DE68911109T2

DE68911109T2 - Batteriesysteme.

Info

Publication number: DE68911109T2
Application number: DE89201332T
Authority: DE
Inventors: Pita Witehira
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-10-21
Filing date: 1989-05-24
Publication date: 1994-04-14
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: FI914494A0; IE64110B1; DE68911109D1; KR920702899A; EP0370534A2; EP0465475A1; NO913710D0; ATE98053T1; KR0141967B1; EP0370534A3; NZ226656A; WO1991011828A1; CY1805A; ES2046447T3; BR9007253A; NO913851L; EP0465475A4; BG95186A; EP0370534B1; IE891768L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeugschaltungssystem mit einer Batterie, die einen Behälter aufweist mit mehreren Zellen, von denen zumindest zwei Zellen mit einer positiven Klemme und zumindest eine Zelle mit einer negativen Klemme versehen ist, wobei jede Zelle mehrere abwechselnd positive und negative Elektrodenplatten aufweist, die voneinander getrennt sind und die einen Zellenelementenstapel bilden, wobei jede der Platten aktives Material aufweist, die positiven Elektrodenplatten des Zellenelementenstapels in jeder Zelle mit positiver Klemme mit einer positiven Klemme verbunden sind, die negativen Elektrodenplatten des Zellenelementenstapels in der oder in jeder der Zellen mit negativer Klemme mit einer negativen Klemme verbunden sind, jede Elektrodenplatte jedes Zellenelements außer denjenigen Zellen, die eine Klemme aufweisen, seriell mit den Elektrodenplatten entgegengesetzter Polarität einer angrenzenden Zelle elektrisch verbunden sind, wobei die Zellen jeder Serienschaltung getrennte positive Klemmen haben, und wobei in jeder Zelle ein Elektrolyt in Kontakt mit den positiven und negativen Elektrodenplatten ist.
Ein derartiges Fahrzeugschaltungssystem ist aus US-A- 3 475 221 bekannt. Dort wird eine Speicherbatterie beschrieben, die in Fahrzeugen angewendet werden kann. Die Batterie umfaßt zwei parallele Teilbatterien, die beide einen negativen und einen positiven Anschluß haben. Die Elektrodenplatten sind in das gleiche Elektrolyt eingetaucht. Die Elektrodenelemente in beiden Teilbatterien sind in gleicher Weise konstruiert. Die Größe der Oberflächen der Elektrodenplatten der ersten Zelle weicht von denjenigen der zweiten Zelle ab.
Herkömmliche Fahrzeugbatterien zum Anlassen, zur Beleuchtung und zum Zünden, nachfolgend als SLI-Batterien bezeichnet, bestehen üblicherweise aus sechs 2,2-Volt-Blei- Säure-Zellen, die seriell verbunden sind. Es ist eine wichtige Aufgabe der Fahrzeugbatterien, über kurze Zeiträume einen ausreichend hohen Strom bereitzustellen, um die Brennkraftmaschine durchzudrehen, so daß sie anspringt. Außerdem muß die Batterie der Spule Strom zuführen, damit über die Zündkerzen eine Zündung stattfindet.
Eine weitere wichtige Funktion ist es außerdem, Reservestrom bereitzuhalten, so daß die Fahrzeugbeleuchtung und die Zündung sichergestellt ist, auch wenn die Fahrzeuglichtmaschine nicht arbeitet.
Die Stromerfordernisse des Anlassermotors unterscheiden sich deutlich von denen der übrigen Fahrzeughilfsmittel wie Zündung und Beleuchtung. Auf der einen Seite erfordert das Durchdrehen bzw. Anlassen hohe Ströme für eine vergleichsweise kurze Zeit, wenn der Anlassermotor die Brennkraftmaschine gegen die Kompression der Zylinder durchdreht. Zündung und andere Fahrzeughilfsmittel benötigen dagegen niedrigere Ströme, jedoch über längere Zeiträume.
Ein herkömmliches SLI-Batteriesystem ist deshalb so ausgelegt, daß es erstens ausreichend Anlaßenergie bereitstellt, zweitens dem Zündsystem und der Spule Strom zuführt und drittens den Fahrzeughilfseinrichtungen Strom zuführt, wenn die Lichtmaschine nicht arbeitet. Eine andere Funktion ist die Wirkungsweise als Lastspannungsnivellierung als Teil der Fahrzeugelektrik, wenn die Lichtmaschine arbeitet.
Das herkömmliche SLI-Batteriesystem ist eine weiterentwickelte Version der ursprünglichen reversiblen Zelle nach Plante. Während der Entwicklung wurden die schon von Plante eingesetzten Grundprinzipien bis heute beibehalten. Demnach besteht die Batterie aus einer Serie von Zellen, die einander gegenüberliegende Elektroden haben. Die Zellen erzeugen im allgemeinen 2,2 Volt. Eine derartige Anordnung ist als Anlasserbatterie geeignet.
