DE60021920T2

DE60021920T2 - Blei-säurebatterie mit ventilregulierung

Info

Publication number: DE60021920T2
Application number: DE60021920T
Authority: DE
Inventors: Harvey Russell NEWNHAM; Albert Frank FLEMING
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO; HAWKER ENERGY PRODUCTS WARRENS; Hawker Energy Products Inc
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO; HAWKER ENERGY PRODUCTS WARRENS; Hawker Energy Products Inc
Priority date: 2000-04-06
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2020-11-08
Also published as: US20050271935A1; WO2001078166A1; ES2325926T3; ES2246935T3; AU2001229219B2; CN1452793A; EP1287567A1; HK1056950A1; EP1287567B1; US7601456B2; CA2402455C; HK1091949A1; CN1218415C; AU2921901A; DE60021920D1; US6815118B2; US20030232238A1; MXPA02009801A; US6555265B1; ATE430995T1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ventilregulierte Bleisäure-(VRLA)-Batterien, welche für die Verwendung in Hybrid-Elektrofahrzeugen (HEVs) und Elektrofahrzeugen (EVs) geeignet sind.
Abgasemissionen von Transportfahrzeugen sind ein Hauptgrund von sowohl dem Aufbau von Treibhausgasen als auch städtischer Umweltverschmutzung. Bedenken betreffend diese Punkte haben in der Einführung von neuer Anti-Umweltverschmutzungs-Gesetzgebung resultiert, welche signifikant Abgasemissionen von Verbrennungskraftmaschinen beschränkt. Einige Länder waren noch strenger in ihrem Zugang und haben verfügt, daß eine bestimmte Anzahl von verkauften Fahrzeugen entweder niedrige oder Nullemissionen aufweisen müssen. Derartige Fahrzeuge beinhalten Elektrofahrzeuge (EVs) und Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs). Der Erfolg dieser Initiative hängt von der Entwicklung von Fahrzeugen ab, welche sowohl eine geeignete Leistung als auch die Lebensdauer-Kostencharakteristika bzw. -merkmale besitzen.
HEV Batteriepakete werden zahlreichen Ladungs/Entladungszyklen unter einen vollen Ladungszustand (SoC) unterworfen. Eine derartige Last kann einen lokalisierten irreversiblen Aufbau von Bleisulfat bewirken. Dies verschlechtert eine Batterieleistung. Ähnliche Aufbauten, gemeinsam mit hohen Temperaturen und ungleichmäßigen Temperaturgradienten können auch innerhalb von EV Batterien auftreten, welche schnellen bzw. Schnell-Ladungs- und -Entladungsbedingungen unterworfen werden.
Die Beschreibung von U.S. Patent Nr. 4,760,001 offenbart eine Batterie, umfassend negative Platten, die aus expandiertem, mit Blei beschichtetem Kupfer gebildet sind, das Fortsätze bzw. Kontaktfahnen aufweist, die durch einen Kupferstreifen gebildet sind, der sich über die Platte erstreckt. In einer Form der Batterie erstreckt sich der Kupferstreifen über freigelegte Kanten bzw. Ränder der negativen Platte, um Ansätze oder Kontaktfahnen bzw. Fortsätze an gegenüberliegenden Seiten der Platte auszubilden. Dies führt zu einem sub-optimalen Ort der Kontaktfahnen in bezug auf eine Drainage bzw. ein Lecken von Strom und Wärme. Weiters sind bleibeschichtete expandierte Kupferplatten bedeutend teurer herzustellen als expandierte Bleiplatten. Zusätzlich würden derartige Batterien nicht für eine HEV oder EV Verwendung aufgrund ihrer hohen Kosten und des zusätzlichen Gewichts geeignet sein.
Die Beschreibung von U.S. Patent Nr. 4,983,475 offenbart ein Batteriedesign, in welchem jede Platte zweifache bzw. duale Kontaktfahnen an gegenüberliegenden Seiten aufweist und jede Kontaktfahne mit einer entsprechenden negativen oder positiven Leiterbahn verbunden ist. Jede der Leiterbahnen bzw. Sammelschienen ist wiederum durch diagonal angeordnete Streifen verbunden bzw. angeschlossen. Der Zweck der doppelten Kontaktfahnen und Streifen ist es, die elektrischen Charakteristika der Batterie zu verbessern. Jedoch würden die Batterien, die in der Beschreibung beschrieben sind, nicht für eine HEV oder EV Verwendung geeignet sein, da sie nur 2 Volt Batterien sind und die Streifen un notwendiges Gewicht darstellen. Weiters absorbieren die Streifen wertvollen Raum.
Die Beschreibung von U.S. Patent Nr. 4,603,093 offenbart Batteriezellen, die zwei oder mehr Kontaktfahnen pro Platte aufweist. Der Zweck der mehrfachen Kontaktfahnen ist es, Energiedichte und Leistungsdichte zu verbessern. Dieses Design erlaubt die Verwendung von längeren seichteren Platten als zuvor angenommen. Jedoch sind die mehreren Kontaktfahnen auf einer Seite der Platte angeordnet.
Die Beschreibung von WO 99/40,638 beschreibt Zellen, die Platten der entgegengesetzten Geometrie als jene aufweisen, die in der Beschreibung von U.S. Patent 4,603,093 beschrieben sind. Mit anderen Worten, die Platten sind schmal und tief. Um die Verfügbarkeit von Strom von Zellen zu verbessern, die Platten dieses Designs enthalten, sind Kontaktfahnen an gegenüberliegenden Seiten der Platte angeordnet und Strom von einem Ende wird zu dem anderen mittels eines bleiplattierten Kupferstreifens transferiert. Dies verbessert eine Stromverfügbarkeit, da Kupfer ein besserer Leiter als Blei ist. Obwohl dieses Designs Kontaktfahnen an gegenüberliegenden Seiten der Platte aufweist, sieht es keine Anschlüsse an gegenüberliegenden Seiten der Batterie vor. Folglich muß Strom immer noch von einer Seite der Platte zu der anderen transferiert werden, um mit dem relevanten Anschluß verbunden zu werden. Weiters fügt der Streifen Gewicht zu der Batterie hinzu.
