DE4326943A1 - Batterie mit mehreren alkalischen Rundzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterie mit mehreren alkalischen Rundzellen innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses.

Wiederaufladbare alkalische Zellen in zylindrischer Form sind schon seit der Erfindung des alkalischen Akkumulators bekannt und spielen auf dem Gerätebatteriemarkt eine wichtige Rolle. Sie zeichnen sich durch hohe Lebensdauer und absolute Wartungsfreiheit aus. Dabei haben Ni/Cd-Zellen dieser Bauart typische Kapazitäten zwischen 250 mAh und 8 Ah, während Ni/Hydrid-Zellen gleicher Baugröße über ca. 50% größere Kapazitäten verfügen. Dies macht gasdichte alkalische Akkumulatoren, insbesondere des Ni/Hydrid-Systems, auch für Traktionsanwendungen interessant, bei denen bis heute die wartungsfreien Bleiakkumulatoren, z. B. im Elektrostraßenfahrzeug, dominieren.

Für die Elektrotraktion bieten sich Rundzellen allein schon wegen der größeren Formstabilität beim Auftreten erhöhter Zelleninnendrucke an, während diese bei großen prismatischen Zellen, die als Traktionszellen für Kapazitäten zwischen 20 und 100 Ah ausgelegt werden müßten, kritisch ist. Erhöhte Innendrucke treten in wäßrigen Zellen vor allem unter den Bedingungen von Überladung und Umpolung mit höheren Strömen auf.

Einer Größenanpassung alkalischer Rundzellen an die für Traktionszwecke erforderlichen Kapazitäten stehen indessen zwei Umstände entgegen: zum einen erlaubt das in den gasdichten Zellen eingesetzte Scheidermaterial, im allgemeinen ein Polyamidvlies oder Polyolefinvlies, aufgrund seiner Kapillareigenschaften nur eine Bauhöhe der Zelle von 10 bis 20 cm, über die hinaus eine hinreichend gleichmäßige Elektrolytversorgung der Elektroden nicht mehr gesichert ist. Zwar ließe sich mit der Wahl eines Scheiders, dessen mittlere Porengröße weniger als 100 bis 200 µm beträgt und dadurch eine größere Kapillaraktivität aufweist, die Elektrolytsteighöhe und damit die Bauhöhe vergrößern, aber ein solches Porensystem wäre für den an der positiven Elektrode entstehenden Sauerstoff und den - bei Umpolung - an der positiven Elektrode entstehenden Wasserstoff nicht durchlässig genug, um zur jeweils anderen Elektrodenpolarität zu gelangen und dort verzehrt zu werden.

Zum anderen lehrt die namentlich an Batteriepacks aus Ni/Hydrid-Zellen gewonnene Erfahrung, daß der Gehäusedurchmesser nicht mehr als 5 cm betragen sollte, da sonst die unvermeidlichen Stromwärmeverluste aus dem Innern der Batterieanordnung nicht mehr an die Umgebung abgeführt werden können.

Hinsichtlich der Zusammenfassung von einzelnen Rundzellen zu einem Zellenblock ist es auch grundsätzlich bekannt, die Zellen nicht aufrecht stehend, sondern liegend und parallel zueinander ausgerichtet anzuordnen (vgl. z. B. DE-PS 23 35 501), dabei finden aber handelsübliche Zellen in den Normgrößen Verwendung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Berücksichtigung der eben genannten Probleme bezüglich Bauhöhen- und Dickenbegrenzung bei alkalischen Rundzellen eine funktionssichere Verbundanordnung aus Rundzellen anzugeben, welche für leistungsstarke Traktionsbatterien für Elektrostraßenfahrzeuge geeignet ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Batterie gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist.

Die erfindungsgemäße Batterie stellt demnach eine liegende Packung aus parallel zueinander ausgerichteten Einzelzellen mit zylindrischen Ummantelungen in einem gemeinsamen Batteriegehäuse dar, wobei die Länge der Einzelzellen bei einem Mindestdurchmesser von ca. 2,5 cm und bei einem maximalen Durchmesser von 5 cm zwischen 20 und 150 cm beträgt. Die zwischen den Röhrenzellen als Packungslücken verbleibenden horizontalen Kanäle werden von einem Heiz- oder Kühlmedium durchströmt.

Nähere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand einiger Figuren mitgeteilt.

Fig. 1 zeigt eine Batterie gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine einzelne Röhrenzelle der Batterie von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Ladekennlinie der Batterie gemäß der Erfindung.

