um eine Schicht mit einer hohen Wärmeleitung in Dickenrichtung der Wärmesenke und nur in einer Richtung der Ebene der Wärmesenke zu erhalten, wobei abzuleitende Wärme zu einem Rand nur der Wärmesenke zur Ableitung geleitet wird.
Fig. 9 der Zeichnung zeigt eine komplette Batterie, welche zwei Gruppen von Reihenanordnungen von Zellen 90 aufweist, welche zwischen zugeordneten Paaren von Sammelplatten 91 angeordnet sind, wie dies vorstehend beschrieben ist, wobei die unteren Sammelplatten 91 der Gruppen auf einer gemeinsamen Aluminiumwärmesenke 92 aufliegen, welche ein elektrisches Heizelement 93 hat, das in demselben dazwischen angeordnet ist, und wobei eine elektrisch isolierende Schicht 94 zwischen den Sammelplatten 91 und der Wärmesenke 92 angeordnet ist.
Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist die obere Sammelplatte 91 einer Gruppe von Zellen mit der unteren Sammelplatte 91 der anderen Gruppe von Zellen verbunden, um somit die beiden Gruppen mit Hilfe einer Anzahl (nur eine ist gezeigt) von Stangen 95 parallel zu schalten. Die Stangen 95 können aus Aluminium bestehen, aber Endabschnitte aus rostfreiem Stahl aufweisen. Somit können die Endabschnitte der Stangen 95 auf einfache Weise mit den Weichstahl-Sammelplatten verschweißt werden, wobei Schweißzwischenverbindungen erwünscht sind, um den Innenwiderstand der Batterie so gering wie möglich zu halten. Die rostfreien Stahlendabschnitte können leicht mittels Reibungsschweißen mit den Aluminiumstangen verbunden werden, während Aluminium nicht mit Weichstahl verschweißt werden kann.
Andererseits kann eine einzige Platte derart gebogen werden, daß sie als obere Sammelplatte einer Gruppe und als die untere Sammelplatte der benachbarten Gruppe dient, wobei der Zwischenabschnitt der Platte zwischen den Gruppen verläuft und von der Wirkung her die Stangen 95 ersetzt. Wenn ferner eine Gruppe in gestürzter Anordnung zu einer benachbarten Gruppe eingesetzt werden kann, kann eine einzige "doppelt groß bemessene" Sammelplatte eingesetzt werden, welche sich über beide Gruppen spannt.
Die Stromverteilung in einer Sammelplatte 91 kann dadurch verbessert werden, daß eine Randplatte 96 längs eines Randes der Sammelplatte 91 beispielsweise durch Anschweißen eines Aluminiumstreifens an der Sammelplatte 91 vorgesehen wird, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Eine derartige Randplatte kann mit einem oder mehreren Ansatz teilen 97 zur Herstellung von elektrischen Verbindungen mit dieser versehen sein.
Gegebenenfalls kann die Wärmesenke 92 als ein Pol der kompletten Batterie dadurch eingesetzt werden, daß sie mit der unteren Sammelplatte 91 einer der Gruppen verbunden wird.
Obgleich die in Fig. 9 gezeigte Batterie nur zwei Zellenanordnungen umfaßt, kann natürlich eine beliebige, geforderte Anzahl von Gruppen in ähnlicher Art und Weise zusammengeschaltet werden, um eine komplette Batterie bereitzustellen, welche die geforderten Parameter hat.