US-A-4 760 001 offenbart eine negative Elektrode, umfassend eine geschichtete Anordnung von negativen und positiven Platten, die in einem Gehäuse angeordnet sind, wobei die Elektrodenplatten Verbindungsansätze umfassen, welche wie derum elektrisch mit einem Verbinder verbunden sind, welcher zu den Verbindungsanschlüssen des Gehäuses führt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Bleisäurebatterie zur Verfügung mit verbesserter Betätigbarkeit zu stellen. Dieses Ziel wird durch eine Bleisäurebatterie gelöst, die die Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Eine bevorzugte Ausbildung ist Gegenstand des abhängigen Unteranspruchs.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Beispiel, das nicht durch die Ansprüche abgedeckt ist, stellt eine ventilregulierte Bleisäure-(VRLA)-Zelle zur Verfügung, die eine positive und negative Platte umfaßt, die durch einen Separator getrennt sind und die unter Druck zusammengehalten sind. Vorzugsweise liegt der an die Zellen angelegte Druck in dem Bereich von 20 bis 100 kPa. Der Separator bzw. die Trenneinrichtung stützt darin einen Elektrolyt. Jede Platte hat eine erste einzige oder eine Mehrzahl von Kontaktfahnen auf einer ersten Seite der Platte und eine zweite einzige oder eine Mehrzahl von Kontaktfahnen auf einer zweiten Seite der Platte. Jede Kontaktfahne ist mit einer Leiterbahn verbunden, um positive und negative Leiterbahnen bzw. Sammelschienen auf jeder der ersten und zweiten Seite der Platte auszubilden.
Die Zelle kann eine spiralig-gewundene Zelle oder eine prismatische Zelle sein. Die spiralig-gewundenen Zellen können entweder 2 V Zellen sein oder hergestellt sein, um Monoblöcke bzw. Einzelblöcke herzustellen mit einer Gesamtspannung von 4 und höher. Spiralig-gewundene Zellen haben Stromabnehmer sowohl an der Oberseite als auch dem Boden von sowohl der negativen als auch der positiven Platte (bisher als spiralig-gewundene Batterien mit Zwei-Richtungs-Stromabnehmern bezeichnet). Die prismatische Zelle beinhaltet vorzugsweise eine Mehrzahl von derartigen positiven und negativen Platten, die durch Separatoren bzw. Trenneinrichtungen getrennt sind. Eine Mehrzahl von Zellen kann in Serie verbunden bzw. angeschlossen sein.
Ein weiteres Beispiel, das nicht durch die Ansprüche abgedeckt ist, stellt eine VRLA Batterie zur Verfügung, umfassend eine Mehrzahl von Zellen, die in Serie verbunden sind, wobei jede Zelle eine oder mehrere positive und negative Platten umfaßt, die durch einen oder mehrere Separator(en) getrennt sind und unter Druck zusammengehalten sind. Vorzugsweise liegt der auf die Zellen angelegte Druck in dem Bereich von 20 bis 100 kPa. Der Separator trägt darin einen Elektrolyten. Jede Platte hat eine erste einzige oder eine Mehrzahl von Kontaktfahnen auf einer ersten Seite der Platte, und eine zweite einzige oder eine Mehrzahl von Kontaktfahnen auf einer zweiten Seite der Platte. Jede Kontaktfahne ist mit einer Leiterbahn verbunden, um positive und negative Leiterbahnen auf jeder der ersten und zweiten Seite der Platte auszubilden. Jede Zelle kann mit einer benachbarten Zelle durch verschweißte Verbindungen zwischen abwechselnden negativen und positiven Leiterbahnen verbunden sein. Diese Verschweißungen erfolgen vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich durch, eine Zellgehäusewand oder über die Oberseite der Zellwand. Jede Zelle kann unabhängig luftdicht abgedichtet sein. Alternativ können alle der Zellen in der Batterie einen gemeinsamen Kopfraum aufweisen. Eine Mehrzahl von Batterien kann in Serie verbunden bzw. angeschlossen sein.
Der Separator, der in der Erfindung verwendet wird, kann aus absorptiver Glas-Mikrofaser hergestellt sein oder kann mit der Verwendung von einem gelierten Elektrolyten kompatibel sein. Alternativ ist ein beliebiges Separatormaterial, das vernünftigen Niveaus einer Kompression (beispielsweise Drücken größer als 20 kPa) widerstehen kann, geeignet.
In einem anderen Aspekt stellt die Erfindung ein elektrisches oder elektrisches Hybridfahrzeug (z.B. EV oder HEV) zur Verfügung, welches eine oder mehrere Batterien enthält.