Als Batterien ursprünglich zur Bereitstellung des Anlaßstroms ausgelegt wurden, unterschieden sich die Fahrzeuge stark von den heutigen Fahrzeugen. Im Vergleich zu den Batterien haben sich die Motoren stark verändert. Es ist nicht mehr nur wichtig, lediglich den Anlaßstrom für das Fahrzeug bereitzustellen. Moderne Fahrzeuge sind mit vielen elektrischen und elektronischen Vorrichtungen ausgestattet, daraus ergeben sich starke Unterschiede hinsichtlich der Hilfsstromerfordernisse für die Batterie.
Fahrzeughersteller sehen verschiedene zusätzliche Hilfsmittel im Fahrzeug als Reaktion auf Kundenwünsche vor. Diese zusätzlichen Hilfsmittel stellen neue Anforderungen an ein Batteriesystem, das mehr und mehr ungeeignet wird, weil es bisher immer hauptsächlich als Anlaßbatterie ausgelegt war. Nach wie vor ist die Anlaßfunktion die Hauptfunktion der Batterie, aber offensichtlich führen Änderungen in der Fahrzeugauslegung auch zu Änderungen der Batterieauslegung, um mit den Kundenwünschen hin zu mehr Leistung für Hilfseinrichtungen Schritt zu halten.
Viele Menschen versuchten, diese Probleme zu überwinden. Die US-Patentschrift 406 822 von Dey zeigt eine Batterie, die durch eine innere Teilungsplatte in zwei Zellengrupnen unterteilt ist. Die US-Patentschrift 1 924 959 von Patterson zeigt vier Zellen, von denen zwei in Serie geschaltet sind und zwei durch Umlegen eines Schalters zwischen seriell und parallel wechseln können. Die Zellen sind vollständig getrennt. US-Patentschrift 3 029 301 von Strider zeigt eine Konstruktion, bei der zwei Batterieteile in Serie vorgesehen sind, so daß sich Sechs- und Zwölf-Volt-Quellen ergeben. US-Patentschrift 3 242 009 von Schilke zeigt eine Konstruktion, bei der zwei Batterieteile vorgesehen sind, diese werden jedoch verwendet, um mehrere verschiedene Spannungen zu erzeugen.
US-Patentschrift 3 758 345 von Toth zeigt eine Konstruktion, bei der in einer in der Hauptplatte ausgeformten Nische eine kleine Hilfsbatterie vorgesehen ist. US-Patentschrift 3 883 368 von Kordesch zeigt eine Konstruktion, gemäß der zwei oder mehr Stromraten durch Verwendung unterschiedlicher Arten von Elektroden möglich sind, und US-Patentschrift 4 684 580 von Cramer zeigt eine Konstruktion, bei der das Gehäuse der Batterie eine Tasche oder eine Nische hat, in der eine zweite bzw. eine Hilfsbatterie vorgesehen sein kann. Keine dieser Schriften zeigt eine Konstruktion, mit der durch eine einzige Batteriekonstruktion die Probleme, die sich aus hohen, aber kurzzeitigen Strömen, wie sie für das Anlassen benötigt werden, und niedrigeren, aber länger dauernden Anforderungen, die für die Hilfsgeräte notwendig sind, ergeben, befriedigend gelöst werden können. Die Patentschrift 3 883 368 gibt eine Batterie an, die unterschiedliche Stromraten verträgt, dies ergibt sich aber lediglich durch Verwendung verschiedener Arten von Elektroden. Für eine SLI- Batterie eignet sich ein derartiger Ansatz nicht. Patentschrift 4 684 580 von Cramer könnte eine Konstruktion ergeben, die für unterschiedliche Stromentnahmen geeignet ist, dies ergibt sich jedoch lediglich durch die Verwendung zweier vollständig verschiedener und getrennter Batterien, von denen eine auf der anderen montiert werden kann. Derartige Doppelbat teriekonstruktionen erfordern umfangreiche Änderungen im Entwurf der Fahrzeugelektrik und sind in der Herstellung teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, allgemein eine elektrische Schaltung für Fahrzeuge anzugeben, mit der die obigen Nachteile vermieden oder minimiert werden.