Zum Gebrauch sind die vorstehend genannten Batterien im allgemeinen in einem thermisch isolierenden Gehäuse eingeschlossen, welches dazu dient, daß die Batterie unter einer konstanten geforderten Temperatur steht. Ein solches Gehäuse kann aus zwei im Abstand angeordneten Schichten aus Stahl gebildet werden, wobei der Zwischenraum zwischen den Schichten evakuiert ist, um gute Wärmeleiteigenschaften zu haben. Ein Ende eines derartigen Gehäuses kann zu Beginn zum Einsetzen der Batterie offengelassen werden, und kann dann beispielsweise mit Hilfe einer Wand aus isolierendem Material oder einer Wand verschlossen werden, welche in ähnlicher Weise wie der Restteil des Gehäuses ausgelegt ist, aber einen Abschnitt oder Abschnitte hat, welche aus elektrisch isolierendem Material ausgebildet sind und dazu dienen, daß die Leitungen zur Herstellung der Verbindungen mit den Polen der Batterie durchgehen können.
Die zu Rede stehenden Batterien können eine hohe Leistungsabgabe haben, und daher müssen die damit verbundenen Leitungen einen beträchtlichen Durchmesser von beispielsweise 6 mm haben. Derartige Leitungen können mit den Polen der Batterie verbunden werden und aus dem Gehäuse durch die isolierende Wand wird das isolierende Material in der abschließend angebrachten Wand durchgeführt.
Eine Schwierigkeit, welche sich im Zusammenhang mit dem Vorsehen von derartigen Leitungen ergibt, ist darin zu sehen, daß infolge der erforderlichen Abmessungen, d. h. der Querschnittsabmessungen der Leitungen, welche sie für ihren elektrischen funktionellen bestimmungsgemäßen Zweck haben müssen, auch einen guten Weg für die Wärmeableitung aus der Batterie bereitstellen, und daß daher Maßnahmen ergriffen werden sollten, um einen derartigen Wärmeverlust so gering wie möglich zu machen.
Daher ist bei einer derartigen Batterieanordnung, welche eine Batterie aufweist, die in einem thermisch isolierenden Gehäuse eingeschlossen ist, wobei die Pole der Batterie mit Leitungen verbunden sind, welche aus dem Gehäuse herausgeführt sind, die Auslegung derart getroffen, daß die Länge der jeweiligen Leitung in der Gehäusewand vorzugsweise größer als die Dicke dieser Gehäusewand ist.
Eine derartige Auslegung ermöglicht, daß Leitungen mit einem ausreichenden Leitungsvermögen eingesetzt werden können, während zugleich der Wärmeverlust von der Batterie längs den Leitungen auf ein möglichst geringes Maß beschränkt wird.
Je größer die Länge der eingesetzten Leitung ist, desto größer ist der elektrische Widerstand, und daher muß berücksichtigt werden, daß sichergestellt wird, daß die eingesetzte Länge nicht dazu führt, daß eine überhitzte Stelle in der Leitung entsteht.
Als Beispiel hat sich ein Leitungsdurchmesser von 6 mm mit einer Länge der Leitung von 120 mm in einer Gehäusewanddicke von 50 mm als akzeptabel erwiesen.
Die Temperatur an der Wand des Gehäuses einer Batterieanordnung der vorstehend beschriebenen Art ändert sich allmählich, und daher sollten die Leitungen allmählich durch die Wanddicke verlaufen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Teil jeder Leitung in der Wand in Form eines spiralförmigen Verlaufes verlegt wird, der allmählich mit der Wandstärke stärker wird.
Andererseits kann die Leitung einem Zickzackweg oder einem planaren Weg geeigneter Länge folgen. Die Abmessungen der Leitung können längs dem Weg variieren, um der Leitung das geforderte Wärmeleitvermögen in allen Positionen längs des Weges zu verleihen.
Obgleich die speziell zuvor beschriebenen Batterien Natriumschwefelzellen aufweisen, können natürlich solche Batterien der beschriebenen Art auch andere Zellen einer unterschiedlichen Bauart enthalten.