Die Erfindung stellt mehrere Vorteile zur Verfügung. VRLA Batterien der Empfindung sind leichtgewichtig und billig. Derartige Zellen und Batterien haben die Kapazität, wesentliche Stromflüsse zur Verfügung zu stellen bzw. abzugeben, während sie sich in einem teilweisen Ladungszustand (PSoC) über eine große Anzahl von Zyklen befinden. Auch unter Hochladungs- und Entladungsbedingungen halten Zellen und Batterien gemäß der vorliegenden Erfindung eine bedeutend niedrigere und nahezu isotherme innere Batterietemperatur, verglichen mit jenen, die in Designs gemäß dem Stand der Technik erfahren wurden. Das Doppelkontaktfahnendesign entwickelt keine signifikanten Temperaturgradienten, während entweder einer HEV oder PsoC/Schnelladungs-EV-Last und leidet nicht an bevorzugter Sulfatierung. Alle diese Merkmale stellen bemerkenswerte Vorteile für Fahrzeuganwendungen zur Verfügung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es sind in den Zeichnungen bestimmte beispielhafte Ausbildungen der Erfindung gezeigt, wie sie gegenwärtig bevorzugt ist. Es sollte verstanden werden, daß die Erfindung nicht auf die als Beispiele geoffenbarten Ausbildungen beschränkt ist und zu einer Variation bzw. Abwandlung innerhalb des Rahmens der beiliegenden Ansprüche fähig ist. In den Zeichnungen
ist 1 eine Draufsicht auf eine ventilregulierte Bleisäurebatterie, die nicht durch die Anspruchsfassung abgedeckt ist, die eine Anordnung mit Doppelkontaktfahne und ebener bzw. flache Platte aufweist, wobei ein Deckel des Batteriegehäuses entfernt ist, um die innere Anordnung besser zu zeigen;
ist 2 eine Bodendraufsicht der Batterie mit Doppelkontaktfahne und ebener Platte von 1 mit Ausnahme einer Basis des Batteriegehäuses, die von der Ansicht entfernt ist;
ist 3 eine Seitenaufrißansicht der Batterie mit Doppelkontaktfahne und ebener Platte von 1 und 2 mit der Ausnahme der nahen Seitenwand des Batteriegehäuses, die in der Ansicht teilweise entfernt ist, um besser die Interzellen-Verschweißung zu zeigen, welche gegenüber den Zellwandunterteilungen angeordnet ist;
ist 4 eine Seitenaufrißansicht, vergleichbar zu 3 mit der Ausnahme, daß eine alternative Anordnung der Interzellen-Verschweißung gezeigt ist, welche in dieser Ansicht nicht über die, sondern durch die Zellwandabteilungen angeordnet ist;
ist 5a eine Draufsicht auf eine Ausbildung einer ventilregulierten Bleisäurebatterie in Übereinstimmung mit der Erfindung, die eine spiralig gewundene Zellanordnung mit bidirektionalen Stromabnehmern zeigt, wobei sowohl positive als auch negative Leiterbahnen gezeigt sind;
ist 5b eine Seitenaufrißansicht einer spiralig gewundenen Zelle mit bidirektionalen Stromabnehmern von 5a, die Leiterbahnen sowohl an der Oberseite als auch am Boden der Einheit zeigt;
ist 6 ein Graph, der sowohl Profile eines Endes einer Entladungsspannung (EoDV) als auch Temperatur (T) zeigt, wie sie gegen eine Anzahl von Testzyklen aufgezeichnet sind, um einen Vergleich zwischen einer repräsentativen Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik und einer Batterie mit ebener Platte und Doppelkontaktfahne, die nicht durch den Satz von Ansprüchen abgedeckt ist, unter Bedingungen zu ermöglichen, die für eine HEV Zyklusgeschwindigkeit bzw. -rate von 2C repräsentativ sind;
ist 7 ein vergleichbarer Graph, der Profile eines Endes einer Entladungsspannung (EoDV) als auch Temperatur (T) zeigt, wie sie gegen eine Anzahl von Zyklen aufgezeichnet sind, um einen Vergleich zwischen einer repräsentativen Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik und einer Batterie mit ebener Platte und Doppelkontaktfahne, die nicht durch den Satz von Ansprüchen abgedeckt ist, mit Ausnahme von Bedingungen zu ermöglichen, die für eine HEV Zyklusgeschwindigkeit von 4C repräsentativ sind;
ist 8 ein Graph, der nur Profile eines Endes einer Entladungsspannung (EoDV) zeigt, wie sie gegen eine Anzahl von Testzyklen aufgezeichnet sind, um einen Vergleich zwischen der gegebenen Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik und der Batterie mit ebener Platte und Doppelkontaktfahne, die nicht durch den Satz von Ansprüchen abgedeckt ist, unter Bedingungen zu ermöglichen, die für PSoC/Schnelladungs-EV-Last repräsentativ sind; und
ist 9 ein Graph, der nur Temperatur-(T)-Profile zeigt, wie sie gegen eine Anzahl von Testzyklen aufgezeichnet sind, um einen Vergleich zwischen der gegebenen Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik und der Batterie mit ebener Platte und Doppelkontaktfahne, wie sie nicht durch den Anspruchssatz abgedeckt ist, in gleicher Weise unter Bedingungen zu ermöglichen, die für eine PSoC/Schnelladungs-EV-Last repräsentativ sind.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausbildungen
1 ist eine Draufsicht von oben auf eine ventilregulierte Bleisäure-(VRLA)-Batterie 1, die nicht durch den Satz von Ansprüchen abgedeckt ist, welche allgemein eine Anordnung mit ebener bzw. flacher Platte umfaßt. Die Batterie 1 hat sechs Zellen 2 bis 7. Jede Zelle ist von einer benachbarten Zelle mittels Zellunterteilungen 8 getrennt. Die Zellen sind in einem Batteriegehäuse 9 umschlossen bzw. aufgenommen. Jede Zelle umfaßt negative Platten 10, die von positiven Platten 11 mittels Separatoren bzw. Trenneinrichtungen 12 getrennt sind. Wie dies in 3 gezeigt ist, hat jede negative Platte Kontaktfahnen bzw. Fortsätze 13 und 14, die von gegenüberliegenden Seiten vorragen. In gleicher Weise hat jede positive Platte Kontaktfahnen 15 und 16, die von gegenüberliegenden Seiten vorragen.