Dementsprechend werden in einer elektrischen Schaltung eines Fahrzeugs die Zellen einer jeden Serienschaltung elektrisch mit lediglich einem gemeinsamen negativen Anschluß verbunden und die Elektrodenplatten der einen Serienschaltung sind aus dickerem Plattenmaterial als die Elektrodenplatten der anderen Serienschaltung; die Elektrodenplatten der einen Serienschaltung sind zu einer langsameren und stärkeren bzw. tieferen Entladung fähig, was für die Stromversorgung der Fahrzeughilfseinrichtungen benötigt wird, die Elektrodenplatten der anderen Serienschaltung sind zu einer schnellen und weniger tiefen bzw. unvollständigen Entladung fähig, was zum Anlassen der Brennkraftmaschine benötigt wird, wobei das elektrische Fahrzeugsystem außerdem erstens ein Starkstromleiterkabel aufweist, das mit der negativen Klemme der Batterie verbunden ist und das am Fahrzeug geerdet ist, zweitens ein Stromleiterkabel, das mit einer oder mehreren positiven Klemmen der Batterie verbunden ist und das mit einem ersten Stromschalter verbunden ist, der mit dem elektrischen Anlasser bzw. Startermotor des Fahrzeugs verbunden ist, drittens ein Stromleiterkabel, das mit einer oder mehreren der positiven Batterieklemmen verbunden ist sowie mit den Hilfsschaltungen des Fahrzeugs, viertens ein elektrisches Stromleiterkabel, das mit einer positiven Klemme, die nicht mit dem zweiten Stromleiterkabel belegt ist, verbunden ist, wobei sich das vierte Stromleiterkabel in einem Stromkreis mit der Lichtmaschinenschaltungsleitung des Fahrzeugs befindet, dann einen zweiten Schalter, fünftens ein Stromleiterkabel vom zweiten Schalter, das mit der Klemme verbunden ist, die durch das zweite Stromleiterkabel belegt ist.
Erfindungsgemäß wird somit eine elektrische Schaltung für ein Fahrzeug angegeben, die eine Batterie mit zwei Sätzen von parallelen Serienschaltungen von Zellen aufweist, so daß sich zwei oder mehrere unterschiedliche Stromvarianten an den positiven Klemmen ergeben. Die Serienschaltung von Zellen, die die dünneren positiven Platten haben, liefern über die angeschlossene positive Klemme kurzzeitig einen hohen Strom. Die andere Serienschaltung von Zellen, die dickere positive Platten haben, haben pro Volumeneinheit weniger Platten, trotzdem ist die Stromkapazität gleich derjenigen der Zellen mit dünneren Platten, während eines längeren und langsameren Entladens der Batterie.
Für die Fahrzeughersteller bzw. -eigentümer wird erfindungsgemäß somit eine elektrische Schaltung für ein Fahrzeug angegeben, die eine Batterie für zwei oder mehrere Ströme aufweist, das zum Zwecke des Anlassens einen hohen Stromfluß durch die Zellen mit dünnen positiven Platten bereitstellt, wobei dieser hohe Strom für kurze Zeitdauern verfügbar ist. Aus den Zellen mit dickeren positiven Platten kann ein niedrigerer, jedoch länger dauernder Strom gezogen werden. Es können zwar beide Zellensätze zum Zwecke des Anlassens verbunden werden, es sind jedoch nur die Zellen mit den dickeren Platten mit den Hilfseinrichtungen bzw. Hilfsschaltungen des Fahrzeugs elektrisch verbunden, so daß eine langsamere und längerdauernde Entladedauer sichergestellt ist.
Beim Wiederaufladen der Zellen sind alle Zellen elektrisch verbunden, so daß der umgekehrte Vorgang wie bei einer herkömmlichen Speicherbatterie stattfindet. Dies ist möglich, weil alle Zellen eine gemeinsame Erdungsklemme haben.
In der nachfolgenden genaueren Beschreibung der Erfindung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht der Batterie im Schnitt durch zwei Zellenabteile,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des einblockigen Spritzgießens der Batterie mit inneren Trennwänden,
Fig. 3 eine Vergrößerung der Zellen mit dicker beschichteten, jedoch weniger positiven Platten, wobei eine Verbindung zwischen Zellen dargestellt ist,
Fig. 4 die Ansicht des hinteren Teils der Batterie, geschnitten durch die positiven Klemmen,
Fig. 5 die Ansicht des hinteren Teils der Batterie, geschnitten durch die negativen Klemmen,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die Batterie mit entferntem Deckel, wobei die parallele Anordnung der Serienschaltungen dargestellt ist,
Fig. 7 die perspektivische Darstellung einer geschichteten Elektrodenplattenstruktur,
Fig. 8 eine diagrammartige Darstellung des elektrischen Layouts, das mit der erfindungsgemäßen Batterie verwendet werden kann,
Fig. 9 die diagrammartige Darstellung eines anderen elektrischen Layouts.