Claims

1. Batterie, welche eine Mehrzahl von Zellen oder Serienanordnungen von Zellen aufweist, welche zwischen einem Paar von elektrisch leitenden Sammelplatten angeordnet sind, die jeweils zur Zwischenverbindung zugeordneter Pole der Zellen oder dazwischenliegenden Serienanordnungen dienen, wobei der Pol jeder Zelle oder der Endpol jeder Serienanordnung mit der benachbarten Sammelplatte über einen leitenden Metallstreifen verbunden ist, der an dem Pol angeschweißt ist und freie Enden hat, die durch eine Öffnung in der Sammelplatte gehen und an der vom Pol abgewandten Seite der Sammelplatte angeschweißt sind.

2. Batterie nach Anspruch 1, welche eine Serienanordnung von Zellen aufweist, bei der zugeordnete Zellen in den Serienanordnungen untereinander über elektrisch leitende Teile verbunden sind, welche zwischen ihren Gehäusen angeordnet sind, wobei die Batterie eine Mehrzahl von Reihenanordnungen aus parallel geschalteten Zellen aufweist.

3. Batterie nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Sammelplatten mit Hilfe einer oder mehrerer Zugstangen miteinander verspannt sind.

4. Batterie nach Anspruch 3, bei der die Enden der Zugstangen in Taschen liegen, welche in den Sammelplatten ausgebildet sind, um eine höhengleiche Anordnung beizubehalten, und bei der eine isolierende Unterlagscheibe an wenigstens einem Ende der jeweiligen Zugstange vorgesehen ist, um zu verhindern, daß die Zugstange einen Kurzschluß zwischen den Sammelplatten herstellt.

5. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche eine Mehrzahl von Serienanordnungen von Zellen aufweist, bei der die benachbarten Zellen in jeder Serienanordnung durch ein Trennelement getrennt sind, und bei der ein Pol einer Zelle mit einem Pol der benachbarten Zelle durch ein leitendes Element verbunden ist, welches fest mit den Polen der beiden Zellen verbunden ist und durch eine Öffnung in dem Trennelement geht.

6. Batterie nach Anspruch 5, bei der das leitende Element an einer Mittelpolscheibe der einen Zelle oder an einem Gehäuse der benachbarten Zelle angeschweißt ist, um hierdurch die Zellen miteinander in Serie zu schalten.

7. Batterie nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der das Trennelement aus einem Keramikmaterial oder Porzellanmaterial hergestellt ist.

8. Batterie nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der das Trennelement in situ durch Einspritzen eines Materials zwischen die Zellen gebildet wird.

9. Batterie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche elektrisch isolierende Trennelemente zwischen benachbarten Zellen umfaßt.

10. Batterie nach Anspruch 9, bei der die Trennelemente sich über den gesamten Abstand zwischen den Sammelplatten erstrecken.

11. Batterie nach Anspruch 9, bei der die Zellen in Serienanordnungen vorgesehen sind, wobei die Trennelemente jeweils über die Länge der Serienanordnungen zwischen den Sammelplatten verlaufen.

12. Batterie nach einem der Ansprüche 5 bis 11, bei der die Sammelplatten mittels einer Mehrzahl von Zugstäben miteinander verspannt sind.

13. Batterie nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der die Trennelemente in Form von Metallblechen ausgelegt sind, welche mit einem elektrisch isolierenden Überzug beschichtet sind.

14. Batterie nach Anspruch 13, bei der die Trennelemente aus anodisierten Aluminiumblechen hergestellt sind.

15. Batterie nach Anspruch 13, bei der die Trennelemente aus Metallblechen hergestellt sind, welche mit wärmebeständigem Schmelzemail beschichtet sind.

16. Batterie nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der jedes Trennelement ein längliches Teil aufweist, welches mit in Umfangsrichtung in Abständen angeordneten konkaven Flächen versehen ist, welche mit zugeordneten Zellen oder Zellen in zugeordneten Serienanordnungen zusammenarbeiten.

17. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Zellen in ein oder mehreren Gruppen angeordnet sind und die Batterie ferner eine Wärmesenke in wärmeleitender Verbindung mit einer der Sammelplatten der oder jeder Gruppe umfaßt, wobei dazwischenliegend eine elektrisch isolierende Schicht zwischen der Wärmesenke und der Sammelplatte oder den -platten angeordnet ist.