Zurückkommend auf 1 ist jede der Kontaktfahnen 16, die an den positiven Platten festgelegt sind, mit positiven Leiterbahnen bzw. Sammelschienen 17 verbunden und jede der Kontaktfahnen 14, die mit den negativen Platten verbunden sind, ist mit negativen Leiterbahnen 18 verbunden.
Die negative Leiterbahn 18 von Zelle 2 ist mit einer positiven Leiterbahn 17 von Zelle 3 mittels einer geschweißten Zwischen- bzw. Interzellen-Verbindung 19 verbunden. In gleicher Weise ist die negative Leiterbahn 18 von Zelle 3 mit der positiven Leiterbahn 17 von Zelle 4 durch eine geschweißte Verbindung 20 verbunden. Und so weiter, so daß in ähnlicher Weise Zellen 4, 5, 6 und 7 miteinander durch Schweißverbindungen 21, 22 und 23 verbunden sind, wodurch jede der Zellen in Serie verbunden ist, um eine Batterie auszubilden, die eine Nominalkapazität von 12 Volt besitzt. 3 zeigt die Interzellenverschweißung, wie sie gegenüber den Zellwandunterteilungen angeordnet ist. 4 ist eine vergleichbare Ansicht zu 3 mit der Ausnahme, daß sie eine alternative Anordnung einer Interzellenverschweißung zeigt, (d.h. 20'), welche in dieser Ansicht nicht über, sondern durch die Zellwandunterteilungen angeordnet ist. In 1 ist ein Anschluß 24 mit der positiven Leiterbahn 17 von Zelle 2 verbunden und ein Anschluß 25 ist mit der negativen Leiterbahn 18 von Zelle 7 verbunden.
Wenn sie vom Boden, wie in 2, gesehen wird, hat die Batterie eine ähnliche Struktur mit positiven Leiterbahnen 26, die mit positiven Kontaktfahnen 15 verbunden sind, welche an den positiven Platten festgelegt sind, und negativen Leiterbahnen 27, die mit Kontaktfahnen 13 verbunden sind, die an den negativen Platten festgelegt sind. In gleicher Weise sind die Zellen 2, 3, 4, 5, 6 und 7 durch geschweißte bzw. Schweißverbindungen 28, 29, 30, 31 und 32 auf abwechselnden Seiten der Batterie verbunden. 2 zeigt auch, daß eine Leiterbahn 26 von Zelle 2 einen positiven Anschluß 34 damit verbunden aufweist und die negative Leiterbahn 27 von Zelle 7 einen negativen Anschluß 33 damit verbunden aufweist. Daher hat, bezugnehmend sowohl auf 1 als auch 2, die Batterie 1 zwei positive Anschlüsse und zwei negative Anschlüsse, die entweder in 3 oder 4 in einer Einzelansicht gezeigt ist, wobei letztere An sichten auch zeigen, daß die Zellen mit Entlastungsventilen "V." versehen sind.
Im Betrieb wird Strom von der Oberseite und dem Boden von jeder Platte durch Leiterbahnen an der Oberseite und dem Boden der Zelle durch die Leiterbahnen in entsprechende positive und negative Anschlüsse entnommen bzw. abgezogen, wodurch ein bedeutend kürzerer Pfad im Mittel bzw. Durchschnitt von der Platte zu einem Anschluß zur Verfügung gestellt wird. Dies minimiert die Ausbildung von Wärme als ein Ergebnis von Widerstandseffekten. In gleicher Weise stellt dieses Design einen kürzeren Pfad für eine Verteilung bzw. Dissipation von Wärme von den Platten durch die Leiterbahnen und hinaus durch die Anschlüsse zur Verfügung.
5a ist eine Draufsicht von oben auf eine Ausbildung einer VRLA Batterie 40 in Übereinstimmung mit der Erfindung, umfassend eine Anordnung von spiralig gewundenen Platten. Die Batterie 40 umfaßt eine negative Platte 41, eine positive Platte 42 und einen Separator 43. Wie dies in 5b gesehen wird, hat die positive Platte 42 vier positive Plattenkontaktfahnen 44 an der Oberseite und vier positive Plattenkontaktfahnen an dem Boden. In gleicher Weise hat die negative Platte 41 vier negative Plattenkontaktfahnen 46 an der Oberseite und vier negative Plattenkontaktfahnen 47 an dem Boden.
Die positiven Plattenkontaktfahnen 44 bzw. Kontaktfahnen der positiven Platte sind mit positiven Leiterbahnen 48 an der Oberseite der Batterie verbunden und die positiven Plattenkontaktfahnen 45 sind mit positiven Leiterbahnen 49 am Boden der Batterie verbunden. In gleicher Weise sind die negativen Plattenkontaktfahnen 46 mit negativen Leiterbahnen 50 an der Oberseite der Batterie verbunden und die negativen Plattenkontaktfahnen 47 sind mit negativen Leiterbahnen 51 an dem Boden der Batterie verbunden.
Die positive Leiterbahn 48 ist mit einem positiven Anschluß 52 verbunden, die negative Leiterbahn 50 ist mit einem negativen Anschluß 53 verbunden, die positive Leiterbahn 49 ist mit einem positiven Anschluß 54 verbunden und eine negative Leiterbahn ist mit einem negativen Anschluß 55 verbunden.