GENAUE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Zwar wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß eine Beschränkung der Erfindung lediglich auf die bevorzugten Ausführungsformen nicht beabsichtigt ist. Somit sei darauf hingewiesen, daß, obwohl die Erfindung bezugnehmend auf eine SLI-Fahrzeugbatterie beschrieben wird, die Erfindung genauso auf jede andere Speicherbatterieanwendung angewendet werden kann. Die Erfindung kann genauso mit Batterien mit absorbiertem Elektrolyten umgesetzt werden, im Gegensatz zu den hier dargestellten Flüssig-Elektrolyt-Batterien.
Die Verwendung der Erfindung ist besonders bei denjenigen Anwendungen vorteilhaft, die nebeneinander starke, schnelle Entladungen und längerdauernde und langsamere Leistungsentnahmen aus einem Gehäuse von Abmessungen gleich derjenigen herkömmlicher SLI-Batterien erfordern.
In allgemeinster Form kann die vorliegende Erfindung durch die Entdeckung beschrieben werden, daß durch eine spezielle Kombination physikalischer Parameter, die nachfolgend beschrieben wird, eine Speicherbatterie geschaffen werden kann, die durch einen doppelten oder mehrfachen Stromfluß gekennzeichnet ist mit der Fähigkeit, ein Mindestmaß von notwendiger Schnellentladungskapazität während des Gebrauchs oder nach langem Gebrauch von Hilfsschaltungen, die niedrigere und langsamere Stromflußkennlinien erfordern, sicherzustellen.
Diese Leistungskennlinien können im Rahmen der physikalischen Parameter einer herkömmlichen Batterie, wie darzulegen ist, bereitgestellt werden. Die bereits erwähnte herkömmliche SLI-Batterie benötigt eine Reservekapazität, um internationalen Normen zu entsprechen. Die Reservekapazität herkömmlicher Batterien ist so berechnet, daß dann, wenn die Batteriekapazität um 25 % vom Normalwert abgefallen ist, sie nach wie vor zum Anlassen bzw. Durchdrehen der Brennkraftmaschine in der Lage sein muß.
Die Erfindung erläutert deshalb, wie das Problem langdauernder, langsamer Entladung, was die verfügbare benötigte Schnellentladungskapazität aufbraucht, gelöst werden kann. Erfindungsgemäß wird nachfolgend beschrieben, wie hinsichtlich Gewicht und Volumen es durch eine "optimierte Konfiguration" möglich ist, ein System für zwei oder mehrere Ströme innerhalb hinsichtlich ihrer Größe normierter Batteriebehälter herzustellen. In diesem Zusammenhang sei auf die Vorteile hingewiesen, daß sich erfindungsgemäß Kostenersparnisse ergeben und Kompatibilität mit herkömmlichen Batterien vorliegt.
Die Erfindung kann auch in bezug auf die Gesamtkapazität gekennzeichnet werden, wenn es durch elektrisches Umschalten möglich ist, zum alltäglichen Gebrauch als eine herkömmliche SLI-Batterie alles aktive Material innerhalb der Batterie vollständig zu nützen. Durch den Entwurf der elektrischen Schaltung ist es auch möglich, den Abschnitt der Batterie zu isolieren, der sich durch das nachfolgend beschriebene Plattendesign als am besten geeignet für langsamere und länger dauernde Stromentnahmen, als es das Anlassen erfordert, erwiesen hat. Durch die Schaltungs bzw. Schalterauslegung wird erfindungsgemäß auch der Verbrauch der Schnellentladungskapazität durch Hilfsaggregate innerhalb eines Fahrzeugs vermieden. Erfindungsgemäß zeigt sich, daß sich die Batterielebensdauer im wesentlichen dadurch erhöht, daß innerhalb der optimierten Konfiguration spezifische Stromerfordernisse unterschieden werden.
Zur genaueren Beschreibung der Erfindung ist in den Fig. 1 bis 5 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen 12-Volt-12-Zellen-Batterie beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Batterie (1) mit einem vorgegossenen Behälter (2) mit einer angehobenen Abdeckung (3), die durch geeignete Einrichtungen am Behälter befestigt wird. (4) ist ein negativer Klemmenanschluß, wohingegen (5) und (5a, verdeckt) positive Klemmenanschlüsse sind. Zwar sind die Klemmenanschlüsse als oben liegende Klemmen beschrieben, genauso können aber seitlich liegende Klemmen oder andere Klemmenkonfigurationen vorgesehen sein.
Jede Zelle hat, wie in Fig. 1 dargestellt, mehrere unabhängige, abwechselnd angeordnete positive Elektrodenplatten (10) und negative Elektrodenplatten (11). Die Platten (10) und (11) sind im allgemeinen rechteckig und parallel zu den Trennwänden (7) angeordnet, sie können aber auch rechtwinklig dazu stehen.
Der Behälter ist, wie man am besten der Fig. 2 entnimmt, in mehrere Zellenabteilungen durch einstückig ausgebildete Trennwände (7) unterteilt, die im wesentlichen parallel zu den Endwänden (6) des Behälters (2) und rechtwinklig zu einer weiteren Trennwand (9), die parallel zu den Wänden (8) läuft, verlaufen, so daß sich 12 Zellenabteilungen innherhalb des Behälters ergeben. Anders als die dargestellten 12 parallel zu den Wandungen (8) verlaufenden Zellen können auch andere Anordnungen vorgesehen sein. Die Wandung (9) ist beispielsweise nicht nötig, wenn ein "absorbiertes" Elektrolyt verwendet wird. Die Wandung (9) ist dagegen notwendig, wenn flüssiges Elektrolyt verwendet wird.