Fig. 4 zeigt den mit der Ladekennlinie von Figur korrespondierenden Druckverlauf in einer Einzelzelle.

Fig. 5 zeigt eine Entladekennlinie der Batterie gemäß der Erfindung.

Fig. 6 zeigt den Druckanstieg in einer Einzelzelle bei anhaltender Umpolung.

In Fig. 1 ist die Batterie gemäß der Erfindung als ein Aggregat 1 von 180 Röhrenzellen 2 in liegender, gebündelter Anordnung und von einem Gehäusemantel 3 umgeben dargestellt. Die Länge des Aggregats kann entsprechend dem jeder Einzelzelle zugemessenen Längenspielraum 20 bis 150 cm betragen. Breite und Höhe sind je nach gewünschter Schichtungshöhe im Rahmen der vorgesehenen Zellenzahl freibleibend, in dem dargestellten Beispiel etwa 90 cm bzw. 50 cm.

Die Einzelzellen sind stirnseitig über Cu-Verbinder 4 elektrisch miteinander verbunden. Über die bei Stapelung entstehenden Zwischenräume, durch welche mittels Ventilatoren Luft geblasen wird (Pfeile), sind die Zellen einer Zwangskühlung ausgesetzt. Durch eine wärmedämmende Schicht auf der Innenseite des Gehäusemantels (nicht dargestellt) kann dafür Sorge getragen werden, daß die außenliegenden Zellen nicht wesentlich stärker als die innenliegenden abgekühlt werden, so daß auf diese Weise bei ausreichender Luftdurchströmung eine gleichmäßige Temperatur gewährleistet ist. Umgekehrt kann dem Röhrenstapel auch Wärme durch ein Heizmedium zugeführt werden.

Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau demonstriert darüber hinaus eine sehr hohe Raumausnutzung und damit eine hohe volumenbezogene Energiedichte.

Aus der Darstellung einer einzelnen langen Rundzelle 2 in Fig. 2 ist ersichtlich, daß an den Stirnseiten des Zylinders, wie bei einer normalen Gerätebatteriezelle auch, ein Pluspol und ein Minuspol vorhanden ist. Für die Anbringung der Zellenverbinder sind die Pole als Kupferbolzen ausgebildet und mit einem Schraubgewinde versehen. Besonders vorteilhaft ist es, ein Sicherheitsventil, das bei Überschreiten der zulässigen Drucktoleranzen des Zylinders öffnet und die Ladegase freigibt, in einen der Polableiter zu integrieren.

In Fig. 3 ist für ein 180V-/40Ah-Aggregat der zeitliche Verlauf der Spannung (U [V] vs. t [min]) während einer Ladung mit dem 1-stündigen Strom wiedergegeben.

Aus Fig. 4 ist der mit dieser Ladung einhergehende Anstieg des Innendrucks (p [bar] vs. t [min]) in einer der 40Ah-Einzelzellen zu ersehen.

Fig. 5 gibt den Spannungsverlauf einer Einzelzelle während der Entladung mit dem 1- stündigen Strom wieder.

Das Druckverhalten bei Umpolung einer Ni/H-Zelle geht aus Fig. 6 hervor. Der bei einer 20-minütigen Umpolung mit dem 1-stündigen Entladestrom beobachtete Druckanstieg (p [bar] vs. t [min]) beträgt maximal 4 bar. Die Zellenspannung U erfährt dabei keine Veränderung.

Die sowohl bei der Überladung als auch bei Umpolung entstehenden Drucke sind mithin von solcher Größe, daß sie von den Ummantelungen der Einzelzellen leicht aufgefangen werden können. Mechanische Probleme hinsichtlich der Formstabilität sind weder bei den einzelnen Röhrenzellen noch bei der Batterie gemäß der Erfindung vorhanden.

Claims (3)

1. Batterie mit mehreren alkalischen Rundzellen innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundzellen (2) im Gehäuse liegend und parallel zueinander angeordnet sind und daß sie bei einem Mindestdurchmesser von ca. 2,5 cm und bei einem maximalen Durchmesser von 5 cm eine Länge von 20 cm bis 150 cm besitzen und einer Umströmung durch ein Heiz- oder Kühlmedium ausgesetzt sind.

2. Batterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils an den Stirnseiten der Rundzellen ein Pluspol und ein Minuspol in Form eines Kupferbolzens mit Schraubgewinde vorhanden sind.

3. Batterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den einen der Pole ein Sicherheitsventil integriert ist.