Es wird erkannt bzw. geschätzt werden, daß die Kontaktfahnen 44 und 45 jeweils an der Oberseite und am Boden einer positiven Platte 42 in Abständen beabstandet sind, welche sich verringern, wenn das Innere der spiralig gebundenen Batterie erreicht wird, so daß die Kontaktfahnen 44 und 45 jeweils mit den Leiterbahnen 48 und 49 entsprechend zusammenfallen. Es ist daher klar, daß das Äußere der spiralig gewundenen Platte nicht so wie das Innere ableiten wird. Dieses Problem könnte durch ein Bereitstellen von zusätzlichen Leiterbahnen und entsprechenden Kontaktfahnen an den äußeren Enden der spiralig gewundenen Platten überwunden werden.
6 bis 9 stellen eine graphische Evaluierung bzw. Auswertung zur Verfügung, wie die Batterie 1 mit ebener Platte und Doppelkontaktfahne, die nicht durch den Satz von Ansprüchen abgedeckt ist, mit einer entsprechenden Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik unter verschiedenen Bedingungen verglichen ist, die für eine HEV Belastung bzw. Last in bestimmten Fällen und eine EV Belastung in anderen repräsentativ sind.
Als Hintergrundinformation wird von HEV Batteriepackungen gefordert, daß sie für zahlreiche Zyklen unter einer vollen SoC arbeiten. Sie sind auch Gegenstand von hohen Ladungs- und Entladungsströmen. Von dem Betrieb von kommerziell verfügbaren VRLA Batterien unter einer derartigen Last wurde gezeigt, daß dies in einer lokalisierten irreversiblen Ausbildung von Bleisulfat in Batterieplatten führt.
Wie ausgeführt, wurde eine Version einer ebenen Platte der Doppelkontaktfahnen-Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung gemeinsam mit einer entsprechenden repräsentativen Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik äquivalenter Größe, Gewicht und Kapazität und unter einem simulierten HEV Profil evaluiert, von welchem bekannt ist, daß es die Bildung von lokalisiertem "feuerfestem" Bleisulfat fördert. Der Testzyklus würde die folgenden Schritte bedingen:

(i) Entladung (2C Geschwindigkeit bzw. Rate) auf 50% SoC;
(ii) Ladung bei bestimmter Geschwindigkeit bzw. Rate, (d.h. 2C ~ 21½ A; 4C ~ 43A) für 1 Minute;
(iii) Ruhe bei offener Schaltung für 10 Sekunden,
(iv) Entladung bei bestimmter Geschwindigkeit (2C ~ 21½ A; 4C ~ 43A) für 1 Minute;
(v) Ruhe bei offener Schaltung für 10 Sekunden;
(vi) Wiederholen (ii)–(v), bis Spannung auf 10 V am Ende von Schritt (iv) absinkt oder auf 15 V am Ende von Schritt (ii) ansteigt.

(Bemerkung: – alle Ladungen und Entladungen basieren auf Amperestunden).
Übergehend zu 6 ist sie ein Graph, der Profile sowohl eines Endes einer Entladungsspannung (EoDV) als auch einer Temperatur (T) zeigt, wie sie gegen eine Anzahl von Testzyklen aufgezeichnet sind, um einen Vergleich zwischen einer repräsentativen Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik und der Batterie mit ebener Platte und Doppelkontaktfahne, wie sie nicht durch den Satz von Ansprüchen abgedeckt ist, unter Bedingungen zu ermöglichen, die für eine HEV Zyklusgeschwindigkeit bzw. -rate von 2C repräsentativ sind (d.h. Ladung und Entladung, die bei einer bestimmten Geschwindigkeit bzw. Rate auftreten, welche hier etwa 21½ A entspricht).
Wenn der vorhergehenden 2C HEV Last unterworfen, passierte, daß die Batterie gemäß dem Stand der Technik und die erfinderische Batterie 1, die 6900 bzw. 8800 HEV Zyklen lieferten, bevor das Ende ihrer Entladungsspannung (EoDV's) auf 10 V abgefallen ist (6) und eine Gleichgewichtsladung erforderlich war. Die höhere Anzahl von Zyklen, die durch eine Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung erhalten wurde, stellt einen 25% Abfall in der Frequenz eines Ausgleichs dar. Derartige Verbesserungen sind durch HEV Hersteller gefordert, so daß negative Platten nicht länger ein Schwachpunkt in HEV Batterien sind, wodurch ermöglicht wird, daß ein Ausgleichsladen von Batterien während einem Routinefahrzeugservice durchgeführt wird oder vollständig eliminiert wird.
Indem nun auf dem Thema von Temperaturen zugewendet wird, stieg die Temperatur der Batterie gemäß dem Stand der Technik, die extern an der Seite des Batteriegehäuses gemessen wurde, zunehmend bzw. stufenweise während eines Betriebs an und erreichte 65°C bei Vervollständigung bzw. Abschluß von 6900 HEV Zyklen (6). Frühere Studien haben gezeigt, daß die Innentemperaturen von Batterien bis zu 20°C höher als Außentemperaturen unter einer derartigen Last sein können. Es wird somit als wahrscheinlich betrachtet, daß ein kontinuierlicher Betrieb der Batterie gemäß dem Stand der Technik in einem thermischen Durchbrennen resultiert haben könnte, einem Zustand, welcher schwere bzw. schwerwiegende Sicherheitskonsequenzen haben kann.
Die Temperatur der Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung blieb bei 38 + 2°C während ihrer Zyklusdauer bzw. -periode (6). Dies ist nahezu 30°C kühler als die Batterie gemäß dem Stand der Technik. Offensichtlich ist die Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung weniger empfindlich für Temperaturanstiege (und daher ein thermisches Durchbrennen) unter erstrecktem HEV Betrieb als die Batterie gemäß dem Stand der Technik. Diese Leistungscharakteristik ist sehr attraktiv für HEV Hersteller, da die Kühlungserfordernisse bedeutend vereinfacht sind. Auch sollte die niedrigere Betriebstemperatur sowohl eine Korrosion des positiven Gitters als auch eine Verschlechterung des in der negativen Platte verwendeten Expanders reduzieren. Darüber hinaus wird sie den Innenwiderstand der Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung minimieren.