Fig. 3 zeigt ein anderes Beispiel von geschichteten positiven Elektrodenplatten (10) vom Ende weg und herkömmlichen negativen Elektrodenplatten (11). Eine Serienschaltung durch die Wand (7) hindurch mittels herkömmlicher Bleibänder (12) ist ebenfalls dargestellt. Wie in herkömmlichen elektrolytischen Zellen mit flüssigem Elektrolyt sind auch Separatoren (13) dargestellt. Gemäß einem anderen Aspekt kann aber auch absorbiertes Elektrolyt als Separator verwendet werden.
Fig. 4 zeigt den Querschnitt durch die positiven Klemmen (5) und (5a) gemäß der Erfindung in einer Zweistromkonfiguration, die von einer Mehrstromkonfiguration zu unterscheiden ist, die positiven Klemmen (5) und (5a) sind sehr nahe beieinander dargestellt.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße negative Klemme (4) und stellt gemeinsame negative Klemmverbindungen durch die Trennwand (7) über Band (40) dar.
Fig. 6 ist eine Gesamtansicht der Zellenabteilungen, in der die Trennwände (7) und (9) dargestellt sind, Verbindungen (12) zwischen den Zellen, positive Verbindungen (5) und (5a) und eine negative Verbindung (4), wodurch eine Parallelanordnung von Serienschaltungen dargestellt wird.
Erfindungsgemäß haben die Zellen (a) bis (f) der Fig. 6 drei geschichtete positive Elektrodenplatten (10) und herkömmliche negative Elektrodenplatten (11). Die Zellen (g) bis (l) haben vier herkömmliche positive Elektrodenplatten (13) und fünf herkömmliche negative Platten (11). Die Zellen (a) bis (f) sind in Serie und mittels Bändern (12) parallel zu den Zellen (g) bis (l) geschaltet. Durch die Trennwand hindurch ist die Zelle (f) mit der Zelle (l) durch das Band (40) an der negativen Klemme verbunden. Die Zellen (a) und (g) zeigen getrennte positive Anschlüsse der Klemmen (5) und (5a) der Fig. 1. Zelle (l) hat einen einzelnen negativen Anschluß für die Klemmenverbindung (4) aus Fig. 1. Die Trennwand (9) ist, wie schon vorher gesagt, nicht notwendig, wenn absorbiertes Elektrolyt verwendet wird. Obwohl, wie hier dargestellt, die geschichteten Elektroden nur in den Zellen (a) bis (f) verwendet werden können, ist es genauso möglich, derartige Elektroden in beliebigen Zellen des Aufbaus zu verwenden.
Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung einer geschichteten Elektrodenplattenstruktur, bei der ein Teil des aktiven Materials zur Verdeutlichung der Darstellung entfernt ist. Ein Rahmen (14) hat einen ähnlichen Aufbau wie in herkömmlichen Plattenstrukturen, er besteht jedoch aus zwei oder mehreren Rahmenstrukturen, die aneinander angeordnet sind und die Gitter (15) haben, die Strompfade bilden und die auch das aktive Material (16) umgrenzen. Eine Glasfibermatte (17) ist ebenfalls dargestellt, sie ist zwischen den Rahmen (14) und Gittern (15) angebracht, bevor sie von beiden Seiten der Plattenrahmen her in aktives Material "eingebettet" wird.
Die durch die Fahrzeugbewegung verstärkte Kapillarwirkung ermöglicht dem Elektrolyt den Zugang zu den inneren Bereichen des aktiven Materials.
Zum einen wird die Starkstromeigenschaft herkömmlicher Batterien proportional zur sich vergrößernden Oberfläche des aktiven Materials beeinflußt, erfindungsgemäß wird aber durch die Verwendung von dualen oder mehrfach geschichteten positiven Elektrodenplatten nicht nur ein plötzlicher hoher Entladestrom ermöglicht, wenn dieser benötigt wird, sondern genauso auch ein länger dauernder, jedoch niedriger elektrischer Strom, wenn dieser für Belastungen durch andere Hilfseinrichtungen verwendet wird. Der Einsatz von geschichteten positiven Platten führt auch zu einer größeren Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigungen, die sich als Ergebnis einer weitgehenden Entladung ergeben, wenn die Hilfsschaltungen lange Zeit betrieben wurden. Insbesondere übt der Entlade/Ladezyklus einer Speicherbatterie Druck auf die positiven Platten aus. Letztendlich ist eine herkömmliche SLI-Batterie ein Auslegungskompromiß zwischen einer Batterie, die eine weite Entladung ermöglicht und die dicke positive Platten verwendet, um den Risiken, die mit weitgehenden Entladungs- und Aufladungszyklen einhergehen, zu begegnen, und einer Batterie mit einer großen Anzahl von dünneren Platten, um einen maximalen hohen Strom zum Anlassen, jedoch nur für vergleichsweise kurze Zeitdauern, bereitzustellen.
Wird eine Brennkraftmaschine angelassen, wird ein so hoher Strom gezogen, daß eine plötzliche Entladung auftritt. Da aber die Entladung sehr schnell ist, werden im allgemeinen nur die Elektronen an der Plattenoberfläche verwendet. Die tiefer im aktiven Material sitzenden Elektronen sind nicht verfügbar, bis Stromziehen aufgrund des Anlassens für eine gewisse Zeitdauer unterbrochen wird. Ein zweiter Anlaßversuch wird einen zweiten Stromfluß bewirken. Dickere Platten erfordern ein größeres Raumvolumen, um für die Anlaßleistung größere Flächen bereitzustellen. Dickere Platten benötigen außerdem längere Aufladezyklen.
Erfindungsgemäß wird das Problem von Plattenspannungen, die sich aufgrund von längeren oder weitgehenderen Entladungen aufgrund von langer Verwendung von Hilfseinrichtungen ergeben, vermieden. Genauso werden aber auch Oberflächenströme für starke Entladungen ermöglicht.