18. Batterie nach Anspruch 17, bei der die Wärmesenke aus Aluminium mit einer isolierenden Schicht besteht, welche in Form eines geeigneten Überzugs hierauf ausgebildet ist.

19. Batterie nach Anspruch 17, bei der die Wärmesenke aus zwei Schichten aus Aluminium mit einem dazwischen angeordneten elektrischen Heizelement ausgebildet ist.

20. Batterie nach Anspruch 17, welche ein Heizelement umfaßt, welches in einem Schlitz in der Wärmesenke liegt.

21. Batterie nach Anspruch 17, bei der die Wärmesenke von einem relativ dünnen Aluminiumblech gebildet wird, welche eine Folie aus pyrolytischem Graphit trägt.

22. Batterie nach Anspruch 21, bei der das Aluminiumblech mit einer Mehrzahl von Zapfen versehen ist, welche in zugeordneten Öffnungen in der Folie aufgenommen sind, um hierdurch Wärme zwischen dem Blech und der Folie zu übertragen.

23. Batterie nach Anspruch 21, bei der die pyrolytische Graphitfolie in Streifen geschnitten und wieder zusammengesetzt ist, um eine Schicht mit hohem Leitvermögen in Gegenrichtung der Wärmesenke und nur in einer Richtung in der Ebene der Wärmesenke zu bilden, wobei abzuführende Wärme zu einem Rand nur der Wärmesenke zur Ableitung geleitet wird.

24. Batterie nach einem der Ansprüche 17 bis 23, bei der die Wärmesenke für den Durchgang eines durch dieselbe gehenden Wärmeübertragungsfluids ausgebildet ist.

25. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche in einem thermisch isolierenden Gehäuse eingeschlossen ist, welches dazu beiträgt, daß die Batterie unter einer geforderten Temperatur bleibt, bei welcher Pole der Batterie mit Leitungen verbunden sind, welche aus dem Gehäuse herausgeführt sind, wobei die Länge jeder Leitung in der Gehäusewand größer als die Dicke dieser Gehäusewand ist.

26. Batterie nach Anspruch 25, bei der das Gehäuse von zwei beabstandeten Metallschichten gebildet wird, wobei der Zwischenraum zwischen den Schichten evakuiert ist, um gute wärmeisolierende Eigenschaften zu erhalten.

27. Batterie nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, bei der der Teil jeder Leitung in der Wand spiralförmig gewunden ist, wenn diese allmählich sich über die Wanddicke fortsetzt.

28. Batterie nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei der die Abmessungen der Leitung längs des Weges variieren, um der Leitung das geforderte Wärmeleitvermögen an allen Stellen längs des Weges zu verleihen.

29. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Zellen in zwei Gruppen angeordnet sind, und die unteren Sammelplatten der Gruppen auf einer gemeinsamen Aluminiumwärmesenke aufliegen.

30. Batterie nach Anspruch 29, bei der die obere Sammelplatte einer Gruppe von Zellen mit der unteren Sammelplatte der anderen Gruppe von Zellen verbunden ist, um hierdurch die beiden Gruppen mit Hilfe einer Anzahl von leitenden Stäben in Serie zu schalten.

31. Batterie nach Anspruch 30, bei der die Sammelplatten aus Weichstahl hergestellt sind und die Stäbe aus Aluminium bestehen und Endabschnitte aus rostfreiem Stahl haben.

32. Batterie nach Anspruch 29, welche eine einzige Platte enthält, welche derart gebogen ist, daß sie als obere Sammelplatte einer Gruppe und als untere Sammelplatte der benachbarten Gruppe dient, wobei der Zwischenabschnitt der Platte zwischen den Gruppen verläuft.

33. Batterie nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Zellen Natrium-Schwefel-Zellen sind.