In Summe ist die Betriebstemperatur der Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung unter HEV Last bedeutend reduziert relativ zu derjenigen von repräsentativen Batterien gemäß dem Stand der Technik, die nur einzelne Stromabnehmer aufweisen. Die erfinderische bzw. erfindungsgemäße Batterie 1 stellt eine bemerkenswert bzw. beträchtlich längere Zyklusdauer zwischen Ausgleichsladungen zur Ver fügung als die Batterie gemäß dem Stand der Technik, ein Faktor, der für HEV Hersteller sehr attraktiv ist.
7 ist ein Graph, der mit 6 dahingehend vergleichbar ist, daß er in gleicher Weise Profile eines Endes einer Entladungsspannung (EoDV) und Temperatur (T) zeigt, aufgezeichnet gegen eine Anzahl von Testzyklen, für einen Vergleich der gegebenen Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik mit der Batterie der ebenen Platte und mit Doppelkontaktfahne in Übereinstimmung mit der Erfindung mit Ausnahme unter Bedingungen, die für eine HEV Zyklusgeschwindigkeit bzw. -rate von 4C repräsentativ sind.
Spezifischer wurde die Leistung der Testbatterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung und der Batterie gemäß dem Stand der Technik unter einer HEV Last (siehe oben) mit einer Ladungs- und Entladungsgeschwindigkeit von 4C evaluiert. Von dem Anstieg in der Ladungs- und Entladungsgeschwindigkeit von 2C von 4C wurde erwartet, daß er einen bemerkenswerten Anstieg in der Betriebstemperatur der Batterien bewirkt. Somit wurde als eine Vorsichtsmaßnahme ein Temperaturtestkopf in beide Batterien in der Mitte der dritten Zelle (von dem positiven Anschluß) zwischen der zentralsten negativen Platte und einem benachbarten Separator eingesetzt. Die Temperatur wurde auch extern am heißesten Bereich des Gehäuses überwacht.
Nach 50 Zyklen erreichten die Außen- und Innentemperaturen der Batterie gemäß dem Stand der Technik 50 bzw. 70°C (7). In diesem Zustand wurde angenommen, daß ein fortgesetzter Betrieb der Batterie sehr wahrscheinlich in einem thermischen Durchbrennen resultieren würde, und aus Sicherheitsgründen wurde sie aus dem Betrieb genommen. Im Gegen satz dazu arbeitete die Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung 120 Zyklen, bevor derselbe Außentemperaturgrenzwert erreicht wurde. Jedoch, wie bei einem 2C HEV Betrieb (siehe oben), reduziert die Anwesenheit des zweiten Stromabnehmers signifikant die Betriebstemperatur der Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung, relativ zu der repräsentativen Batterie gemäß dem Stand der Technik, die nur eine Kontaktfahne pro Platte aufweist.
8 ist ein Graph, der nur Profile eines Endes einer Entladungsspannung (EoDV) zeigt, wie sie gegen eine Anzahl von Testzyklen aufgezeichnet sind, um einen Vergleich zwischen der gegebenen Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik und der Batterie mit ebener Platte und Doppelkontaktfahne, welche nicht durch den Satz von Ansprüchen abgedeckt ist, mit Ausnahme von Bedingungen zu ermöglichen, die für eine teilweise Ladungszustands (PSoC)/Schnelladungs-EV Last repräsentativ sind.
Als Hintergrund wurde ein schnelles Laden als ein Verfahren zum Beseitigen bzw. Überwinden des begrenzten Bereichs von mit Bleisäure betriebenen EVs demonstriert. Ebenso haben vorherige Studien gezeigt, daß ein PSoC Betrieb (z.B. kontinuierliches bzw. fortgesetztes Zyklieren unter einem vollen SoC) bemerkenswerte Verbesserungen in Zyklusdauer/Lebensdauerenergie bieten kann, die von gewählten VRLA Batterien verfügbar bzw. erhältlich sind. Es ist nun auch bekannt, daß die Kombination von Schnelladungs- und PSoC Last obwohl den effektiven Bereich von EVs als auch die Zyklusdauer/Lebensdauerenergie der Batteriepackung verbessern kann. Da diese Art von EV Betrieb ähnlich zu HEV Last ist, d.h. schnelle Ladung (bis zu 12C) und ausgedehnter Betrieb innerhalb eines festgelegten SoC Fensters wurde ent schieden, eine Testbatterie in Übereinstimmung mit der Erfindung unter PSoC/Schnelladungs EV Bedingungen zu evaluieren. Dementsprechend wurden die Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung und die repräsentative Batterie gemäß dem Stand der Technik kontinuierlich unter den folgenden drei Regimen bzw. Einsatzbereichen bzw. Betriebsbedingungen betrieben, die sequentiell angewandt wurden.
Regime 1.
Die Batterie wird von 100% SoC bei einer gegebenen C Rate von 21½ A auf nominal 20% SoC (basierend auf Ahs) entladen.
Regime 2.