Die Verwendung geschichteter positiver Platten übt auch weniger Aufladebelastung auf Generator/Lichtmaschine des Fahrzeugs aus, die auftreten würde, wenn dicke Platten verwendet werden würden. Dicke Platten ermöglichen, wie schon vorher erwähnt, weitergehende und längere Entladungen, erfordern aber genauso weitergehende und längerdauernde Aufladung.
Dünn geschichtete Platten wie die erfindungsgemäßen haben nicht nur eine bessere Stärke als dicke Platten gleicher Abmessungen, sondern erleichtern es auch dem Elektrolyt, durch Kapillarwirkung in das aktive Material einzudringen.
Die in Fig. 6 dargestellte Zellenkonfiguration ist nur beispielhaft angegeben, es können auch viele andere Konfigurationen verwendet werden, die besondere erläuterte Auslegung ist nicht notwendig. Genauso können in Abhängigkeit von den Gesamtkapazitätsanforderungen aller Anwendungen andere Zahlen von Platten innerhalb jeder Zelle verwendet werden. Die Kombination der geschichteten Platten kann in Abhängigkeit von den Anwendungserfordernissen auch alle Zellen, oder mehr oder weniger Zellen als in Fig. 6 dargestellt, umfassen.
Die Verwendung von dicken Platten mit der Möglichkeit weitgehender Entladung in Kombination entweder mit geschichteten Platten oder dünnen Platten kann auch verwendet werden, um andere Strom-"Typen" bereitzustellen.
Die Verwendung von in Fig. 7 dargestellten geschichteten Elektroden trägt auch dazu bei, das Problem des Herausfallens aktiver Masse, das durch Vibrationen während der Bewegung eines Fahrzeugs, in das die Batterie eingebaut ist, verursacht wird, zu vermeiden. Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung von geschichteten Strukturen, wie in Fig. 7 dargestellt, beschränkt ist. Gefaltete Strukturen können denselben Effekt bewirken, vorausgesetzt, daß die Elektrode als eine einzige Einheit konstruiert ist, die elektrisch verbunden ist, und sie erlaubt es dem Elektrolyt, durch durch Kapillarwirkung unterstützte Diffusion tief in die Struktur einzudringen. Um innerhalb der Zelle für ordnungsgemäße elektrochemische Reaktionen zu sorgen, muß nämlich die Struktur elektrisch als eine Elektrode konstruiert sein und muß auch den Zugang des Elektrolyts tief in die Struktur hinein ermöglichen, indem zwischen den Schichten Kapillarstrecken vorgesehen sind und indem Diffusion durch Perforationen oder Poren durch das aktive Material hindurch möglich sind.
Anstelle der bisherigen Beschreibung als positive Elektroden können die geschichteten Elektroden auch als negative Elektroden verwendet werden. Die Anzahl der Schichten ist nicht begrenzt und kann durch die jeweiligen Anforderungen bestimmt werden.
Im folgenden werden die Produktionskosten betrachtet. Die oben beschriebene Erfindung findet im allgemeinen in denselben größenmäßigen Abmessungen Platz wie eine äquivalente herkömmliche SLI-Batterie. Da die herkömmlichen Batterien primär als Anlaßbatterien ausgelegt sind, wurde das Augenmerk auf schwere Verbindungen zwischen den Zellen gelegt, um den Widerstand zu verringern und die Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Erfindungsgemäß kann aber ein Kompromiß vorgesehen werden, indem duale/mehrere Ströme an positiven Klemmen in nächster Nähe zueinander wie in Fig. 3 dargestellt bereitgestellt werden. Die Verbindungen zwischen den Zellen können hinsichtlich ihres Gewichts merklich verringert werden, da es durch die Schaltungsauslegung möglich ist, einen Spannungsabfall an der Zündspule zu vermeiden, dies führt zu einem kräftigeren Zündfunken und deshalb zu einer Verringerung der benötigten Anlaßkapazität.
Das erfindungsgemäß verwendete aktive Material ist hinsichtlich Gewicht und Volumen dem einer SLI-Batterie der gleichen Abmessungen gleich. Die erfindungsgemäß verwendeten Gitter sind im Falle einer geschichteten Konfiguration aus reinem Blei gegossen. Wie weiter oben dargelegt, ergeben die Schichten der Platten eine widerstandsfähigere Struktur, so daß Zusätze wie Antimon oder Calcium nicht mehr so notwendig sind. Damit sind auch die mit den Bleizusätzen einhergehenden Gasungsprobleme verringert und die vorliegende Erfindung kann, obwohl sie auch weitgehend entladen werden kann, auch als eine wartungsfreie Batterie hergestellt werden.
Mit der Erfindung, die eine isotonische Auslegung des Zellenbelüftungssystems verwendet, geht deshalb die Eliminierung komplexer Belüftungsdeckel einher. Für die kegeligen Einfüll- und Belüftungsöffnungen ist kein Deckel vorgesehen, sie sind durch feinporige Elemente wie Teflonband bedeckt, das wie in Fig. 1 dargestellt durch Klebeband gehalten wird.