Die Batterie wird bei 6C (129 A) von nominal 20% SoC geladen, bis sie eine nominale 80% SoC (basierend auf Ahs) erreicht. Die Batterie wird dann bei einer C Rate (21½ A) auf nominal 20% SoC (basierend auf Ahs) entladen. Der Lade-Entladebetrieb bzw. -vorgang zwischen 20 und 80% SoC ohne volles Wiederaufladen wird als ein "PSoC Zyklus" bezeichnet. Das PSoC Verfahren wird für 24 PSOC Zyklen fortgesetzt, oder bis die Batteriespannung am Ende eine Entladung 11,1 V erreicht, wobei an diesem Punkt von der Batterie angenommen wird, daß sie sich auf 10% SoC befindet, z.B. ein anfängliches PSoC Betriebsfenster von 20–80% wurde 10–70% SoC.
(Bemerkung: -- ein Satz von 24 PSoC Zyklen wird als ein "Haupt- bzw. Masterzyklus" bezeichnet).
Regime 3.

(i) Die Batterie wird bei 6C geladen, bis der Strom auf 5 A abfällt;
(ii) die Batterie wird dann mit einem Konstantstrom für eine bestimmte Zeit vergleichmäßigt bzw. ausgeglichen.

Die Ergebnisse des Zyklierens, ausgedrückt in Termen der Entladungsende-Spannung (EoDV) bei der Vervollständigung einer Entladung in Betriebsbereiche bzw. Regime 2 sind in 8 gezeigt. Die EoDV der Batterie gemäß dem Stand der Technik steigt anfänglich in Antwort auf einen Anstieg in der Batterietemperatur an, bewirkt durch den Beginn eines schnellen Ladens. Die EoDV sinkt dann stetig von 11,75 auf 11,45 V während des Rests des Masterzyklus ab, wahrscheinlich als ein Ergebnis von Ladungsineffizienzen. Die EoDV erholte sich nach einem Ausgleichsladen (Regime 3), nahm jedoch dann stufenweise bzw. zunehmend auf 11,45 V während des zweiten Masterzyklus ab. Die EoDV nach der ersten Entladung des dritten Masterzyklus ist auf 11,15 V, verglichen mit 11,45 V während des ersten und zweiten Masterzyklus abfallen. Diese "irreversible" Verschlechterung der EoDV setzte sich fort, wobei die Batteriespannung den Abschalt-Grenzwert von 11,10 V während der letzten Entladung des vier Masterzyklus erreichte. In allen nachfolgenden Masterzyklen war die Batterie unfähig, 24 Zyklen vor einem Erreichen der Abschaltspannung zur Verfügung zu stellen.
Die EoDV der Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung verblieb auf einem bedeutend höheren Niveau während des PSoC/Schnelladungs-Vorgangs, verglichen mit jenem der repräsentativen Batterie des Stands der Technik (8). Beispielsweise waren die EoDV der erfinderischen Batterie 1 während der letzten Entladung des ersten und letzten Masterzyklus 11,70 bzw. 11,50 V, verglichen mit 11,45 und 11,10 V für die Batterie gemäß dem Stand der Technik. Somit ist die Batterie 1 gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutend resistenter gegen Kapazitätsverlust unter PSoC/Schnelladungslast und war als eine Folge fähig, die erforderliche Anzahl von PSoC Zyklen über die gesamte Testperiode zur Verfügung zu stellen.
Sowohl die Batterie gemäß dem Stand der Technik als auch die Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung, die in diesen Experimenten verwendet wurden, waren mit drei inneren Thermoelementen versehen, um die "tatsächliche" bzw. "aktuelle" Betriebstemperatur der Batterien während einer PSoC/Schnelladungs-Last zu messen. Die Testköpfe bzw. Sensoren wurden in der dritten Zelle installiert und waren zwischen der mittleren negativen Platte und dem benachbarten Separator in den folgenden Positionen positioniert:

(i) 1 cm von der Oberseite der Zellgruppe;
(ii) Mitte der Zellgruppe;
(iii) 1 cm von dem Boden der Zellgruppe.

9 zeigt die Innentemperatur von beiden Batterien nach bzw. bei der Vervollständigung eines Ladens während eines typischen Masterzyklus. Ein Temperaturgradient bildet sich schnell in der Batterie gemäß dem Stand der Technik während einer Anfangstätigkeit. Nach vier Zyklen erreichte die innere bzw. interne Batterietemperatur 90, 75 und 70°C an der Oberseite, in der Mitte und am Boden. Das Ausmaß war überraschend, unter Berücksichtigung, daß die externe Temperatur, die am heißesten Punkt auf der Außenseite des Batteriegehäuses gemessen wurde, auf 55°C begrenzt war.
Die Innentemperatur der Batterie 1 mit doppelter bzw. dualer Kontaktfahne in Übereinstimmung mit der Erfindung stieg zunehmend während eines anfänglichen PSoC/Schnellade-Vorgang, wobei sie etwa 65° nach 15 Zyklen erreicht. Während dieser Zeit überstieg das Temperaturdifferential von der Oberseite zum Boden der Batterie nicht 5°C. Somit hatte die Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung sowohl eine niedrigere, mittlere Batterietemperatur als auch ein reduziertes inneres Temperaturdifferential, verglichen mit der Einzelkontaktfahnenbatterie gemäß dem Stand der Technik, wenn sie unter PSoC/Schnellade-Bedingungen betrieben wurde.
Diese Verbesserung in der Leistung beruht auf der dualen bzw. Doppelkontaktfahnennatur der Batterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung. In Designs mit einer einzelnen Kontaktfahne gemäß dem Stand der Technik gibt es einen signifikanten Anstieg in der Stromdichte, d.h. es gibt eine "Stromkonzentration" zu dem Stromabnehmer oder der Kontaktfahne an der Oberseite der Batterieplatten während einer Hochgeschwindigkeitsladung oder -entladung. Da ein Erhitzen bzw. Erwärmen innerhalb von Batterien sowohl mit dem Quadrat des Stroms als auch dem Widerstand der Batterie in Beziehung steht (d.h. I²R), können hohe lokalisierte Stromdichten an der Oberseite der Platten zu starken Heizeffekten in diesen Bereichen bzw. Regionen führen. Das Einschließen bzw. die Aufnahme eines zweiten Stromabnehmers in Übereinstimmung mit der Erfindung am Boden der Platte führt zu einer niedrigeren, gleichmäßigeren Stromdichte mit bzw. in der Platte, was die Gesamtmenge an Wärme, die erzeugt wird, reduziert. Darüber hinaus stellt die Dual- bzw. Doppelkontaktfahnenbatterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung eine gleichmäßige Wärmeabgabe bzw. -abfuhr zur Verfügung, was in gleichmäßigen Temperaturen über die Batterie resultiert.
Es wurde gezeigt, daß der Betrieb von VRLA Batterien unter HEV Last den Aufbau von "feuerfestem" oder "hartem" Bleisulfat am Boden der negativen Platten bewirken kann. Das Phänomen wurde in bezug auf eine schlechte Ladungsakzeptanz der negativen Platten erklärt. Die Entdeckung von großen inneren Temperaturgradienten als ein Ergebnis von hohen Ladungs/Entladungsströmen in dieser Studie erlaubt jedoch die Präsentation einer zusätzlichen Hypothese.
Es ist gut bekannt, daß, wenn zwei Batterien parallel bei signifikant unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden, die heißere Batterie die höchste Benutzung aktiven Materials während einer Entladung erfahren wird. Die heiße Batterie wird auch die größte Menge an Ladung für eine gegebene Ladungszeit und Spitzenladungsspannung annehmen. Unter Berücksichtigung, daß die Oberseiten- und Bodenbereiche einer Batterieplatte effektiv parallel sind, folgt dann, daß sie, wenn sie auf unterschiedlichen Temperaturen sind, unterschiedliche Ausmaße einer Verwendung an aktivem Material während einer Entladung erfahren. Weiters würden die heißeren Orte einen höheren Grad bzw. ein höheres Ausmaß an Überladung relativ zu den kühleren Bereichen erfahren.
Diese Situation wird zu einem Minder- bzw. Unterladen und einer Sulphatierung der kühleren Bereiche führen. Das Doppelkontaktfahnendesign in Übereinstimmung mit der Erfindung entwickelt nicht signifikante Temperaturgradienten sowohl während einer HEV als auch einer PSoC/Schnelladungs EV Last. Wahrscheinlich ist es aus diesem Grund, daß die erfinderische Doppelkontaktfahnenbatterie nicht an einer bevorzugten Sulphatierung leidet.
Von den Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, wie sie durch die vorhergehenden Graphe gezeigt sind und welche für eine Version einer ebenen Platte der Doppelkontaktfahnenbatterie 1 in Übereinstimmung mit der Erfindung gefunden wurden, wird erwartet, daß sie in vergleichbarem Maß für die spiralig gewickelte bzw. gewundene Version 40 der Doppelkontaktfahnenbatterie in Übereinstimmung mit der Erfindung erhalten werden.
Nachdem die Erfindung im Zusammenhang mit den vorhergehenden Variationen und Beispielen geoffenbart wurde, werden zusätzliche Variationen nun dem Fachmann in der Technik offensichtlich sein. Für die Erfindung ist nicht beabsichtigt, daß sie auf die spezifisch erwähnten Variationen bzw. Abwandlungen begrenzt bzw. beschränkt ist und dementsprechend sollte auf die beiliegenden Ansprüche Bezug genommen werden, statt auf die vorhergehende Diskussion von bevorzugten Beispielen, um den Rahmen der Erfindung zu beurteilen, für welchen Ausschließlichkeitsrechte beansprucht werden bzw. sind.

Claims

Ventilregulierte Bleisäurebatteriezelle mit spiraligen Platten mit bzw. aus mehreren Kontaktfahnen bzw. -laschen, umfassend: eine Spiralanordnung, die eine negative und eine positive Platte und Separatormedien aufweist, zwischengelagert bzw. eingeschlossen zwischen den Platten; wobei jede Platte gegenüberliegende Spiralkanten bzw. -ränder aufweist, die mit einer Mehrzahl von Kontaktfahnengruppen ausgebildet sind, welche im wesentlichen voneinander an einer gegebenen Spiralkante so beabstandet sind, daß jede Kontaktfahnengruppe den Stromfluß in und aus einer geometrischen Proportion der Platte nahezu proportional zu der Anzahl von Kontaktfahnengruppen für die Platte leitet, wobei die Kontaktfahnengruppenverteilung und Spiralanordnung kooperativ bzw. zusammenwirkend derart angeordnet sind, daß die Kontaktfahnengruppen der negativen Platte und gegenüberliegend angeordnete Spiralkanten und die Kontaktfahnengruppen der positiven Platte und gegenüberliegend angeordnete Spiralkanten ein jeweiliges erstes, zweites, drittes und viertes Ausrichten der Kontaktfahnengruppen darstellen; wenigstens eine erste, zweite, dritte und vierte Sammelschiene, die elektrisch mit der ersten, zweiten, dritten und vierten Ausrichtung der Kontaktfahnengruppen verbunden ist; und wenigstens einen ersten, zweiten, dritten und vierten Anschluß für ein elektrisches Bedienen der jeweils wenigstens einen ersten, zweiten, dritten und vierten Sammelschiene, wodurch die Zelle durch wenigstens mehrere Paare von positiven und negativen Anschlüssen bzw. Kontakten bedient ist.
Elektrisches oder hybrid-elektrisches Fahrzeug, umfassend eine oder mehrere Zelle(n) gemäß Anspruch 1.