Das einstückig spritzgegossene Gehäuse, Fig. 2, zeigt im Vergleich zu einer herkömmlichen Batterie eine zusätzliche Trennwand (9). Diese Trennwand wird bei der Ausführungsform der Batterie mit flüssigem Elektrolyt benötigt. Obwohl dem ersten Anschein nach mehr Plastikmaterial benötigt wird, ergibt sich de facto doch eine Einsparung an Material und Gewicht. Die Trennwand (9) verstärkt das Gehäuse, indem sie eine seitliche Abstützung bildet. Dadurch wird eine Verminderung der Wand- und Trennwanddicken möglich. Beispielsweise hat eine herkömmliche Batterie Außenwände zwischen 2,75 mm und 3,25 mm Dicke. Innere Trennwände herkömmlicher Batterien ähnlicher Größe haben eine Dicke zwischen 1,75 mm und 2,75 mm. Bei der nassen erfindungsgemäßen Ausführungsform ergibt sich wegen der seitlichen Abstützung, die durch die Trennwand (9) bewirkt wird, eine Verringerung der benötigten Dicken der Außenwände (6) und (8) der Fig. 2 auf etwa 2,0 mm bis 2,75 mm. In ähnlicher Weise können die inneren Trennwände auf 1,50 bis 1,75 mm verjüngt werden. Durch die Verringerung der Wanddicken aller Wände und Trennwände ist der Mehrverbrauch von Plastik oder Polypropylen, der sich für die Trennwand (9) ergibt, mehr als wieder wettgemacht.
Die Berechnung der Herstellungskosten muß auch Fabrikumstellungen usw. berücksichtigen. Die vorliegende Erfindung ist so gestaltet, daß Fabrikumgestaltungen nicht notwendig sind. Vielmehr kann die Batterie durch jeden guten Batteriehersteller ohne nennenswerte oder größere Fabrikänderungen hergestellt werden. Das Spritzgießen des Gehäuses und des Deckels können von denjenigen herkömmlicher Batterien abweichen. Der Spritzgußvorgang findet jedoch normalerweise getrennt von den Zusammenbauvorgängen statt, so daß sich keine Integrationsprobleme ergeben. Das Spritzgießen für die vorliegende Erfindung erfordert kein neues Material hinsichtlich Gewicht oder Volumen und kostet nicht mehr als etwa 10 % bis 20 % der Kosten der Herstellung einer herkömmlichen Batterie. Vergleicht man dies mit der Praxis, wonach in einem Fahrzeug zwei Batterien vorgesehen sind, ist ersteres natürlich wesentlich billiger.
Fig. 8 bezieht sich auf eine Batterie (1), wie sie bisher beschrieben wurde. Durch eine Erdleitung (18) ist die Batterie geerdet. Die Batterie hat zwei positive Leiter (19) und (20). Der positive Leiter (19) wird an den gemeinsamen Anschluß (21) des Zündschalters (22) gelegt. Der Zündschalter (22) kann einen zusätzlichen Anschluß (23) haben, der beispielsweise durch umgekehrtes Drehen des Schlüssels geschlossen werden kann und von dem aus sich ein elektrischer Leiter (25) erstreckt, der beispielsweise verwendet werden kann, um es zu ermöglichen, ein Radio laufen zu lassen, wenn der Schlüssel aus ist. Er kann eine elektrische Verbindung bereitstellen, wenn der Schlüssel in einer unverschlossenen Position ist. Der Leiter (36), der sich vom Anschluß (26) weg erstreckt, wird für die Hilfsgeräte und für die Zündschaltung des Motors verwendet, hierfür wird die Batterie (1) verwendet. Die Lichtmaschine ist direkt mit der Leitung (19) verbunden. Über Anschluß (27) wird über Leiter (28) dem Elektromagneten (31) Strom zugeführt, der dann aktiviert wird, um über Leiter (38) dem Anlasser (30) Strom zuzuführen. Zusätzlich kann Leiter (32) vorgesehen sein, er ist ein weiterer Starkstromleiter von der zweiten positiven Klemme. Ist dieser Leiter vorgesehen, schließt er wirkungsmäßig die zwei Teile der Batterie parallel, wodurch sich für den Anlassermotor (30) eine zusätzliche Stromkapazität ergibt. Wenn der Leiter (32) nicht vorgesehen ist, ist vorzugsweise ein temperaturempfindlicher Ausschalter (33) vorgesehen. Ein elektromagnetischer Schalter kann in der Leitung (34) vorgesehen sein, die sich zwischen einem weiteren Anschluß (35) des Zündschalters (22) und dem positiven Leiter (20) erstreckt. Es kann ein Auslöseschalter (39) vorgesehen sein, der beispielsweise durch die Bewegung des Gaspedals des Fahrzeugs betätigt werden kann, den Öldruckschalter, den Spannungsregler oder durch eine andere Größe, die mit dem Gaspedal gekoppelt ist, so daß der Schalter geschlossen wird, wenn das Gaspedal gedrückt wird. Schalter (39) muß vorgesehen sein, um das Wiederaufladen der Batterie während des Gebrauchs zu ermöglichen, es entfällt dadurch die Notwendigkeit für eine Diode in der Schaltung. Leiter (24) ist die Sammelleitung, die Strom an das Fahrzeugzubehör unabhängig vom Zündschalter liefert.
Fig. 9 zeigt die Konstruktion der Batterie (1), die in fast gleicher Weise mit Zündschalter (22) und positiven Leitern (19) und (20) versehen ist. Zwischen den positiven Leitern (19) und (20) ist eine Diode (37) vorgesehen, die das Wiederaufladen der zwei Teile der Batterie während des herkömmlichen Gebrauchs in etwa bekannter Weise ermöglicht, ohne daß der Schalter (36) oder Leiter (32) aus Fig. 8 vorgesehen sein müßten.
Somit ergibt sich, daß zumindest gemäß den bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen eine Batterie angegeben ist, in der dickere und dünnere Elektrodenplatten kombiniert sind, wobei die Dicke durch mehr oder weniger Schichten bestimmt ist, sie sind in Zellen strukturiert angeordnet, die eine gemeinsame Erdklemme, jedoch eine oder mehrere positive Klemmen haben, so daß sich mit einer entsprechenden elektrischen Beschaltung die Fähigkeit zur Entladungsverteilung der Zellen ergibt entsprechend Stromkennlinien, die entsprechend der Auswahl der Plattenstrukturdicken variabel sind. Es können sowohl trockene Elektrolyte als auch flüssige Elektrolyte oder eine Kombination der beiden verwendet werden.

Claims

1. Elektrische Schaltung für ein Kraftfahrzeug mit einer Batterie (1), welche einen Behälter (2) mit einer Vielzahl von Zellen (A-L) umfasst, wobei diese Vielzahl von Zellen (A-L) mindestens zwei Zellen (A, G) mit positiver Klemme und mindestens eine Zelle (L) mit negativer Klemme umfasst, wobei jede Zelle eine Vielzahl von abwechselnd positiven (10, 13) und negativen (11), voneinander getrennten und einen Zellenelernentenstapel bildenden Elektrodenplatten umfasst, jede dieser Platten aktives Material (16) aufweist, die positiven Elektrodenplatten (10, 13) des Zellenelementenstapels in jeder Zelle (A, G) mit positiver Klemme mit einer positiven Klemme (5, 5a) elektrisch verbunden sind, die negativen Elektrodenplatten des Zellenelementenstapels in der oder den Zelle(n) (L) mit negativer Klemme mit einem einzigen negativen Klemme (4) elektrisch verbunden sind, jede Elektrodenplatte jedes Zellenelementes ausser einer dieser Zellen mit Klemme mit der Elektrodenplatte ungleichnamiger Polarität in einer angrenzenden Zelle elektrisch in Reihe geschaltet ist, und die Zellen jeder Reihenschaltung (A-F; G-L) separate positive Klemmen (5, 5a) aufweisen; und mit einem Elektrolyten, der mit den positiven (10, 13) und negativen (11) Elektrodenplatten in jeder Zelle in Kontakt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen jeder Reihenschaltung (A-F, G-L) mit nur einer einzigen gemeinsamen negativen Klemme (4) elektrisch verbunden sind und die Elektrodenplatten (10,11) der einen Reihenschaltung (A-F) aus dickerem Plattenmaterial als die Elektrodenplatten (11, 13) der anderen Reihenschaltung (G-L) bestehen; wobei die Elektrodenplatten der einen Reihenschaltung (A-F) einer langsameren, tieferen, für die Hilfsstrom-Versorgungsschaltungen des Kraftfahrzeuges erforderlichen Entladung fähig sind, die Elektrodenplatten der anderen Reihenschaltung (G-L) einer schnellen, unvollständigen, für das Starten eines Verbrennungsmotors erforderlichen Entladung fähig sind, und das elektrische System des Kraftfahrzeugs zudem erstens ein mit der negativen Klemme (4) der Batterie verbundenes und an dem Kraftfahrzeug geerdetes Starkstromleiter-Kabel (18), zweitens ein mit einer oder mehreren positiven Klemmen (5, 5a) der Batterie verbundenes und mit einem ersten Stromschalter (31) verbundenes Stromleiterkabel (20), wobei dieser Stromschalter mit dem Motor (30) des elektrischen Starters des Kraftfahrzeuges verbunden ist, drittens ein mit einer oder mehreren der positiven Klemmen (5, 5a) der Batterie und mit den Hilfsschaltungen des Kraftfahrzeuges verbundenes Stromleiterkabel (19), viertens ein mit einer einzigen positiven Klemme, die nicht durch das zweite Stromleiterkabel (20) belegt ist, verbundenes elektrisches Stromleiterkabel, welches in der gleichen Schaltung liegt wie die Schaltungsleitung der Lichtmaschine des Kraftfahrzeuges, dann einen zweiten Schalter (39), und fünftens ein Stromleiterkabel, welches, von dem zweiten Schalter (39) ausgehend, mit der vom zweiten Stromleiterkabel (20) belegten Klemme verbunden ist, umfasst.

2. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher der zweite Schalter (39) durch das Drücken des Gaspedals des Kraftfahrzeuges eingeschaltet wird.

3. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, die zwischen den positiven Klemmen (5, 5a) anstelle des zweiten Schalters (39) eine Sperrdiode (27) mit einer Stromrichtung weg von der Schaltungsleitung der Lichtmaschine enthält.

4. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1 mit einem thermischen Überstrom-Schaltungsunterbrechungsschalter (33) zwischen den positiven Klemmen (5, 5a)

5. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Kontakt in dem Starkstromschalter (31) für den Motor des Starters vorgesehen ist, wobei dieser Schalter von mehr als einer positiven Klemme (5, 5a) der Batterie (1) mit Strom versorgt wird.

6. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher das elektrische System einen Zündschalter (22) aufweist und in diesem Zündschalter (22) eine weitere Klemme (35) enthalten ist, wobei diese weitere Klemme eine Verbindung zwischen den positiven Klemmen erstellt.

7. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher die elektrische Entladung oder Wiederaufladung der Batteriezellen durch die Betätigung druckempfindlicher Schalter, wie sie für Öldruckanzeige verwendet werden, bestimmt wird.

8. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher die Zellenreihe (A-F) mit dickerem Plattenmaterial weniger Platten pro Rauminhalt aufweist, wobei die Strombelastbarkeit gleich derjenigen der anderen Zellenreihe (G-L) mit den dünneren Platten ist.

9. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher die positiven Klemmen (5, 5a) in der Batterie (1) in nächster Nähe voneinander angeordnet sind.

10. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher wenigstens einige der Platten in der Batterie (1) zwei oder mehr Schichten enthalten.

11. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher der Elektrolyt in jeder Batteriezelle entweder einen absorbierten Elektrolyten oder einen trocknen Elektrolyten und einen als Flüssigkeit einzufüllenden Elektrolyten enthält.

12. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher die Batterieplatten durch einen Separator (13) getrennt sind, wobei die Separatoren mit Elektrolyten imprägniert sind und in trockenem Zustand eingesetzt werden.

13. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher jede Batterieschicht ein Gitter (15) umfasst, wobei zwischen jeder Schicht Verstärkungsmaterial (17) vorgesehen ist, so dass die Gitterstrukturen innerhalb jeder Zelle minimale oder keine Verstärkungszusätze erfordern.

14. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Batterie (1) für jede Zelle Belüftungslöcher isotonischer Gestaltung aufweist, wobei diese Belüftungslöcher mit Teflon bedeckt sind, um das Entrinnen von Flüssigkeit zu verhindern und das Entweichen und/oder die Rekombination von Gas zu ermöglichen.

15. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher der Elektrolyt in jeder Batteriezelle einen trocknen Elektrolyten umfasst.

16. Elektrische Schaltung nach Anspruch 1, bei welcher der Elektrolyt in jeder Batteriezelle einen als Flüssigkeit einzufüllenden Elektrolyten enthält.